【正文】 2022 年 6 月 湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)誠 信 承 諾 書本人慎重承諾和聲明：所撰寫的《交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計》是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下自主完成，文中所有引文或引用數(shù)據(jù)、圖表均已注解說明來源，本人愿意為由此引起的后果承擔(dān)責(zé)任。 二、進(jìn)度安排及完成時間： （1）第一至第三周：查閱資料,撰寫文獻(xiàn)綜述和開題報告。 （5）第十周至第十二周：元器件選型及參數(shù)計算；軟件設(shè)計；系統(tǒng)應(yīng)用與調(diào)試說明。本文在控制上采用 恒控制，同時，軟件程序使得參數(shù)的輸入和變頻器運(yùn)行方式的改變極為方便，新型集成元件的采用也使得它的開發(fā)周期短。大家都知道，目前，無論哪種機(jī)械調(diào)速，都是通過電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。因此人們希望，讓簡單可靠廉價的籠式交流電機(jī)也像直流電動機(jī)那樣調(diào)速。變頻調(diào)速被認(rèn)為是一種理想的交流調(diào)速方法。20世紀(jì)70年代以后，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)步，開始出現(xiàn)了通用變頻器。交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計2所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管 GTR、絕緣柵雙極型晶體管 IGBT)將 50Hz 的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅等寬和 SPWM 變頻。逆變環(huán)節(jié)為三相 SPWM 逆變方式。在這一領(lǐng)域的研制、生產(chǎn)方面，220KW 功率以上的變頻器基本被歐、美等國家壟斷，如德國的西門子(SIEMEN)、丹佛斯( DANFOSS)，美國的 公司、歐洲的 ABB 等。 變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢在進(jìn)入21世紀(jì)的今天，電力電子器件的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅）,使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)；并制造出體積小、容量大的驅(qū)動裝置；永久磁鐵電動機(jī)也正在開發(fā)研制之中。除此以外，變頻器有與電動機(jī)一體化的趨勢，使變頻器成為電動機(jī)的一部分，可以使體積更小，控制更方便。這些發(fā)電設(shè)備的最大特點(diǎn)是容量小而分散，將來的變頻器就要適應(yīng)這樣的新能源，既要高效，又要低耗。作為動力的鼠籠電動機(jī)，是不需要調(diào)速的。但是由于直流電動機(jī)本身有機(jī)械換向器，給直流調(diào)速系統(tǒng)造成一些固有的、難于解決的問題。能完成各種復(fù)雜信號和信息處理的集成芯片的出現(xiàn)，如能產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號的專用集成電路以及各種單片機(jī)和計算機(jī)系統(tǒng)用的微處理器和接口芯片的大量問世，為高質(zhì)量的控制創(chuàng)造了良好的條件。 本次設(shè)計方案簡介 變頻器主電路方案的選定變頻器最早的形式是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組作為可變頻率電源，供給交流電動機(jī)。由于中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。它根據(jù)直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種：（1）電流型變頻器電流型變頻器的特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器。由于交直交型變頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器，所以本次設(shè)計中選用此種間接變頻器，在交直交變頻器的設(shè)計中，雖然電流型變頻器可以彌補(bǔ)電壓型變頻器在再生制動時必須加入附加電阻的缺點(diǎn)，并有著無須附加任何設(shè)備即可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的四象限運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點(diǎn)，在本次設(shè)計中采用電壓型變頻器。整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動的直流電，必須加以濾波。逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。這些信號經(jīng)過光電隔離后去驅(qū)動開關(guān)管的關(guān)斷。 異步電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子圖圖 中：——定子的相電壓；1.U——定子的相電流；１Ｉ. ——定子每相繞組的電阻和漏抗；１１ 　 、 　 xr、 、 分別是轉(zhuǎn)子電路產(chǎn)生的電動勢、電流、漏電抗；sE2SIX2——每相定子繞組反電動勢，它是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生的。由于定子、轉(zhuǎn)子回路的頻率、繞組、匝數(shù)不同，故必須進(jìn)行折算。22I???、 Ｅ 　 、 ｒ 　 、 Ｘ 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩（1）電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式（22） 式中 的單位為 KW； 的單位是 ；Ｔ的單位是 。異步電動機(jī)工作在額定電壓、額定頻率)(sfT?下，由電動機(jī)本身固有的參數(shù)所決定的 曲線，叫做電動機(jī)的自然機(jī)械特性。對應(yīng)這一點(diǎn)的轉(zhuǎn)速 ＝0（ｓ＝1），電磁轉(zhuǎn)矩稱起動轉(zhuǎn)矩 ，起動是帶負(fù)載的能力一般用起動倍數(shù)來n st?表示，即 。 、 根據(jù)式（2－3）用求極值的辦法ss求出，即：由 ＝0，可得：dsT　　　 　　　　　　　 　 （2－4）　 　 （2－5）電動機(jī)正常運(yùn)行時，需要有一定的過載能力，一般用 表示，即m? （2－6）普通電動機(jī)的 ＝～，而對某些特殊用電動機(jī)，其過負(fù)載能力可以更m?高一些。特別是研究變頻s后的電動機(jī)機(jī)械特性， 、 就顯得尤其重要。sttNTK?211()Krrxx??????21211233()4[()]pUpUffr????KmNT??交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計11交流異步電動機(jī)是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機(jī)類型。電機(jī)磁場轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用 表示：0n （27）式中： 為三相交流電源頻率，一般是 50Hz； 為磁極對數(shù)。 變頻調(diào)速的控制方式及選定 壓頻比恒定控制比恒定控制是異步電動機(jī)變頻調(diào)速中最基本的控制方式。在變頻調(diào)速的過程中，當(dāng)電動機(jī)電源的頻率發(fā)生變化時，電動機(jī)的阻抗將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機(jī)出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強(qiáng)。e?由式(210)推斷，若 不變，當(dāng)定子電源頻率 增加，將引起氣隙磁通 減??；1E1f m?而由式(211)可知， 減小又引起電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 減小，這就出現(xiàn)了頻率增加，而me?負(fù)載能力下降的情況。由式(210)可知，要保持 不變，當(dāng)頻率 從額定值 向下調(diào)節(jié)時，必須同時m?1fNf降低 ,使1E=常值只要保持 為常數(shù)，就可以達(dá)到維持磁通恒定的目的。由于 比恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當(dāng)頻率較低時， 與 都變小，1定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能再忽略。臨界轉(zhuǎn)矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動機(jī)定子的磁通量 保持恒定，調(diào)m?速時就要求感應(yīng)電動勢 與電源頻率 的比值不變，為了使控制容易實(shí)現(xiàn)，采用電源1E1f電壓 來近似代替，這是以忽略定子阻抗壓降作為代價，當(dāng)然存在一定的誤差。因?yàn)槎ㄗ幼杩箟航邓嫉谋壤?UE?1EVfffn01n2022nff?02T1nT50nZfH?交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計14增大，使得實(shí)際上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢 減小， 的比值減小，造成磁通量 減小，1Em?因而導(dǎo)致電動機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩的下降。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)膲侯l比控制特性示于圖 中的 b 線，無補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a 線。這種調(diào)速方式下，NU轉(zhuǎn)子升高時轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。這是因?yàn)?f電動機(jī)繞組的絕緣強(qiáng)度限制了電源電壓不能超過電動機(jī)的額定電壓，所以，磁通量將隨著頻率 的升高反比例下降。其原因一方面是低速時定子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿足，所以仍按 比恒定控制就不能保持電機(jī)磁通恒定，而電機(jī)磁通的減小勢必會造成電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小。雖然這種方法可以提高調(diào)速精度，但是它需要使用速度傳感器來求取轉(zhuǎn)差角頻率，還要針對具體電機(jī)的機(jī)械特性調(diào)整控制參數(shù)，因而此方法的通用性較差。雖然這一理論的提出是交流傳動理論上的一個飛躍，但是由于它既要確定轉(zhuǎn)子的磁鏈，又要進(jìn)行坐標(biāo)變換，還要考慮轉(zhuǎn)子參數(shù)變動帶來的影響，所以系統(tǒng)非常復(fù)雜。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動上。從以上的分析可看出， 控制常用于速度精度要求不十分嚴(yán)格或負(fù)載變動較小的場合。能實(shí)現(xiàn)這個功能的裝置稱為變頻器。整流后的電61VD?壓為 = =380V=513V。S在許多下新型的變頻器中， 已有晶閘管替代。為制動電阻，在變頻器的交流調(diào)速中，電動機(jī)的減速是通過降低變頻器的輸出BR頻率而實(shí)現(xiàn)的，在電動機(jī)減速過程中，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降過快時，電動機(jī)將處于發(fā)電制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要回饋到直流電路中，使直流電路電壓（稱泵升電壓）不斷上升，導(dǎo)致變頻器本省過電壓保護(hù)動作，切斷變頻器的輸出。續(xù)流二極管 的作用是：當(dāng)逆變開關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，雖然電壓突然127D變?yōu)榱?，但是由于電動機(jī)線圈的電感作用，儲存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動。當(dāng)逆變管關(guān)斷時， 迅速上升， 迅速降低，過高增ecI長的電壓對逆變管造成危害，所以通過在逆變管兩端并聯(lián)電容（ ）來減小電061C?壓增長率。放電時，通過電阻放電，實(shí)現(xiàn)緩沖功能。本設(shè)計中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，功率因數(shù)接近于 1，由于整流電路原理比較簡單，設(shè)計中不再做詳細(xì)的介紹 [5]。Dab可以看到在交流電變化的一個周期中，一個臂中的兩個開關(guān)如： 、 交替導(dǎo)通，1S2每個開關(guān)導(dǎo)通 電角度。32?當(dāng) 、 閉合時， 為正； 、 閉合時， 為負(fù)。a) 結(jié)構(gòu)圖 b) 開關(guān)的通斷規(guī)律 c) 波形圖 三相逆變器原理圖觀察6個開關(guān)的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點(diǎn)：①各橋臂上的開關(guān)始終處于交替打開、關(guān)斷的狀態(tài)如 、 。DU 主電路參數(shù)計算根據(jù)前面所給出的原始參數(shù)，主電路各部分的計算如下 [6]：（峰值電流）= = =（有效值）= =二極管額定電流值 =（～2）Id/=～額定電壓值 =（2～3） =（2～3） 380=～系統(tǒng)采用三相不控整流，經(jīng)濾波后 = 380=。MOSFET 屬于單極型器件，具有開關(guān)頻率高、沒有二次擊穿現(xiàn)象、元件并聯(lián)運(yùn)行容易、23?2?2?2dB?交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計23控制功率小的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻大，耐壓水平不容易提高。由于 IGBT 在設(shè)備中所占成本比例較高，所以掌握好 IGBT 的特性和正確的使用方法，盡量減少 IGBT 模塊的損壞以降低開發(fā)成本和提高整機(jī)可靠性，就成為設(shè)計者和使用者 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要參數(shù)、特性等在電力電子書本里已經(jīng)有詳細(xì)介紹，在這里不在贅述 [7]。(2)隨著柵極反向電壓 的增加，集電極浪涌電流減小，而關(guān)斷損耗變化不大，?IGBT 的運(yùn)行可靠性提高。(2)IGBT 存在 ～6V(T=25 C)的柵極開啟電壓，驅(qū)動信號低于此開啟電壓時，器?件是不導(dǎo)通的。對無短路保護(hù)的驅(qū)動電路而言，驅(qū)動電壓高一些有好處，可使器件在各種過流場合仍工作于飽和狀態(tài)。另外，為減小開通損耗，要求柵極驅(qū)動信號的前沿要陡。器件關(guān)斷時，驅(qū)動電路應(yīng)提供低阻抗的放電通路。器件的電流、電壓額定值越大，其輸入電容就越大。柵極電阻過GR小，關(guān)斷時間過短，關(guān)斷時產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高，會對器件造成損壞，所以柵極電阻的下限受到器件的關(guān)斷安全區(qū)的限制。(6)驅(qū)動電路和控制電路之間應(yīng)隔離。(7)輸入輸出信號傳輸盡量無延時。其目的是避免快速關(guān)斷故障電流造成過離的 。(10)在出現(xiàn)短路、過流的情況下，能迅速發(fā)出過流保護(hù)信號，供控制電路處理。其中輸入隔離電路由高速光電耦合器組成,可隔離交流 2500V 的信號。其中 ERA3410 是快速恢復(fù)二極管。設(shè)計控制電路如下： 驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅(qū)動信號。脈寬調(diào)制技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用，對現(xiàn)代電力電子技術(shù)、現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。實(shí)際工程中目前主要采用的PWM技術(shù)是正弦PWM(SPWM)，這是因?yàn)樽冾l器輸出的電壓或電流波形更接近于正弦波形。脈寬調(diào)制指的是通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。當(dāng)調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時，開關(guān)器件導(dǎo)通，當(dāng)調(diào)制波的幅值小于載波的幅值時，開關(guān)器件關(guān)斷。第三代絕緣柵雙極型晶體管IGBT 的工作頻率可達(dá) 30KHz，用 IGBT 作為逆變開關(guān)管，載波頻率可以大幅度提高，從而使正弦脈寬調(diào)制波更接近正弦波。若用單片機(jī)直接產(chǎn)生 SPWM 信號，由于需要通過計算確定正弦脈寬調(diào)制波的寬度，使 SPWM 信號的頻率及系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)都較慢。 SPWM 波生成芯片特點(diǎn)和引腳功能 的特點(diǎn)全數(shù)字控制，兼容 Intel 等多系列單片機(jī)，輸入調(diào)制波頻率范圍 0～4kHz，16 位調(diào)速分辯率，載波頻率最高可達(dá) 24kHz，內(nèi)部 ROM 固化 3 種可選波形，最小脈寬和延時時間可調(diào)，可單獨(dú)調(diào)整各相輸出以適應(yīng)不平衡負(fù)載，具備看門狗定時器功能等。SET TRIP：通過該引腳，可以快速關(guān)斷全部 SPWM 信號輸出，高電平有效。當(dāng) MUX 為高電平時，使用地址和數(shù)據(jù)共用的總線，這時，地址/數(shù)據(jù)管腳 RS 不用；當(dāng) MUX 為低電平時，使用地址和數(shù)據(jù)分開的總線，這時，地址鎖存器 ALE 接低電平，RS 引腳要與一條地址線相連，來區(qū)分輸入的字節(jié)是地址（低電平） ，還是數(shù)據(jù)（高電平） ，通常先地址后數(shù)據(jù)。VDD：供電電源正端(+5V)。以上引腳都是標(biāo)準(zhǔn) TTL 輸出，每一個輸出都有 12mA 的驅(qū)動能力，可以直接驅(qū)動光耦。RS：寄存器選擇端?？撮T狗定時器用來防止程序跑飛，當(dāng)條件滿足時快速封鎖輸出。控制寄存器是在工作過程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進(jìn)一步控制交流電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，通常在工作時，該寄存器的內(nèi)容常被改寫，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時對交流電動機(jī)的速度進(jìn)