【文章內(nèi)容簡介】 的 情 況 下 ， 從 而 可 以 通 過 改變 電 動 機(jī) 工 作 電 源 頻 率 達(dá) 到 改 變 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 的 目 的 。在 進(jìn) 行 電 機(jī) 調(diào) 速 時 ， 通 常 需 要 考 慮 到 的 一 個 重 要 因 素 是 ， 希 望 保 持 電 機(jī)中 每 極 磁 通 量 為 額 定 值 ， 并 且 保 持 其 不 變 。 如 果 磁 通 太 弱 的 話 ， 則 電 機(jī) 就 會出 現(xiàn) 欠 勵 磁 的 想 象 ， 從 而 將 會 影 響 電 機(jī) 的 輸 出 轉(zhuǎn) 矩 ， 由 （ ）2??COSIKTM?三相交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計2（ 式 中 Tm ： 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 ， Kt： 比 例 系 數(shù) ， ： 主 磁 通 ， I2： 轉(zhuǎn) 子 電 流 ，M?:轉(zhuǎn) 子 回 路 功 率 因 素 )， 可 知 ， 電 機(jī) 磁 通 的 減 小 ， 勢 必 會 使 電 動 機(jī) 的 轉(zhuǎn)2?COS矩 減 小 。由 于 在 電 動 機(jī) 設(shè) 計 時 ， 電 動 機(jī) 的 磁 通 常 處 于 接 近 飽 和 值 ， 如 果 進(jìn) 一 步 增大 磁 通 ， 將 使 電 動 機(jī) 鐵 心 出 現(xiàn) 飽 和 ， 從 而 導(dǎo) 致 電 動 機(jī) 中 流 過 很 大 的 勵 磁 電 流 ，增 加 電 動 機(jī) 的 鐵 損 耗 和 銅 損 耗 ， 嚴(yán) 重 時 會 因 繞 組 過 熱 而 損 壞 電 動 機(jī) 。 因 此 ，在 改 變 電 動 機(jī) 的 頻 率 時 ， 應(yīng) 對 電 動 機(jī) 的 電 壓 進(jìn) 行 協(xié) 調(diào) 控 制 ， 以 維 持 電 動 機(jī) 磁通 的 恒 定 。 而 在 本 設(shè) 計 中 我 用 到 的 用 來 改 變 電 動 機(jī) 電 壓 的 是 SPWM， 它 輸 出的 波 形 很 接 近 與 正 弦 波 ， 在 下 文 中 我 將 會 對 其 進(jìn) 行 比 較 詳 細(xì) 的 說 明 。 變頻調(diào)速系統(tǒng)電路總體設(shè)計 三相交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路由整流，濾波，逆變，控制和驅(qū)動 5 部分組成，如圖 所示。整流部分采用二極管整流，輸入電流和輸出電壓相位比沒有滯后，一般認(rèn)為功率因數(shù)為 1，而實際上由于諧波的存在，輸入回路的總功率因數(shù)小于 1，三相交流電壓經(jīng)整流濾波后變?yōu)橹绷麟妷簛砉┠孀儾糠质褂?。為了避免制動過程中母線過壓，直流側(cè)電容并聯(lián)一個 IGBT 和能耗電阻R1，MC3PHAC 對制動過程進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)直流母線電壓超過一定值時，由于系統(tǒng)對調(diào)速制動時間有一定的要求，所以在負(fù)載電動機(jī)由電動狀態(tài)變?yōu)橹苿訝顟B(tài)時，IGBT 導(dǎo)通，電動機(jī)反饋的能量消耗在 R1 上。另外 MC3PHAC 可以控制電機(jī)減速時間，進(jìn)行自動減速控制，DC_BUS 引腳電壓超過一定值時，MC3PHAC 自行調(diào)整降速過程，避免降速過程中由于再生能量對器件造成的損壞。系統(tǒng)驅(qū)動模塊采用 International Rectifier 公司生產(chǎn)的 6 輸出高壓柵極驅(qū)動器IR2133。該電路基于自舉驅(qū)動方法，采用動態(tài)溝道技術(shù)，最大偏置電壓為1200V，IR2133 具有 6 路輸入信號和 6 路輸出信號，其中 6 路輸出信號中的 3路具有電平轉(zhuǎn)換功能，可直接驅(qū)動高壓側(cè)的功率器件。該驅(qū)動器可與主電路共地運行，且只需要一路控制電源，克服了常規(guī)驅(qū)動器需要多路隔離電源的缺點，大大簡化了硬件設(shè)計。 高邊自舉電路是基于正常 PWM 操作時高、低側(cè)功率開關(guān)管輪流導(dǎo)通、截止的工作。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)功率開關(guān)管導(dǎo)通時，固定電源通過一個二極管對自舉電容 C 充三相交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計3電。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)功率開關(guān)管關(guān)斷時，自舉電容 C 所充電壓成為一個懸浮電源，作為高壓側(cè)功率開關(guān)管的驅(qū)動電源。當(dāng)電機(jī)停了一段時間后，高邊自舉電容充的電已經(jīng)耗盡，必須重新充滿電，才能進(jìn)行 PWM 的操作。為了適應(yīng)這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，MC3PHAC 在每次電機(jī)開啟時將提供 100ms 的脈沖到低邊晶體管，由于高邊的晶體管此時處于關(guān)閉狀態(tài)，電機(jī)電壓仍為 0V。過了這段時間后，PWM 驅(qū)動正常工作。 逆變部分采用相匹配的晶體管，由于此系統(tǒng)應(yīng)用于小功率三相交流電機(jī)控制，晶體管可以采用 MOSFET 或者 IGBT 作為逆變元件。MOSFET 驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，工作可靠，無二次擊穿，但是電流容量小，耐壓低。另外，系統(tǒng)采用的 IR2133 驅(qū)動電路為單電壓驅(qū)動，MOSFET 可以在零偏壓有效關(guān)斷，無需負(fù)偏壓關(guān)斷。IGBT 耐壓高，電流容量大，在實際應(yīng)用中，為了使 IGBT 有效關(guān)斷，通常要加5V 的關(guān)柵電壓，防止關(guān)斷時的誤動作，這樣會增加驅(qū)動電路的復(fù)雜性，最近 IR 公司開發(fā)出了新型的NPTIGBT 能夠有效解決此系統(tǒng)存在的問題，它無需負(fù)偏壓就可有效關(guān)斷，且和IR2133 能夠有效兼容，簡化了系統(tǒng)電路復(fù)雜性。因此，在小功率調(diào)速系統(tǒng)中MOSFET 和 NPTIGBT 都可以作為逆變橋的開關(guān)管。三相交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計43 主電路的設(shè)計 主電路介紹變頻調(diào)速實際上是向交流異步電動機(jī)提供一個頻率可控的電源。能實現(xiàn)這個功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交 直 交方式，先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變）。在本設(shè)計中采用圖 的主電路，這也是變頻器常用的格式。圖 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路三相橋式整流電路把 380V 的三相交流電整流成直流電。圖 中的繼電器和電阻 Ra 是上電緩沖電路，主要用主電源剛上電時來抑制尖峰電壓，當(dāng)電源上電時，繼電器斷開，電源則經(jīng)過電阻 Ra 向電容充電，這樣就能達(dá)到限制上電電流的作用，一旦電壓上升到 80％以后，繼電器才閉合，這時 R。短路。電容則用來消除直流電源的紋波。電阻 Rb 和指示燈是用于指示電源是否上電以及在放電時電路是否已經(jīng)完成放電。放電電路由晶體管 V0 和電阻 Rc 組成。當(dāng)主電路電源斷開后，晶體管 V0 打開。電容 C。存貯的電量經(jīng)電阻 Rb 放電。目三相交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計5前用于變頻調(diào)速的功率管有晶闡管 GTO、大功率場效應(yīng)管 MosⅢr 、電力晶體管 BJT、IGI 玎和智能 If； BT 模塊 IPM 等。IGBT 結(jié)合了 BJT 和 MOSFET 的特性所混合以后發(fā)展出來的一種新元件。特性也就介于其 2 種元件之間，輸入特性有 MOSFET 的特點，驅(qū)動容易而輸出特性具有電力晶體管的特性，具有耐高壓及放大電流的特性，并且同時具有低導(dǎo)通電壓降，其切換的速度又大大地提升，在承受短路的能力方面，更加超越了 MOSFET。IGBT 功率應(yīng)用的范圍從幾千瓦(kw)到數(shù)百萬千瓦(MW) 。 整流電路整流電路是把交流電變換為直流電的電路。目前在各種整流電路中，應(yīng)用最廣泛的是三相橋式全控整流電路，三相橋式全控整流電路每個時刻均需 2 個二極管導(dǎo)通，而且這兩個二極管一個是共陰極組，一個是共陽極組，只有它們能同時導(dǎo)通，才能形成導(dǎo)電回路。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，其原理如圖 3。2 所示。圖 三相橋式全控整流電路 二極管的 選擇 1）輸出電流的計算：選擇功率模塊時，需要考慮到電機(jī)的過載要求，其中設(shè)定 λm=，IN=89。則功率器件的電流定額為 （31）式中：（~2 ）――表示安全裕量三相交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計6 (2）輸出電壓的計算：如我們所知，空載時，輸出電壓平均值最大，為Ud=2。 45U2。隨著負(fù)載加重，輸出電壓平均值減小，至 Irc= 進(jìn)入 Id 連續(xù)情況后，輸出電壓波形成為線電壓的包絡(luò)線，其平均值 Ud=?？梢?，Ud 在 2 。34U2~2。45U2。之間變化。而我所設(shè)計的整流電路中，所給定輸入電壓是國家電網(wǎng)電壓 220v，頻率固定為 50Hz。所以輸出的電壓： Ud=~=(—)*380=。(3）二極管承受的電壓： 二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為 .=*380=931V。 根據(jù) 根據(jù)上述計算，選取二極管元件 KP600—10，計 6 只。 濾波電容的選擇取 ，其耐壓 。綜合考慮濾波電容的體積、價格FC?40?VU93162?和濾波效果，結(jié)合經(jīng)驗，在變頻器的濾波環(huán)節(jié)處采用了兩個濾波電容：2 只2200 、耐壓在 500V 以上的電容器并聯(lián)使用。我這個設(shè)計中是用的上海威斯康電氣有限公司的產(chǎn)品。 三相逆變電路的設(shè)計 在三相逆變電路中，應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路，采用 IGBT 作為開光器件的電壓型三相橋式逆變電路如下圖 所示。圖 三相電壓型橋式逆變電路 三相交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計7三相電壓型 PWM 逆變電路只要實現(xiàn)功能就是將直流電壓變換成交流電壓。圖 1 中 U、V、M 三相的 PWM 控制通常公用一個三角波載波 ，三相調(diào)制信號cu、 、 一次相差 。U、V、W 各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)rurrW012以 U 相為例。當(dāng) 時，給上橋臂 以導(dǎo)通信號，給下橋臂 以關(guān)斷信號，則 Ur?cu1 4V相相對于直流電源假想中點輸出電壓 。2/1dUNu?當(dāng) 時，給 以導(dǎo)通信號，給 以關(guān)斷信號，則 。rU?c4V 2/1dUNu??但 與 的驅(qū)動信號始終是互補(bǔ)的，當(dāng)給 （ ）加以導(dǎo)通信號時，可能 （1V4 14V1V）導(dǎo)通，也可能是二極管 續(xù)流導(dǎo)通，這是有阻感負(fù)載中電流方向決)(41D定，這就是三相橋式電路的雙極型調(diào)制特性。由上分析， 的波形是幅值為1UNu的矩形波，V、M 兩相情況跟 U 相類似。所以負(fù)載線電壓 、 、2/dU VUW為Wu負(fù)載相電壓 、 、 為UVuWUu負(fù)載中點和電源中點間電壓為 )(31)(3111 WNVUNWVNUN uuu ????負(fù)載三相對稱時有 ，于是 。0?)(1111 NV?所以 也是矩形波，其頻率為 的 3 倍，幅值為其 ，即 。1Nu1UN/6/d三相交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計8三相逆變輸出的電壓與電流分析類似，負(fù)載參數(shù)已知，以 U 相為例，負(fù)載的阻抗角 不一樣， 的波形形狀和相位都有所不同，在阻感負(fù)載下?Ui時， 從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時，因負(fù)載電感中電流不能突變， 先導(dǎo)通3??1V 4VD續(xù)流，待負(fù)載電流降為零， 才開始導(dǎo)通。負(fù)載阻抗角 越大， 導(dǎo)通時