【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 大小，可以實(shí)現(xiàn)變壓；其缺點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)的干擾大，而且整流得到的直流電壓諧波大，輸入功率因數(shù)低。而不可控整流的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)的干擾較小，整流得到的直流諧波小，電壓穩(wěn)定，因而輸入功率因數(shù)高；缺點(diǎn)是直流電壓不可控，要想控制輸出電壓值，只有通過(guò)后面環(huán)節(jié)（逆變器可以控制電壓大小）。本設(shè)計(jì)面向的是不需要頻繁制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)，所以選擇不可控二極管整流橋方式。濾波電路采用阻容方 式。逆變電路為三相全橋形式。 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 圖 1 交 直 交電壓型變頻主電路 逆變功率器件的選擇 功率器件應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和性能指標(biāo)來(lái)選擇，對(duì)于變頻調(diào)速系統(tǒng)，一方面要求開關(guān)頻率足夠高，另一方面要求有足夠的輸出容量，對(duì)比 SCR、 GTO、 BJT、GTR、 IGBT、 MOSFET、 MCT 等幾種常用的新型功率半導(dǎo)體器件， SCR 導(dǎo)通容易，但需強(qiáng)迫換流電路使其關(guān)斷； IGBT 具有自關(guān)斷能力，且有 GTR 的大容量和MOSFET 的驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)動(dòng)作快等優(yōu)點(diǎn)，是中小容量 最為流行的器件； MCT綜合了晶閘管的高電壓、大電流特性和 MOSFET 的快速開關(guān)特性，是極具有發(fā)展前景的大功率、高頻開關(guān)器件。對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，選擇 IGBT 較合適。 系統(tǒng)控制方案的確定 控制電路作為交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部分，在影響整個(gè)系統(tǒng)的性能方面占有極其重要的地位，而控制系統(tǒng)的性能又取決于其運(yùn)算速度和控制精度，這在某種程度上依賴于實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的電子芯片。 目前 ,人們常常使用專用的芯片如 TL49 SG3525 等來(lái)產(chǎn)生 PWM(脈沖寬度調(diào)制 ) 波形 ,并由其通過(guò)反饋信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) PWM 波形的寬度的調(diào)節(jié) ,從而獲得穩(wěn)定的輸出。當(dāng)控制電路設(shè)計(jì)完成后 ,就是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng) ,調(diào)節(jié)、控制方式不能再更改 ,系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)功能差。近幾年 ,基于微機(jī)控制的逆變系統(tǒng)主要采用單片機(jī)或 DSP (數(shù)字信號(hào)處理器 ) 控制。采用單片機(jī)的系統(tǒng)若使用定時(shí)器產(chǎn)生 PWM,由于中斷的特點(diǎn) ,使輸出的 PWM 的脈寬容易發(fā)生改變 ,從而影響輸出電壓的精度。如MCS51 系列 ,中斷響應(yīng)為 3～ 8個(gè)機(jī)器周期 ,用 6MHz的晶振 ,機(jī)器周期為 2μ s,逆變器工作頻率為 20 kHz,工作周期 50μ s ,則誤差范圍為 12 %～ 32 %。此外 ,單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性差 (96系列的機(jī)型也不能滿足要求 ),因此單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)一般需要外接產(chǎn)生 PWM的芯片 ,單片機(jī)主要用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)的工作及輸出顯示。專用交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 DSP 的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好 ,但靈活性差 ,通用的 DSP系統(tǒng)總體控制、協(xié)調(diào)性能不是很好 ,而且 DSP 開發(fā)過(guò)程比較復(fù)雜 , 開發(fā)工具價(jià)格昂貴。 可編程芯片尤其是 CPLD/ FPGA(復(fù)雜可編程邏輯器件 / 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 ) 具有通用性強(qiáng)、靈活性好的特點(diǎn) ,這些芯片可以用 VHDL (非常高速集成電路硬件描述語(yǔ)言 ) 進(jìn)行至頂向下的設(shè)計(jì)開發(fā) ,設(shè)計(jì)者不需要了解硬件的結(jié)構(gòu)就通過(guò)軟件編程用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的控 制器 ,系統(tǒng)的抗干擾性能優(yōu)于單片機(jī)系統(tǒng)。如 Altera 公司的可編程芯片 FLEX 10K,內(nèi)部具有嵌入式陣列塊 EAB ,可以方便的配置為乘法器以及微控制器 ,其邏輯陣列塊 LAB 可以獲得所需要的邏輯控制信號(hào)。此外 ,使用 CPLD/ FPGA 的控制器可以在不改變主電路的前提下通過(guò)重新編程就可以獲得不同的控制方式 ,從而提高和升級(jí)系統(tǒng)的性能。盡管 CPLD/ FPGA 在通訊領(lǐng)域應(yīng)用廣泛 ,但其逆變電源中的應(yīng)用只處于起步階段?？梢韵嘈?,采用可編程芯片控制的逆變系統(tǒng)是未來(lái)逆變系統(tǒng)研究的熱點(diǎn) ,尤其是在試驗(yàn)室進(jìn)行研究和開發(fā) ,更具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì) 。 本設(shè)計(jì)力求在電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的情況下，從經(jīng)濟(jì)、節(jié)能角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于 CPLD 的 SPWM 主控制電路，整個(gè)系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，利用復(fù)雜可編程邏輯器件（ CPLD）來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)控制電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)模擬、數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和調(diào)節(jié)算法，并把調(diào)節(jié)輸出信號(hào)作為 CPLD 的輸入控制信號(hào)對(duì) PWM 波進(jìn)行調(diào)制。這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，產(chǎn)生原理完全不同于傳統(tǒng)的方法，可以和微機(jī)配合使用，僅占用微機(jī)很少的時(shí)間，也可以做成完全獨(dú)立式，不占用微機(jī)任何資源?？刂齐娐返慕Y(jié)構(gòu)如圖 2 所示。 圖 2 系統(tǒng)控制電路框圖 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 圖 3 系統(tǒng)總體電路框圖 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 本設(shè)計(jì)所要完成的主要工作 課題的目標(biāo)是完成交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路和控制電路兩部分設(shè)計(jì)。所以，基于這種思想，本論文所做的工作包括以下幾個(gè)方面： （ 1）對(duì)交流電機(jī)的工作原理、運(yùn)行特性以及變頻調(diào)速原理進(jìn)行了解； （ 2）通過(guò)調(diào)研查找與本課題有關(guān)的資料，并進(jìn)行認(rèn)真的分析、消化； （ 3）在消化吸收的基礎(chǔ)上，根據(jù)本課題的特點(diǎn)，進(jìn)行方案論證并確定設(shè)計(jì)方案； （ 4）根據(jù)確定的方案，進(jìn)行主電路、控制電路（包括保護(hù)電路、觸發(fā)電路、反饋電路等）、繼電器、接觸器等電氣控制線路以及輔助直流電源的設(shè)計(jì)； （ 5）在設(shè)計(jì)當(dāng)中，學(xué)習(xí)可編程邏輯器件（ CPLD）及其相應(yīng)的軟件知識(shí)，為設(shè)計(jì)觸發(fā)電路做準(zhǔn)備；并學(xué)習(xí)常用畫圖軟件工具以及完成有關(guān)上交材料； （ 6）整體電路優(yōu)化和調(diào)試； （ 7）完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文和電氣原理圖。 本章小結(jié) 本章主要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，對(duì)系統(tǒng)主電路和控制 電路的幾種 可能實(shí)現(xiàn)的方案進(jìn)行充分的論證、分析，提出了系統(tǒng)采納的方案以及說(shuō)明選用該方案的原因，最終，系統(tǒng)主電路選用了交 直 交電壓型變頻主電路，控制電路利用模擬電路和數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，采用的是閉環(huán)控制，這樣，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，縮短了設(shè)計(jì)周期。 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 第三章 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 主電路工作原理 主電路由整流和逆變電路構(gòu)成。三相交流電源經(jīng)過(guò)三相全波整流、濾波、穩(wěn)壓，為逆變器提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的大容量直流電源，然后由大功率開關(guān)元件按脈寬調(diào)制（ PWM）方式，將直流逆變成可變頻率和電 壓的交流，供交流電動(dòng)機(jī)變速之用。主電路中大功率開關(guān)元件選擇 IGBT 模塊（ IGBT 即絕緣門極雙極晶體管），它集 VMOS 管和大功率達(dá)林頓晶體管特性優(yōu)點(diǎn)于一身，而無(wú)兩者的缺點(diǎn)，具有高電壓、大電流、低導(dǎo)通電阻、高速、高可靠、低開關(guān)損耗、低脈沖拖尾電流、對(duì)溫度不敏感等特性。 本課題選用的是交 直 交電壓型 PWM 變頻主電路，它包括不可控整流電路、濾波電路和三相橋式逆變電路以及能耗制動(dòng)電路。其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。 交 直變換電路 該變換電路的 任務(wù)是將電源的三相交流電變換為平穩(wěn)的直流電。 1. 整流電路 整流 電路因變頻電路輸入功率大小不同而異。對(duì)于小功率的，輸入電源多用單相 220V，整流電路用單相全波整流橋；對(duì)于大功率的，一般用三相 380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。本畢業(yè)設(shè)計(jì)中選用的是 11KW 的三相交流電動(dòng)機(jī)，其額定電流為 ，額定電壓為 380V,額定頻率為 50HZ,額定轉(zhuǎn)速為 1460 轉(zhuǎn) /分，屬于中小功率范圍。整流器件采用不可控的整流二極管或二極管模塊。如圖 4 所示。 2. 整流器件的一般選擇原則 1） 最大反向電壓 RMU mRM UU 2? ，式中 mU 是電源線電壓的振幅值 (3― 1) 2) 最大整流電流 VDMI 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 NVDM II 2? ，式中 NI 為變頻器的額定電流 (3― 2) 3) 整流輸出的平均直流電壓 dU 如果電源的線電壓為 LU ，則三相全波整流后平均直流電壓的大小 dU = U 。 (3― 3) 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 123456ABCD654321D C B ATitleNumberRevisionSizeBDate:10Jun2004Sheet of File:F:\電001談龍成\protel\MyDesign2.ddbDrawn By:D1D3 D6FUSE1FUSE2FUSE3L1 L2 L3C0 C1 C3C1 C2R1 R2RHHLReVdeR3D7C3R41KD8C4R5D9C5R7D11C7R8D12C8R61KD10C6MOTORRSTFU1RSVT3phaseQIGBTIGBTIGBTIGBTIGBTIGBTIGBTGND GND GNDP NV1V3V4V6V5 V2D4VeD2D5FU2圖4 系統(tǒng)主電路原理圖交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 中間直流電路 它包括吸收由整流器、逆變器回路產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的濾波電路（也稱儲(chǔ)能回路）以及限流電路。 濾波電路 由于整流電路輸出的整流電壓中含有 6 倍電源頻率的脈動(dòng)直流電壓，而逆變器采用 PWM 控制方式（由逆變器同時(shí)完成 VVVF） ,要求中間直流電路是電壓源型 , 所以一般采用電容器濾波。中間直流電路除起濾波作用外，還必須在整流器與逆變器之間起耦合作用，以消除相互干擾，這就要求給作為感性負(fù)載的電動(dòng)機(jī)提供必要的無(wú)功功率。可見，中間直流電路的電容除起濾波作用外，還起儲(chǔ)能作用，因而它的電容量必須較大，所以，又稱儲(chǔ)能電容器。本課題中使用兩個(gè)大電容器 1C 、 2C ；又由于電解電容的電容量有較大的離散性，故電容器 1C 、 2C 電容量不能完全相等，這將使它們承受的電壓 1dU 和 2dU 不相等，為了使 1dU 和 2dU 相等，在 1C 和 2C 旁各并一個(gè)阻值相等的均壓電阻 1R 和 2R 。 2. 限流電路 圖 4 中，串接在整流橋和濾波電容器之間，由限流電阻 sR 和可控硅 VT 組成的并聯(lián)電路。 1) 限流電阻 sR 變頻電路在接入電源之前，由于儲(chǔ)能電容較大，濾波電容上電壓 dU =0，故接入電源瞬間勢(shì)必產(chǎn)生很大的沖擊電流經(jīng)整流橋流向?yàn)V波電容，此時(shí) dtdi 很大，可能使整流橋受到損壞；也可能使電源 瞬間電壓下降，形成干擾。為限制該沖擊電流，有必要在整流橋的輸出端和濾波電容器之間串入一個(gè)限流電阻 sR 。 2)可控硅 VT 當(dāng)電路正常工作是，如將此限流電阻長(zhǎng)時(shí)間接在電路中，會(huì)引起附加損耗和整流輸出直流電壓以及逆變器輸出電壓的不穩(wěn)定。所以，當(dāng)電容兩端的電壓增加到額定電壓的 70%時(shí)，觸發(fā)可控硅，將電阻 sR 切除電路，并使一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。觸發(fā)可控硅 VT 的電路可設(shè)計(jì)如圖 5 所示。 圖 5 可控硅觸發(fā)電路 圖中，通過(guò)調(diào)節(jié) 1P 來(lái)設(shè)定基準(zhǔn)電壓。并同主回路 P 點(diǎn)電壓相比較，當(dāng) P 點(diǎn)交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器 LM331 輸出高電平，在通過(guò)光耦 TLP741 進(jìn)行隔離放大，使 VT 導(dǎo)通。 直交變換電路 1. 逆變器 其功能是把直流電壓逆變成頻率可調(diào)的交流電壓。在圖 4 中，有開關(guān)器件 1V ~ 6V 構(gòu)成的電路。 1V ~ 6V 的器件接受控制電路中的 PWM 調(diào)制信號(hào)的控制，將直流電壓逆變成三相交流電壓。本設(shè)計(jì)中，采用了由開關(guān)元件 IGBT構(gòu)成的三相橋式逆變電路，由于 IGBT 具有 GTR 的大容量和 MOSFET 的開關(guān)動(dòng)作快、驅(qū)動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展很快，備受青睞，在電機(jī)控制和開關(guān)電源領(lǐng)域中有著廣泛的前景。 2. 續(xù)流電路 由圖 4 中的 61 ~DD 構(gòu)成。其功能為 1)為電動(dòng)機(jī)繞組的無(wú)功電流返回直流回路時(shí)提供通路； 2)頻率下降，從而同步頻率下降時(shí)，為電動(dòng)機(jī)的再生電能反饋至直流電路提供通路。