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正文內(nèi)容

畢業(yè)設(shè)計(jì)-通用變頻器的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2025-01-08 18:15 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 中間直流環(huán)節(jié): 由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī),屬于感性負(fù)載。無(wú)論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電制動(dòng)狀態(tài),其功率因數(shù)總不會(huì)為 1。因此,在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)無(wú)功功率的交換。這種無(wú)功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件來(lái)緩沖。所以又稱其為中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。 控制電路控制: 電路常由運(yùn)算電路、檢測(cè)電路、控制信號(hào)的輸入、輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等。控制方法可以采用模擬控制或數(shù)字控制。 變頻器的分類(lèi) 1. 按直流電源 的性質(zhì)可分為:電流型變頻器和電壓型變頻器。 2. 按輸出電壓調(diào)節(jié)方式可分為: PAM 方式與 PWM方式。 3. 按控制方式可分為: U/F 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制及矢量控制。 4. 按主令開(kāi)關(guān)器件為: SCR, BJT, GTO 和 IGBT 變頻器。 正弦脈寬調(diào)制( SPWM)技術(shù) 我們期望變頻器輸出的電壓波形是純粹的正弦波形,但就目前的技術(shù),還不能制造功率大、體積小、輸出波形如同正弦波發(fā)生器那樣標(biāo)準(zhǔn)的可變頻變壓的逆變器。目前很容易實(shí)現(xiàn)的一種方法是:逆變器的輸出波形是一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形,這些波形與正弦波等效,等效的原則是每一區(qū)間 的面積相等。如果把一個(gè)正弦半波分作 n等分,然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替,矩形脈沖的幅值不變,各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合。這樣,有 n個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效,稱為 SPWM 波形。 SPWM 波形如圖 210所示: 16 ω tω tuu00( a )( b ) 圖 2 10 與正弦波等效的等幅脈沖序列波 產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波 SPWM 的原理是:用一組等腰三角形波與一個(gè)正弦 波進(jìn)行比較,如圖 所示,其相交的時(shí)刻 (即交點(diǎn) )作為開(kāi)關(guān)管“開(kāi)”或“關(guān)”的時(shí)刻。正弦波大于三角波時(shí),使相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通;當(dāng)正弦波小于三角載波時(shí),使相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件截止。 + 10 1+ 1 10 圖 2 11 SPWM控制的基本原理圖 單極性 SPWM控制技術(shù) 采用單極性控制時(shí)在正弦波的半個(gè)周期內(nèi)每相只有一個(gè)開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通或關(guān)斷,例如 A 相的 V1反復(fù)通斷,如圖 212 所示。這時(shí)的調(diào)制情況是:當(dāng)正弦調(diào)制波電壓高于三角載波電壓 時(shí),相應(yīng)比較器的輸出電壓為正電平,反之則為零電平。只要正弦調(diào)制波的最大值低于三角載波的幅值,由圖 212(A)的調(diào)制結(jié)果必然形成圖 212(B)所示的等幅不等寬而且兩側(cè)窄中間寬的 SPWM 脈寬調(diào)制波形。負(fù)半周用同樣的方法調(diào)制后再倒相而成。 17 u0ttu0S P W M 波調(diào) 制 波載 波( A )( B ) 圖 2 12單極性脈寬調(diào)制波的形成 單極性調(diào)制的工作特點(diǎn):每半個(gè)周期內(nèi),逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中,只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)斷的工作,另一個(gè)完全截止;而在另 半個(gè)周期內(nèi),兩個(gè)器件的工作情況正好相反。流經(jīng)負(fù)載 Z 的便是正、負(fù)交替的交變電流,如圖 213 所示。 V1V2Z 圖 2 13 單極性調(diào)制時(shí)的工作特點(diǎn) 雙極性 SPWM控制技術(shù) 雙極性調(diào)制技術(shù)與單極性相同,只是功率開(kāi)關(guān)器件通斷情況不一樣。圖 214 繪出了三相雙極式的正弦脈寬調(diào)制波形。當(dāng) A相調(diào)制波 AU tU 時(shí), 1V 導(dǎo)通, 2V 關(guān)斷,使負(fù)載上的相電壓為 AU =+U/2(假設(shè)交流電機(jī)定子繞組為星型聯(lián)接,其中性點(diǎn) 0與整流器輸出端濾波電容器的中點(diǎn) 0相連,那么當(dāng)逆變器任一相導(dǎo)通時(shí)在電機(jī)繞組上所獲得的相電壓為 U/2,見(jiàn)圖 214(b);當(dāng) AU tU 時(shí), 1V 關(guān)斷而, 2V 導(dǎo)通,則 AU =- U/2。 )所以 A相電壓 AU 是以 +U/2 18 和 U/2 為幅值作正、負(fù)跳變的脈沖波形。同理,圖 214(c)的 BU 是由 3V 和 4V 交替導(dǎo)通得到的,圖 (d)的 CU 是由 5V 和 6V 交替導(dǎo)通得到的。由 AU 和 BU 相減,可得逆變器輸出線電壓波形 ABU 圖 214(e)。 ABU 的脈沖幅值為 +U和- U。盡管相電壓是雙極性的,但是合成后的線電壓脈沖系列 與單極性相電壓合成的結(jié)果一樣都是單極性的。 圖 2 14 雙極性脈寬調(diào)制波的形成 綜上所述,雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn):逆變橋在工作時(shí),同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷,而流過(guò)負(fù)載 Z的電流是按線電壓規(guī)律變化的交變電流,如圖 215 所示: 19 V1V2Z 圖 2 15 雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn) SPWM 的調(diào)制方式 SPWM 波畢竟不是真正的正 弦波,它仍然含有高次諧波的成分,因此盡量采取措施減少它。圖 216是通過(guò)電動(dòng)機(jī)繞組的 SPWM 電流波形。顯然,它僅僅是通過(guò)電動(dòng)機(jī)繞組濾波后的近似正弦波。圖中給出了載波在不同頻率時(shí)的 SPWM 電流波形,可見(jiàn)載波頻率越高,諧波波幅越小, SPWM 波形越好。因此希望提高載波頻率來(lái)減小諧波。另外,高的載波頻率使變頻器和電機(jī)的噪聲進(jìn)入超聲范圍,超出人的聽(tīng)覺(jué)范圍之外,產(chǎn)生“靜音”的效果。但是,提高載波的頻率要受逆變開(kāi)關(guān)管的最高開(kāi)關(guān)頻率限制,而且也形成對(duì)周?chē)娐返母蓴_源。 IItt00( a ) 調(diào) 制 頻 率 較 低 時(shí) 的 電 流 波 形( b ) 調(diào) 制 頻 率 較 高 時(shí) 的 電 流 波 形 圖 2 16 SPWM電流波形 20 SPWM 的調(diào)制方式有三種:同步調(diào)制、異步調(diào)制和優(yōu)化異步調(diào)制。在一個(gè)調(diào)制信號(hào)周期內(nèi)所包含的三角載波的個(gè)數(shù)稱為載波頻率比。在變頻過(guò)程中,即調(diào)制信號(hào)周期變化過(guò)程中,載波個(gè)數(shù)不變的調(diào)制稱為同步調(diào)制,載波個(gè)數(shù)相應(yīng)變化的調(diào)制稱為異步調(diào)制。 (1)同步調(diào)制 在改變正弦信號(hào)周期的同時(shí)成比例地改變載波周期,使載波周期與信號(hào)頻率的比值保持不變。對(duì)于三相系統(tǒng),為了保證三相之間對(duì)稱,互差 120176。相位角,通常取載波頻率為 3的整數(shù)倍。而且,為了雙極性調(diào) 制時(shí)每相波形正負(fù)波形對(duì)稱,上述倍數(shù)必須是奇數(shù),這樣在信號(hào)波 180176。處,載波的正負(fù)半周恰好分布在 180176。處的左右兩側(cè)。由于波形的左右對(duì)稱,這就不會(huì)出現(xiàn)偶次諧波問(wèn)題。但是這種調(diào)制,在信號(hào)頻率較低時(shí),載波的數(shù)量顯得稀疏,電流波形脈動(dòng)大,諧波分量劇增,電動(dòng)機(jī)的諧波損耗及脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。而且,此時(shí)載波的邊頻帶靠近信號(hào)波,容易干擾基波頻域。為了克服這個(gè)缺點(diǎn),必須在低頻時(shí)提高載波比,這就是異步調(diào)制方式。 (2)異步調(diào)制 異步調(diào)制方式是指在整個(gè)變頻范圍內(nèi),載波比都是變化的。一般在改變調(diào)制頻率時(shí)保持三角載波頻率不變,因此 提高了低頻時(shí)的載波比,在低頻工作時(shí),逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)可以隨著輸出頻率的降低而增加,相應(yīng)的減小了負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與噪聲,改善了低頻時(shí)的工作特性。但是由于載波比隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí),逆變器輸出電壓的波形其相位也會(huì)發(fā)生變化,很難保持三相輸出的對(duì)稱關(guān)系,因此會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的工作不穩(wěn)定。 ( 3)優(yōu)化的異步調(diào)制 為了克服同步調(diào)制和異步調(diào)制的缺點(diǎn),可以將他們結(jié)合起來(lái),組成分段優(yōu)化異步調(diào)制方式。優(yōu)化異步調(diào)制是指在一定的頻率范圍內(nèi),采用同步調(diào)制,保持輸出波形對(duì)稱的優(yōu)點(diǎn),當(dāng)頻率降低較多時(shí),使載波比分段有級(jí) 的增加,這樣就利用了異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)方法是把逆變器整個(gè)變頻范圍劃分為若干個(gè)頻段,在每個(gè)頻段內(nèi)都維持載波比恒定,對(duì)于不同頻段取不同的載波比,頻率較低載波比取大點(diǎn),一般有經(jīng)驗(yàn)參數(shù)可取。 21 第三章 通用變頻器硬件電路的設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以 TI 公司的 TMS320LF2407A 為控制核心,由主電路、系統(tǒng)保護(hù)電路和控制電路組成,其總體設(shè)計(jì)圖如圖 31所示。 M限 流 啟 動(dòng) 電 壓 檢 測(cè)泵 升 控 制過(guò) 壓 欠 壓保 護(hù)I P M 故 障保 護(hù)驅(qū) 動(dòng) 電 路光 耦 隔 離頻 率 輸 入中 央 處 理 器D S PI O接口I O 接 口故障保護(hù)PWMI P MR 1C 1C 2R 2R 3R b2 2 0 V ~ 圖 3 1 通用變頻器總體電路圖 其中主電路部分由 整流電路、濾波電路、逆變電路 (IPM)和 IPM 驅(qū)動(dòng)電路與吸收電路組成。其工作原理是把單相交流電壓通過(guò)不可控整流模塊變?yōu)橹绷麟妷?,整流后的脈動(dòng)電壓再經(jīng)過(guò)大電容 C1, C2 平滑后成為穩(wěn)定的直流電壓。 IPM 逆變電路對(duì)該直流電壓進(jìn)行斬波,形成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電,提供給電機(jī)。 系統(tǒng)保護(hù)電路包括過(guò)壓、欠壓保護(hù)、限流啟動(dòng)、 IPM 故障保護(hù)與泵升控制等。過(guò)壓、欠壓保護(hù)是利用電阻分壓采集母線電壓,與規(guī)定值相比較;限流啟動(dòng)是由于開(kāi)啟主回路時(shí),大電容充電瞬間引起的電流過(guò)大,這樣可能會(huì)損壞整流橋,因此在主回路上串聯(lián)限流電阻 R1,當(dāng)電容電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí),啟動(dòng)繼電器把 R1 短路,主回路進(jìn)入正常工作狀態(tài); IPM 故障保護(hù)是 IPM 內(nèi)部集成的各種保護(hù)功能,包括過(guò)電流保護(hù)功能、短路保護(hù)功能、控制電源欠電壓保護(hù)和管殼及管芯溫度過(guò)熱保護(hù)。把上述各種故障信號(hào)進(jìn)行綜合處理后形成總的故障信號(hào)送入 DSP(TMS320LF2407A)的 PDPINTA故障中斷入口,進(jìn)而封鎖 DSP的 PWM 波輸出。 控制電路包括 DSP最小系統(tǒng)電路、頻率輸入電路、光耦隔離電路等。最小系統(tǒng)由 22 DSP 本身和外擴(kuò)的數(shù)據(jù) SRAM、程序 SRAM、復(fù)位電路、晶振、譯碼電路、電源轉(zhuǎn)換電路和仿真接 口 JTAG 電路組成,仿真接口 JTAG 電路是為了實(shí)現(xiàn)在線仿真,同時(shí)在調(diào)試過(guò)程裝載數(shù)據(jù)代碼和程序代碼;頻率輸入電路可以設(shè)置系統(tǒng)要輸出的 SPWM 波的頻率;光耦隔離電路是為了把 DSP輸出的弱電信號(hào)和主電路的強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行可靠隔離。 通用變頻器主體電路設(shè)計(jì) 主電路原理圖如圖 32 所示,由整流電路、濾波電路、逆變電路 (IPM)和 IPM 的吸收電路組成。主電路采用典型的交-直-交電壓源型通用變頻器結(jié)構(gòu),輸入功率級(jí)采用單相橋式不可控整流電路 RB1,整流輸出經(jīng)中間環(huán)節(jié)大電容 (由 C1到 C4電容組成 )濾波,獲得平滑的直流電壓。 逆變部分通過(guò)功率器件 IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷,輸出交變的 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eA4D a t e : 13 J un 20 08 S h e e t o f F il e : E : \畢業(yè)設(shè)計(jì) \最終論文 \ pr ot e l \主電路 ~ 1. D D B D r a w n B y:1234R B 1C1 C2D S 1L E DR2C3 C4 R3K2K1R4 R5R1C5A C 2 20 VQ1 D1 R6C3Q3 D3 R7C7Q5 D5 R8C8Q4D4R9C9Q6D6R 10C 10Q2D1R 11C 11UVW 圖 3 2 主體電路原理圖 脈沖電壓序列。由于功率器件開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高,會(huì)產(chǎn)生電壓尖脈沖,因此需要吸收電路來(lái)消除該尖峰。圖中 C5 為 C 型吸收電路, R6到 R11 和 C6 到 C11 組成 RC型吸收電路。發(fā)光二極管 DS1用來(lái)顯示濾波電容兩端的電量。 下面詳細(xì)介紹各個(gè)部分電路及元件參數(shù)。 (被控電動(dòng)機(jī)參數(shù)為:△聯(lián)接,額定功率為NP =60W,額定電壓 NU =220V,額定電流 NI =,額定頻率 Nf =50Hz,額定轉(zhuǎn)速Nn =1400r/min。 ) 23 整流電路的設(shè)計(jì) 整流電路由 4個(gè)整流二極管組成單相不可控整流橋,它們將電源的單相交流全波整流成直流。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。小功率的,輸入電源多用220V,整流電路為單相全波整流橋;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。本設(shè)計(jì)采用的是單相整流橋。 整流二極管的計(jì)算,通過(guò)二極管的峰值電流: 2 2 2 2 0. 28 0. 79MNI I A? ? ? ? ( 31) 流過(guò)二極管電流的有效值: 180011( ) 0 . 5 6360 2D m mI I d t I A?? ? ?? ( 32) 二極管電流額定值: ( 2 ~ 3 ) ~ I A?? ( 33) 考慮濾波電容的充電電流影響,要有更大的電流裕量,選用 nI =10A。整流二級(jí)管的電壓額定值: ( 2 ~ 3 ) ( 2 ~ 3 ) 2 2 2 0 6 2 2 ~ 9 3 3nmU U V? ? ? ? ? ( 34) 選用 1000nUV? 。根據(jù)以上計(jì)算的電壓和電流以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用問(wèn)題,實(shí)際選用的單相整流橋位 10A , 1000V 。 濾波電路的設(shè)計(jì) 在整流電路中輸出電壓是脈動(dòng)的,另外,在逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流和負(fù)載變化也使得直流電壓
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