【文章內(nèi)容簡介】 由式（ )可知，影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有 :電動(dòng)機(jī)的磁極對數(shù) P、轉(zhuǎn)差率 S和電源頻率 f。其中 ,改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)交流異歩電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法效果最理想，這就是所謂變頻調(diào)速。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 主電路和逆變電路的工作原理 變頻凋速實(shí)質(zhì)上是向交流異步電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)頻率可控的電源。能實(shí)現(xiàn)這一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， 即先將交流電轉(zhuǎn)變成直流電（整流、濾波）再將直流電轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的矩形波交流電（逆變）。圖 是主電路的原理圖。它是變頻器常用的最基本的格式。 圖 變頻器主電路圖 主電路各元件的功能 主電路中各元件功能如下： (1) 交─直電路 整流管 D1～ D6 組成三相整流橋，對三相交流電進(jìn)行全波整流，整流后的直流電壓為： U＝ 179。 380V＝ 513V。 濾波電容 Cr濾除整流后的電壓波形，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓平穩(wěn)。當(dāng)變頻器通電時(shí)，瞬時(shí)沖擊電流較大 ,為了保護(hù)電路元件，加限流電阻 Ra。延時(shí)一段時(shí)間后，通過控制電路使開關(guān) JK 閉合，將限流電阻短路。 電源指示燈 LP 除了指示電源通斷外，還可以在電源斷開時(shí)作為濾波電容 Cr 放電通路和指示。濾波電容 Cr 容量通常很大 。所以放電的時(shí)間較長 (數(shù)分鐘），幾百伏的高電壓會(huì)威脅人員安全，因此，在維修時(shí) ,要等指示燈熄滅后進(jìn)行。 Rc 是制動(dòng)電阻。電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)過程中處于發(fā)電狀態(tài)，由于電路是處在斷開情況下，增加的電能無處釋放 .使電路電壓不斷升高，將會(huì)損壞電路元件。所以，應(yīng)給一個(gè)放電通路 ,使這部分再生電流消耗在電阻 Rc 上。制動(dòng)時(shí) .通過控制電路使開關(guān)管 Tc 導(dǎo)通，形成放電通路。 (2)直 ─ 交電路 逆變開關(guān)管 T1～ T6組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的矩形波交流電。逆變管可以選擇絕緣柵雙極晶體管 IGBT、功率場效應(yīng)管 MOSFEI。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 續(xù)流二極管 D7～ D12 的作用是：當(dāng)逆變開關(guān)管由通狀態(tài)變?yōu)榻刂箷r(shí)，雖然電壓突變降為零 .但由于電動(dòng)機(jī)線圈的電感作用，儲(chǔ)存在線圈中的電能開始釋放 ,續(xù)流二極管提供通道，維持電流繼續(xù)在線圈中流動(dòng)。另外 .當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，續(xù)流二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源： 電阻 R1～ R電容 C1～ C二極管 D13～ D18 組成的緩沖電路，來保護(hù)逆變開關(guān)管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時(shí)要受集電極電流 Ic和集電極與發(fā)射極間電壓 VCE的沖擊，如圖 所示，因此要通過緩沖電路進(jìn)行緩解。當(dāng)逆變開關(guān)管關(guān)斷時(shí)， VCE迅速升高， Ic 迅速降低，過髙增長率的電壓對逆變開關(guān)管造成危害，所以通過在逆變開關(guān)管兩端并聯(lián)電容 C1～ C6 來減小電壓增長率，當(dāng)逆變開關(guān)管開通時(shí)， VCE迅速降低，而 Ic則迅速升高，并聯(lián)在逆變開關(guān)管兩端的電容 C1～ C6由于電壓降低，將通過逆變開關(guān)管放電，這將加速電流 Ic 的增長率，造成逆變開關(guān)管的損壞。所以增加電阻 R1～ R6 限制電容的放電電流?？墒钱?dāng)逆變開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，該電阻又會(huì)阻止電容的充電，為了解決這個(gè)矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管 D13～ D18，使電容在充電時(shí) .避開電阻 ,通過二極管充電，在放電時(shí)，通過電阻放電，實(shí)現(xiàn)緩沖功能。圖 這種緩沖電路的缺點(diǎn)是增加了損耗，所以它只適用于中小功率變頻器。 (a) 開關(guān)管開通波形 (b) 開關(guān)管關(guān)斷波形 圖 開關(guān)管開通與關(guān)斷波形 緩沖電路還有其他形式，圖 給出了另外 3種形式，其中圖 (a〕是交叉式緩沖電路、它避開了圖 所示的緩沖電路的缺點(diǎn) .適用于中大功率變頻器；圖 (b)是為了吸收高于直流電壓的電壓尖峰而設(shè)計(jì)的，適用于小功率變器； （ c）是在逆變開關(guān)管前面串聯(lián)一個(gè) di/dt 抑制電路 .使緩沖效果更好。 三相逆變橋的工作原理 三相逆變橋的電路簡圖如圖 （ a）所示，圖中 R、 Y、 B為逆變橋的輸出。 （ b）是各逆變管的時(shí)序 ,其中深色部分表示逆變管導(dǎo)通。從圖 (b)可以看出，每一 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 (a) (b) (c) 圖 緩沖電路 時(shí)刻總有 3只逆變管導(dǎo)通，另 3只逆變管關(guān)斷 。并且， T1 與 T T2與 T T3 與 T6 每對逆變管不能同時(shí)導(dǎo)通。 在 t1 時(shí)間段， T T T5 這 3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從 R 到 Y和從 B 到 Y(設(shè)從 R 到 Y、從 Y 到 B、從 B 到 R 為正方向，下同〕，得到線電壓為 URY 和－ UYB。 在 t2 時(shí)間段， T T T6 這 3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從 R 到 Y從 R到 B，得到線電壓為 URY 和－ UBR。 在 t3 時(shí)間段， T T T6 這 3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從 Y 到 R和從 Y 到 B，得到線電壓為－ UBR 和 UYB。 在 t4 時(shí)間段， T T T6 這 3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從 Y 到 R 和從 Y 到 B，得到線電壓為－ URY 和 UYR。 在 t5 時(shí)間段， T T T4 這 3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從 Y 到 R 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 （ a）電路簡圖 （ b）逆變管通斷時(shí)序 圖 三相逆變橋工作原理 和從 B 到 R，得到線電壓為－ URY 和 UBR。 在 t6 時(shí)間段， T T T5 這 3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從 B 到 R和從 B 到 Y，得到線電壓為 UBR 和－ UYB。 線電壓 URY、 UYB、 UBR 的波形見圖 。從圖中可以看出，三者之間互差 120o，它們的幅值是 U。 因此，只要按圖 （ b）的規(guī)律控制 6只逆變管的導(dǎo)通和關(guān)斷，就可以把直流電逆變成矩形波三相交流電；而矩形波三相交流電的頻率可在逆變時(shí)受到控制。 變頻與變壓 根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，交流異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組的反電動(dòng)勢是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的結(jié)果，其有效值可由下式計(jì)算 E＝ KfΦ () 式中 K── 與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)； f── 電源頻率； Φ──磁通 。 而在電源一側(cè)，電源電壓的平衡方程式為 U=E+Ir+jIx () 該式表示 .加在電機(jī)繞組端的電源電壓一部分產(chǎn)牛感應(yīng)電動(dòng)勢，另一部分消耗在阻抗（線圈電阻 r和漏電感 x）上。 其中定子電流 I＝ I1＋ I2 () T4 T1 T2 T5 T6 T3 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 圖 逆變輸出線電壓波形 分成兩部分：少部分（ I1）用于建立主磁場磁通 Φ ，大部分（ I2）用于產(chǎn)生電磁力帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載。 當(dāng)交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，例如頻率 f 下降 ,則由式（ 〕可得 E 降低；在電源電壓 U 不變的情況下，根據(jù)式 (），定子電流 I 將增加 。此時(shí)，如果外負(fù)載不變時(shí)， I2不變，由式 ()可知， I的增加將使 I1增加，也就是使磁通量 Φ 增加；根據(jù)式（ ）， Φ 的增加又使 E增加，達(dá)到一個(gè)新的平衡點(diǎn)。 理論上這種新的平衡對機(jī)械特性影響不大；但實(shí)際上，由于電動(dòng)機(jī)的磁通容量與電動(dòng)機(jī)的鐵芯大小有關(guān)，通常在設(shè)計(jì)時(shí)已達(dá)到最大容量，因此，當(dāng)磁通量增加時(shí)，將產(chǎn)生磁飽和，造成實(shí)際磁通量增加不上去，產(chǎn)生電流波形畸變 ,削弱電磁力矩，影響機(jī)械特性。 為了解決機(jī)械特性下降的問題，一種解決方案是設(shè)法維持磁通量恒定不變，即設(shè)法使 E/f=KΦ= 常數(shù) () 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 這就要求，當(dāng)電動(dòng)機(jī)凋速改變電源頻率 f 時(shí)， E也應(yīng)該作相應(yīng)的變化 ,來維持它們的比值不變。但實(shí)際上， E的大小無法進(jìn)行控制。 由于在阻抗上產(chǎn)生的壓降相對于加在繞組端的電源電壓 U很小，如果略去的話，則式 ()可簡化成 U≈ E () 這說明可以用加在繞組端的電源電壓 U來近似地代替 E。調(diào)節(jié)電壓 U，使其跟隨頻率 f的變化，從而達(dá)到使磁通量恒定不變的目的，即 E/f≈ U/f=KΦ= 常數(shù) () 所以在變頻的同時(shí)也要變壓，這就是所謂 VVVF。 如果頻率從 f 調(diào)到 fx，則電壓 U 也要調(diào)到 Ux。用頻率調(diào)節(jié)比 Kf表示頻率的變化，用電壓調(diào)節(jié)比 Ku表示電壓的變化，則它們分別可表示為 Kf=fx/fn () Ku=Ux/Un () 式中 fn── 電動(dòng)機(jī)的額定頻率； Un── 電動(dòng)機(jī)的額定電壓。 要使磁通量保持近似恒定 ,就要使 Ku=Kf () 圖 含用等寬載波的脈寬調(diào)制波形 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 為此，可采用脈 寬調(diào)制信號（ PWM）來同時(shí)滿足調(diào)頻時(shí)調(diào)壓，含用等寬載波的脈寬調(diào)制波形如圖 。如圖所示，脈沖的寬度為 t1，相鄰脈沖的間隔為 t2,t1+t2=T2(脈沖波周期 )，則等寬脈沖的占空比α為 α＝211tt t? () 調(diào)節(jié)占空比 α就可以調(diào)節(jié)輸出的平均電壓，調(diào)節(jié) PWM 的頻率 1/T1 就可以改變電源的頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)整，通過控制電路就可以容易的實(shí)現(xiàn)對脈沖的占空比和頻率分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。 電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間原理 要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間用單片機(jī)很易做到，但本設(shè)計(jì)采用上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，故用上位機(jī)來控制會(huì)更簡單，在 VB 參數(shù)輸入界面中設(shè)置一定時(shí)器， VB 中自帶一定時(shí)器Timer，但只能定時(shí)約一分鐘，先將 Timer 的 Interval 屬性設(shè)為 60000（即為 1分鐘），每次在進(jìn)入中斷時(shí)，讓 自加一，這樣就能實(shí)現(xiàn)任意分鐘的定時(shí)，在時(shí)間到了預(yù)定時(shí)間時(shí)，觸發(fā)一信號，再將此信號通過串口發(fā)送 到單片機(jī)，單片機(jī)收到信號后便停止工作。 電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制原理 在上位機(jī)中的 VB 界面中設(shè)置一對 Option，一為正向，一為反向，當(dāng)選中正向時(shí)讓變量 change 為 1，當(dāng)選中反向時(shí)讓 change 為 2，將此信號送入單片機(jī)后，再由單片機(jī)將正反信號通過 I/O 口送入變頻器的正反轉(zhuǎn)輸入端 UI，讓變頻器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的正反向。 本章小結(jié) 本章分別從電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和電機(jī)的轉(zhuǎn)向三個(gè)方面闡述了閉式功率流變速器實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的工作原理，其中電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是本設(shè)計(jì)的控制主要工作，因此本章結(jié)合變頻器主電路圖的工作原理較詳細(xì)的說明了其控制方案，同時(shí)也從總體上闡述了電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間控制和轉(zhuǎn)向控制的原理。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 第 3 章 變速器試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì) 硬件的選擇 由于此實(shí)驗(yàn)臺(tái)的物理結(jié)構(gòu)已由上屆學(xué)長們做出，在此只選擇控制部分的硬件，包括電動(dòng)機(jī)的選擇、單片機(jī)的選擇、變頻器的選擇、轉(zhuǎn)矩傳感器的選擇、轉(zhuǎn)速傳感器的選擇、顯示電路的選擇以及 PC 機(jī)的 選擇。 電動(dòng)機(jī)的選擇 此實(shí)驗(yàn)臺(tái)的物理結(jié)構(gòu)簡圖 。 圖 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的物理結(jié)構(gòu)簡圖 根據(jù)能量守恒可得下式： 4453211 ????? TT ? () 477444 ??? TT ?? () 262611112671098677 ???????? TTT ??? () 1515141312111111 ?????? TT ? () 191920181716151515 ??????? TT ? () 222222191919 ??? TT ?? () 24242725262623212222 ??????? TTT ?? () 由由公式（ ）～ ()得出： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 23212022191886574321272518112321202219262624241)(??????????????????????????? ???iiiiTTT () 又∵ 14 ??? () 2624 ?? ? () 7474 ??i?? () 267267 ??i?? () ∴ 26774241 ??? ii?