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基于變頻器的交流異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文-資料下載頁(yè)

2025-06-27 20:43本頁(yè)面
  

【正文】 ΔU Ud 圖21 泵升電壓現(xiàn)象2. 泵升電壓保護(hù)電路如上所述,發(fā)生泵升電壓是電動(dòng)機(jī)制動(dòng)過(guò)程中不可避免的現(xiàn)象,如果不對(duì)此電壓進(jìn)行限制,將會(huì)造成IGBT的永久性損壞,為此,需要在主電路中并聯(lián)制動(dòng)電路起保護(hù)作用。如果采用再生制動(dòng)方法,則會(huì)使變頻主電路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜,所以,一般采用能耗制動(dòng)的方法。本課題選用由、組成的制動(dòng)電路,圖22是泵升電壓保護(hù)電路的電氣原理圖。其工作原理為:比較器LM311同相端接P點(diǎn)的電壓檢測(cè)信號(hào),反向端接電位器。是用來(lái)取泵生電壓保護(hù)動(dòng)作的基準(zhǔn)電壓。電容的作用防止干擾信號(hào)引起的誤動(dòng)作;、是泵生電壓的放電支路。當(dāng)檢測(cè)到主回路P電壓高出額定值的15%時(shí), 圖22 泵升電壓保護(hù)電路比較器LM311輸出一個(gè)高電平,使導(dǎo)通,從而將逆變器部分回饋能量轉(zhuǎn)化為熱能釋放掉,即消耗在電阻上,這樣電機(jī)就可以在四象限運(yùn)行,而不會(huì)損壞逆變器橋臂上的開(kāi)關(guān)器件IGBT。3. 滯環(huán)比較器(LM311)的選擇 Ud 0 U1 U2 Uc 圖23 泵升環(huán)寬上下限 在泵升電壓限制電路中,滯環(huán)比較器的上下限的決定是十分重要的,如圖23所示。滯環(huán)的作用是保證開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率在允許的范圍內(nèi)。滯環(huán)的選擇原則是:(即泵升電壓限制在115% Ud,亦即618V);下限U1 整定值略高于電網(wǎng)允許向上波動(dòng)的最大值(即為10%),因?yàn)殡妷翰▌?dòng)屬于正?,F(xiàn)象,不能誤認(rèn)為是泵升。 過(guò)(欠)壓保護(hù)回路設(shè)計(jì)a 過(guò)壓保護(hù)電路 1. 產(chǎn)生原因及危害1) 電網(wǎng)輸入電壓長(zhǎng)時(shí)間過(guò)高;2)減速過(guò)快,引起泵升電壓過(guò)高,當(dāng)超過(guò)IGBT的安全工作電壓時(shí)就可能造成開(kāi)關(guān)器件的損壞;3)我國(guó)電網(wǎng)電壓的線性度較差,在重負(fù)載時(shí),線電壓通常小于380V,而在用電低谷期時(shí),線電壓高達(dá)440V,如此大的電壓變化范圍,會(huì)導(dǎo)致直流回路過(guò)電壓,同樣會(huì)損壞IGBT。 2. 過(guò)壓保護(hù)回路 設(shè)計(jì)的過(guò)壓保護(hù)電氣原理圖如下圖 圖24 過(guò)(欠)壓電路原理圖直流電壓保護(hù)信號(hào)取自主回路濾波電容器兩端,經(jīng)電容器分壓后獲得,為防止高壓信號(hào)進(jìn)入控制電路,采用光電耦合電路,直流電壓保護(hù)動(dòng)作限定在670V以上。 正常情況下,采樣電壓小于給定電壓,比較器輸出低電平,經(jīng)反向器CD4090輸出高電平,指示燈不亮。當(dāng)故障發(fā)生時(shí),采樣電壓經(jīng)與非門(mén)CD4090輸出低電平,過(guò)壓指示燈LED1亮,同時(shí),過(guò)壓信號(hào)經(jīng)與非門(mén)74HC30輸出信號(hào)SET,送至鎖存器74HB66封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖輸出。 b欠壓保護(hù)電路 從IGBT的特性可知,當(dāng)電源電壓低時(shí),會(huì)因其驅(qū)動(dòng)功率不足而造成元件的損壞;同時(shí)逆變器直流側(cè)大電容兩端出現(xiàn)欠壓時(shí),也應(yīng)立即關(guān)閉逆變器,否則也會(huì)導(dǎo)致IGBT器件永久性損壞,不能保證交流電動(dòng)機(jī)永久性工作。1.欠壓產(chǎn)生原因1) 輸入交流電壓長(zhǎng)期低于標(biāo)準(zhǔn)值的70%以下,或發(fā)生缺相、斷相;2) 電容不足或電容損壞。2.欠壓保護(hù)電路 欠壓檢測(cè)采用中間直流采樣,即在大電容兩端P、N兩點(diǎn)采樣,這樣既能在真正欠壓缺相時(shí),檢測(cè)出信號(hào),進(jìn)行保護(hù),又不至于因短時(shí)間欠壓并未構(gòu)成危險(xiǎn)時(shí)而保護(hù)誤動(dòng)作,提高了高頻電路的抗干擾能力和運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。3.工作原理(同過(guò)壓保護(hù)電路) 緩沖吸收回路設(shè)計(jì) 1.緩沖電路 通常IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間約為當(dāng)IGBT由通態(tài)迅速關(guān)斷時(shí),有很大的產(chǎn)生,在主回路的布線電感上引起較大的尖峰電壓,如下圖所示 圖25 IGBT關(guān)斷時(shí)的動(dòng)作波形這個(gè)尖峰電壓與直流電壓疊加后,加在關(guān)斷的IGBT的之間。如果峰值電壓很大,可能使疊加后的超出反向安全工作區(qū),或者由于過(guò)大,而引起誤導(dǎo)通,兩者都有損于IGBT;為此,在IGBT上加入緩沖電路。本設(shè)計(jì)中采用的是沖放電型RCD緩沖電路,其電路圖如下所示 圖26 IGBT緩沖電路原理圖1)吸收電容吸收電容可采用下面公式計(jì)算 (4―1)式中,; (額定值);;(交流220V電網(wǎng))或800V(交流380V電網(wǎng))。將上述數(shù)據(jù)代入公式,計(jì)算出電容=;所以可以選擇的無(wú)感電容。2)緩沖電阻 緩沖電阻要求:IGBT關(guān)斷時(shí),上積累電荷的90%能及時(shí)釋放掉。不宜過(guò)大,如太大,放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng),電不能完全放掉;但太小,在器件導(dǎo)通時(shí),放電電流過(guò)大、過(guò)快,可能危及器件的安全,也可能引起振蕩,IGBT導(dǎo)通時(shí),電流增加。一般電流選擇下面公式 (4―2)緩沖電阻產(chǎn)生的功耗與阻值無(wú)關(guān),可由下式確定: (4―3)式中,系數(shù)10是電阻瓦特?cái)?shù)的裕度系數(shù),以防止溫度過(guò)高;是開(kāi)關(guān)頻率。將數(shù)據(jù)代入上述公式,可選電阻為。3)緩沖二極管 緩沖二極管過(guò)渡時(shí),正向電壓降低,是關(guān)斷時(shí)尖峰電壓產(chǎn)生的主要原因之一;另外,緩沖二極管逆向恢復(fù)時(shí)間直接影響到緩沖吸收電路的開(kāi)關(guān)損耗;因此,應(yīng)選擇過(guò)渡電壓低、逆向恢復(fù)時(shí)間短、逆向恢復(fù)特性較軟的二極管。根據(jù)此要求,本設(shè)計(jì)中選擇的緩沖二極管型號(hào)為MUR8100 。 過(guò)流保護(hù)回路設(shè)計(jì)1.產(chǎn)生原因及危害過(guò)流保護(hù)不僅直接關(guān)系到IGBT器件本身的工作特性和運(yùn)行安全,而且影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和安全。它包括短路和過(guò)流保護(hù)兩種,控制回路誤動(dòng)作或誤配線等都會(huì)造成逆變器上、下橋臂直通等短路事故。短路電流流過(guò)逆變器的開(kāi)關(guān)器件,會(huì)使元件燒壞,因此,必須在很短的時(shí)間內(nèi)(1~2)封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出,使逆變器停止工作,同時(shí),還應(yīng)使輸入側(cè)電源開(kāi)關(guān)跳閘。短路電流的整定值一般為逆變器輸出額定電流的200%~300%,超過(guò)逆變器額定電流200%以上的電流應(yīng)立即采取保護(hù)措施。當(dāng)逆變器內(nèi)部發(fā)生短路時(shí),電流變化非常大,因此必須快速檢測(cè)出過(guò)流信號(hào)。一般采用霍爾元件快速檢測(cè)電流,其檢測(cè)點(diǎn)可設(shè)置在中間直流母線、逆變器輸出電路或IGBT開(kāi)關(guān)器件上。2. 過(guò)流保護(hù)電路過(guò)流保護(hù)電路原理如圖27所示,過(guò)流信號(hào)來(lái)自霍爾元件對(duì)逆變器三個(gè)橋臂上IGBT元件上電流的采樣(采樣時(shí)間為)。3. 工作原理當(dāng)在某一橋臂上發(fā)生過(guò)流時(shí),比較器LM319()輸出高電平,經(jīng)反向器CD4049()輸出低電平,指示燈LED3亮,顯示故障,經(jīng)與非門(mén)74HC30輸出高電平,關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路,同時(shí)繼電器動(dòng)作,斷電。中間繼電器的觸點(diǎn)可連接在電源側(cè),使主電源掉閘關(guān)斷,切斷后面裝置和主電源的聯(lián)系,從而起到保護(hù)電路的目的。a IGBT散熱及過(guò)熱保護(hù)要求 當(dāng)逆變器輸出電流供給交流電動(dòng)機(jī)工作時(shí),功率開(kāi)關(guān)器件IGBT本身也要消耗功率。其消耗的功率主要包括通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗,其結(jié)果使基板溫度和工作結(jié)溫上升。圖28為IGBT耗散功率P與模塊基板溫度的關(guān)系曲線;圖29為IGBT集電極電流與模塊基板溫度的關(guān)系曲線??梢钥闯鲭S著IGBT基板溫度的上升,IGBT的耗散功率和集電極電流急劇下降。因此其最高基板溫度不能超過(guò),否則工作結(jié)溫會(huì)超過(guò),造成管子的過(guò)熱燒壞。為了能使IGBT穩(wěn)定可靠工作,必須采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?,加?qiáng)IGBT過(guò)熱檢測(cè)保護(hù)。圖27 過(guò)流保護(hù)電路電氣原理圖 圖28 IGBT耗散功率與基板溫度曲線 圖29 IGBT集電極電流與基板溫度曲線b散熱器設(shè)計(jì)IGBT滿負(fù)荷工作時(shí),將產(chǎn)生較高的功率損耗密度。散熱器設(shè)計(jì)要求將IGBT功耗轉(zhuǎn)化為熱量迅速而可靠地從基板傳送到散熱器上散掉,確保IGBT的最高工作結(jié)溫不超過(guò)最高允許溫度150。散熱能力越強(qiáng),器件所承受的功率就越大,而器件的散熱能力取決于它的熱傳導(dǎo)特性。設(shè)計(jì)散熱器時(shí),通常需要用到以下幾個(gè)表達(dá)式。 (4―4)式中:Q——總熱阻;——基板結(jié)溫與環(huán)境溫度之差;P——器件的功耗。外加散熱器后,總熱阻Q包括以下幾個(gè)部分:Q= (4―5)式中:——結(jié)到基板的熱阻; ——基板到散熱器界面的熱阻; ——散熱器到周圍空氣的熱阻。器件所允許的功耗為: (4―6)式中:——器件的結(jié)溫; ——周圍環(huán)境溫度。本設(shè)計(jì)中選用的是IR公司生產(chǎn)的IGBT,型號(hào)為IRLDT150M12,模塊單管封裝形式,其主要參數(shù)數(shù)據(jù)如下: ;;;;;;。由于IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)間短,驅(qū)動(dòng)電流小,故開(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗可忽略不計(jì),另外,斷態(tài)損耗也可忽略不計(jì),所以,IGBT的功耗主要由通態(tài)損耗來(lái)確定,即 溫差為: (4―7)故總熱阻為: = 忽略則散熱器熱阻= 所以,可選散熱器型號(hào)為:RK04A風(fēng)冷板型熱管散熱器,熱阻為:。c 過(guò)熱檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 散熱器的設(shè)計(jì)是保證IGBT在正常情況下可靠工作的關(guān)鍵,但如果周圍環(huán)境極度惡劣或IGBT功耗較大時(shí),會(huì)引起散熱器溫度升高,同樣會(huì)造成IGBT過(guò)熱損壞。為防止正常情況下不燒壞IGBT器件,需要在控制電路中加入過(guò)熱保檢測(cè)護(hù)電路,其電氣原理如下圖所示。 圖30 過(guò)熱檢測(cè)保護(hù)電路電氣原理圖 2. 工作原理 把溫度系數(shù)為正的熱敏電阻作為檢測(cè)元件,將其安裝在IGBT器件與散熱器之間。隨著IGBT器件與散熱器溫度升高,熱敏電阻阻值增大,A點(diǎn)的電壓逐漸升高,而與電壓比較器反向端B點(diǎn)上的電壓固定為+5V;當(dāng)IGBT或散熱器溫度高于某一預(yù)定值(對(duì)于IGBT結(jié)溫允許設(shè)定值)時(shí),A電位高于B點(diǎn)電位,電壓比較器輸出呈高阻狀態(tài),因此,E點(diǎn)為高電平,T管導(dǎo)通,發(fā)光二極管的過(guò)載指示燈亮,同時(shí),F(xiàn)點(diǎn)也為高電平,而IGBT的驅(qū)動(dòng)封鎖信號(hào)高電平有效,從而封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào),使IGBT關(guān)斷;反之,當(dāng)IGBT或散熱器溫度低于某一預(yù)定值時(shí),A點(diǎn)電位低于B點(diǎn)電位,T管不導(dǎo)通,發(fā)光二極管的過(guò)載指示燈不亮,F(xiàn)點(diǎn)為低電平,IGBT正常工作。 系統(tǒng)所需直流電源設(shè)計(jì)系統(tǒng)的直流電源是為控制電路中給定信號(hào)、各種集成芯片提供工作電壓。本設(shè)計(jì)中用到的有()、(1A)、 (1A)三種直流穩(wěn)壓工作電源。直流穩(wěn)壓電源可以利用三端固定輸出電壓集成穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。它有兩個(gè)系列,其中系列輸出正電壓,系列輸出負(fù)電壓。使用穩(wěn)壓器時(shí),為保證穩(wěn)壓性能,輸入與輸出間電位差應(yīng)為2~3V。該直流電源主要由電源變壓器、橋式整流電路、電容濾波電路、和系列集成穩(wěn)壓器以及保護(hù)電路環(huán)節(jié)組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源的電氣原理圖如圖31所示。1. 電源變壓器通常根據(jù)變壓器副邊輸出功率來(lái)選購(gòu)(或自繞)變壓器。對(duì)于容性負(fù)載,變壓器副邊的輸出電壓與穩(wěn)壓器輸出電壓的關(guān)系為:,在此范圍內(nèi),越大,穩(wěn)壓器的壓差越大,功耗也就越大。一般取副邊電壓,副邊輸出電流的有效值。表1 與間的一般取值(V) (V)圖31 系統(tǒng)直流電源電氣原理圖2. 整流二極管整流二極管的反向擊穿電壓應(yīng)滿足: (4―8)其額定工作電流應(yīng)滿足: (4―9)所以,對(duì)直流電源, 二極管的耐壓值,考慮到一定的裕量,實(shí)選電壓30V,; 對(duì)直流電源,二極管耐壓值,1A,考慮到一定的裕量,實(shí)選電壓25V,; 對(duì)直流電源,二極管耐壓值,1A,考慮到一定的裕量,實(shí)選電壓15V。3.濾波電容器 對(duì)于濾波電容器的選擇,一般需要考慮以下幾點(diǎn):1)整流二極管的壓降;2)和最小允許壓降;3)電網(wǎng)波動(dòng)的10%。 綜上考慮,濾波電容器C的選擇可由下式估算: (4―10)式中,——穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰峰值; ——電容C放電時(shí)間常數(shù),=T/2=; ——電容C放電電流;可取,濾波電容C的耐壓值應(yīng)大于。所以,對(duì)直流電源,穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰峰值為 按近似電流放電計(jì)算,并設(shè)(通角),則 ,故取濾波電容; 對(duì)直流電源,穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰峰值為按近似電流放電計(jì)算,并設(shè)(通角),則,故取濾波電容; 對(duì)直流電源,穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰峰值為按近似電流放電計(jì)算,并設(shè)(通角),則,故取濾波電容。4.集成穩(wěn)壓器 集成穩(wěn)壓器的輸出電壓應(yīng)與穩(wěn)壓電源要求的輸出電壓的大小及范圍相同,穩(wěn)壓器的最大允許電流,穩(wěn)壓器的輸入電壓的范圍為: ++ (4―11)式中,——穩(wěn)壓器最大輸出電壓; ——穩(wěn)壓器最小輸出電壓; ——穩(wěn)壓器的最小輸入、輸出壓差; ——穩(wěn)壓器的最大輸入、輸出壓差。 本章小結(jié)本章對(duì)控制電路進(jìn)行了具體的分析、設(shè)計(jì),主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:1.泵升電壓保護(hù)回路設(shè)計(jì)2.過(guò)(欠)壓保護(hù)回路設(shè)計(jì)3.緩沖吸收回路設(shè)計(jì)4.過(guò)流保護(hù)回路設(shè)計(jì)5.過(guò)熱保護(hù)回路設(shè)計(jì)6.驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)7.觸發(fā)
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