【正文】 路由整流電路和 IGBT 逆變電路構(gòu)成，它是本系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)單元，由不可控整流環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)、和逆變環(huán)節(jié)構(gòu)成。由于 1C 和 2C 的容量較大，而切斷電壓又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行，所以，電容沒(méi)有快速放電的回路，其放電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘。為此，在系統(tǒng)電路中設(shè)計(jì)了由 VE、 RE、 VDE組成的放電回路，以免過(guò)高的直流電壓使各部分器件損壞。這時(shí)，從電動(dòng)機(jī)的角度來(lái)看，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)的工作狀態(tài)；從變頻調(diào)速系統(tǒng)的角度來(lái)看，拖動(dòng)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速下降時(shí)減少的動(dòng)能，由電動(dòng)機(jī)“再生”電能后，在變頻主電路的直流環(huán)節(jié)中被消耗掉了。 3)為電路中的寄生電感在逆變過(guò)程中釋放能量提供通路。 2. 續(xù)流電路 由圖 4 中的 61 ~DD 構(gòu)成。 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。 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。 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。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)。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. 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?？梢?jiàn)，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。 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。 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 。整流器件采用不可控的整流二極管或二極管模塊。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。 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。 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。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(kāi)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。 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。 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)。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?？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(kāi)發(fā) ,更具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì) 。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。 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(mén)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(kāi)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)。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。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。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。 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。 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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)特性，是極具有發(fā)展前景的大功率、高頻開(kāi)關(guān)器件。濾波電路采用阻容方 式。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）。 主電源的選擇 主電源的整流電路包括可控整流和不可控整流。因此，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中主電路選擇了電 壓源型交 直 交變頻電路。如今，適合工業(yè)應(yīng)用、體積小、大功率的電壓源型逆變器制造技術(shù)大幅度提高，價(jià)格也降低了，并使交流電機(jī)調(diào)速性能一些應(yīng)用場(chǎng)合超過(guò)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。 由于電壓源型變頻電路是作為電壓源向交流電機(jī)提供電功率的，因此，其主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行幾乎不受負(fù)載功率因數(shù)和換流的影響；缺點(diǎn)是當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路或過(guò)流時(shí)，必須采取保護(hù)措施。根據(jù)中間環(huán)節(jié)采用大電容或大電感濾波可分為交 直 交電壓型和交 直 交電流型兩類(lèi)。 所以，交 交變頻電路主要用于轉(zhuǎn)速在 600r/min 以下的大功率交流調(diào)速裝置中。但交 交變頻電路有以下缺點(diǎn)： 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 （ 1）輸出上限頻率 由于交 交變頻電路的輸出電壓是由若干段電網(wǎng)電壓拼湊而成，當(dāng)輸出頻率升高時(shí)，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)電網(wǎng)電壓的段數(shù)就減少，所含的諧波分量就增加。當(dāng)正向組工作在整流狀態(tài)，反向組工作在逆變狀態(tài)時(shí)，交流電機(jī)得到的是正 電壓；反之，電機(jī)繞組得到的是負(fù)電壓。 主電路結(jié)構(gòu)的選擇 主電路是將三相交流電變換成頻率、幅值可調(diào)的交流電壓，能實(shí)現(xiàn)這一功能的電路有交 交電路和交 直 交電路。 本章將分別對(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)行充分論證的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)采納的方案以及說(shuō)明選用該方案的原因。 本章小結(jié) 本章先介紹了 交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀；然后介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展方向；在最后介紹了本論文所涉及到的相關(guān)技術(shù)（ PWM 技術(shù)和電力電子技術(shù)等），并進(jìn)行了相關(guān)分析。它具有開(kāi)關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)電流小，控制驅(qū)動(dòng)更為簡(jiǎn)單，保護(hù)功能更為豐富等優(yōu)勢(shì)。 IPM 包含了 IGBT 芯片及外圍的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，有的把光耦也集成于一體，因此是更為好用的集成功率器件。目前，大功率半導(dǎo)體器件又向集成化智能化方向發(fā)展。在這個(gè)不斷發(fā)展的過(guò)程中，器件的電壓、電流額定以及其他電氣特性均得到了很 大的改善。 （ 4）電流跟蹤型 PWM 法 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 電力電子技術(shù) 變頻技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。 （ 3）磁鏈追蹤型 PWM 法 它是從電動(dòng)機(jī)角度出發(fā)，著眼點(diǎn)是如何使電動(dòng)機(jī)獲得圓磁場(chǎng)。其缺點(diǎn)是輸出電壓中除基波外，還含有較大的諧波分量。至于 PWM 控制技術(shù)又有許多中，并且還在不斷發(fā)展中。如在整流電路中，采用自關(guān)斷器件進(jìn)行 PWM 控制，可使電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波，并且功率因數(shù)達(dá)到 1，可望徹底解決對(duì)電網(wǎng)的污染問(wèn)題。目前 PWM 技術(shù)被廣泛應(yīng) 用于電氣傳動(dòng)、不間斷電源、有源濾波器等中。 相關(guān)技術(shù)分析 PWM 技術(shù) PWM 技術(shù)是變頻調(diào)速技術(shù)的核心技術(shù)之一。 網(wǎng)絡(luò)化新型通用變頻器可提供多種兼容的通信接口，支持多種不同的通信協(xié)議，內(nèi)裝 RS485 接口，可由個(gè)人計(jì)算機(jī)向通用變頻器輸入運(yùn)行命令和設(shè)定功能碼數(shù)據(jù)等，通過(guò)選件可與現(xiàn)場(chǎng)總線： Profibus－ DP、 Interbus－ S、 Device Net、Modbus Plus、 CC－ Link、 LONNORKS、 Ether、 CAN Open、 TLINK 等通訊。時(shí)的噪聲交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 可降低 15—— 20dB。 低電磁噪音設(shè)計(jì)變頻器要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合 EMC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，主要做法是在變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正 電路，改善輸入電流波形降低電網(wǎng)諧波以及逆變橋采取電流過(guò)零的開(kāi)關(guān)技術(shù)。 小型化緊湊型變流器要求功率和控制元件具有高的集成度，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展己成為重要原因。 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù)。并且若能保持電壓和頻率成比例變化，則最大轉(zhuǎn)矩保持不變，所以這是一種近于恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速方案。 變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)： ① 調(diào)速范圍寬，可以使普通異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速： ② 啟動(dòng)電流小，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大； ③ 啟動(dòng)平滑，消除機(jī)械的沖擊力，保護(hù)機(jī)械設(shè)備； ④ 對(duì)電機(jī)具有保護(hù)功能，降低電機(jī)的維修費(fèi)用； ⑤ 具有顯著的節(jié)電效果； ⑥ 通過(guò)調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)系方便地實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或者恒功率調(diào)速； 基本要求；變頻調(diào)速是，希望氣隙磁通量基本保持不變 ，這樣，磁路的飽和程度 、激磁電流和電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)均可保持不變。因此通過(guò)連續(xù)改變定子電壓供電頻率 f 就能平滑、無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，)1(60 sp fn ??交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 這種調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速。由于轉(zhuǎn)差功率的傳遞為單項(xiàng) ，只能由轉(zhuǎn)子反饋給電網(wǎng)，所以電動(dòng)機(jī)只能在低于同步轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速 。 （ 1） 改變極對(duì)數(shù)作幾擋的有級(jí)調(diào)速，該種電機(jī)通用性差，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、維護(hù)性差。 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展方向 交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)種類(lèi)繁多，常見(jiàn)的有：降壓調(diào)速，電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，饒線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)串級(jí)調(diào)速，變極對(duì)數(shù)調(diào)速和變壓變頻調(diào)速。變頻調(diào)速技術(shù)己成為節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用范圍已發(fā)展到新階段。國(guó)家成立了風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能中心，開(kāi)展信息咨詢和培訓(xùn)。 交流傳動(dòng)得以飛速發(fā)展，得益于以下幾個(gè)方面： 電力電子功率器件的發(fā)展 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 控制理論的發(fā)展 PWM 技術(shù)的發(fā)展 微處理器和專用集成電路 (ASIC)的發(fā)展 我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，是一個(gè)由試驗(yàn)到實(shí)用，由輔助系統(tǒng)到生產(chǎn)裝置，由考慮節(jié)能到全面改善工藝水平，由開(kāi)環(huán)手動(dòng)控制到閉環(huán)自動(dòng)控制，由低壓中小容量到高壓大容量的過(guò)程。在冶金、交通、機(jī)械、電子、石油化工、紡織、制藥、造紙、家用電器、電力牽引等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。其中變頻調(diào)速是交流電機(jī)調(diào)速中發(fā)展最快、最活躍的一支。然而，采用適當(dāng)控制的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)在高性能應(yīng)用上已勝過(guò)直流傳動(dòng)，并且交流傳動(dòng)更加廣泛的應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的傳動(dòng)、機(jī)床和電動(dòng)工具、機(jī)器人和自動(dòng)裝置的傳動(dòng)、電動(dòng)汽車(chē)和電器火車(chē)傳動(dòng)等等。 這樣的高性能應(yīng)用，一般在速度閉環(huán)下要求高速段保持高于 %的調(diào)速精度和至少 20： 1的寬調(diào)速范圍，以及高于 50rad/s 的快速暫態(tài)響應(yīng)。然而對(duì)這些傳動(dòng)系統(tǒng)可利用的控制靈活性是非常有限的，而且它們的應(yīng)用主要局限在風(fēng)機(jī)、泵和壓風(fēng)機(jī)等應(yīng)用方面，其速度只需要粗略調(diào)節(jié)而對(duì)暫態(tài)響應(yīng)和低速特性沒(méi)有嚴(yán)格要求。然而，直流傳動(dòng)