【正文】 項資源節(jié)約綜合利 用技術(shù)改造示范工程之一。在石油、石化、機械、冶金等行業(yè)都得到了大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用，取得了節(jié)能、增產(chǎn)的顯著效果。實踐的結(jié)果證明，節(jié)電率一般在 10％～30％，有的高達 40％，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點也得到解決。而由電機學可知，交流異步電機的轉(zhuǎn)速公司 如下： 公式（ 11） 其中： n 是異步電動機轉(zhuǎn)速， p 是異步電動機的極對數(shù)， s 是異步電動機的轉(zhuǎn)差率， f 是供電電源的頻率。 （ 2） 改變 轉(zhuǎn)差來調(diào)速，即只適用于繞線電機的轉(zhuǎn)子外加 電阻來調(diào)速，這樣調(diào)速電阻就要消耗一定的功率；還有串級調(diào)速，為了利用這部分功率，可在轉(zhuǎn)子回路中接入轉(zhuǎn)差頻率的功率變換裝置，是其送回電網(wǎng)。 （ 3） 當極對數(shù)不變時，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與定子電源頻率 f 成正比。改變供電電源頻率也稱變頻調(diào)速，這種方法能實現(xiàn)無級調(diào)速，并且能適用于各種異步電動機的調(diào)速需要，特別指出的是能適用我國現(xiàn)在普遍應用的鼠籠式三相交流異步電動機的調(diào)速需要。由于忽略定子的漏阻抗壓降時， 由于 U=E=，故要保持氣隙磁通量不變， 應使定子端電壓與頻率成比例地調(diào)節(jié)。 目前，變頻 調(diào)速己經(jīng)成為異步電動機最主要的調(diào)速方式，在很多領域都得到了廣泛的應用：而且隨著一些新的交流電機調(diào)速理論（如：矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制）和現(xiàn)代電力電子技術(shù)（ IGBT、 IPM、 PIC）以及高效的處理器（如： DSP）等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，它將在很長一段時間內(nèi)主導電氣傳動領域，并向更高性能、更大容量以及智能化方向發(fā)展。其發(fā)展的趨勢大致為： 主控一體化將功率芯片和控制電路集成在一飲芯片上使逆變功率和控制電路達到一體化，智能化和高性能化的 HV IC（高耐 壓 IC） SOC（ System on Chip）的概念已被用戶接受，隨著功率做大，此產(chǎn)品在市場上極具競爭力。 ABB 公司將小型變頻器定型為Comp－ ACTM，他向全球發(fā)布的全新概念是，小功率變頻器應當像接觸器、軟起動器等電器元件一樣使用簡牢，安裝方便，安全可靠。而控制電源用的開關(guān)電源將推崇半諧振方式，這種開關(guān)控制方式在 30～ 50MHZ。 數(shù)字控制以高速微處理器為基礎的數(shù)字控制模板有足夠的能力實現(xiàn)各控制算法。如西門子、三菱、普傳、臺安、東洋等品牌的通用變頻器，均可通過各自可提供的選件支持上述幾種或全部類型的現(xiàn)場總線。它是利用半導體器件的開通與關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度和周期以達到變壓的目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。已經(jīng)不限于逆變技術(shù)，也覆蓋了整流技術(shù)。特別值得一提的是，由于 PWM 整流器和 PWM 逆變器組成的電壓型變頻器（也稱雙 PWM 變流器）無須增加任何附加電路，就可以允許能量雙向傳送，實現(xiàn)四象限運行。但從控制思想上分，它有以下四類： （ 1） 等脈寬 PWM 法 它是為克服 PAM 方式中逆變器部分只能輸 出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓的缺點而發(fā)展來的，該法是從是 PWM 法中最簡單的一種。 （ 2） SPWM 法 它是為克服（ 1）法的缺點而發(fā)展來的，該法是從電動機供電電源角度出發(fā)，著眼于如何產(chǎn)生一個可調(diào)頻調(diào)壓的三相對稱正弦波電源。它是以三相對稱正弦波電壓供電時交流電機的理想磁鏈為基準，用逆變器不同開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁鏈矢量來追蹤基準磁鏈圓，由追蹤的結(jié)果決定出逆變器的開關(guān)模 式，以形成 PWM 波。電力電子時代是從 50 年代 末晶閘管（ SCR）的出現(xiàn)開始的，后來陸續(xù)推出了其它種類的器件，諸如控制極可關(guān)斷晶閘管（ GTO），雙極型大功率晶體管（ BJT 或 BPT），功率 MOS 場效應晶體管（ MOSFET），絕緣門極雙極型晶體管（ IGBT），靜態(tài)感應晶體管（ SIT），靜態(tài)感應晶閘管（ SITH）， MOS 控制的晶閘管（ MCT）等。從最初的晶體管到第二代的 GTR、 MOSFET 再到第三代的 IGBT，大功率半導體器件的性能不斷提高，使得變頻裝置發(fā)生了根本性的變化。智能功率模塊 IPM 是向第四代功率集成電路 PIC 的過渡產(chǎn)品。目前，在模塊額定電流 10600A 范圍內(nèi)的變頻器均有采用 IPM 的趨勢。 其中 IGBT 作為第三 代的電力電子器件，它的應用是變頻器的性能有了很大的提高，主要表現(xiàn)為： 1. 發(fā)熱減小 ,將曾占主回路發(fā)熱 50%70%的器件發(fā)熱降低了 30%； 2. 高載波控制，使輸出電流波形有明顯的改善； 3. 提高開關(guān)頻率，實現(xiàn)了電機運行的靜音化； 4. 驅(qū)動功率減小，體積趨于更小。 交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計 6 第二章 系統(tǒng)方案論證 交流電機變 頻調(diào)速系統(tǒng)包括主電路和控制電路兩部分，主電路主要完成功率的轉(zhuǎn)換，它的結(jié)構(gòu)是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，特別是從半控器件到全控器件的過渡標志著變頻裝置在性價比上可以與直流調(diào)速裝置相媲美；控制電路主要完成對變頻主電路提供各種控制信號，它是隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，而且數(shù)字技術(shù)的應用不僅提高了調(diào)速系統(tǒng)的精度和可靠性，而且還為現(xiàn)代控制理論與方法在交流調(diào)速中的應用提供了物質(zhì)基礎。 系統(tǒng)主電路方案的確定 在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中，主回路作為直接執(zhí)行機構(gòu)，其可靠性和穩(wěn)定性直接影響著系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，因此，必須根據(jù)系統(tǒng)設計的要求選擇合適的主電路。 交 交變頻電路有一個變換環(huán)節(jié)就可以把恒壓恒頻 (CVCF)的交流電源變換成 VVVF 電源，常用的交 交變頻電路輸出的每一相都是一個兩相功率器件整流裝置可逆線路。只要控制兩相反并聯(lián)的橋組不斷的處于整流和逆變工作狀態(tài)，就能將電網(wǎng)電壓變成變頻電源。電網(wǎng)頻率為 50HZ 時，交 交變頻電路的輸出上限頻率為 20HZ 左右； （ 2）輸出功率因數(shù) 交 交變頻電路的輸出是通過相控的方法的得到的，因此，在輸入端需要提供所需的無功電流，隨著負載功率因數(shù)的降低和電源幅 值的減小，所需的無功電流增加，所以輸出功率因數(shù)低； （ 3） 接線復雜，使用的功率器件多。 交 直 交變頻電路實現(xiàn)由整流器將電網(wǎng)中的交流電整流成直流電，經(jīng)過濾波，然后由逆變器逆變成交流電供給負載。當中間環(huán)節(jié)采用大電容濾波時，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一種阻抗為零的恒壓源，輸出電壓是矩形波或階梯波；當中間環(huán)節(jié)采用大電感濾波時，直流電壓波形比較平直 ，對負載來說是一個恒流源，輸出電壓也是矩形波或階梯波。電壓源型逆變器從水銀整流器問世就開始使用，并隨著功率器件的發(fā)展逐漸完善。正是由于這個原因，電壓源型逆變器得到了廣泛的應用。其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示?？煽卣鞯膬?yōu)點是可以控制直流電壓輸出的大小，可以實現(xiàn)變壓；其缺點是對電網(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。本設計面向的是不需要頻繁制動和反轉(zhuǎn)的電動機，所以選擇不可控二極管整流橋方式。逆變電路為三相全橋形式。對于本設計而言，選擇 IGBT 較合適。 目前 ,人們常常使用專用的芯片如 TL49 SG3525 等來產(chǎn)生 PWM(脈沖寬度調(diào)制 ) 波形 ,并由其通過反饋信號來實現(xiàn)對 PWM 波形的寬度的調(diào)節(jié) ,從而獲得穩(wěn)定的輸出。近幾年 ,基于微機控制的逆變系統(tǒng)主要采用單片機或 DSP (數(shù)字信號處理器 ) 控制。如MCS51 系列 ,中斷響應為 3～ 8個機器周期 ,用 6MHz的晶振 ,機器周期為 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 %。專用交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計 9 DSP 的系統(tǒng)的實時性好 ,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)過程比較復雜 , 開發(fā)工具價格昂貴。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。盡管 CPLD/ FPGA 在通訊領域應用廣泛 ,但其逆變電源中的應用只處于起步階段。 本設計力求在電路結(jié)構(gòu)簡單的情況下，從經(jīng)濟、節(jié)能角度出發(fā)，設計了一種基于 CPLD 的 SPWM 主控制電路，整個系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，利用復雜可編程邏輯器件（ CPLD）來實現(xiàn)觸發(fā)控制電路的設計，通過模擬、數(shù)字電路實現(xiàn)閉環(huán)控制和調(diào)節(jié)算法，并把調(diào)節(jié)輸出信號作為 CPLD 的輸入控制信號對 PWM 波進行調(diào)制。控制電路的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。所以，基于這種思想，本論文所做的工作包括以下幾個方面： （ 1）對交流電機的工作原理、運行特性以及變頻調(diào)速原理進行了解； （ 2）通過調(diào)研查找與本課題有關(guān)的資料，并進行認真的分析、消化； （ 3）在消化吸收的基礎上，根據(jù)本課題的特點，進行方案論證并確定設計方案； （ 4）根據(jù)確定的方案，進行主電路、控制電路（包括保護電路、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計； （ 5）在設計當中，學習可編程邏輯器件（ CPLD）及其相應的軟件知識，為設計觸發(fā)電路做準備；并學習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)設計論文和電氣原理圖。 交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計 12 第三章 系統(tǒng)主電路設計 主電路工作原理 主電路由整流和逆變電路構(gòu)成。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 管和大功率達林頓晶體管特性優(yōu)點于一身，而無兩者的缺點，具有高電壓、大電流、低導通電阻、高速、高可靠、低開關(guān)損耗、低脈沖拖尾電流、對溫度不敏感等特性。其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。 1. 整流電路 整流 電路因變頻電路輸入功率大小不同而異。本畢業(yè)設計中選用的是 11KW 的三相交流電動機，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。如圖 4 所示。 (3― 3) 交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計 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機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計 15 中間直流電路 它包括吸收由整流器、逆變器回路產(chǎn)生的電壓脈動的濾波電路（也稱儲能回路）以及限流電路。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載的電動機提供必要的無功功率。本課題中使用兩個大電容器 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 旁各并一個阻值相等的均壓電阻 1R 和 2R 。 1) 限流電阻 sR 變頻電路在接入電源之前，由于儲能電容較大，濾波電容上電壓 dU =0，故接入電源瞬間勢必產(chǎn)生很大的沖擊電流經(jīng)整流橋流向濾波電容，此時 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。 2)可控硅 VT 當電路正常工作是，如將此限流電阻長時間接在電路中，會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。觸發(fā)可控硅 VT 的電路可設計如圖 5 所示。并同主回路 P 點電壓相比較，當