毕业设计---基于变频器的交流异步电机调速系统.doc

交流电动机变频调速系统设计摘 要最近几年，随着新型电力电子器件的不断涌现和计算机技术的飞速发展，高性能的交流电动机变频调速系统得到了广泛的应用，他的显著的节能效果和灵活的运行方式，给人们留下了深刻的印象。本论文首先论述了变频调速的基础技术，简述了它在我国的发展和应用以及今后在这方面应做的工作；其次对系统的主电路、控制电路、电气控制电路以及实现控制的软、硬件进行了系统地分析，并对调速系统的实施方案进行了论证。在此基础上，调速系统主电路采用了交-直-交型电路形式，并采用igbt作为主电路的功率开关器件；根据pwm波形的生成原理，采用vhdl语言，从硬件和软件上探讨了基于cpld，用于igbt控制的数字化pwm波形产生器的实现方法；根据系统的设计要求，选择了转速负反馈控制，提高了系统的精度和稳定度；最后完成了相应的电气控制电路和直流电源的设计。经相关的实验及仿真波形分析，表明该系统满足预期的设计要求。关键词： 交流调速 变频调速 igbt cpld pwmabstractin recent years, with the development of new power electronic component and computer technique, high performance ac motor vvvf system has been applied extensively. more and more people are interesting in its striking effect on power-saving and flexible operating mode.first, the basic technique of speed control by frequency variation is introduced briefly , and then the development and application in our country is summarized and we should do in future; second, the main circuit、control circuit、electrical control circuit and software and hardware of the control device is analyzed systematically. based on the foregoing analyses, acdcac voltage source inverter( vsi ) and igbt devices are selected in the main circuit . according to the generating theory of pwm wave, a new method of digital pwm wave generator based on cpld using vhdl language is discussed from the point view of hardware and software. a rotate speed negative feedback control is adopted according to the design request of the system, which improves the systems accuracy and stabilization. at last, the design of corresponding circuit of electric control and dc power is completed.it is proved by design experiments and simulation waves that this design accords with the expectable requirements. keywords：ac speed - adjusting； variance-frequency speed - adjusting；igbt；cpld；pwm目 录第一章 前言.11.1 交流变频调速技术的发展与研究现状 .11.2 变频调速技术的优点和发展方向 .21.3 相关技术分析 .41.4 本章小结.5第二章 系统方案论证 .62.1 系统主电路方案的确定 .62.2 系统控制电路方案的确定 .82.3 系统电路总体框图 .102.4 本论文所完成的任务 .102.5 本章小结 .11第三章 系统主电路设计 .123.1 主电路工作原理 .123.2 系统主电路参数设计与选择 .153.3 本章小结 .19第四章 系统控制电路设计 .204.1触发控制回路设计 .204.2 驱动电路设计.304.3 保护电路设计 .324.4 系统所需直流电源设计 .414.5 本章小结 .44第五章 系统电气控制线路设计 .455.1 系统电气控制线路主要设计要求 .455.2 电气控制单元电路设计 .455.3 系统电气控制线路原理图 .485.4 本章小结 .48第六章 结论 .49参考文献 .50结束语 .51附 录 .52- 55 -第一章 前 言1.1 交流变频调速技术的发展与研究现状在过去的几十年里,世界范围的工业进步的一个重要因素是工厂自动化程度的不断提高。工厂里的生产线一般包括一个或多个可变速的电机传动装置,用于大功率传送带、机械手、桥式吊车、钢材扎制生产线以及塑料和合成纤维生产线等。50年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动，交流电机由于其固有的以同步或几乎同步于电源的频率运行，所以难以真正的调节或平滑的改变速度。然而，直流传动存在的诸如运行中产生火花、对环境要求叫较高、电刷易于磨损、维护麻烦等等的自身结构上的问题促使人们不断寻求更好的解决问题的方法。一般来说，交流传动与相当的直流传动相比通常有价格方面的优势，而且具有较少维护、较小的电机尺寸和更高的可靠性。然而对这些传动系统可利用的控制灵活性是非常有限的，而且它们的应用主要局限在风机、泵和压风机等应用方面，其速度只需要粗略调节而对暂态响应和低速特性没有严格要求。用于机床、高速电梯、测功器、矿井提升机等的传动装置，有更加复杂的要求，而且必须提供允许调节多个变量的灵活性，例如速度、位置、加速度和转矩等。这样的高性能应用，一般在速度闭环下要求高速段保持高于0.5%的调速精度和至少20：1的宽调速范围，以及高于50rad/s的快速暂态响应。以前，这样的传动装置几乎全部是直流电机的应用领域，并根据具体应用的需要配置各种结构的ac-dc变换器。然而，采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已胜过直流传动，并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机器人和自动装置的传动、电动汽车和电器火车传动等等。经过近三十年的发展，交流调速电气传动已上升为电气调速的主流，正在越来越广泛的领域取代传统的直流调速传动。其中变频调速是交流电机调速中发展最快、最活跃的一支。它以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为现代调速传动的主流。在冶金、交通、机械、电子、石油化工、纺织、制药、造纸、家用电器、电力牵引等工业领域得到了广泛的应用，产生了巨大的经济效益。同时变频调速传动系统无论在性能、装置体积、设备维护还是在节能乃至环保等方面也都体现了巨大的优势。交流传动得以飞速发展，得益于以下几个方面：1、 电力电子功率器件的发展2、 控制理论的发展3、 pwm技术的发展4、 微处理器和专用集成电路(asic)的发展 我国变频调速技术的应用，是一个由试验到实用，由辅助系统到生产装置，由考虑节能到全面改善工艺水平，由开环手动控制到闭环自动控制，由低压中小容量到高压大容量的过程。多年来，国家有关部门一直致力于变频调速技术的开发及推广应用，并给予重点扶持，并将推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向。国家成立了风机水泵节能中心，开展信息咨询和培训。在国家经贸委小“九五”资源节能综合利用工作纲要中，变频调速己被列入重点组织实施的10项资源节约综合利用技术改造示范工程之一。变频调速技术的应用范围已发展到新阶段。在石油、石化、机械、冶金等行业都得到了大量使用和整套装置系统使用，取得了节能、增产的显著效果。变频调速技术己成为节约能源及提高产品质量的有效措施。实践的结果证明，节电率一般在1030，有的高达40，更重要的是生产中一些技术难点也得到解决。1.2 变频调速技术的优点和发展方向交流异步电动机调速系统种类繁多，常见的有：降压调速，电磁转差离合器调速，饶线转子异步电机串级调速，变极对数调速和变压变频调速。而由电机学可知，交流异步电机的转速公司如下： 公式（1-1）其中：n是异步电动机转速，p是异步电动机的极对数，s是异步电动机的转差率，f是供电电源的频率。（1） 改变极对数作几挡的有级调速，该种电机通用性差，并且结构复杂、价格高、维护性差。（2） 改变转差来调速，即只适用于绕线电机的转子外加电阻来调速，这样调速电阻就要消耗一定的功率；还有串级调速，为了利用这部分功率，可在转子回路中接入转差频率的功率变换装置，是其送回电网。由于转差功率的传递为单项，只能由转子反馈给电网，所以电动机只能在低于同步转速的范围内进行调速。（3） 当极对数不变时，电动机转子转速 n与定子电源频率f成正比。因此通过连续改变定子电压供电频率f就能平滑、无级地调节异步电动机的转速，这种调速方法称为变频调速。改变供电电源频率也称变频调速，这种方法能实现无级调速，并且能适用于各种异步电动机的调速需要，特别指出的是能适用我国现在普遍应用的鼠笼式三相交流异步电动机的调速需要。 变频调速的优点： 调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速： 启动电流小，而启动转矩大； 启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备； 对电机具有保护功能，降低电机的维修费用； 具有显著的节电效果； 通过调节电压和频率的关系方便地实现恒转矩或者恒功率调速；基本要求；变频调速是，希望气隙磁通量基本保持不变，这样，磁路的饱和程度、激磁电流和电动机的功率因数均可保持不变。由于忽略定子的漏阻抗压降时，由于u=e=4.44fnkm，故要保持气隙磁通量不变，应使定子端电压与频率成比例地调节。并且若能保持电压和频率成比例变化，则最大转矩保持不变，所以这是一种近于恒转矩的调速方案。 目前，变频调速己经成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都得到了广泛的应用：而且随着一些新的交流电机调速理论（如：矢量控制和直接转矩控制）和现代电力电子技术（igbt、ipm、pic）以及高效的处理器（如：dsp）等相关技术的发展，它将在很长一段时间内主导电气传动领域，并向更高性能、更大容量以及智能化方向发展。 交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术。其发展的趋势大致为： 1、主控一体化将功率芯片和控制电路集成在一饮芯片上使逆变功率和控制电路达到一体化，智能化和高性能化的hv ic（高耐压ic）soc（system on chip）的概念已被用户接受，随着功率做大，此产品在市场上极具竞争力。 2、小型化紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，功率器件发热的改善和冷却技术的发展己成为重要原因。abb公司将小型变频器定型为compactm，他向全球发布的全新概念是，小功率变频器应当像接触器、软起动器等电器元件一样使用简牢，安装方便，安全可靠。 3、低电磁噪音设计变频器要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合emc国际标准，主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路，改善输入电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在3050mhz。时的噪声可降低1520db。 4、数字控制以高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各控制算法。5、网络化新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装rs485接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等，通过选件可与现场总线： profibusdp、interbuss、device net、modbus plus、cclink、lonnorks、ethernet、can open、t-link等通讯。如西门子、三菱、普传、台安、东洋等品牌的通用变频器，均可通过各自可提供的选件支持上述几种或全部类型的现场总线。1.3 相关技术分析 1.3.1 pwm技术 pwm技术是变频调速技术的核心技术之一。它是利用半导体器件的开通与关断，把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压的目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。目前pwm技术被广泛应用于电气传动、不间断电源、有源滤波器等中。已经不限于逆变技术，也覆盖了整流技术。如在整流电路中，采用自关断器件进行pwm控制，可使电网侧的输入电流接近正弦波，并且功率因数达到1，可望彻底解决对电网的污染问题。特别值得一提的是，由于pwm整流器和pwm逆变器组成的电压型变频器（也称双pwm变流器）无须增加任何附加电路，就可以允许能量双向传送，实现四象限运行。至于pwm控制技术又有许多中，并且还在不断发展中。但从控制思想上分，它有以下四类：（1） 等脉宽pwm法 它是为克服pam方式中逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压的缺点而发展来的，该法是从是pwm法中最简单的一种。其缺点是输出电压中除基波外，还含有较大的谐波分量。（2） spwm法 它是为克服（1）法的缺点而发展来的，该法是从电动机供电电源角度出发，着眼于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。（3）磁链追踪型pwm法 它是从电动机角度出发，着眼点是如何使电动机获得圆磁场。它是以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁链为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定出逆变器的开关模式，以形成pwm波。 （4）电流跟踪型pwm法 1.3.2 电力电子技术变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。电力电子时代是从50年代末晶闸管（scr）的出现开始的，后来陆续推出了其它种类的器件，诸如控制极可关断晶闸管（gto），双极型大功率晶体管（bjt或bpt），功率mos场效应晶体管（mosfet），绝缘门极双极型晶体管（igbt），静态感应晶体管（sit），静态感应晶闸管（sith），mos控制的晶闸管（mct）等。在这个不断发展的过程中，器件的电压、电流额定以及其他电气特性均得到了很大的改善。从最初的晶体管到第二代的gtr、mosfet再到第三代的igbt，大功率半导体器件的性能不断提高，使得变频装置发生了根本性的变化。目前，大功率半导体器件又向集成化智能化方向发展。智能功率模块ipm是向第四代功率集成电路pic的过渡产品。ipm包含了igbt芯片及外围的驱动和保护电路，有的把光耦也集成于一体，因此是更为好用的集成功率器件。目前，在模块额定电流10-600a范围内的变频器均有采用ipm的趋势。它具有开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单，保护功能更为丰富等优势。其中igbt作为第三代的电力电子器件，它的应用是变频器的性能有了很大的提高，主要表现为：1. 发热减小,将曾占主回路发热50%-70%的器件发热降低了30%；2. 高载波控制，使输出电流波形有明显的改善；3. 提高开关频率，实现了电机运行的静音化；4. 驱动功率减小，体积趋于更小。1.4 本章小结 本章先介绍了交流变频调速技术的发展与研究现状；然后介绍了变频调速技术的优点和发展方向；在最后介绍了本论文所涉及到的相关技术（pwm技术和电力电子技术等），并进行了相关分析。第二章 系统方案论证交流电机变频调速系统包括主电路和控制电路两部分，主电路主要完成功率的转换，它的结构是随着电力电子技术的发展而发展的，特别是从半控器件到全控器件的过渡标志着变频装置在性价比上可以与直流调速装置相媲美；控制电路主要完成对变频主电路提供各种控制信号，它是随着数字控制技术的发展而发展的，而且数字技术的应用不仅提高了调速系统的精度和可靠性，而且还为现代控制理论与方法在交流调速中的应用提供了物质基础。本章将分别对系统主电路和控制电路的几种可能实现的方案进行充分论证的基础上，提出了系统采纳的方案以及说明选用该方案的原因。2.1 系统主电路方案的确定在交流变频调速系统中，主回路作为直接执行机构，其可靠性和稳定性直接影响着系统的运转，因此，必须根据系统设计的要求选择合适的主电路。2.1.1 主电路结构的选择主电路是将三相交流电变换成频率、幅值可调的交流电压，能实现这一功能的电路有交-交电路和交-直-交电路。交-交变频电路有一个变换环节就可以把恒压恒频(cvcf)的交流电源变换成vvvf电源，常用的交-交变频电路输出的每一相都是一个两相功率器件整流装置可逆线路。当正向组工作在整流状态，反向组工作在逆变状态时，交流电机得到的是正电压；反之，电机绕组得到的是负电压。只要控制两相反并联的桥组不断的处于整流和逆变工作状态，就能将电网电压变成变频电源。但交-交变频电路有以下缺点：（1）输出上限频率 由于交-交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼凑而成，当输出频率升高时，输出电压在一个周期内电网电压的段数就减少，所含的谐波分量就增加。电网频率为50hz时，交-交变频电路的输出上限频率为20hz左右；（2）输出功率因数 交-交变频电路的输出是通过相控的方法的得到的，因此，在输入端需要提供所需的无功电流，随着负载功率因数的降低和电源幅值的减小，所需的无功电流增加，所以输出功率因数低；（3）接线复杂，使用的功率器件多。所以，交-交变频电路主要用于转速在600r/min以下的大功率交流调速装置中。交-直-交变频电路实现由整流器将电网中的交流电整流成直流电，经过滤波，然后由逆变器逆变成交流电供给负载。根据中间环节采用大电容或大电感滤波可分为交-直-交电压型和交-直-交电流型两类。当中间环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种阻抗为零的恒压源，输出电压是矩形波或阶梯波；当中间环节采用大电感滤波时，直流电压波形比较平直，对负载来说是一个恒流源，输出电压也是矩形波或阶梯波。由于电压源型变频电路是作为电压源向交流电机提供电功率的，因此，其主要优点是运行几乎不受负载功率因数和换流的影响；缺点是当负载出现短路或过流时，必须采取保护措施。电压源型逆变器从水银整流器问世就开始使用，并随着功率器件的发展逐渐完善。如今，适合工业应用、体积小、大功率的电压源型逆变器制造技术大幅度提高，价格也降低了，并使交流电机调速性能一些应用场合超过直流电机调速系统。正是由于这个原因，电压源型逆变器得到了广泛的应用。因此，在变频调速系统中主电路选择了电压源型交-直-交变频电路。其结构如图1所示。2.1.2 主电源的选择主电源的整流电路包括可控整流和不可控整流。可控整流的优点是可以控制直流电压输出的大小，可以实现变压；其缺点是对电网的干扰大，而且整流得到的直流电压谐波大，输入功率因数低。而不可控整流的优点是对电网的干扰较小，整流得到的直流谐波小，电压稳定，因而输入功率因数高；缺点是直流电压不可控，要想控制输出电压值，只有通过后面环节（逆变器可以控制电压大小）。本设计面向的是不需要频繁制动和反转的电动机，所以选择不可控二极管整流桥方式。滤波电路采用阻容方式。逆变电路为三相全桥形式。 图1 交-直-交电压型变频主电路2.1.3 逆变功率器件的选择功率器件应根据设计的要求和性能指标来选择，对于变频调速系统，一方面要求开关频率足够高，另一方面要求有足够的输出容量，对比scr、gto、bjt、gtr、igbt、mosfet、mct等几种常用的新型功率半导体器件，scr导通容易，但需强迫换流电路使其关断；igbt具有自关断能力，且有gtr的大容量和mosfet的驱动功率小、开关动作快等优点，是中小容量最为流行的器件；mct综合了晶闸管的高电压、大电流特性和mosfet的快速开关特性，是极具有发展前景的大功率、高频开关器件。对于本设计而言，选择igbt较合适。2.2 系统控制方案的确定控制电路作为交流电机变频调速系统的核心部分，在影响整个系统的性能方面占有极其重要的地位，而控制系统的性能又取决于其运算速度和控制精度，这在某种程度上依赖于实现该系统的电子芯片。目前,人们常常使用专用的芯片如tl494、sg3525 等来产生pwm(脉冲宽度调制) 波形,并由其通过反馈信号来实现对pwm 波形的宽度的调节,从而获得稳定的输出。当控制电路设计完成后,就是一个相对独立的系统,调节、控制方式不能再更改,系统的总体协调功能差。近几年,基于微机控制的逆变系统主要采用单片机或dsp (数字信号处理器) 控制。采用单片机的系统若使用定时器产生pwm,由于中断的特点,使输出的pwm 的脉宽容易发生改变,从而影响输出电压的精度。如mcs51 系列,中断响应为38个机器周期,用6mhz的晶振,机器周期为2s,逆变器工作频率为20 khz,工作周期50s ,则误差范围为12 %32 %;此外,单片机对系统调节的实时性差(96系列的机型也不能满足要求),因此单片机构成的系统一般需要外接产生pwm的芯片,单片机主要用于协调系统的工作及输出显示。专用dsp 的系统的实时性好,但灵活性差,通用的dsp系统总体控制、协调性能不是很好,而且dsp 开发过程比较复杂, 开发工具价格昂贵。可编程芯片尤其是cpld/ fpga(复杂可编程逻辑器件/ 现场可编程门阵列) 具有通用性强、灵活性好的特点,这些芯片可以用vhdl (非常高速集成电路硬件描述语言) 进行至顶向下的设计开发,设计者不需要了解硬件的结构就通过软件编程用硬件来实现所需的控制器,系统的抗干扰性能优于单片机系统。如altera 公司的可编程芯片flex 10k,内部具有嵌入式阵列块eab ,可以方便的配置为乘法器以及微控制器,其逻辑阵列块lab 可以获得所需要的逻辑控制信号。此外,使用cpld/ fpga 的控制器可以在不改变主电路的前提下通过重新编程就可以获得不同的控制方式,从而提高和升级系统的性能。尽管cpld/ fpga 在通讯领域应用广泛,但其逆变电源中的应用只处于起步阶段。可以相信,采用可编程芯片控制的逆变系统是未来逆变系统研究的热点,尤其是在试验室进行研究和开发,更具有独特的优势。本设计力求在电路结构简单的情况下，从经济、节能角度出发，设计了一种基于cpld的spwm主控制电路，整个系统采用闭环控制，利用复杂可编程逻辑器件（cpld）来实现触发控制电路的设计，通过模拟、数字电路实现闭环控制和调节算法，并把调节输出信号作为cpld的输入控制信号对pwm波进行调制。这种电路结构简单，产生原理完全不同于传统的方法，可以和微机配合使用，仅占用微机很少的时间，也可以做成完全独立式，不占用微机任何资源。控制电路的结构如图2所示。 图2 系统控制电路框图2.3 系统总体结构框图 图3 系统总体电路框图2.4 本设计所要完成的主要工作 课题的目标是完成交流电机变频调速系统主电路和控制电路两部分设计。所以，基于这种思想，本论文所做的工作包括以下几个方面：（1）对交流电机的工作原理、运行特性以及变频调速原理进行了解； （2）通过调研查找与本课题有关的资料，并进行认真的分析、消化； （3）在消化吸收的基础上，根据本课题的特点，进行方案论证并确定设计方案； （4）根据确定的方案，进行主电路、控制电路（包括保护电路、触发电路、反馈电路等）、继电器、接触器等电气控制线路以及辅助直流电源的设计；（5）在设计当中，学习可编程逻辑器件（cpld）及其相应的软件知识，为设计触发电路做准备；并学习常用画图软件工具以及完成有关上交材料；（6）整体电路优化和调试；（7）完成毕业设计论文和电气原理图。2.5 本章小结 本章主要根据系统设计的要求，对系统主电路和控制电路的几种可能实现的方案进行充分的论证、分析，提出了系统采纳的方案以及说明选用该方案的原因，最终，系统主电路选用了交-直-交电压型变频主电路，控制电路利用模拟电路和数字电路实现，采用的是闭环控制，这样，简化了电路结构，缩短了设计周期。第三章 系统主电路设计3.1 主电路工作原理 主电路由整流和逆变电路构成。三相交流电源经过三相全波整流、滤波、稳压，为逆变器提供一个稳定可靠的大容量直流电源，然后由大功率开关元件按脉宽调制（pwm）方式，将直流逆变成可变频率和电压的交流，供交流电动机变速之用。主电路中大功率开关元件选择igbt模块（ igbt即绝缘门极双极晶体管），它集vmos管和大功率达林顿晶体管特性优点于一身，而无两者的缺点，具有高电压、大电流、低导通电阻、高速、高可靠、低开关损耗、低脉冲拖尾电流、对温度不敏感等特性。本课题选用的是交-直-交电压型pwm变频主电路，它包括不可控整流电路、滤波电路和三相桥式逆变电路以及能耗制动电路。其结构如图4所示。3.1.1 交-直变换电路该变换电路的任务是将电源的三相交流电变换为平稳的直流电。 1. 整流电路 整流电路因变频电路输入功率大小不同而异。对于小功率的，输入电源多用单相220v，整流电路用单相全波整流桥；对于大功率的，一般用三相380v电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。本毕业设计中选用的是11kw的三相交流电动机，其额定电流为22.6a，额定电压为380v,额定频率为50hz,额定转速为1460转/分，属于中小功率范围。整流器件采用不可控的整流二极管或二极管模块。如图4所示。2. 整流器件的一般选择原则1） 最大反向电压 ，式中是电源线电压的振幅值 (31) 2) 最大整流电流，式中为变频器的额定电流 (32) 3) 整流输出的平均直流电压 如果电源的线电压为，则三相全波整流后平均直流电压的大小=。 (33)3.1.2 中间直流电路 它包括吸收由整流器、逆变器回路产生的电压脉动的滤波电路（也称储能回路）以及限流电路。1、滤波电路 由于整流电路输出的整流电压中含有6倍电源频率的脉动直流电压，而逆变器采用pwm控制方式（由逆变器同时完成vvvf）,要求中间直流电路是电压源型, 所以一般采用电容器滤波。中间直流电路除起滤波作用外，还必须在整流器与逆变器之间起耦合作用，以消除相互干扰，这就要求给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。可见，中间直流电路的电容除起滤波作用外，还起储能作用，因而它的电容量必须较大，所以，又称储能电容器。本课题中使用两个大电容器、；又由于电解电容的电容量有较大的离散性，故电容器、电容量不能完全相等，这将使它们承受的电压和不相等，为了使和相等，在和旁各并一个阻值相等的均压电阻和。 2. 限流电路 图4中，串接在整流桥和滤波电容器之间，由限流电阻和可控硅组成的并联电路。1) 限流电阻 变频电路在接入电源之前，由于储能电容较大，滤波电容上电压=0，故接入电源瞬间势必产生很大的冲击电流经整流桥流向滤波电容，此时很大，可能使整流桥受到损坏；也可能使电源瞬间电压下降，形成干扰。为限制该冲击电流，有必要在整流桥的输出端和滤波电容器之间串入一个限流电阻。2)可控硅 当电路正常工作是，如将此限流电阻长时间接在电路中，会引起附加损耗和整流输出直流电压以及逆变器输出电压的不稳定。所以，当电容两端的电压增加到额定电压的70%时，触发可控硅，将电阻切除电路，并使一直处于导通状态。触发可控硅的电路可设计如图5所示。 图5 可控硅触发电路图中，通过调节来设定基准电压。并同主回路p点电压相比较，当p点电压高于基准电压时，比较器lm331输出高电平，在通过光耦tlp741进行隔离放大，使导通。3.1.3 直交变换电路1. 逆变器 其功能是把直流电压逆变成频率可调的交流电压。在图4中，有开关器件构成的电路。的器件接受控制电路中的pwm调制信号的控制，将直流电压逆变成三相交流电压。本设计中，采用了由开关元件igbt构成的三相桥式逆变电路，由于igbt具有gtr的大容量和mosfet的开关动作快、驱动功率小等优点，发展很快，备受青睐，在电机控制和开关电源领域中有着广泛的前景。2. 续流电路 由图4中的构成。其功能为1)为电动机绕组的无功电流返回直流回路时提供通路；2)频率下降，从而同步频率下降时，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路。 3)为电路中的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路。3.1.4 能耗制动电路 在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减下频率来实现的。这时，从电动机的角度来看，电动机处于再生制动的工作状态；从变频调速系统的角度来看，拖动系统在转速下降时减少的动能，由电动机“再生”电能后，在变频主电路的直流环节中被消耗掉了。归根结底，是通过消耗能量而获得制动转矩的，属于能耗制动状态。为此，在系统电路中设计了由ve、re、vde组成的放电回路，以免过高的直流电压使各部分器件损坏。3.1.5 指示电路 电源指示灯hl，除了表示电源是否接通以外，还有一十分重要的功能，即在变频电路切断电源后，指示滤波电容是否放电完毕。由于和的容量较大，而切断电压又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以，电容没有快速放电的回路，其放电时间长达数分钟。由于上的电压较高，如不放完，对人身安全将构成威胁。3.2系统主电路参数设计与选择由图4可知，主电路由整流电路和igbt逆变电路构成，它是本系统的功率驱动单元，由不可控整流环节、中间直流环节、和逆变环节构成。系统所用参数如下：电动机参数：电动机型号：ygf160m-4，2p=4, ，, , , 电源电压：380v ，频率： 50hz逆变部分采用igbt pwm型逆变器，控制方式，过载倍数/分钟。3.2.1 整流二极管模块选择1参数计算1)通过二极管的峰值电流 (34)2)流过二极管电流有效值 (35)式中，为电机最大负载电流峰值，其值一般取为。3)二极管电流定额 (36)4)二极管的电压定额 = (37)根据电网电压，考虑到其峰值、波动、闪电、雷击等因素，实取。2. 元件选取根据上式确定的电压、电流定额，选择二极管模块mod1、mod2, 型号为：6ri30g-120，即（60a,1200v）。3.2.2滤波电容的选择1. 参数计算1) 当没有滤波电容时，三相整流输出直流电压为 (38)2) 加上滤波电容后，的最大线电压可达到交流线电压的峰值 (39)2. 元件选取 滤波电容理论上越大越好，考虑到价格和体积，电容也不能选得太大；事实上，中间直流滤波电容的容量是从限制电压波动的角度来选择的，因此，选用两个电解电容器相串联，总耐压值为，电容量为。电容器的均压电阻取。3.2.3开启电源限流电路的参数选择图3中为变频电路启动时的限流电阻,由于变频电路通电瞬间,滤波电容相当于短路,因而,冲击电流很大,故需加电阻来限流,实际上当电容充电时, 和、构成的回路是一个典型的一阶惯性环节，其时间常数；故在零初始状态下，电容上电压的相应方程式为 (310)当t=4t时，故可选取充电时间为t=4t=。假若要求充电时间，那么 (311)故上消耗的功率为： (312) 实际上，假若不是经常性的冲放电时，的瓦数可选小一些，以减小设备的体积。实选开启限流电阻为：。3.2.4直流回路短路过电流保护1) 输出直流电压 (313)式中，为安全系数，一般取1.1；1.1为波动系数。2) 额定状态下，直流侧的功率，不计逆变器的损耗和电机的谐波损耗，有 (314)3) 直流电流平均值 (315)4) 整流器交流侧输入的电流有效值可近似为 (316)5) 熔断器的额定电流为 (317)所以，实选熔断器熔体额定电流为。3.2.5交流电源侧保护元件参数选择1. 交流侧过流保护快速熔断器熔体的额定电流为 (318)其中，是与负载的过载倍数以及整流模块的安全裕量有关的系数，考虑到，取=1.9，所以有 =，故实选熔断器额定电流为30a。2. 静电感应过压抑制电容取为（经验选取）。3. 进线电抗l的电感量 按下面的经验公式计算 (319)式中，与变频器容量相当的整流变压器的短路比，100以下的一般取为5，将，代入上式得 故实选进线电感量220，额定电流为30a(交流)或饱和电流为50a(饱和电流考虑了1.5倍在要求)。3.2.6 逆变器功率器件igbt选择igbt是场控大功率器件，具有自关断能力，开关速度高，所以，使用igbt可使逆变器结构小巧。但它热时间常数小，承受过载能力差；因此，在实际的应用时，应从负载最严重的情形来选择功率器件。本系统中，最严重的情况是异步电动机的启动电流为额定电流的（1.22.0倍，且要考虑电流峰值。1. igbt集电极电流计算公式为 (320)式中，电机过载倍数，一般小于2.7。电机额定电流所以，=考虑安全裕量，实取200a。2. igbt的耐压值 igbt关断时的峰值电压为: （321）式中，1.15为过压保护系数，为安全系数，一般取1.1，150由引起的尖峰电压。令，并向上靠拢，igbt的实际电压等级应取1200v。3.3 本章小结 本章首先介绍了主电路的基本结构，对主电路中的整流电路、滤波电路、逆变电路以及能耗制动电路的工作原理进行了分析；然后，根据系统参数要求，对主电路中元器件参数进行了分析、计算，并根据计算结果选择了元器件。第四章 系统控制电路设计 控制电路和保护电路是整个系统的控制核心，主要包括逆变器的控制电路设计（主要是spwm的产生控制和igbt驱动控制），系统过压、过流、以及泵升电压的保护等。它作为交流