交流异步电动机变频调速系统设计报告.doc

目录绪论2第1章 系统总方案设计思路31.1变频器的选定31.2系统原理框图及各部分简介4第2章 主电路的设计与分析52.1主电路工作原理52.2整流电路62.3逆变电路62.4 IGBT简介及驱动要求72.5保护电路10第3章 控制电路的设计与分析1331 驱动电路设计133.1.1 SPWM调制技术简介133.1.2 SPWM波生成芯片特点和引脚功能153.1.3 SA868芯片内部结构及工作原理173.2 控制电路设计18第4章 实验与仿真19第5章 总结与体会21附录22参考文献23绪论 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。从大的范围来分，电机有直流电机和交流电机。由于直流机调速容易实现，性能好，因此过去生产机械的调速多用直流电动机。但直流机固有的缺点：由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来太大的麻烦。因此人们希望，让简单可靠廉价的笼式交流电机也像直流电动机那样调速。这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机。随着电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，出现了变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢。所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将50Hz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交-交变频)，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中；间接变频(又称交-直-交变频)，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。本设计所设计的题目属于间接变频调速技术。它主要包括整流部分、逆变部分、控制部分及保护部分等。逆变环节为三相SPWM逆变方式。第1章 系统总设计方案思路1.1变频器的选定变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流电逆变成频率电压可调的交流电，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种： （1）电流型变频器电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。（2）电压型变频器电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。本次设计中选用交-直-交变频器，采用电压型变频器。1.2系统原理框图及各部分简介本文设计的交直交变频器由以下几部分组成，如图1.1所示：图1.1 系统原理框图供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220V，中大功率的采用三相380V电源。整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。滤波电路：因在本设计中采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。在设计中采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。控制电路：采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA868，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。第2章 主电路的设计与分析2.1主电路工作原理变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。在本设计中采用图2.1的主电路，这也是变频器常用的格式。图2.1 电压型交直交变频调速主电路2.2整流电路整流电路是把交流电变换为直流电的电路。目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，三相桥式全控整流电路每个时刻均有2个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组，一个是共阳极组，这样负载测形成直流导电回路。其原理如图2.2所示。图2.2 三相桥式全控整流电路2.3逆变电路将直流电转换为交流电的过程称为逆变。完成逆变功能的装置叫做逆变器，它是变频器的主要组成部分。三相逆变电路的原理图见图2.4所示。图2.4中，组成了桥式逆变电路，这6个开关交替地接通、关断就可以在输出端得到一个相位互相差的三相交流电压。当、闭合时，为正；、闭合时，为负。用同样的方法得：当、同时闭合和、同时闭合，得到,同时闭合和、同时闭合，得到。为了使三相交流电、在相位上依次相差；各开关的接通、关断需符合一定的规律，其规律在图2.4b中已标明。根据该规律可得、波形如图2.4c 所示。结构图 b) 开关的通断规律 c) 波形图图2.4三相逆变器原理图上述分析说明，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅值可通过的大小来调节。2.4 IGBT简介及驱动要求IGBT是压控器件，栅极输入阻抗高，所需要驱动功率小，驱动较为容易。但必须注意，IGBT的特性与栅极驱动条件密切相关，随驱动条件的变化而变化。(1)随着栅极正向电压的增加，通态压降减小，开通损耗也减小.若固定不变时，通态压降随集电极电流增大而增大，开通损耗随结温升高而增大。(2)随着栅极反向电压的增加，集电极浪涌电流减小，而关断损耗变化不大，IGBT的运行可靠性提高。(3)随着栅极串联电阻增加，将使IGBT的开通和关断时间增加，从而使IGBT开关损耗增加；而减小，则又将使增大，从而使IGBT在开关过程中产生较大的电压或电流尖峰，降低IGBT运行的安全性和可靠性。通过以上分析可以看出，一个理想的IGBT驱动电路应具有以下基本性能:(1)通常IGBT的栅极电压最大额定值为20V，若超过此值，栅极就会被击穿，导致器件损坏。为防止栅极过压，可采用稳压管作保护。(2)IGBT存在2.56V(T=25C)的栅极开启电压，驱动信号低于此开启电压时，器件是不导通的。要使器件导通，驱动信号必须大于其开启电压。当要求IGBT工作于开关状态时，驱动信号必须保证使器件工作于饱和状态，否则也会造成器件损坏。正向栅极驱动电压幅值的选取应同时考虑在额定运行条件下和一定过载情况下器件不退出饱和的前提，正向栅极电压越高，则通态压降越小，通态损耗也就越小。对无短路保护的驱动电路而言，驱动电压高一些有好处，可使器件在各种过流场合仍工作于饱和状态。通常，正向栅极电压取15V。在有短路保护的场合，不希望器件工作于过饱和状态，因为驱动电压小一些，可减小短路电流，对短路保护有好处。此时，栅极电压可取为13V。另外，为减小开通损耗，要求栅极驱动信号的前沿要陡。IGBT的栅极等效为一电容负载，所以驱动信号源的内阻要小。(3)当栅极信号低于其开启电压时，IGBT就关断了。为了缩短器件的关断时间，关断过程中应尽快放掉栅极输入电容上的电荷。器件关断时，驱动电路应提供低阻抗的放电通路。一般栅极反向电压取为-(50)V。当IGBT关断后在栅极加上一定幅值的反向电压可提高抗干扰能力。(4)IGBT栅极与发射极之间是绝缘的，不需要稳态输入电流，但由于存在栅极输入电容，所以驱动电路需要提供动态驱动电流。器件的电流、电压额定值越大，其输入电容就越大。当IGBT高频运行时，栅极驱动电流和驱动功率也是不小的，因此，驱动电路必须能提供足够的驱动电流和功率。(5)IGBT是高速开关器件，在大电流的运行场合，关断时间不宜过短，否则会产生过高的集电极尖峰电压。栅极电阻对IGBT的开关时间有直接的影响。栅极电阻过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高，会对器件造成损坏，所以栅极电阻的下限受到器件的关断安全区的限制。栅极电阻过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大，也会降低其工作效率和对其安全运行造成危险，所以栅极电阻的上限受到开关损耗的限制。对600VIGBT器件，栅极电阻可据下式确定：=(I10)625/式中，为IGBT的额定电流值. 栅极电阻的下限取系数为1，限取系数为10。对于1200V的IGBT器件，栅极的电阻值可取相同电流额定值的600V器件阻值的一半。 (6)驱动电路和控制电路之间应隔离。在许多设备中，IGBT与工频电网有直接电联系，而控制电路一般不希望如此。驱动电路具有电隔离能力可以保证设备的正常工作，同时也有利于维修调试人员的人身安全.驱动电路和栅极之间的引线应尽可能短，并用绞线，使栅极电路的闭合电路面积最小，以防止感应噪声的影响。采用光耦器件隔离时，应选用高的共模噪声抑制器件，能耐高电压变化率。 (7)输入输出信号传输尽量无延时。这一方面能够减少系统响应滞后，另一方面能提高保护的快速性。 (8)电路简单，成本低。 (9)当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅极电压自动抑制故障电流，实现IGBT软关断。其目的是避免快速关断故障电流造成过离的。在杂散电感的作用下，过高的会产生过高的电压尖峰，使IGBT承受不住而损坏。同样的，驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响，即应具有定时逻辑栅压控制的功能。当出现过流时，无论此时有无输入信号，都应无条件地实现软关断.在各种设备中，二极管的反向恢复、分布电容及关断吸收电路等都会在IGBT开通时造成尖峰电流，驱动电路应具备抑制这一瞬时过流的能力，在尖峰电流过后，应能恢复正常栅压，保证电路的正常工作。 (10)在出现短路、过流的情况下，能迅速发出过流保护信号，供控制电路处理。2.5保护电路保护电路的主要功能是对检测电路得到的各种信号进行运算处理，以判断变频器本身或系统是否出现异常。当检测到异常时，进行各种必要的处理。过压、欠压保护是针对电源异常、主回路电压超过或低于一定数值时考虑的。通用变频器输入电源电压允许波动的范围一般是额定输入电压的士10%。通常情况下，主回路直流环节的电压与输入电压保持固定关系。当输入电源电压过高，将使直流侧电压过高。过高的直流电压对IGBT的安全构成威胁，很可能超过IGBT的最大耐压值而将其击穿，造成永久性损坏。当输入电压过低时，虽不会对主回路元件构成直接威胁，但太低的输入电压很可能使控制回路工作不正常，而使系统紊乱，导致SA868输出错误的触发脉冲，造成主回路直通短路而烧坏IGBT。而且较低的输入电压也使系统的抗干扰能力下降。因此有必要对系统的电压进行保护。图2.5为本文介绍的变频器过压保护电路。图2.5 过电压保护电路它直接对直流侧电压进行检测。其中电压信号的取样是通过电阻和分压得到的，电容起滤波抗干扰作用，防止电路误动作。过压设定值从电位器上取出。运放接成比较器的形式。当取样电压高于设定值时(异常情况下)，比较器输出高电平，光耦器件导通，输出低电平保护信号。其中电阻是正反馈电阻，它的接入使正反馈有一定回差，防止取样信号在给定点附近波动时比较器抖动，这里将过压保护的动作值整定为额定输入电压的110%。 欠压保护电路的原理与过压保护电路类似。其电压取样与过压取样相同，欠压设定值由上取出。运放接成比较器的形式。当取样电压高于设定值时(正常情况下)，比较器输出高电平，光耦器件不导通，输出高电平。当取样电压低于设定值时(欠压情况下)，比较器输出低电平，光耦器件导通，输出低电平保护信号。其电路下图所示。动作值整定为输入电压的85%。图2.6欠压保护电路本系统的故障自诊断是指在系统运行前，变频器本身可以对过载、过压、欠压保护电路进行诊断，检测其保护电路是否正常。因此故障自诊断功能就是由单片机控制发出各种等效故障信号，检测对应的保护电路是否动作，若动作则说明保护电路正常，反之说明保护电路本身有故障，应停机对保护电路进行检查，直到显示器显示正常为止。故障自诊断电路工作过程如下：单片机控制HSO.2口发出一高电平，经非门整形后输出低电平，光耦器件导通，有电流流过三极管的基极，三极管导通输出低电平，输出的低电平自诊断信号分别送至过压、欠压保护电路。因SA868的SET TRIP端为高电平有效,所以应加上一个反相器,使其反相后输出高电平。以下的过流信号也是如此.故障自诊断电路如图2.7所示：图2.7 故障自诊断电路第3章 控制电路的设计与分析31 驱动电路设计 驱动电路的作用是逆变器中的逆变电路换流器件提供驱动信号。主电路逆变电路设计中采用的电力电子器件是IGBT，故称为门极驱动电路。以下将介绍SPWM技术工作原理和设计中所选用能产生SPWM波芯片SA868的基本结构和工作原理。3.1.1 SPWM调制技术简介 脉宽调制(PWM)技术是利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并消除谐波的技术。 根据电机学原理，交流异步电动机变频调速时，如果按照频率与定子端电压之比为定值的方式进行控制，则机械特性的硬度变化较小，所以在变频的同时，也要相应改变定子的端电压。若采用等脉宽PWM调制技术实现变频与变压，由于输出矩形波中含有较严重的高次谐波，会危害电动机的正常运行。为减小输出信号中的谐波分量，一种有效的途径是将等脉宽的矩形波变成信号宽度按正弦规律变化的正弦脉宽调制波，即SPWM调制波。 脉宽调制指的是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形(含形状和幅值)。在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按照正弦规律变化。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔最小；当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，那么这样的电压脉冲系列就可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，这种调制方式称为正弦波脉宽调制。 产生SPWM信号的方法是用一组等腰三角波(称为载波)与一个正弦波(称为调制波)进行比较，如图4.1所示，两波形的交点作为逆变开关管的开通与关断时间。当调制波的幅值大于载波的幅值时，开关器件导通，当调制波的幅值小于载波的幅值时，开关器件关断。 虽然正弦脉宽调制波与等脉宽PWM信号相比，谐波成份大大减小，但它毕竟不是正弦波。提高载波(三角波)的频率，是减小SPWM调制波中谐波分量的有效方法。而载波频率的提高，受到逆变开关管最高工作频率的限制。第三代绝缘栅双极型晶体管IGBT的工作频率可达30KHz，用IGBT作为逆变开关管，载波频率可以大幅度提高，从而使正弦脉宽调制波更接近正弦波。可由模拟电路分别产生等腰三角波与正弦波，并送入电压比较器，输出即为SPWM调制波。图3.1为SPWM波生成方法： 图3.1 SPWM波生成方法采用模拟电路的优点是完成三角波与正弦波的比较并确定输出脉冲宽度的时间很短，几乎瞬间完成。缺点是电路所用硬件较多，改变参数和调试比较困难。若用单片机直接产生SPWM信号，由于需要通过计算确定正弦脉宽调制波的宽度，使SPWM信号的频率及系统的动态响应都较慢。对于调速精度、调速方式要求较高的交流异步电动机，可以采用各项性能指标都非常完善，但价格也比较昂贵的通用变频器；对一般交流电动机的变频调速，可以直接采用三相SPWM调制信号专用芯片构成调速系统。在本设计中选用SA868。3.1.2 SPWM波生成芯片特点和引脚功能1.SA868的特点无需微处理器：通过10位ADC模拟输入：外接EEPROM编程：大批量的应用可工程掩膜；三种波形选择；线性和风扇规律的V/F特性；外接RC实现平滑加速、减速；恒频调压工作方式适用于静止逆变器；内置大电流输出驱动器；载波频率达24kHz静音工作；工作频率位0-4kHz；最小脉宽和死区脉宽可调；双缘调制；串接接口；自举驱动器预充电，SA868引脚说明如表所示。表3-1 SA868引脚说明引脚意义说明7RESET内部计数器复位端2，3RPHT,RPHBA相高、低端PWM输出4，5YPHT,YPHBB相高、低端PWM输出1，24VDDD,VSSD电源，地（数字）6DIR控制电机转向8Rdecel外接电机减速电阻9，13VSSA,VDDA电源，地（模拟）14，15，16，17SET4,SET3,SET2,SET1速度给定11，12Imonitor,Vmonitor电流、电压检测输入端22，23XTAL1,XTAL2外晶振PWM20，21BPHT,BPHBC相高、低端PWM输出18SET TRIP过电压、过电流控制端19/TRIP指示关闭状态端 2.SA868引脚功能图3.2 SA868引脚极限参数如下：1电源电压VDDD：7V 2 引脚电压：Vss-0.3VVDD+0.3V。 3 引脚输入/输出电流：+10mA。4 储存温度：-65+1255工作温度:-40+853.1.3 SA868芯片内部结构及工作原理SA868允许使用者借助于四路数字输入而容易地与机械处理定时器按钮或微处理器通道实现接口而选择特殊的工作频率，使用者还可以在厂家制造过程中预先选定的工作速度编程送入SA868内部的ROM中。SA868借助于自身PWM脉冲的算法来控制电压和频率，确保磁通恒定而达到调速工作中使电动机的转矩恒定，针对不同的机械允许选择合适配套的V/f曲线，并且SA868可自动地采集瞬时的转速和方向而实现加速或减速，另外满足整个功率装置的载波频率、调制工作频率、输出频率范围、波形、最小脉冲宽度、脉冲重叠时间可以由生产厂家预先调整和更改。图3.3 SA868芯片内部结构及工作原理3.2 控制电路设计图3.4 SA868应用原理框图SA868需要有外部时钟输入，时钟可以由CPU提供也可以用独立的时钟。外接独立时钟时可用12MHz或24MHz的卧式晶振，同时应尽量靠近SA868芯片。当功率管距离驱动电路大于15cm时，建议用双绞线传送PWM信号。SA868输出PWM波形参数是通过软件设定的，所以要求程序有稳定的运行环境，去耦电容选择适当。启动时的加速电路需要自己进行计算。第4章 实验与仿真(1) 运行仿真打开仿真/参数窗口，选择 ode23tb 算法，将相对误差设置为 1e-3，停止时间设置为 0.1s，单击工具栏中的“开始”按钮开始仿真。仿真结束后双击示波器模块可观测被测量的波形，改变模块参数可得到随之变化的仿真波形。图4.1 交直交变频调速系统的仿真波形图4.2 变频前后电压波形（取一相）(2) 仿真波形分析：通过搭建的交直交变频调速系统的仿真结果分析可知，三相的交流电在经过整