（电力电子与电力传动专业论文）电网瞬时停电保持变频器母线电压恒定的新方法.pdf

山东大学硕士学位论文 时，变频器从有规律的降频过程中恢复为正常的运行状态。 本文从电机的基本理论出发，通过对三相感应电机的等效电 路的分析，得到电机处于电动状态、发电状态时的相量图，阐述 了变频器降频过程中，相量图中电压、电流相量的变化过程，进 一步说明了电机处于微发电状态的可能性。然后，进行具体的硬、 软件设计，硬件设计主要包括母线电压、电流的检测通路，电网 停电检测电路的设计，软件设计主要包括变量、标志位的定义， 内存单元的分配，以及相应的调节器程序、中断服务程序，子程 序的设计。硬软件设计完成后，使用山东新风光电子科技发展有 限公司生产的j d b p 3 2 低压变频器进行了整机调试，由试验结果 看出电机处于发电状态可以维持母线电压恒定。进一步试 验是使母线电压围绕一个电压水平波动，然后，试验瞬时 停电再来电的情况，最终实现变频器防电网瞬时停电的功 能。 关键词变频器瞬时停电 反馈微发电 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n v e r t e ri so f t e nf o u n di nm a n yp l a c e su s i n gi n d u c t i o nm o t o r s ， w h i c hisus e dt o a d j u s t t h e s p e e do fm o t o rb y t r a n s f e r r i n g i t s r u n n i n gf r e q u e r i c y i ni n d u s tr i a lp l a c e ，i th a p p e n ss o m e t i m et h a t p o w e ri s 1 0s ti ns t a n t a n e o u s l y ( t h et i m eo fl o s i n gp o w e risq u i t e s h o r t ) a f t e rl o s i n gp o w e ri n s t a n t a n e o u s l y ，w a i t i n gf o rt h em o t o r s t o p p e d ist h eo n l yw a yt ot h ei n v e r t e rw i t h o u tt h ef u n c t i o n o f t r a e i n gr o t o rs p e e d w h e nm o t o rs t o psr o t a t i n g ，t h ei n v e r t e rd r i v e s t h em o t o rt ot h er a t es p e e df r o mt h eb e g i n n i n g f o rs m a l li n e r t i a l o a d ，t h et i m et h a tt h em o t o rs t o p sisn o tl o n ga n dt h em o t o rc a n r es t a r ts o o na f t e rc o m i n gt oe l e c t r i c i t y b u tt og r e a ti n e r t i a ll o a d ， s u c ha sa i rb l o w e rl o a d ，s t o p p i n gt i m ef r o ml os i n gp o w e rt oc o m i n g t oe l e c t r i e i t yist o ol o n gt os t a r tt h em o t o ri m m e d i a t e l y m o r e o v e r ，i n v e r t e ri ss e n s i t i v et ot h ev o l t a g ec h a n g eo fs h o r t d ur a t i o ns u d d e n l yi nth ep1 a c ewh e r es h o r tdu r a t i o no fv o l t a g esa g a n dv o l t a g ei n t e r r u p t i o no f t e nh a p p e n s t h e nt h ei n v e r t e rr u n n i n g w i t h g r e a ti n e r t i a l o a di sr e q u i r e do ft h ec a p a b i l i t yt or e s is t i n g s h o r td u r a t i o no fv o l t a g es a ga n dv o l t a g ei n t e r r u p t i o n a f t e rl os i n g p o w e r ，r o t o rs p e e db e g i n st od r o po w i n gt ol o s i n gt h es o u r c eo f e n e r g y t h et i m e o fl os i n gp o w e ri sn o tl o n g w h e np o w eris s u p p l i e da g a i n ，m o t o ri s s t i l li nt h ec o u r s eo fd r o p p i n gs p e e d a t t h ist i m e r e s t a r t i n gt h em o t o r ，t h eo u t p u tv o l t a g ef r e q u e n c yo f i n v e r t e rm u s tb et h es a m ea st h ef r e q u e n c yc o r r e s p o n d i n gt o r o t or s p e e d o t h e r w i s et h em o t o rm a yb ed a m a g e di nh e a v y1 0 a d sf o r l a r g ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h e o u t p u tv o l t a g ef r e q u e n c yo ft h e i n v e r t e ra n dt h ef r e q u e n c yc o r r e s p o n d i n gt or o t o rs p e e d s ot h i s r e q u i r e st h ei n v e r t e rh a st h ef u n c t i o no ff o l l o w i n gr o t o rs p e e d t h eme t h o dtos0 1 v es h o r tdu r a t i o no fv 0 1 t a g edi psa n dvo i t a g e i n l er r u p t i o nist h a tp a r t i c u l a ri n s t r u m e n ti sa d d e dt ot h ei n v e r t e rt o m e a s u r er o t o rs p e e d w h e np o w e ri sl o s t ，t h ei n v e r t e rs t o psm a k i n g p w ms i g n a la n di n s p e c tr o t o rs p e e di nr e a lt i m e ，a f t e rp o w e ris 山东大学硕士学位论文 s u p p l i e da g a i n ，t h ei n v e r t e ro u t p u tt h es a m ev o l t a g ef r e q u e n c ya s r o t ors p e e dc o r r e s p o n d i n gt o as y n c h r o n o u sr o t a t o rm a g n e t i cf i e l d isf o r m e di nt h es t a t o rw i n d i n gw i t ht h r e e p h a s ev o l t a g e ，w h i c hi s e s s e n t i a l l yi d e n t i c a lw i t hr o t o rs p e e d t h e nt h em o t o risd r i v e nt o r e s u m et ot h es t a t eb e f o r e p o w e rl o s t b yi n c r e a s i n gf r e q u e n c y g r a d u a l l y a n d t h em e t h o dt h is p a p e rp u t s f o r w a r dist h a tt h e i n v e r t e rr e d u c eo p e r a t i o nf r e q u e n c yr e g u l a r l ya f t e rp o w e r1 0s ta n d m a k et h em o t o re n t e rt h es t a t e0 fg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yal i t t l et o m a i n t a i nd cb u s v o l t a g e w h e np o w e riss u p p l i e da g a i n ，t h e i n v er t e rr e s u m e sf r o md r o p p i n g f r e q u e n c yr e g u l a r l yt on o r m a l o p er a t i o ns t a t e t h i sp a p e rb e g i n sw i t ht h eb a s i cm o t o rt h e o r ya n dt h e ng e t st h e p h a s o rp l o ti nm o t o rs t a t ea n dg e n e r a t o rm o d et h r o u g ha na n a l y s i s o fe q u i v a l e n tc i r c u i t0 ft h ei n d u c t i o nm o t o r i ta l s oe x p l a i nh o wt h e p h a s o ro fv o l t a g ea n dc u r r e n tc h a n g e si nt h ef r e q u e n c yd r o p p i n g c 0 u r s ea n dp r o v et h a ti tis p 0s s i b l et o m a k et h em o t o ri nt h e g e n e r a t es t a t e t h e nc o n c r e t eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n is c a r r i e do n h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e st h ec i r c u i t0 fm e a s u r i n gd c b u sv o l t a g ea n dc u r r e n t ，t h ec i r c u i t0 fi n s p e c t i n gp o w e rs u p p l y s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e st h ed e f i n i t i o n0 ft h ev a r i a b l ea n dl a b e l a n dd is t r i b u t i o no ft h em e m o r yu n i t ，a n dc o r r e s p o n d i n gr e g u l a t o r p r o c e d u r e ，i n t e r r u p ts e r v i c ep r o c e d u r ee t c a f t e rh a r d s o f t w a r e d e s i g n i sf i n is h e d ，at r i a li sc a r r i e do n u s i n gj d b p 3 2i n v e r t e r m a d e b ys h a n gd o n gx i nf e n gg u a n g e l e c t r o n i cs c i e n c e t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tc o l t d i ti sf o u n dt h a tt h ed cv o l t a g e c a nb ek e p tb ym a k i n gt h em o t o ri ng e n e r a t o rm o d e n e x tt e s ti st o m a k ed cv o l t a g ef l u c t u a t ea r o u n do n ev o l t a g el e v e l ，t h e nt e s tt h e c a s e0 fp o w e rs u p p l i e da g a i n f i n a l l y ，t h ef u n c t i o n0 fd e f e n d i n g i n s t a n t a n e o us l yp o w e rl o s ti sc o m p l e t e d k e y w 0 r d sin v e r t e ri n s t a n t a n e o usf e e d b a c kg e n e r a t i v ep o w er 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 氇f j 趋盘 日期：逻兰：s ：垡 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 f 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：翘蜢导师签名：逊日 期：边s ，s 丛 山东大学硕士学位论文 电网瞬时停电保持变频器母线电压恒定的新方法 1 引言 1 1 问题提出 随着电力电子技术和现代控制理论的不断发展，交流调速技术日趋完善，交 流电机在工业生产中得到了广泛的应用。用于交流电机调速的变频器的功能也不 断增加，以适应不同工作过程或特殊的工作要求，为此，变频器的制造商不断的 完善自己变频器的功能，使其变频器应用到更广泛的生产领域中。 由于输配电系统中发生短路故障、雷击、开关操作、变压器以及电容器组的 投切等原因，工业生产现场有时会出现电网瞬时停电的现象，比如说自动重合闸 装置由于某种原因动作。如果变频器在瞬时停电后，没有跟踪电机转速的功能， 那么瞬时停电再来电，电机一般情况不能立即重新启动。普通的做法是：等电机 停止转动后再重新用变频器启动电机，对小惯性负载来说，电机停下来的时间不 长，来电后不久就可以重新启动，但对于大惯性负载( 如大的风机负载) ，从停电 到电机停转，这期间需要的时间比较长，难以立即启动。由于大惯性负载在停电 后很难在短时间能停止，而且其具有的动能相当大，如果能将此部分能量回馈给 变频器的母线，同时，使电机的转子频率跟随变频器的运行频率，这样，当电网 瞬时停电再来电时，变频器就可以从停电运行状态恢复到正常的运行状态，基于 以上的想法，山东新风光电子科技发展有限公司对其变频器进行技术改进，增加 针对大惯性负载的防电网瞬时停电功能。 1 2 问题的解决方法 瞬时停电后，变频器的逆变单元停止工作，电机失去能量的来源，其转速丌 始下降，由于瞬时停电，转速下降的过程中( 对于大惯性负载来说) 电网来电， 此时用变频器带动电机再次启动，变频器输出电压的频率与电机转速对应的频率 要基本相同，否则，变频器输出电压的频率与转子转速对应的频率相差很大，在 电机负载较重的情况下，可能会损坏电机，因此，变频器具有跟踪电机转速的功 山东大学硕士学位论文 能，现有的解决瞬时停电问题的方法是增加测速装置，停止发送三相p w i v l 调制波， 实时监测电机转子的转速，来电后，使变频器输出与检测到的电机转速相对应的 频率的电压，加到电机的定子绕组上，使电机定子中形成的同步旋转磁场的转速 与转子转速基本相同，然后，变频器从此运行频率逐渐升频，带动电机重新恢复 到停电前的状态。 本课题提出了一种新的解决方法，具体的思路是：停电后，使变频器不停机 ( 即变频器输出频率连续变化的三相交流电压) ，一直处在运行状态，瞬时停电再 来电后，变频器从有规律的减速运行状态恢复到停电前的运行状态。 瞬时停电后，变频器开始有规律的降频，让电机在微发电状态( 电机带有大 惯性负载 和电动状态之间来回变化，形成一种动态的平衡，与此同时，变频器 母线电压能够围绕一个标准值上下波动，从而维持住母线电压：由于变频器有规 律的降频过程中，电机转速跟随变频器运行频率的变化，当电网来电时，变频器 输出电压的频率与电机转速的频率相同，达到了跟踪转子转速的目的。这种方法， 在瞬时停电状况下，变被动的检测电机转速为主动的控制电机转速，省去了测速 装置，而且，维持变频器母线电压在额定值的附近，当电网来电后，整流单元对 直流母线侧的大电容的冲击变得很小，又由于变频器在停电过程中一直处在运行 状态中，瞬时停电再来电后，电机可以从来电时的运行频率，逐渐升频到停电前 的运行状态，从外界看变频器，与没有停过电的情况是一样的。 1 3 课题的主要工作 本课题主要有以下几项工作： 首先，提出变频器在电网瞬时停电后的控制方案，停电后，电机仍处于电动 状态，这时变频器以一个合适的初速度降频，将三相感应电机拉入微发电状态， 随后，控制器根据母线电压的波动，控制变频器有规律的降频( 即控制变频器降 频速度) ，使电机减速运行，维持母线电压的水平，当电网瞬时停电再来电时，变 频器再从停电运行状态恢复到正常的运行状态。 其次，根据提出的控制方案，确定控制的方法，设计出配套的硬件电路与软 件程序。硬件电路的设计主要包括母线电压、电流采集通道，电网停电检测电路 山东大学硕士学位论文 和控制电路电源的设计，软件程序的设计包括变量参数、标志位的定义，数字p i 调节器以及各功能子程序和中断服务程序的设计。 最后，进行硬、软件的调试和装机试验。硬件调试包括电压比较器、双二次 低通滤波器的调试，软件调试包括数字p i 调节器、单片机之间串行通信的调试， 软硬件结合进行母线电压、电流a f d 转换的调试。以上工作完成后，使用山东新 风光电子科技发展有限公司产的j d b p 3 2 低压变频器，以及公司的低压试验站， 进行整机试验。 2 课题的理论分析 2 1 感应电机作为电动机运行的理论分析2 1 1 3 众所周知，对称三相绕组中通有对称- - * l t 正序电流时，基波合成磁动势是一个 正弦分布、以同步转速向前推移的正向旋转磁动势波，转子切割以同步转速旋转 的磁场，产生感应电动势，从而形成感应电流，此电流在旋转磁场的作用下又产 成洛仑兹力，带动转子旋转，这就是感应电机旋转的基本原理。 在正常情况下，感应电机的转子转速总是略低或略高于旋转磁场的转速，旋转 磁场的转速n 。与转子转速n 之差称为转差，转差a n 与同步转速n ：的比值称为转 差率s ，即。：型，它表征感应电机运行状态，当转子转速低于旋转磁场转速 胛5 时( n s n 0 ) ，转差率0 s l ，此时电磁转矩的方向与转子转向相同，电磁转矩为 驱动性质的转矩，电机从电网输入功率，通过电磁感应，由转子输出机械功率， 电机处于电动机状态。 三相感应电动机空载运行时，定子绕组中流过的电流主要是激磁电流，形成同 步旋转的磁场，电机转子以空载转速”。旋转；当电机负载运行时，电机的转速从 空载转速下降到转速n ，与此同时，定子电流将增大，增加的部分产生电磁功 率，对负载做功。图1 是三相异步机的等值电路，它将电动机运行理论，形象的 等效为静止的电路，方便了电机能量传递，损耗，以及运行状态的分析，把适用 于分析电路的相量法，引入到电机运行状态的分析。 山东大学硕士学位论文 图l 异步机的等值电路 由图l 所示的异步机的等值电路图可以得到定、转子的电势方程如下 u 1 2 一e 1 + 1 1 ( r 。+ 豇) 云! = 厶：( 字) + 厶r ：+ 豇：) = ：了f 2 + j i 2 x ： 。 e 1 2 e 2 1 1 + ，；= i 。_ ，l = ，。+ ( 一止) e 12 一i 肌z 。 ( 3 ) ( d ) ( 5 ) 根据上述电势方程，可以得到异步电动机的相量图，图2 所示。由相量图可以 看出定子电流相量是由励磁电流相量和转子等效电流相量的反相量叠加而成，定 图2 异步电动机的相量图 子电流相量滞后于定子电压相量一个角度伊。，吼为定子的功率因数角，且 山东大学硕士学位论文 0 r p ， 9 0 ，转子感应电流相量滞后于感应电势吼，其值为0 妒： 9 0 ，这说明 感应电动机可以等效为感性负载。 2 2 感应电机作为发电机运行的理论分析 感应电机是利用电磁感应原理进行能量转换，上面已经说过，在正常情况下， 感应电机的转子转速总是略低或略高于旋转磁场的转速，当转子转速略高于旋转 磁场的转速时，转差率s o ，电机就处在发电机运行状态。 此时转子导体中的感应电动势以及电流的有功分量与电动机状态时相反，电磁 转矩的方向与旋转磁场和转子转向两者相反，即电磁转矩为制动性质的转矩，转 子将机械功率转换为电功率，通过电磁感应由定子输出电功率，本课题就是利用 感应电机运行在微发电状态，使定子输出电功率，经变频器的逆变桥，回馈给母 线侧的大电容，维持母线电压的水平1 4 】。 感应电机运行在发电状态时的等效电路图与电动状态的等效电路相同，但转差 率为负值，从而转子侧代表电磁功率的可变电阻值为负值，这说明电机转子吸收 机械功率，将其变换为电功率，通过电磁感应传递给定子侧，定子端输出电功率。 下图3 是感应电机处在发电状态的相量图。 图3 异步发电机的相量图 由图3 可以看出，转子感应电流相量滞后于感应电势的角度妒：比电机电动时 的值大，其大小为9 0 。 o ，所以电机做功发电，而无功功率 g = e 。i s i n 仍 o ，且定子电流相量超前于转子感应电势相量，这说明电机吸收容 性的无功能量，该容性电流由电网提供。本课题中，电机所需要的容性无功电流 正是由并联在母线侧的大电容提供。 2 3 感应发电机变频器系统的分析 电网停电后，变频器降低运行频率，当运行频率( 也就是同步转速) 低于转子 旋转频率时，感应电机处于发电状态，由于电网与变频期器之间没有能量联系， 这时可以将变频器母线侧电容两端并联的电阻看做负载，感应发电机变频器这个 整体看作一个系统，如图4 所示。 i n d e xi 图4 感应发电机一变频器系统 图中c 代表变频器母线侧的大电解电容，r l 代表电容旁边并联的电阻，p w m i n v e r t e r 是变频器的逆变单元，三个绕组代表感应电机的三相定子绕组，当变频器 调整运行频率，使感应电机的转差为一个负值时，假设电容电压值处于一个稳定 值，这个系统的工作情况是【5 l ：变频器的逆变单元将直流电压转换为交流电压，加 在电机定子上，定子中产生无功励磁电流，此电流用来产生旋转的定予磁场；当 产生足够的负转差时，机械功率转化为电功率，此功率通过逆变器i g b t 旁反并联 的二极管，提供给并联在电容两端的电阻，同时，补充电容上消耗的电荷，电容 上电荷的消耗与补充导致直流电压的波动，这取决于电容值的大小。当电机转速 山东大学硕士学位论文 由于电磁转矩，负载转矩的作用，逐渐减小等于同步转速之前，电机的转差率一 直为负值，处于发电运行状态。由上述分析，只要给电机提供足够的负转差率， 适当的改变变频器的调制系数m 。，就可以使电机处于发电状态，变频器母线电压 维持在一个电压水平上，本课题也是依据上述原理，来达到维持母线电压的目的。 2 4 变频器降频过程的分析0 6 这里所指的变频器降频过程是电机从电动状态进入发电状态的过程。电动状 态运行时，旋转磁场的转速大于转子转速，由图2 可知，定子电压相量与电流相 量的相角差奶 9 0 。， 这表明电机从电动运行到发电运行的过程中，其定子电流相量从巾。左半平面按顺 时针逐渐旋转到右半平面，其幅值先由大变小，达到最小值，。，再逐渐增大，发 出回馈母线侧自0 有功电流，在这个过程中定子电压、电流相量间的夹角也不断的 变大，超过9 0 。 下面从降频过程中电机与变频器间的能量流动方面进行分析。首先给出变频 器的逆变桥路，如图5 所示。w 。、w 。、w 。代表电机三相定子绕组，v 。+ ，v 。一是 变频器u 相的两个开关管，v 。v v 是变频器v 相的两个开关管，v w + ，v 。是变 频器w 相的两个开关管。 c 图5 变频器的逆变桥路 通过对u 相的p w m 调制及u 相桥臂上功率器件的导通情况的分析，可以知 山东大学硕士学位论文 道，电动时，定子电流滞后定子电压调制波一个很小的角度，电流与电压大部分 时间内同相，这时，电流大部分时间流过i g b t ，少部分流过与此i g b t 相对应的 反并联二极管，此时电机处在电动状态；发电时，电流与电压大部分时间反相， 电流大部分时间流过i g b t 反并联的二极管，少部分流过与此二极管并联的i g b t ， 此时电机处在发电状态：但是，逆变器输出的电压波形是双极性的p w m 波，电流 与电压同相时，电机也不是完全吸收电能，可能某一瞬间在续流或回馈电能，电 流与电压反相时，也是如此。 总之，降频过程中，电机处在电动状态时，异步机不都是吸收电功率，而是 大部分时间里变频器母线向异步机供电，电动机吸收了落后的电功率；同时，由 于定子绕组电流不能突变，沿着反馈二极管将能量回馈到直流侧。电机处在发电 状态时，异步机不都是输出电功率，而是大部分时间里向变频器母线侧回馈能量， 输出了超前的电功率；同时，电机也通过i g b t 吸收了电功率。 2 5 电机微发电的条件1 7 1 1 8 1 图6 感应电机可变电阻功率及转矩转差关系图 本课题中，维持母线电压的方法是使电机同步转速低于转子转速，产生足够 的负转差率，电机处于发电运行状态。但是，电机的负转差率的绝对值不能太大， 由图6 下方虚线可以看出，当负转差率的绝对值由0 逐渐变大时，可变电阻上的 电功率的绝对值先由0 逐渐变大，当负转差率的绝对值大于某个值时，又开始逐 山东大学硕士学位论文 渐变小，这说明并不是负转差率的绝对值越大，机械功率转换为电功率越多：从 图6 的点画线还可以看到电源的净功率与转差率的关系，并不是转差率越小( 其 绝对值越大) ，电机回馈给电源的净功率越大，而是，当负转差率小于某个值后， 电机回馈电源的净功率逐渐变小，变为零之后，电机又开始从电网吸收电功率， 因此，要想保持电机向电网回馈能量，就不能使负转差率太小。 由图6 还可看出，转差率保持在图中第四象限的转矩转差率曲线的线性部分， 也就是使电机处于微发电状态，能够使电机一直向电网回馈电功率，而且近似线 性变化，便于调节器控制，因此，本设计的目标是将电机的发电运行状态控制在 此线性范围内，这要求频率段的值不宜过大( 本课题中选为6 h z ) ，每次降频都控 制转差率s 在0 2 5 0 之间。 3 硬件电路设计 本课题的硬件电路包括5 个部分：第一部分是电源部分，第二部分是模拟信 号处理部分的设计，其中包括低通滤波器的设计和信号放大和变换电路的设计， 第三部分是电压比较器的设计，第四部分是a d 转换电路的设计，第五部分是母 线电压、母线电流的检测电路设计，电路原理图设计完成之后，采用e d a ( e l e c t r o n i c d e s i g n a u t o m a t i c ) 软件p r o t e l 9 9 s e 进行了电路板的制作【9 】，下面分别介绍各部分电 路的设计思路与方法。 3 1 电源的设计 首先，由于硬件电路用到许多集成运算放大器( l m 3 2 4 ) ，还用到检测母线电 压、母线电流的电压、电流传感器，他们都需要1 2 v 的电源供电，所以，要设计1 2v 的电源：其次，本设计中选用了a t m e l 公司的8 9 s 8 2 5 2 单片机和n a t i o n a l 公 司的a d c 0 8 0 9 模数转换器，它们采用+ 5 v 电源供电，因此，还要有+ 5 v 电源：另 外，a d c 0 8 0 9 还要有用作a d 转换的电压参考基准，所以，电源设计中还要提供 一个单独的+ 5 v 电源，由以上分析，电源包括两个+ 5 v 和一个1 2v ，这有三个电 源从一个小变压器上取出，变压器的原边接3 8 0 v 交流电，副边由三个绕组组成， 分别是1 0 v 、o2 a ，1 0 v 、o 5 a ，1 5 v ，o 5 a ；它们经过单相桥式整流、滤波后分 山东大学硕士学位论文 别经7 8 0 5 、7 8 1 2 、7 9 1 2 稳压，得到本设计所需的三个电源。 2 模拟信号处理部分的设计 3 2 1 低通滤波器的设计 低通滤波器设计是整个硬件电路设计的关键，它直接影响到后边的a d 转换， 从而影响到单片机中的软件程序。 变频器的母线电压是由电网电压经三相桥式不控整流得到，是六倍于所整流 的电网电压频率的脉动直流电压，由于a d c 0 8 0 9 转换一次的时间是1 0 0 u s ，所以 连续采样时就要考虑脉动直流电压的影响，需要滤除直流电压的脉动分量。 当电机带负载运行时，变频器的母线电流从宏观上看也是脉动的直流，其中 的脉动分量是用来给电机产生旋转磁场的励磁电流，直流分量主要是转变为电磁 功率，提供给电机、负载。本课题中，电压调节器的建立主要取决于母线电流过 一， 7 ：- ：j ：二一：l 二二i + - 叶：。j 矗l 蠢一：二= 二_ 一 图7 双二次低通滤波器 零点的检测，母线电流过零点的检测准确与否，直接影响到电压调节器的调节作 用，因为，不管电机运行在电动状态，还是发电状态，总是需要励磁电流来建立 山东大学硕士学位论文 旋转磁场，所以母线电流过零实质上是母线电流中的有功直流分量过零，这就需 要用滤波器滤除掉母线电流中的无功脉动分量。 由上分析，母线电压、电流经传感器测量之后，需要经滤波器滤波，达到设 计的要求，母线电压、电流都是要得到其直流分量，因此，这里采用双二次低通 滤波器【m 】，它具有参数容易调整，滤波器性能稳定的优点。它由三个集成运算放 大器，两个无极性大电容和若干电阻组成，如图7 所示。 振荡环节的传递函数为：g ( s ) 。为其固有频率( 或自 然频率) ，f 为阻尼比，这是系统固有的参数，只要确定出图中电阻、电容值，它 们就确定了。出。 0 且0 f 1 时，系统为欠阻尼二阶系统，阻尼振荡频率为： = 孵，当f = 0 7 0 7 时，由时域分析可知系统超调量小，上升时间和调 节时间相对比较短，系统性能最佳。同样，在频域对其进行分析，其幅频特性为： l g ( j c o ) l =坩一州2 睾 f = 0 7 0 7 时，不产生谐振峰值，性能最好。 双二次低通滤波器的截至频率选定为1 0 h z ，截至频率通常规定为幅频特性曲 线下降至最大值的，即一3 加处的频率吐，当选取f = o 7 0 7 ，= 峨时， l g ( 峨) l = 、厂，即m 。就是截至频率q 。 本设计选用的双二次低通滤波器的传递h ( s ) = 1 ( r l r 4 c 2 ) s 2 + ( 1 尺：c ) s 习丽 设 计的目的就是造当选取传递凼数中的电阻、电答值，便传幽爿( s ) 满足截止频翠 2 l o h z ，且滤波器的性能最优( 由上分析f = 0 7 0 7 ) 的要求。选取电阻 尺t = b = r 。= 尺_ 1 。艘，电容c = 1 0 旷，则传函o ) = 了面去赫， 自然频率甜。= 而i = 1 。，又因为2 和。= 瓦1 石，所以，尺z = 丽l = 7 。7 艘，图 中r ：由r ，；和尺。共同组成。至此，双二次低通滤波器设计完成，图8 、图9 分别是 3 8 0 v 、3 7 k w 蛮炳器带动小审栩牵葑i 云行存5 0 h z 时，诵讨美国泰存公司牛产的 山东大学硕士学位论文 t d s 2 0 0 2 示波器采集到的母线电流、电压采集通道的低通滤波器滤波效果图。 图8 是电机空载运行在5 0 h z 时，通过电流传感器检测到的母线电流波形与经 过低通滤波器滤波之后的母线电流波形的比较图。测试条件是：采用双踪示波， 丁d s2 0 0 2 1 4 ：5 1 ：132 0 0 5 2 2 3 图8 母线电流滤波效果图 耦合方式选为交流，纵坐标电压每格选为5 v ，横坐标时间每格选为1 0 m s 。图中黄 线( 上方) 是滤波之前由电流传感器检测到的电机空载时母线电流波形，蓝线( 下 方) 是经过滤波器滤波之后母线电流波形。由上面的两个波形比较看出，电机空 载电流中的交流成分对母线电流的影响，完全被低通滤波器滤除掉，由于此时的 母线电流主要是提供给电机的励磁电流，所以其中的直流成分很小，几乎接近于 零。这说明双二次低通滤波器对母线电流的滤波效果达到了设计的要求，能够滤 除交流分量，获得直流分量，准确检测到母线电流过零点( 此过零点对应着电机 进入微发电的时刻) ，为后续的a d 转换，软件编程，做好准备。 图9 是电机空载运行在5 0 h z 时，通过电压传感器检测到的变频器母线电压波 形与经过低通滤波器之后的母线电压波形的比较图。测试条件是：采用双踪示波， 耦台方式选为交流，纵坐标电压每个为1 0 0 m v ，横坐标时间每洛选为1 0 m s 。图中 山东大学硕士学位论文 黄线( 上方) 是滤波之前由电压传感器检测到的电机空载运行时母线电压的波形， 蓝线( 下方) 是经过滤波器滤波之后母线电压波形。比较两个波形，可以看出电 网电压经三相桥式不控整流之后得到的是脉动的直流电压，经低通滤波器之后， 脉动的交流成分被大幅度的衰减，但随之产生了一些尖峰脉冲干扰，这可以幽软 t d s2 0 0 2 14 ：17 ：4 92 0 0 5 2 2 3 图9 母线电压滤波效果图 件程序中的数字滤波程序滤除掉。应当说双二次低通滤波器对母线电压的滤波效 果也能满足后续的程序设计要求。 由上面的分析，低通滤波器对母线电压、母线电流的滤波效果，能够达到后 面编程的要求，设计是合理的。 3 2 2 信号放大和变换电路的设计2 a 母线电压检测通道的信号放大与变换电路的设计涉及到减法电路、反向比例放 大电路和射极跟随器。 电网停电后，变频器母线电压处于额定值，经电压传感器输出懈n y , j + 4 v 左右，如果这时使电机处于发电状态，母线电压升高，可能是电压传感器的输出 山东大学硕士学位论文 超过+ 5 v ，由于a d c 0 8 0 9 所能转换的电压值最大为5 3 v ，所以，在滤波电路之前 加入一个减法电路，使电压传感器输出电压减去一个电压参考值( + 2 v ) ，这样， 当母线电压在额定值附近的一定范围波动时，电压传感器的输出值就在+ 2 v 上下波 动，不会超出a d 转换要求的电压范围。 反向比例放大电路主要是用来调整传感器传来的电压信号的大小，本设计的 放大倍数为l ：射极跟随器主要起到减小输出阻抗，使前面信号处理电路与后面的 a d 转换电路隔离的作用。 b 母线电流检测通道的信号放大与变换电路的设计包括反向比例放大电路、加法 电路、射极跟随器的设计。 电网停电后，电机仍处在电动状态，母线电流的有功分量为正向，从变频器 母线侧流向电机侧，电流传感器输出的电压值为正值，当电机由电动状态进入发 电状态时，母线电流的有功分量过零反向，从电机侧流向变频器母线侧，电流传 感器的输出电压值为负值。这样，电流传感器的输出电压值就超出了a d 转换的 电压允许范围，解决的办法是增加一个加法电路，使电流传感器输出的电压值加 上一个+ 5 v 的参考信号，把负的电压信号变换为正值，然后通过比例放大电路( 放 大倍数为o 5 ) ，得到0 - - - + 5 v 的电压信号，满足a d c 0 8 0 9 所能转换电压的要求。射 极跟随器的作用于母线电压检测通道的作用相同。 母线电压检测通道和母线电流检测通道获得的电压信号连接到a d c 0 8 0 9 管 脚之前都要经过钳位电路，钳位电路的作用就是保护芯片a d c 0 8 0 9 ，使其管脚的 电压不超过5 3 v ，钳位电路所选用的二极管为1 n 5 8 1 7 ，它的门槛电压要低于普通 的二极管1 n 4 1 4 8 ，钳位效果更好。 3 3 电压比较器的设计1 1 2 电压比较器在本课题中的作用是及时的检测到电网停电，并将此信号传送给 单片机a t m e l 8 9 l s 8 2 5 2 ，单片机接收到此信号后，才能采集当前的母线电压、建 立电压时间调节器、进行连续p i e ) 调节，因此，电网停电信号检测的准确与否， 直接影响到变频器的运行情况，如果停电信号误检测，可能使变频器脱离正常的 运行状态，导致停机等一些意想不到的情况。所以，电网停电信号检测的可靠性 山东大学硕士学位论文 也是硬件电路设计的一个关键问题。 本设计中，电网停电信号由一个电压滞环比较器来检测，采用带滞环的电压 比较器可以有效的避免干扰的影响。主要的设计思路是：用一个小变压器将电网 电压转换为小的电压信号，然后将交流电压信号经过整流变成直流电压信号，此 信号接到电压比较器的反相输入端，与同相输入端的参考电压信号比较，输出一 个模拟电压信号，再经过一个或非门( 或是非门) ，连接到单片机的输入输出口上。 一 “ 一一一一ii i 11 ，v 图1 0 电压滞回比较器电路 设计中所用的小变压器的原边电压是3 8 0 v ，副边绕组是1 0 v 、o 2 a ；整流方 式是单相桥式整流，二极管选用1 n 4 0 0 7 ；电压比较器选用l m l 9 3 t ”1 ，电压比较器 输出接或非门7 4 l s 0 2 ，如图1 0 所示。所设计的电压比较器的电压翻转的上限值是 4 9 v ，电压翻转的下限值是2 5 v 。电压上、下限值的计算方法是：分别选取 j r = l o 艘、r s = 2 0 艘、r 6 = 4 7 艘 根据公式_ + = 瓦靠一一5 ) + 4 ， 以：坠可以分别计算得到+ = 4 9 v ，v r 一= 2 5 v 。通用电路分析程序 代4 + r 5 p s p e c e “1 对所设计的电压比较器电路进行的仿真结果如图1 1 所示，可以看出， 当电压比较器的反相输入端电压逐渐增大时，电压比较器的输出电压沿图形上方 曲线的箭头变化，高于5 v 时，电压比较器翻转为低电平；同理，当电压比较器的 反相输出端电压由7 v 逐渐减小时，电压比较器的输出电压沿图形下方曲线的箭头 山东大学硕士学位论文 变化，低于2 v 时，电压比较器翻转为高电平。滞回电压比较器的回差3 v ，其抗干 扰的能力很强，在实际的试验当中，电网电压停电的检测也是非常可靠的，这也 证明了电压比较器的设计是合理的。 8 1 w - - n 一* 一- - - ，- ，- 一一一一- 、- u u1 0 q u ( u 3 n ：n 图l l电压比较器作用效果仿真图 3 4 a d 转换电路的设计 本课题采用n a t i o n a l 公司生产的模数转换芯片a d c 0 8 0 9 1 5 】对采集到的母线 电压、母线电流信号进行a d 转换，此芯片通用性强，易与单片机连接，不需要 零点调整、也不需要满量程调整，易于使用；0 - - 5 v 输入，单一+ 5 v 电源供电，方 便与其它硬件电路的连接，输出电压满足t t l 的要求，可以和单片机直接连接。 它可以进行8 路模数转换，其a d 转换的时间固定为1 0 0 u s ，这满足本课题对a d 转换速度的要求。 a d 转换电路其实与单片机a t 8 9 l s 8 2 5 2 是一个整体，因为，a d c 0 8 0 9 的时 钟脉冲是由单片机的a l e 管脚输出的，母线电压、母线电流两个通道的地址也是 由单片机的p 0 口给出的，a d c 0 8 0 9 进行转换的启动信号，输出a d 转换值也是 由单片机的读写信号给出的，而