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查些垄堂翌主兰堡垒查 一一二坚 分子泵变频驱动装置研究与设计 摘要 分子泵是获得高真空和超高真空环境的关键设备之一，广泛应用于电子工 业、表面工程、核能工业、等离子体技术、薄膜工程等领域和研究部门。涡轮 分子泵摆脱了依靠容积变化来抽气的容积泵原理，但为了提高压缩比和抽速， 其转速非常高，一般在1 5 0 0 0 r p m 9 0 0 0 0 r p m 之间。目前的分子泵产品一般采用 高速交流异步电动机驱动，电机的额定频率在2 5 0 一1 5 0 0 h z 之间，额定电压一 般小于6 0 v 。世界各国工频电网电源的频率和电压不尽相同，如我国为 2 2 0 v 5 0 h z ，日本为1 1 0 v 6 0 h z 等，都不能满足分子泵运行的要求，这就需要 变频调速装置来驱动分子泵。变频驱动装置实质上为一个专用的变频器，是依 托于电力电子变换技术，利用电力电子器件及其电路对电网输入进行变压、变 流和变频，以达到分子泵电机输入要求的电能变换装置，同时，具有一定的保 护和控制功能。 本课题从研究分子泵的负载特点出发，分析了分子泵的运行规律，提出了 变频驱动装置的设计要求，阐述了进行变频驱动装置设计的理论依据、设计方 法和设计方案。在此基础上，针对目标驱动模型，进行变频驱动装置的硬件和 软件设计，并依据仿真手段对设计结果进行了分析和评价。 仿真结果表明，本课题变频驱动装置的设计完全可以满足分子泵运行的要 求，而且具有性能可靠、成本低廉的特点。同时，仿真结果也说明了设计过程 中应用的理论适用、方案合理、方法可行。 在本课题的研究和设计中充分考虑了异步电动机变频调速技术数字化、集 成化和模块化的发展方向，将成熟、实用和先进的技术应用到分子泵驱动装置 的设计上。智能功率模块( i p m ) 和系统级单片机的选用，不但可以提高装置 的性能和可靠性，而且使设计更简便，更容易进行扩展和移植。 关键词：分子泵：异步电动机；变频调速；i p m ：p w m 查! ! 查兰堡主堂垡堕查 垒塑坚生 r e s e a r c ha n dd e s i g no nv a r i a b l ef r e q u e n c y d r i v eo fm o l e c u l a rp u m p a b s t r a c t m o 1 e e u l a rp u m pi so n eo fk e ye q u i p m e n t sf o ra c q u i r i n gh va n du h v a n di s w i d e l ya p p l i e dt o e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ，s u r f a c ee n g i n e e r i n g ，n u c l e a re n e r g y i n d u s t r y ，p l a s m at e c h n o l o g y ，t h i nf i l me n g i n e e r i n g ，a n do t h e rr e l a t e df i e l d s o r r e s e a r c hd e p a r t m e n t s t u r b om o l e c u l a rp u m pd o e s n td e p e n do nt h ev o l u m e c h a n g et op u m pg a s i no r d e rt oi n c r e a s et h ec o m p r e s s i o nr a t i oa n dp u m p i n gs p e e d ， t u r b om o l e c u l a rp u m ph a sav e r yh i g hr o t a t i o n a ls p e e d ，w h i c hi su s u a l l yb e t w e e n 15 0 0 0 r p ma n d9 0 0 0 0 r p m a tp r e s e n t ，m o s tm o l e c u l a rp u m p sa r ed r i v e nw i t h h i g h s p e e d - a n d - a l t e r n a t i n g - c u r r e n ta s y m c h r o n o u sm o t o r ，a n d t h en o m i n a l f r e q u e n c yo f t h em o t o ri s2 5 0 - 1 5 0 0 h z ，t h en o m i n a lv o l t a g ei sn o r m a l l yu n d e r6 0 v t h e f r e q u e n c ya n dv o l t a g eo fp o w e rs u p p l yi nd i f f e r e n tc o u n t r i e si sn o ta l w a y st h e s a m e ，f o re x a m p l e ，i ti s2 2 0 v 5 0 h zi nc h i n aa n d110 v 6 0 h zi nj a p a n ，b o t hc a n t m e e tt h ec o n d i t i o no fm o l e c u l a rp u m p so p e r a t i o n s oi t i sn e c e s s a r yt od e v e l o p f r e q u e n c yc o n t r o ld e v i c et od r i v em o l e c u l a rp u m p t h en a t u r eo ft h ef r e q u e n c y c o n t r o ld e v i c ei sas p e c i a lt r a n s d u c e r ，a n dae l e c t r i ce n e r g yc o n v e r s i o ne q u i p m e n t ， w h i c hi sb a s e do ne l e c t r i c a la n de l e c t r o n i cc o n v e r s i o n t e c h n o l o g y ，u t i l i z e s e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i cd e v i c e sa n dc i r c u i t st oa c c o m p l i s hv o l t a g ec o n v e r s i o n ， c u r r e n tc o n v e r s i o n ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n dp h a s ec o n v e r s i o n ，t om e e tt h ei n p u t r e q u i r e m e n t o fm o l e c u l a r p u m p sm o t o r m e a n w h i l e i th a st h ef u n c t i o no f p r o t e c t i o na n dc o n t r o lt os o m ee x t e n t t h i sp a p e rs t a r t sw i t ht h er e s e a r c ho ft h el o a dc h a r a c t e r i s t i co fm o l e c u l a r p u m p ，a n a l y z e st h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fm o l e c u l a rp u m p ，p r o p o s e st h ed e s i g n g o a l sf o rt h ef r e q u e n c yc o n t r o ld e v i c e ，p r e s e n t st h et h e o r y ，t e c h n i q u e sa n dp l a n st o d e s i g nt h ef r e q u e n c yc o n t r o ld e v i c e t h e n ，a i m i n ga tt h et a r g e t d r i v e nm o d e l ，t h e a u t h o rd e s i g n st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ed e v i c e m o r e o v e r ，t h ea u t h o r a n a l y z e sa n de v a l u a t e st h ed e s i g nw i t ht h es i m u l a t i o nt e c h n i q u e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ed e s i g n e df r e q u e n c yc o n t r o ld e v i c e p o s s e s s e ss t a b l ep e r f o r m a n c ea n dl o wc o s tb e s i d e sf u l l ym e e t i n gt h eo p e r a t i o n c o n d i t i o n so fm o l e c u l a rp u m p m e a n w h i l et h ea u t h o rd e m o n s t r a t e st h a tt h et h e o r y t 1 i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t i sr i g h t ，t h ep l a ni sr e a s o n a b l ea n dt h et e c h n i q u ei sa p p l i c a b l ed u r i n gd e s i g n t h er e s e a r c ha n dd e s i g nc o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n o fa s y n c h r o n o u sm o t o r s f r e q u e n c yc o n t r o l ：n u m e r a l i z a t i o n ，i n t e g r a t i o na n d m o d u l a r i z a t i o n ，a n da p p l i e sm a t u r e ，p r a c t i c a la n d a d v a n c e dt e c h n i q u e st ot h e d e s i g no fm o l e c u l a rp u m p sd r i v es e t t h eu s eo fi p ma n ds y s t e m i z e ds o cn o t o n l ya d v a n c e st h ep e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo fd e v i c e ，b u ta l s om a k e st h ed e s i g n m o r ec o n v e n i e n ta n de a s i e rt ob ee x p a n d e da n dt r a n s p l a n t e d k e yw o r d s ：m o l e c u l a rp u m p ；a s y m c h r o n o u sm o t o r ；v a r i a b l ef r e q u e n c y ；i p m ； p w m i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的 材料。与我一同工作过的同志对本研究所作的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：j 锄，司专 日 期：磁并硐钟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 分子泵及其变频驱动装置 真空获得技术是产生各类真空环境的基础技术，广泛服务于有真空要求的 科学技术研究和国民经济发展的众多领域，如真空冶金、食品包装、电子工业、 表面工程等。多年来，人们根据不同的使用要求和工作原理设计制作了多种真 空获得产品，其中分子泵是获得高真空和超高真空环境的关键设备之一，应用 于电子工业、表面工程、核能工业、等离子体技术、薄膜工程等领域和研究部 门。磁悬浮轴承分子泵与干式前级真空泵组成的系统。可以获得全无油、清洁 的高真空和超高真空环境。 真空获得设备的技术和市场发展依赖于应用的要求。分子泵诞生于1 9 1 2 年，它的初期进展较缓慢。近2 0 年来，薄膜工业，特别是半导体产业的兴起， 成为真空获得领域发展的主要驱动力，分子泵逐渐被人们重视并得到迅速发 展，现代分子泵已经发展到实用和普及阶段。 分子泵依靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的，它 摆脱了依靠容积变化来抽气的容积泵原理。分子泵的理想工作状态为分子流状 态，为了提高分子泵的压缩比和抽速，分子泵转子的转速非常高，一般在 1 5 0 0 0 r p m 一9 0 0 0 0 r p m 之间。目前的分子泵产品基本由电机驱动，一般采用高速 交流异步电机( 也有使用高速直流无刷电机) 。电机的额定频率根据设计的转 速来确定，在2 5 0 1 5 0 0 h z 之间；额定电压一般小于6 0 v ，以防止在真空下产生 辉光放电现象“1 。 世界各国工频电网电源的频率和电压不尽相同，如我国为2 2 0 v 5 0 h z ，日 本为1 1 0 v 6 0 i l z 等，都不能满足分子泵运行的要求，这就需要变频调速装置来 驱动分子泵。变频驱动装置实质上为一个专用的变频器，是依托予电力电子变 换技术，利用电力电子器件及其电路对电网输入进行变压、变流、变频和变相， 以达到分子泵电机输入要求的电能变换装置，同时，具有一定的保护和控制功 能。因此，变频驱动装置是分子泵运行所必备的组成部分，其性能优劣直接影 响到分子泵的运行性能。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 国内外发展现状 国外的分子泵变频驱动装置多为针对其运转和控制特点专门设计而成，应 用了电力电子变换领域的先进成果，技术方案和产品结构合理，性能水平领先， 产品成本也并不太高。但由于技术k 的垄断，这些产品在国内的售价普遍较高， 长期不能在实际应用中普及。 国内在这方面的研究不多，主要是国投南光有限公司的何毅发表的一些论 文，很好解决了一些理论问题，为进一步研究提供了理论的依据和指导。但在 实际设计和应用中基本是通过以下两个途径来解决需求： 一是2 0 世纪7 0 、8 0 年代基于模拟电路和g t r 功率器件设计的分子泵电源， 受当时技术理论和电子器件水平的限制，在调频范围、运转性能等方面都不尽 如人意。在变频技术向数字化、集成化高速发展的今天已相当落后，不能满足 分子泵运转性能提高的需要。 二是2 0 世纪8 0 年代后，随着通用变频器在国内逐渐普及，国内的分子泵 制造厂家采用通用变频器来实现分子泵的变频驱动。由于分子泵电机的额定电 压较低，电流较大，如果使用通用变频器直接驱动，必须选择人容量的变频器， 否则，必须在变频器的输出端加中频变压器降压来实现。显然，这种方案即不 经济又不合理。 另外，以上的方案都存在驱动装置体积大、产品性价比低的问题。在客观 上使得国内分子泵产品的性能与国外存在不小的差距。在一定程度上成为国内 分子泵提高产品水平的技术瓶颈之一。 1 1 3 课题研究的目的及意义 分子泵是真空获得领域的重要设备，广泛的应用于国民经济的大多行业。 据有关资料介绍，目前，全球范围内分子泵的市场份额占全部真空获得设备的 1 2 ，并以年8 5 的增长率快速增加。在国内，分子泵的市场份额虽然只有1 。 但随着国内科技的不断进步和制造业b 速发展，特别是半导体、表面工程和薄 膜工业的迅速兴起，对分子泵的需求将快速增加。 但国内分子泵产品的技术水平还远远落后于国外，其中变频驱动装置的研 究和设计就是这种落后的一个突出体现。所以，进行变频驱动装置的研究和设 计适合目前国内分子泵行业的要求，也适应市场的需要，具有较好的经济效益 和社会价值。具体包括以下几个方面： ( 1 ) 分子泵专用变频器的研究和设计可以提高分子泵的技术水平和运行 ( 1 ) 分子泵专用变频器的研究和设计可以提高分子泵的技术水平和运行 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 性能，使其更适合于应用的需要。 ( 2 ) 用专用的设计方案可以降低成本、减小体积、从而提高产品的市场 竞争力。 ( 3 ) 通过该项研究和设计，缩小国内外分子泵产品的差距，从而可以促 进分子泵在国内的应用和普及。 ( 4 ) 目前，国内尚无磁悬浮分子泵产品，本课题的研究可以为磁悬浮轴 承的研究总结经验和奠定基础。 1 2 交流异步电动机变频调速技术概述 1 2 1 交流异步电动机变频调速原理 直流电气传动和交流电气传动在1 9 世纪先后诞生。在2 0 世纪上半叶，鉴 于直流传动系统的优越调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约 占电气传动总容量8 0 以上的不变速传动都采用交流电动机”1 。 2 0 世纪6 0 7 0 年代，随着电力电子技术的发展，特别是大规模集成电路 和计算机控制的出现，高性能的交流调速系统应运而生，并迅速成为电气传动 控制的主要发展方向。 交流异步电动机调速的方法很多，有变压调速、变极对数调速和变压变频 调速等，其中变压变频调速可以实现平滑的无极调速，调速范围宽广，可以构 成高动态性能的交流调速系统，已成为研究和发展的主流。这也是分子泵电气 驱动的理想方式和本文讨论的主题。 交流异步电动机的转速可用式( 1 1 ) 表示： n ：6 0 f ( 1 一s 1 ( 1 1 ) p 式中：玎：转子转速( r p m ) s ：转差率 f ：输入电源频率( h z ) p ：极对数 依据上式，改变输入电源的频率就可以改变转子转速，这就是变频调速的 基本原理。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 交流异步电动机变压变频调速的控制方式 根据电机学原理，异步电动机外加电压主要和绕组的反电动势平衡，而绕 组的反电动势与电流的频率和每极下的磁通量有关： e l = 4 4 4 f i n l k l 丸 ( 1 2 ) 式中：e ：定予每相绕组感应电动势( v ) ，；：定子频率( h z ) 1 ：定子绕组每相串联匝数 足。：基波绕组系数 。：每极气隙磁通( w b ) 异步电动机在基频以下进行变频调速的基本要求是保持每极下的气隙磁 通为额定值。为充分利用铁心材料，在电机设计时，一般将额定工作点选择在 磁化曲线开始弯曲处。m 增加将引起铁心过饱和、励磁电流急剧增加，导致 绕组过热，功率因数降低，严重时损坏电动机；巾减少将导致电动机输出转 矩下降，当负载转矩不变时相当于过负荷运行，势必导致定、转子过电流，也 要产生过热。所以，在变频调速过程中希望m 。恒定。 为保持中。不变，在改变电源频率z 的同时，必须按比例改变感应电动势 e 1 ，即： = l = c o n s t( 1 3 ) ，l 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势较高时，可以忽 略定子绕组的漏磁阻抗压降而认为定子相电压u e l ，则有： _ u ：c d 凇f( 1 4 ) 万邓蝴 这种控制方法称为恒压频比控制，也因为是控制电压( v o l t a g e ) 与频率 ( f r e q u e n c y ) 之比而称为u f 控制。同时，由于磁通恒定，转矩恒定，具有 “恒转矩调速”性质。 但在频率较低时，定子漏磁阻抗压降不能忽略，异步电动机将因为最大转 矩下降而使带载能力受到限制，这时，可以人为的提高定子电压u 来近似地补 偿定子压降。 在基频以上进行调速时，由于电动机绕组是按额定电压等级设计的，定子 电压不可能与频率成正比的升高，只能保持在额定电压，这将使气隙磁通由。 随频率_ ，；的升高而反比例下降。转速升高，转矩降低，基本上属于“恒功率调 速”性质。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 把基频以上和基频以下两种情况的控制特性放到一起，就是异步电动机最 简单易行的控制方式，如图1 i 。 u f t f 1 _ 无定子电压补偿2 一带定子电压补偿 图1 1 变压变频控制特性 f i g 1 1 t h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co fv v v f f v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) u f 控制经过低频的定子电压补偿后基本能够满足一般调速系统的要求， 如风机、水泵和家用空调等，但其调速性能与直流电动机相比还存在不小的差 距。 在高性能的交流调速系统方面控制方式上已有几种方案获得成功，其中应 用最多的有两个方案。 一是1 9 7 5 年德国学者b l a s c h k e 提出了矢量变换控制原理，成功地解决了 交流电动机电磁转矩的有效控制问题。在定向于转子磁通的基础上，采用参数 重构和状态重构的现代控制理论概念实现了交流电动机定子电流的励磁分量 和转矩分量之间的解藕，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的 控制过程，在理论上实现了重大突破。 二是1 9 8 5 年德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授通过对瞬时空间理论的研究 提出了直接转矩控制理论，原理是让电动机的磁链矢量沿六边形运动。随后目 本学者it a k a h a s h i 提出了磁链轨迹的圆形方案。与矢量变换控制不同，直接 转矩控制不须考虑如何将定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量，而是 以转矩和磁通的独立跟踪自调整并借助于转矩的b a n d - b a n d 控制来实现转矩和 磁通直接控制。由于采用转矩直接控制，可使逆交器切换频率低，电机磁场接近 圆形，谐波小，损耗小，噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机小得多。多年的 实际应用表明，与矢量控制法相比直接转矩控制可获得更大的瞬时转矩和极快 的动态响应。因此，交流电动机直接转矩控制也是一种很有前途的控制技术”1 。 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 矢量控制和直接转矩控制系统使交流调速系统的性能达到了与直流系统 相媲美的水平。 1 2 3 电力电子功率器件的发展 异步电动机的变压变频调速必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交 流电源，最早的变压变频装置是旋转变频机组，目前，已完全被静止式的变压 变频装置所取代。 从整体结构上看，静止式电力电子变压变频装置有交交和交直交两大 类。其中交- 交结构的最高输出频率不超过电网频率的1 3 1 2 ，不是本文所讨 论的内容，而交直交是目前广泛应用的形式，其基本结构见图1 2 。 2 图1 2 交一直一交变压变频结构示意图 f i g 1 2t h es k e t c ho fa c - d c - a cv v v fc o n s t r u c t i o n 作为电动机的功率驱动电路，其实现和性能的优劣依赖于电力电子技术和 功率半导体器件的发展。迄今为止，电力电子开关器件的发展经历了从半控到 全控，从电流控制到电压控制，从分立功率器件到功率集成电路的变化，开关 频率也不断提高。主要的功率器件有以下几种【5 】【6 】： ( 1 ) 2 0 世纪6 0 、7 0 年代，以晶闸管为主流，开关频率可达到几百h z ， 为第一代功率器件。 ( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代，相继采用了功率晶体管c t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ) 、可 关断晶体管g t o ( g a t et u r n - o f ft h y r i s t o r ) 、绝缘栅双极晶体管i g b t ( i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 和功率场效应管m o s f e t 等，为第二代功率器件。根 据它们的特点，都有各自的应用领域。g t o 的开关频率为1 - 2 k h z ，在大功率 和超大功率领域占统治地位；i g b t 是包含g t r 和m o s f e t 的开关元件，开 关频率可达到2 0k h z ，主要应用于中、大功率的场合；m o s f e t 主要应用于 中、小功率领域，开关频率可达到5 0k h z 。 ( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代，i g b t 及其智能模块i p m ( i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e ) 成为主导，成为变频装置中最为广泛使用的主流器件，呈现大功率、高频化、 集成化的特点，为第三代功率器件。 ( 4 ) 本世纪以来，i g b t 更是显示巨大的发展潜力，据资料介绍，通过采 用沟槽结构、三维集成等技术手段，新型的i g b t 可以达到额定电压6 0 0 v 、额 石 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 定电流1 0 0 a 、开关频率15 0 k h z ：m o s f e t 也在保持开关频率高的优势下有了 进一步发展，a p t 公司推出的1 2 0 0 v 2 6 a 、1 0 0 v 2 2 5 a 单管m o s f e t 已经商 品化，工作频率可达到m h z 。同时，功率器件的集成化、模块化和智能化的趋 势更加明显，如智能化模块i p m 、专用功率器件模块a s p m 等，这些器件将是 2 1 世纪的主宰器件。 1 2 4 变压变频的实现及p w m 技术 如何控制异步电动机的电压和频率协调变化是异步电动机调速的关键问 题之一，交一直一交结构的逆变器一般接成三相桥式电路，如图1 3 所示。 考察a 、b 两点之间的电压，当开关元件按v t l 、v t 6 和v t 3 、v t 4 的顺序 按一定频率轮流导通时，在负载上即可得到该频率下的方波交流电压。控制开 关元件导通和关断的时间周期7 1 ，就可以得到不同频率的交流电压，达到变频 的目的。 + 隧；叶乳1 分 硒| 臼： 2 1 啊一 l 图1 3 三相桥式逆变器主电路 f i g 1 3m a i nc i r c u i to f3 - p h a s eb r i d g ei n v e r t e r 在改变频率的同时，如果恰当的改变直流电压玑就可以改变输出方波电压 的幅值，从而改变电压，这就是最初变压变频的实现方式，变压和变频分别在 电路的不同部分完成。这种方式对功率器件开关频率要求不高，但输出波形不 理想，含有较大的低次谐波成分，使电机转矩存在脉动分量而严重影响其稳态 工作性能。 2 0 世纪8 0 年代发展起来的p w m ( p u ls ew i d t hm o d u l a t i o n ) 口”脉宽调制 技术的发展和应用优化了变频装置的性能，变频调速系统采用p w m 技术不仅能 够及时准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的意义是抑制逆变器输出电 压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高 了电机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。 p w m 技术是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 输出脉冲宽度的一种方法，变压和变频同时在逆变器上实现，省略了在整流或 直流环节调压的部分。 依据应用目的的不同，p w m 有很多种类并且在不断发展之中，应用最广泛 的是f 弦波脉宽调制( s p w m ) 。p w m 技术的应用克服了相控原理的所有弊端，使 交流电动机定子得到了接近正弦波形的电压和电流，提高了电机的功率因数和 输出功率。 实现脉宽调制有三种方法。一种是由时序电路和逻辑电路构成三角波和正 弦波发生器，并实现三角波和正弦波之间的调制，由得到的调制波去驱动开关 元件。这种方法电路复杂，控制不灵活。第二种是用单片机软件算法实现脉宽 调制输出。第三种方法是由单片机与专用p w m 集成电路相结合构成脉宽调制控 制系统，p w m 集成电路负责实时产生脉宽调制波，单片机负责命令控制和系统监 测。 1 3 本文研究的目标和内容 1 3 1 本文目标 本课题的工作目标在于两个方面，一是在研究分子泵的负载特点、运行规 律的基础上，讨论进行变频驱动装置设计的技术要求、理论依据、设计方法和 设计方案。二是针对目标驱动模型，进行变频驱动装置软件和硬件设计，设计 中突出交流异步电动机变频调速技术数字化、集成化的发展方向，并依据仿真 结果对设计方案进行分析和评价。 1 3 2 工作内容 本课题的工作内容主要在三个方面：一是分子泵运行特点的分析和目标模 型的建立；二是进行变频驱动装置的软、硬件设计；三是对设计结果进行评价 分析。本文通过以下章节进行阐述： ( 1 ) 第二章对分子泵运行特点进行分析，建立目标模型并给出设计的条件 和要求。 ( 2 ) 第三章对变频驱动装置的硬件进行设计，阐述设计依据、过程和结果， 对重点硬件的参数、特点进行说明。 ( 3 ) 第四章对变频驱动装置的软件进行设计，阐述分子泵运行方案、策略 和软件的结构、功能及流程。 - 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 第五章对设计进行仿真，通过对仿真结果的分析评价设计的可行性。 ( 5 ) 第六章对本课题的工作进行总结，并提出存在的问题和对进一步工作 的展望。 东北大学硕士学位论文第二章分子泵的运行特点与驱动装置的设计要求 第二章分子泵的运行特点与驱动装置 的设计要求 研究和设计分子泵的变频驱动装置首先要研究分子泵的运行特点和规律。 分子泵是依靠高速旋转的动叶片和静止_ 甘勺定叶片相互配合来实现抽气的，它摆 脱了依靠容积变化来抽气的容积泵原理，所以，在转子转动一周3 6 0 。的范围内， 负载转矩基本没有脉动。 2 1 分子泵的负载特性1 0 1 分子泵在转速恒定的稳定运行条件下，其功率主要消耗在克服机械损失和 压缩气体上。由于机械摩擦形成对转子系统的阻力转矩而消耗的功率转化为轴 承的发热，该阻力转矩可以用公式( 2 1 ) 计算。 = ：d f ( 2 1 ) 上 式中： ：机械摩擦阻力转矩( n m ) j ：摩擦系数 f ：轴承载荷( n ) d ：轴承载荷的作用半径( m ) 分子泵一般采用高精度的滚动轴承支撑，机械效率很高( ，7 = 0 9 5 o 9 7 ) ， 所以，机械损失很小。 分子泵压缩气体的过程近似于等温压缩，气体压缩是靠工作轮传输气体分 子向高压方向以克服各种气流阻力，压缩功率的表达式为( 2 2 ) 式。 0 = 舵k ( 2 2 ) 式中：只：气体压缩功率( w ) m ：气体质量流量( k g s ) 三。：等温压缩功( w k g ) d 其中：l 。= 2 3 r t l g 肖) ( 2 3 ) 式中：r ：气体常数( j ( k g k ) ) t ：压缩气体的温度( t ) 只：泵的前级压力( p a ) 1 0 ， 东北大学硕士学位论文 第二幸分子泵的运行特点与驱动装置的设计要求 又由： p ：吸入的气体压力( 忍) 整理可得： ，”= s p p = p ( r t ) p ， 耳= 2 3 即1 9 哆) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由于分子泵的理想工作状态为分子流状态，尽管压缩比很大( 1 0 81 0 ”) ， 但吸入气体的压力非常低( 1 0 。1 0 - 1 0 。2 p a ) ，所以，根据公式( 2 6 ) 计算的压缩 功率非常小。 机械损耗与气体压缩功率在分子泵运行时始终存在，但数值很小，在分析 分子泵运行特点时可以不予考虑。 分子泵的转予系统有一定的转动惯量，当进行加速和减速运行时就产生惯 性转矩。分子泵是由高速交流感应电动机直接驱动的，根据运动学列运动平衡 方程式( 2 7 ) 。 t ：j 堂( 2 7 ) 西 式中：r ：电动机输出转矩或制动转矩( n m ) ，：分子泵转子系统的总的转动惯量( k g m 2 ) w ：分子泵转子系统的旋转角速度( r a d s ) ，掣是转予系统的加速转矩，当t 0 时，掣 0 ，系统加速；当t 0 时， df硪 掣 0 ，系统减速；当t ：0 时，掣：0 ，系统恒速。可见，惯性力矩只在转子 讲讲 系统加速或减速时存在。 根据文献资料和分子泵的使用实践，分子泵以自由运转方式停机需耗时 卜2 h 。此时，根据( 2 7 ) 式，分子泵仅依靠机械摩擦和气体压缩负载来减速， 这证明了分子泵的机械摩擦和气体压缩负载很小，可以忽略不计。同时也说明 了分子泵转子系统的转动惯量相对较大，是进行分子泵负载分析的主要对象。 2 2 分子泵的运行 分子泵运行的基本目的是在设计转速下稳定运行，这就包括启动、稳态运 行和停机三个过程。稳态运行要求转速的波动尽量小，启动过程期望迅速、快 捷，停机也希望在一定的时间内完成。 东北大学硕士学位论文 第二章分子泵的运行特点与驱动装置的设计要求 2 2 1 分子泵的启动 根据应用，分子泵要求迅速、快捷的启动。在一般应用场合下，异步电动 机是在额定频率下直接启动，瞬间达到额定转速。但分子泵的额定频率和转速 都很高，根据公式( 2 7 ) ，取相同的t ，值并假设启动过程为均加速过程，启动 转矩和启动时间的关系如图2 1 所示，n 表示额定转速。 l ：r t = 4 2 0 0 0 r p m2 ：即= 3 0 0 0 0r p m3 ：聆= 1 8 0 0 0 r p m4 ：n = 6 0 0 0 r p m 图2 1启动过程转矩与时间的关系 f i g 2 1t h er e l a t i o no ft o r q u ea n dt i m ed u r i n gs t a r t u p 从图中对比得到：以相同的时间启动，额定转速越高，需要的平均转矩越 大；以相同的平均转矩启动，额定转速越高，需要的启动时间越长。 分子泵的转子叶片一般要设计成薄翅形，其刚度和强度都有限，不能承受 过大的加速转矩，所以，分子泵的启动不宣向普通异步电动机那样在额定频率 下瞬时启动，而只能是频率逐渐升高，转速逐渐加快的软启动方式“，也就是 采用变频调速的方式启动。同时，从上面的分析中也可以总结，在进行分子泵 电机匹配和设计运行方案时需要依据两个重要的参数，即分子泵转子系统的转 动惯量t ，和所能承受的最大允许转矩k ，并在运行的任何情况下都必须满足 ( 2 8 ) 式的条件。 l i 降k ( 2 8 ) 式中： i 正l ：转子系统所受合成转矩的绝对值。 交流异步电动机变频调速最简单的控制方式为u f 控制，在基频以下具有 恒转矩的性质。如果将分子泵的启动过程设计成匀加速运动，根据公式( 2 7 ) ， 东北大学硕士学位论文 第二章分子泵的运行特点与驱动装置的设计要求 它的驱动转矩要求也为恒定值。所以，分子泵可以采用u v 的控制方式进行变 频启动，不但能够满足分子泵软启动的要求，而且简单易行，这与文献 1 0 的 结论是一致的。 2 2 2 分子泵的停机 前文已经提到，分子泵在没有任何控制的条件下自由运转停机一般需要 1 - 2 h ，这给分子泵的使用造成很大的不便，所以，分子泵的变频驱动装置应该 具有制动功能。 在由变频驱动装置j 异步电动机和机械负载所组成的变频调速系统中，当 电动机减速或停机而使转差率s 1 i x 4 2 u a c = 3 4 2 v 取u = 3 7 5 v ，u = 3 4 5 v 。 分子泵的制动过程设计也要在式( 2 8 ) 的约束下进行。本课题的目标模型 中转子系统的最大允许转矩为瓦。= o 1 3 4 n m ，可以与启动过程一样取波动系 数为2 而将制动转矩取为l = o 0 6 7n m ，。 分子泵的制动过程完全可以控制为匀减速运动，也就是转子转速和变频驱 动装置的输出频率线性下降。设在 时刻功率晶体管v 7 第一次开通，流过制动 电阻的电流为，。，此时直流侧电压达到上限u ，则有： 昙c 瞻一u 撕卜昙，b 2 ( o ) 一q ：洲 ( 3 _ 2 ) o ( f 。) = 、q 2 ( o ) 一导p 品一昵( o ) 】 ( 3 3 ) 在 时刻，为使直流侧的电压不再上升，制动电阻消耗的功率必须大于或 等于电动机的电磁功率： ，r 2 等q ( ) ( 3 4 ) 即： 嗍厣两- o 唧庐孪可焉莎面蚴。s 取r = 1 0 0q ，则制动电阻上流过的最大电流为： - 2 8 - 东北大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 k 2 等2 嵩。3 。7 5 a 该电流略大于电动机的额定电流，考虑该电流是间断性的，不会对电动机 绕组造成损坏。电阻的额定功率应大于u 。) k r = 3 7 5 2 1 0 0 = 1 4 0 6 w 。 根据以上计算的结果选择制动电阻为：3 个5 0 0 w 、3 0 0 0 的电阻并联，总 电阻值为1 0 0 q ，总功率15 0 0 w 。 将制动电阻连接到i p m 模块的p 与b 端子间，再把控制部分根据直流侧 电压玑的测量值计算后得到的制动信号传递给i p m 模块的u i 。d b 控制端子， 就构成了制动电路的连接。 3 4 保护电路设计 分子泵变频驱动装置的保护部分共设计三个层次。 第一层次是直流部分的电流和电压保护。在主电路的整流桥后设计有额定 电流值为8 a 的熔断器，当电流出现意外过流时对驱动装置和电机实施保护； 制动电路中对直流侧电压u 。的测量，一方面是制动功率晶体管的动作的依据， 同时，也是过电压保护的测量部分，当直流电压u 。大于4 5 0 v 时，控制部分将 输出控制信号，封锁i p m 的输出，对系统进行保护。 第二层次的保护是利用i p m 智能功率模块内含的过电流保护、短路保护、 驱动电源欠电压保护和过热保护功能，实现对设备核心部分i p m 的保护。 第三层次的保护是针对电动机的保护。包括电动机的过流保护和过热保 护。过流保护的位置在i p m 模块输出之后，采用霍尔电流传感器，将电流信号 转换为电压信号传递给单片机的a d 口，该保护的限定值为1 0 a ，防止电动机 的堵转、过载、短路等故障。过热保护有两种方式可以选择：一是采取p t c 热敏电阻。当温度达到预定值时，电动机的绕组断开，温度降低后恢复；另一 种是采用线性热敏电阻，根据温度阻值发生变化并与电压成正比，单片机可以 根据电压信号判断电动机绕组的温度。本设计采用后一种，温度保护值设定为 1 1 0 ，相当于e 级绝缘的水平。电动机的过热保护主要是针对循环水不足等 故障而进行保护。 3 5 控制部分设计 分予泵变频驱动装置的控制部分包括一个c y g n a lc 8 0 5 1 系列单片机作为 控制的核心和键盘( 进行控制命令的输入) 及显示( 对运行状态和故障的表示) 东北大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 部分。 3 5 1 控制信号 为了实现变频驱动装置的控制，需要可靠的硬件电路来传递控制信号，本 课题中的全部控制信号如表3 2 所示。 表3 2 控制信号列表 t a b l e3 2l i s to fc o n t r o ls i g n a l s 3 5 2 控制电路的设计 ( 1 ) c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机的应用 本设计的控制单元部分执行系统的逻辑控制、算法计算和p w m 波的生成 功能，采用c y g n a lc 8 0 5 1 系列的c 8 0 5 1 f 0 0 5 型号的单片机。该单片机是目前 功能最强大的8 位单片机之一，其最大特点是属于全集成混合信号在片系统单 片机，即s o c ，在使用中可以最大限度的减少外围器件的设计。c 8 0 5 1 f 0 0 5 单 片机的原理框图如图3 6 所示。 c 8 0 5 1 f 0 0 5 内含c i p 5 l 微控制器内核，与m c s 5 l 。m 的指令系统完全兼容， 具有3 2 k 程序存储器和2 5 6 字节的内部数据存储器；共有p o 、p 1 、p 2 和p 3 四