交流变频调速系统设计 精品.doc

1 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。 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式如下： 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） 改变电动机，即在转子上串电阻，因饶线式电机的结构限制，通常为有级调速。（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： 2 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，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。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。3 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。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。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。3.2 系统主电路参数设计与选择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：。4 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，它主要是向变频主电路提供各种控制信号，以使主电路安全、可靠的工作。4.1 触发控制回路设计4.1.1 触发控制电路框图图6 触发控制电路结构框图4.1.2 SPWM的生成原理 SPWM的生成原理如图18所示 图7 SPWM生成原理仍采用传统的三角波和正弦波叠加原理，且采用双极性规则采样法II，由于每个周期的采样时刻都是固定的（图中E点），根据脉冲电压对三角载波的对称性，假设A相电压瞬时电压表达示为U=Sin(wt)。可得脉宽时间：t=T/21+MSin(wt)t=T/21+MSin(wt-120) t=T/21+MSin(wt+120) 而间隙时间： t=t=(T-t)/2 t=t=(T-t)/2 t=t=(T-t)/24.1.3 CPLD功能实现及VHDL程序设计 1CPLD内部结构框图及工作特点 图8 设计的CPLD内部框图 应用 MAXPLUSII软件设计变频调速系统的功能与原理框图如图8所示。主要包括过压保护电路、过流保护电路、复位电路、三相六路 PWM波形发生器电路和芯片内部存储器等。复位脚低电平有效，当输入为低时，六路PWM输出为低电平，所有的内部计数器置零，瞬时基波频率置零。速度由频率设定脚确定，该脚输入8位数据，实现设定基波频率的改变。过压信号和过流信号输入脚为高电平时，封锁三相六路 P WM输出信号。 1.1三角波的产生及SPWM的实现 芯片输出的三相六路SPWM波形的产生是通过SPWM调制方法，芯片内部采纳了类似Intel公司微控制器SX196MC MH的 PWM波形发生的中心调制模式。如图9所示，输入16MHZ晶振时钟计数产生三角波，计数从0到p，再从p返回到0。此处p为三角波计数峰值（该处用332）。芯片采用24kHZ的载波频率。当D=neutral时，输出SPWM波形的占空比为0.5，所以称neutral为相中心点。正弦表格里存有 0到180共 750个数据，其峰值设为166。令 step为步长，令circle为累积步长，令m为步数，circle=m step。当circle= 1500时，调整正弦波到达360。令为调制深度，的最大值是8位数据255由ROM送至芯片。令D= Sin(mstep),即查正弦表格的得到的值，取最大值 255，D取最大值 166时，有以下关系： D/255 = 166 = netural采用乘法器舍去低8位实现。令D1=D/255每个载波周期由正弦调幅结果为：D=neutral+D1 （0circle750 0-180）D=neutral-D1 （750circle1500 180-360）D与三角波比较，得到不加死区的脉冲宽度。3、三相分时电路的应用 在该芯片中采用了查三角函数表取所需的三角函数值方法。由于控制芯片需要输出三相六路SPWM脉冲信号，查三角函数表法取得所需三角函数值的电路结构有两种，一是建立三个相位互差 120的三角函数表，输出的SP WM波形脉冲的脉宽数据通过即时运算电路得到，一种是建立一个三角函数表，输出的SP WM波形脉冲的脉宽数据通过分时运算电路得到，运算时间对输出波形不会有什么影响，内部的ROM空间要求也很小。 图10 三相分时运算电路示意图 如果每相分别用独立的电路实现，将多耗费许多逻辑门，并且占用三个正弦表格，这在设计上是简单的，但是实际上是非常不合理。本文提出了一种实现三相分时的思路。大大的减少了逻辑门数目，仅增加分时信号和信号分离电路。达到只占用一个正弦表格，并且只耗用一个计算电路的效果。试验证明，这种三相分时计算电路稳定，电路结构简单。原理如图10所示。图10中D点为待分离的三相正弦数据经幅度调制后的瞬时值，由BOXl计算产生。在每一个载波周期，三角波发生到波峰时计算并输出。BOX1工作原理图如图11所示。 图11 三相数据合并电路时钟CLK在每个运算周期产生3次上升沿。该时钟使图21中的“count0_2”以3为模记数，记数值送三选一数据选择器， 其中BOX2框图的一个部分如图13所示。其中retb这个box中的输入M1.0为判据，来确定D8.0是否可以通过，如上所述count0_2为以3为模的计数器。数据通过这种方式实现了分离，再加后级锁存，并锁存送到PWM发生器。 图13 三相数据分离 ABC三点为由BOX2分离后的数据，锁存一个载波周期，送至后面的PWM发生器。由此可见，如果不采用这种分时电路，那么三相的运算将会用到三个BOX1，而BOX1包括了乘法器、正弦表格、死区计算等。所以利用分时电路大大的节约了门数，从而使芯片电路规模变小近23。4.2 驱动电路设计驱动电路是将控制电路产生的PWM信号加以隔离、放大，形成驱动各开关器件开关信号动作的电路。它将逻辑电平的控制电路与可驱动6个IGBT的高/低侧开关电路元件相连接，驱动电路因开关器件的不同而异。在本设计中，选用的开关器件是IGBT,它是电压驱动型开关器件，要求电路驱动速度要快，同时考虑到功率变换电路拓扑结构上的要求和抗干扰能力的要求。各功率开关器件之间以及控制电路和功率主电路之间，需要进行电隔离，所以采用了脉冲变压器耦合进行隔离。4.3 保护电路设计设计保护回路，其目的是检测主回路的电压、电流等。当主回路发生过载、过压等异常时，停止电路元件工作或抑制其电压、电流值，以防止逆变器件和交流电动机损坏。本设计主要针对逆变电路和电动机常出现的故障，系统设置了泵升电压保护、过（欠）压保护、过流保护、过热保护等。4.3.1 泵升电压保护回路设计1产生原因在主回路中，直流电源电压两端并联较大容量的电解电容器、，它除了可以减小直流电源电压的脉动外，还可以作储能用。由于逆变器直流侧采用三相不可控整流，交流电动机减速或停车时，存储在电动机转子和负载中的机械能不可能回馈给电网；因此，电流必须经过逆变器中IGBT外部并联的续流二极管反馈至中间直流电路，对电容充电，由于电容的容量有限，充电将使C、端电压升高，形成所谓的“泵升电压”。 Ud U Ud 图21 泵升电压现象2 泵升电压保护电路如上所述，发生泵升电压是电动机制动过程中不可避免的现象，如果不对此电压进行限制，将会造成IGBT的永久性损坏，为此，需要在主电路中并联制动电路起保护作用。如果采用再生制动方法，则会使变频主电路结构和控制系统复杂，所以，一般采用能耗制动的方法。本课题选用由、组成的制动电路，图22是泵升电压保护电路的电气原理图。其工作原理为：比较器LM311同相端接P点的电压检测信号，反向端接电位器。是用来取泵生电压保护动作的基准电压。电容的作用防止干扰信号引起的误动作；、是泵生电压的放电支路。当检测到主回路P电压高出额定值的15%时， 图22 泵升电压保护电路比较器LM311输出一个高电平，使导通，从而将逆变器部分回馈能量转化为热能释放掉，即消耗在电阻上，这样电机就可以在四象限运行，而不会损坏逆变器桥臂上的开关器件IGBT。4.3.2 缓冲吸收回路设计 1缓冲电路 通常IGBT的开关时间约为当IGBT由通态迅速关断时，有很大的产生，在主回路的布线电感上引起较大的尖峰电压.这个尖峰电压与直流电压叠加后，加在关断的IGBT的之间。如果峰值电压很大，可能使叠加后的超出反向安全工作区，或者由于过大，而引起误导通，两者都有损于IGBT；为此，在IGBT上加入缓冲电路。本设计中采用的是冲放电型RCD缓冲电路，其电路图如下所示 图26 IGBT缓冲电路原理图2.缓冲电路参数选择1）吸收电容吸收电容可采用下面公式计算 (41)式中，； （额定值）；(交流220V电网)或800V(交流380V电网)。将上述数据代入公式，计算出电容=；所以可以选择的无感电容。2）缓冲电阻 缓冲电阻要求：IGBT关断时，上积累电荷的90%能及时释放掉。不宜过大，如太大，放电时间过长，电不能完全放掉；但太小，在器件导通时，放电电流过大、过快，可能危及器件的安全，也可能引起振荡，IGBT导通时，电流增加。一般电流选择下面公式 (42)缓冲电阻产生的功耗与阻值无关，可由下式确定： (43)式中，系数10是电阻瓦特数的裕度系数，以防止温度过高；是开关频率。将数据代入上述公式，可选电阻为。4.3.3 过热保护回路设计a IGBT散热及过热保护要求 当逆变器输出电流供给交流电动机工作时，功率开关器件IGBT本身也要消耗功率。其消耗的功率主要包括通态损耗和开关损耗，其结果使基板温度和工作结温上升。图28为IGBT耗散功率P与模块基板温度的关系曲线；图29为IGBT集电极电流与模块基板温度的关系曲线。可以看出随着IGBT基板温度的上升，IGBT的耗散功率和集电极电流急剧下降。因此其最高基板温度不能超过，否则工作结温会超过，造成管子的过热烧坏。为了能使IGBT稳定可靠工作，必须采取适当的散热措施，加强IGBT过热检测保护。图27 过流保护电路电气原理图 图28 IGBT耗散功率与基板温度曲线 图29 IGBT集电极电流与基板温度曲线b散热器设计IGBT满负荷工作时，将产生较高的功率损耗密度。散热器设计要求将IGBT功耗转化为热量迅速而可靠地从基板传送到散热器上散掉，确保IGBT的最高工作结温不超过最高允许温度150。散热能力越强，器件所承受的功率就越大，而器件的散热能力取决于它的热传导特性。设计散热器时，通常需要用到以下几个表达式。 (44)式中：Q总热阻；基板结温与环境温度之差；P器件的功耗。外加散热器后，总热阻Q包括以下几个部分：Q= (45)式中：结到基板的热阻； 基板到散热器界面的热阻； 散热器到周围空气的热阻。器件所允许的功耗为： (46)式中：器件的结温； 周围环境温度。本设计中选用的是IR公司生产的IGBT,型号为IRLDT150M12，模块单管封装形式，其主要参数数据如下： ；。由于IGBT开关时间短，驱动电流小，故开关损耗和驱动损耗可忽略不计，另外，断态损耗也可忽略不计，所以，IGBT的功耗主要由通态损耗来确定，即 温差为： (47)故总热阻为： = 忽略则散热器热阻= 所以，可选散热器型号为：RK04A风冷板型热管散热器，热阻为：0.035。4.4 系统所需直流电源设计4.4.1 直流稳压电源的原理结构系统的直流电源是为控制电路中给定信号、各种集成芯片提供工作电压。本设计中用到的有(0.7A)、(1A)、 (1A)三种直流稳压工作电源。4.4.2 元件选择1. 电源变压器通常根据变压器副边输出功率来选购（或自绕）变压器。对于容性负载，变压器副边的输出电压与稳压器输出电压的关系为：，在此范围内，越大，稳压器的压差越大，功耗也就越大。一般取副边电压，副边输出电流的有效值。表1 与间的一般取值（V） 5.09.012.015.024.0（V）9.012.015.018.027.02. 整流二极管整流二极管的反向击穿电压应满足： (48)其额定工作电流应满足： (49)所以，对直流电源， 二极管的耐压值，0.7A，考虑到一定的裕量，实选电压30V，电流1.0A； 对直流电源，二极管耐压值，1A，考虑到一定的裕量，实选电压25V，电流1.5A； 对直流电源，二极管耐压值，1A，考虑到一定的裕量，实选电压15V，电流1.5A。3滤波电容器 对于滤波电容器的选择，一般需要考虑以下几点：1）整流二极管的压降；2）和最小允许压降；3）电网波动的10%。 综上考虑，滤波电容器C的选择可由下式估算： (410)式中，稳压器输入端纹波电压的峰-峰值； 电容C放电时间常数，=T/2=0.01s； 电容C放电电流；可取，滤波电容C的耐压值应大于。所以，对直流电源，稳压器输入端纹波电压的峰-峰值为 按近似电流放电计算，并设（通角），则 ，故取滤波电容； 对直流电源，稳压器输入端纹波电压的峰-峰值为按近似电流放电计算，并设（通角），则，故取滤波电容； 对直流电源，稳压器输入端纹波电压的峰-峰值为按近似电流放电计算，并设（通角），则，故取滤波电容。5 系统电气控制线路设计5.1 系统电气控制线路主要设计要求：1 Y降压起动；2 电动机能正反向运行；3 系统要求有能耗制动；4 系统电压及电流保护；5.2 电气控制单元电路设计5.2.1 Y降压起动电路 本设计中，降压启动采用了降压启动电路。线路工作原理如下：合上总开关QS，按SB2起动按钮，KT1、KM3通电吸合，KM3触点动作使KM1也通电吸合并自锁，并使KM得电吸合，电动机M接成星形减压起动，随着电动机转速的升高，起动电流下降，时间继电器KT1延时到其延时长闭触点断开，因而KM3断电释放，KM2通电吸合，电动机M接成三角形正常运行，这时时间继电器也断电释放。5.2.2 电动机正反转控制电路在实际的生产中，为了提高劳动生产率，减小辅助工时，所以系统中设计了交流电机的正