三相感应电机驱动器的变频分析.doc

三相感应电机驱动器的变频分析摘要交流电机驱动器广泛应用于控制电机的转速，例如输送系统的速度，吹风机、水泵、机械工具的转速，以及应用于其他随着转矩的改变需要改变转速的地方。全系统运行过程：输入交流电压，输入电压通过可控硅整流器整流为直流电并输出，通过并联电容进行滤波，然后输送给PWM 逆变器 。通过控制PWM逆变器产生一个理想的适合频率的正弦电压，经过串联的电感和并联的电容来滤波，然后提供给鼠笼式感应电机。关键词PWM逆变器，可控硅整流器，三相感应电机。1、介绍可调速交流机械系统安装有变频驱动器。变频驱动器是一个电力电子部件，用来控制电机的转速。它把固定的电压和频率转变为可调的电压和频率，来控制电机的转速。逆变器的类型很多，根据构成的相数、应用功率二极管器件的类型、换相原理和输出波形来分类。这里研究的重点是三相逆变电路，通过三相逆变电路把直流电逆变为三相变频变压的交流电。三相逆变器也应用于要求交流电频率可控的电路中。在使用中，三相交流电被整流成直流电，然后经过电容滤波使谐波含量降到最低。交-直-交变频中的直流环节就是为了降低谐波而设计的。通过三相全控电力晶体管桥得到直流，可控直流通过转换器转化为可控脉冲，这些可控脉冲提供给逆变桥电路，产生变频变压交流电，并输出，提供给感应电机用来控制电机的转速。2、感应电机驱动器的变频过程2.1.交流电机变频驱动器传统变频驱动器（熟知的压频比V/Hz）通过固态控制单元来改变电机的频率和电压。 图1 调速控制系统方框图变频的基本步骤如图1所示，电路有直流环节转换器。第一个步骤是把60Hz的交流电转换为直流电，第二个步骤是把这个直流电转换为所需频率的交流电。2.2感应电机变频驱动器中的晶体管脉宽调制是现代发展起来的控制交流输出的重要技术，例如通过电力电子变频器来控制交流输出就是熟知的脉宽调制(PWM)。脉宽调制通过改变变频器通断周期的占空比，来控制输出的电压和频率。原则上，所有的调制设计都是为了得到一连串开关脉冲，它们有一样的伏秒特性，并作为任何时刻的目标参考波形。这一连串的开关脉冲的主要的不同是：它们也包含了不想要的谐波分量。这些谐波应该被过滤，并抑制到最小。生成PWM波形的三个主要方法。如下：（1）在目标参考波形和高频三角载波的交叉点时刻控制功率开关器件的通断（自然采样法）。（2）在目标参考波形和高频三角载波的交叉点间规则采样，在对应的时刻通断功率开关器件（规则采样法）。（3）把目标参考波形作为矢量，它的幅值矢量和相位矢量所构成的面积与载波矢量构成的面积相等时，通断功率开关器件（空间矢量PWM）。 图2 脉宽调制变频驱动的基本电路拓扑 图3 规则不对称采样脉宽调制2.3感应电机同步转速的变频控制Ns=120f/p，而，f=电源频率p=极数同步转速正比于电源的频率。因此，可以在满额负载转速以下或以上进行调速，通过改变电源的频率，来调节同步转速和电机转速。定子中的感应电压（E）与差频和空气间隙磁通量的乘积成正比。如果定子的压降被忽略，则电机端口电压正比于频率和磁通量的乘积。如果端口电压不变，而电源频率降低会导致空气间隙磁通量增加。感应电机被设计运行在电磁特性的拐点处，以便充分利用磁性材料。因此随着磁通量的增加将会使电机饱和，这将会导致磁化电流的增加，使线电流和线电压失真，导致铁心损耗和定子铜损的增加，并产生高分贝噪音。从饱和效应考虑，当磁通量增加到超过额定值时是不利的。为了保持电机的转矩不应降低磁通量。所以，在低于额定频率时，变频控制通常通过降低机械的相电压（V）来实现，同时伴随着在磁通量保持恒定情况下频率的变化。在额定频率之上时，因为定子绝缘性的限制或电源电压的限制，电机运行在恒定电压下。并且单位频率k是 K=f/frated 而 f=运行频率frated电机额定频率2.4在额定频率下运行（K1） 通常情况下电机首选在恒定磁通量下运行。如果Im在所有运行点保持恒定，电机将会在恒定磁通量下运行。从图3所示能写出在电机额定运行情况下的等式： 而 Lm=磁化电感图4 多相感应电机的单相等效电路当电机在频率f下运行时，通过比较这几个等式，得出如果E=KErated， Im将会保持恒定，并且与额定值相等。所以，如果反电动势随着频率同比例变化，磁通量将会保持恒定。换句话说，当（E/f）比率保持恒定时，磁通量将会保持恒定。电机在恒定比率（E/f）下运行，而 是在额定频率下的同步转速现在的转矩是：现在，在给定频率下E 保持恒定。通过空隙的功率将会最大，当静差为Sm时， 或 所以，在恒定磁通量下的变频控制，无论在运行还是回馈制动时，停止转矩在所有频率下都保持恒定。如等式所示一个恒定值（SK），转子电流和转矩T是恒定值。如果作为一个参考矢量，那么的滞后相位通过下式可以得到，因此对于一个给定值（SK），也保持恒定，电机电流也会保持恒定。因此，当磁通量和(SK)保持恒定时，电机在恒定转矩、和也恒定的状态下运行。SK的物理意义而 是在一定频率下（或同步转速）的转速，它与转子转速不同。是电机从无负载到带负载时的转速降。从等式可以看出，SK值恒定表示电机在恒定转差下运行。所以，对于任意的T值，在任意频率下，电机从无负载开始的转速降都相等。因此，电机的转速-转矩特性从0s是平行的曲线。如图5所示为，在恒定磁通量，不同频率时的电机运行和制动状态下的转速-转矩特性曲线。 图5 不同频率下的转速-转矩特性曲线2.5驱动器的测试和效果 图6 驱动器的完整方框图脉宽调制（PWM）变频器用于感应电机的变速驱动，驱动小型电机，如0.5马力、380V、任意频率。频率可以从16Hz上升到60Hz，对应的电机的转速会从464rpm上升到1740rpm。全系统运行过程：交流电压输入，通过可控硅整流桥，生成直流输出，然后输出的直流经过并联电容滤波，再经过PWM逆变器。控制PWM逆变器生成一定频率的理想的正弦电压，提供给感应电机。1. 实验测试准备三相感应电机的变频驱动器的性能测试和效果，如下：电源电压 380V 电源频率 50Hz电机额定功率 0.5 马力极数 4额定转速 1450rpm最大转速 1740rpm最小转速 464rpm最大频率 60Hz最小频率 16Hz表1 三相感应电机的变频驱动器的加速测试频率(Hz)转速(rpm)1164642257253329284451305550145066017402. 变频电路输出电压波形 如图7所示为变频电路的输出电压波形。阶梯状正弦波形每相相差120度。驱动通过数字示波器进行测试，驱动的输出频率是55Hz，输出电压是227V。驱动器通过调节频率来控制感应电机的转速。 图7 变频器输出电压波形图片 图8 完整的变频驱动电路图片 图9 PIC18F452控制电路的 图10 门驱动电路的输出电压波形输出电压波形3、结论三相感应电机调速转速系统为开环控制，提供给每相的电压和频率以恒定的比率变化。这篇论文的作者重点在变频器和控制器的设计。作者也对整个系统进行了验证，它能在很宽的范围内调速。致谢作者对指导他的老师致以衷心的感谢，感谢Khin Aye Win教授对他的引导、帮助、支持和分享想法。深深的感谢他的上司Salai Tluang Za Thang博士，在他的监督和指导下完成了论文。参考文献1 R.Krishnan, 2001. Electric Motor Drives (Modeling, Analysis, and Control), Prentice Hall, Inc. 2 Ned Mohan, Torre M. Undeland, William P. Robbins, 1995, Power Electronics Converters, Applications and Design, Wiley, New York. 3 Richard Valentine, 1998. Motor Control Electronic Handbook, McGraw-Hill, New York. 4 Sigh, M. D. and Khanchandani, K. B. 2000. Power Electronic, Tata McGraw-Hill P