【《交流异步电动机的变频调速系统设计》8100字】

交流异步电动机的变频调速系统设计摘要由交流异步电动机变频和调速原理得知，电动机工作时，电压u是不可能恒定的，将随频率f变化最终U/f几乎没有变化。这一特性确保异步电动机以较低转速工作时具有转矩特性，保证电动机在低速运行时温度过高，使得电动机本身具有的性质不会被改变，从而可完成对AC电动机无极调速。文章主要介绍了变频器对电机进行调速控制的方法。经整流电路，逆变电路将AC电源转换为DC电源，进而转换为AC电源，达到电动机变频调速。变频器是将电力电子技术与电气传动技术相结合产生的新一代节能设备。IGBT在变频器中处于核心地位，IGBT是一种集成元件，一般应用于体积小的场合、发杂音小，逆变器、在电动机调速装置中。它具有高耐压、大功率等优点，同时又具备优良的散热性，使得变频器能够长时间稳定可靠地工作。关键词：异步电动机；变频调速；MATLAB；仿真目录TOC\o"1-3"\h\u23295第1章绪论 第3章IGBT元器件的相关设计3.1IGBT所具有的保护在实际使用中，保护驱动器除了承受电压和电流外，还要考虑以下几个方面：（1）短路(过电流)保护短路故障时，IGBT集电区与基区间PN结电流变大，并逐渐大于限定值使得Uce增大。此时若持续操作IGBT，将给其带来不可逆转的破坏，因而也就影响到了整个电路能否正常工作。因此，在IGBT短路时关断。（2）过电压保护将缓冲电路装入IGBT内，易于吸收瞬时过电压；调节IGBT驱动电路的Uce，使最小。（3）栅极电阻IGBT输入端等效阻抗相对较大，或呈容性阻抗，不用DC电流就可以在不运行时，以减小IGBT集电区与基区间PN结电压峰值脉冲，需要串连一个电阻Rg，该电阻对电路中保护电路有影响，Rg变大，IGBT开断和关断时间延长，能量消耗就变多；而且降低Rg也能显著改变电流的大小，可能不慎导通电路，或损坏IGBT，因此，我们应该按照电流限制的能力、电压之限定值及开，关断频率之不同，以选择合适电路用阻抗。3.2IGBT的驱动电路为IGBT提供动力的模块种类繁多，其中，EXB系列模块应用比较多，EXB84系列产品由日系企业制造，专为IGBT供电，其可驱动电压峰值达到1200V。具有较强的隔离能力、响应更迅速等，防止IGBT过电流和对它进行保护。另外在输出端采用了电容滤波方式，使其更加稳定可靠。模块内功能丰富，由+20VDC供电，内部还有一个TLP550电路。为了能够更好地控制器件工作在最佳状态下，本文设计了一种简单实用的控制电路，使得整个系统运行更加稳定可靠。见图3-1。通过这个系统可以检测出是否有故障存在。电路内部也会有用来检查过电流和把慢电流慢慢关起来，其中，检查过电流用电路根据驱动与集电区及基区间PN结之电压二者之关联，进行过流检查。另外还有一种方式就是利用二极管作为慢关元件。路径IGBT电流数值超过器件内指定数值时，采用慢电流慢关断电路，避免IGBT毁坏相对较低率关断IGBT。如果没有这种情况，则采用慢开或快关来保护。避免集电区与基区间PN结IGBT产生较大峰值电压脉冲，栅极上串接有缓冲电阻RG。图3-1EXB841驱动电路在运用这一计划时应注意如下问题：（1）IGBT栅-射极启动电路前后联线应不超过1M，栅-射极采用绞线连接。（2）电容C为EXB840，EXB850为33VF，EXB841为47VF。3.3控制电路SPWM主要由3个模块组成，时基发生器具有相位启动通路及控制相关元器件。在每个子模块中都有两个或多个开关元件来选择不同的调制波形。驱动通道具有相位，可以影响通道开通时间TON和总时间TON加TOFF之比，辅助电路对工作模式和中断发生器产生影响。它是由一个开关管组成的，在每个周期中只有两个导通状态，因此不会产生任何开关损耗。经P6口输出可起动逆变器6条通路SPWM信号，各通路SPWM信号可分别编辑。以抑制同一桥上的2只功率管短路，SPWM起动电路设计应具有死区互锁功能，使得两个二极管SPWM脉冲信号在同一座桥中可以互相兼容，转换高低电平时，应将其设置在高电平无法控制的时间域内，确保相同桥上的功率管不一同打开。图3-2三相异步电动机和87C196MC的联接方式3.4检测电路1.霍尔传感器/变送器的性能特点霍尔传感器具有良好的电气(机电)特性，是电气检测元件中的尖端产品，既能屏蔽主电路，又能屏蔽辅助电路。在每个子模块中有两个或多个开关元件来选择不同的调制波形。它与互感器结合，具有分路的优点，采用同一个测试元件，可以同时测试DC和交流，以及瞬时峰值。是替代互感器、分流器等的新型装置。霍尔传感器的优势如下：1）不论哪种形状，均能测出U,I两种波形。当在电流或电压中加上一定频率时就会产生响应信号，它与被测物理量之间存在着某种关系。霍尔传感器元件可以测量DC、AC等各波形的U、I等参数。2）精确程度相对较高。霍尔传感器元件比工作区精确程度高，能探测到每个波形。3）动态特性好。由于采用了特殊设计的电路和工艺，器件在整个工作范围内都保持很好的线性度，这对于要求快速响应且具有一定精度的场合是非常重要的。霍尔元器件动态反应耗时不大于1μs，跟踪的速度不会低于50A/us；但一般仪用变压器动态反应时间约15μs.2.霍尔元件的使用方法霍尔元件的接线方法如图3-3所示。图3-3霍尔元件布线方法3.4.1转速检测电路所述数字测速组件包括光电盘编码器，控制与测量装置的构成，本实用新型的有益效果是噪音低，分辨率好。由于采用了特殊设计的电路和工艺，器件在整个工作范围内都保持很好的线性度，这对于要求快速响应且具有一定精度的场合是非常重要的。所述脉冲发生器与所述轴相连，以及沿所述轴旋转方向产生一系列脉冲，再由监视设备与这些脉冲相匹配，得到轴的测量速度。所谓mt转换方法，若时钟与PV发电动机M1脉冲总和相等，则仅M1,M2脉冲测量值随发动机转速变化。3.4.2光电耦合器该系统不仅可以实现高速数据传输，而且能有效地防止因传输线中存在电磁干扰而产生误码或丢失信息等问题。此外6n137还有输入信号校正功能。当需要传输多路数据时，可以选择不同波长和速率来实现传输目的，以满足实际需求。当电路的速度被测，以避免因工作场所干扰造成磁盘信号出错，需要把信号磁盘从外部隔离开来，以经由所述多个光学连接向所述机器发送磁盘信号，由于6n137输出信号的高频响应，适用于从光盘上分离输出信号。6N137电路接线图见图3-4：图3-46N137电路接线图3.5辅助电路3.5.1集成稳压电源本系统应用电路图见下图3-5：图3-5CW7805典型应用电路3.5.2由LM317组成恒流源电路LM317美国产三重可调稳压器AC，拥有3个输出端口一体化高电压精度，也就是第6侧投入并非公共接地，一般采用接地跨接电阻串联。图3-6代表了一种典型的应用图，当图形中的调制改变到V0R2，C2联接使章鱼纹波尺寸变小，可引起制动20db以上，但是由于二极管D1的短路，要求在无D1的情况下与C3的输出电路接通短路,C2会使r1c1的时间常数的表现减慢，这样短路到D1输出为零后，机器就可能损坏。图3-6LM317典型应用电路图3.6时钟及复位电路如果把该信号送到外部电源中去驱动其它器件，则可以产生与之相同的脉冲波形。时钟频率在6MHz的时候，除需电复位，还要求122伏（p千克），有时需手动复位，此处需点击复位按钮。复位电路及时钟电路图见下图：图3-7时钟电路图3-8复位电路第4章交流变频调速系统的MATLAB仿真Matlab作为一种前沿的数学模型分析和计算机应用程序，可以对动态系统进行建模和仿真，特别是矩阵分析和计算。4.1变流电路的仿真4.1.1整流电路仿真这种整流器具有高输入功率因数和低谐波含量的优点。就三相不可控整流电路而言，三相桥式结构应用最为广泛。该电路具有体积小、重量轻的优点。此时，的开关管处于关断状态，而二极管处于导通或关断状态。使二极管在线电压的过零角开始导通，=sin（t+）相电压=sin（t+-30°）==0=为（=）图4-1带电容滤波的三相不可控整流电路按照它的原理，模拟，基于仿真结果所得到的数据，利用以上公式对其进行了验证。这种整流器具有输入功率因数高、谐波含量小等优点。一般在AC与DC、AC与DC电压转换器之间，一些AC与DC转换整流器采用了无节制的DC链接，人们普遍采用了通过仿制这些线路，可根据控制阀及仿真设定控制角度为零。本文提出一种新的方法，它能够实现更高的效率并减少功率损失，同时还能减小开关器件的开关损耗。采用模块化整流器进行本课题研究，无节制利用无节制装置，使其符合电阻仿真模型：图4-2三相不控桥阻容性负载的仿真模型一般情况下，AC,DC，AC,DC转换器作为一种非DC连接器得到了广泛应用。本文还描述了用于模拟负载变化的系统和方法。通过对这些电路的仿真，整流器单元的控制角度可用于本课题。本文描述了一种方法，该方法利用一个具有两个输出端子的整流二极管来产生所需要的电压信号并将其提供到输入端。仿真波形见下图：图4-3AC-DC波形图图4-4AC-DC转换器波形图图4-5AC-DC整流输出电压波形图4-6AC-DC转换器整流输出电压波形4.1.2三相电压源型SPWM逆变器仿真三相电压源SPWM逆变器的仿真模型为：图4-7三相SPWM逆变器仿真模型图4-8三相SPWM逆变器仿真波形4.2转速开环变频调速系统的仿真下图是FDA变频调速系统的感应电机仿真图。有独立的三波发射器，将信号与输入信号配对，选择脉冲产生PWM信号。另一个独立的三波控制单元负责调整每个周期的两个调制脉冲。该子系统由FDA产生的六个信号输入单元组成，用于脉冲控制。为了计算六种异步电动机系统的选停单元，需要配置适当的参数。图4-9转速开环变频调速系统仿真模型空载时仿真波形如下所示：图4-10空载仿真波形图4-11转速变化情况图4-12转矩变化情况负载转矩为11.8N.m时的波形如下：图4-13负载转矩为11.8N.m仿真波形图4-14转速变化情况图4-15转矩变化情况从图中可以看出，速度波形非常清晰。当恒速为0.1400rpm时，可以清晰地观察到扭矩波形的变化过程。当转矩减小时，其值大于负载达到恒速后最终减小的电磁转矩，其转矩值等于负载转矩，转速基本不变时为0.3s，转矩基本不变。根据仿真图所得数据表4-1电压与电流关系表4-2电动机三相的电压值第5章结论随着科技的不断进步与社会的飞速发展，人们对于能源的需求越来越大，而传统的发电方式已经无法满足当前的用电要求。工业做为中国国民经济的主体，通过采用变频调速，本实用新型能够促进产品生产高效，并且能较好地降低能耗和污染发生，使得我国工业领域的发展可以得到更大的发展。在当前变频调速技术运用过程中，仍然存在着较多问题，所以，有关技术人员也需加大这方面的研究，并且对于变频技术在电气控制方面的应用也在不断地优化和改进，以此来提高我国工业发展水平和经济实力。本文通过对变频器工作原理分析，得出变频调速系统中存在着一定的谐波成分，其主要是由交流电机转子上感应出的交直流分量引起的。在异步电机的搭建过程中，恒定电压U和恒定电流I，相应的频率已接近极限值，如果保持U不变则应提高φ值，磁路达到限定值，φ值不变化，U也不可能为常数，必依f而变，最后维持比例不变，以保证电动机以较低转速运行的转矩特性，并且保证电动机不因为过流所带来的冲击而造成失速，维持电动机功率的平稳，并且实现了无级调速。同时借助MATLAB仿真平台编写计算程序和搭建仿真模型，对交流异步电机变频调速过程中机械特性变化规律和正弦波脉冲宽度调制技术基本原理进行了分析。结果表明，通过应用MATLAB仿真软件能更直观清楚地分析研究交流调速系统的运行原理。参考文献[1]张薇.三相异步电动机变频调速控制系统设计[J].2020.[2]陆海东,王雪晶.三相异步电动机变频调速控制系统设计[J].信息技术与信息化,2019(12):2.[3]王海涛.电力拖动系统交流异步电机变频调速自动控制[J].自动化应用,2021(1):2.[4]伏哲东.基于MATLAB的异步电机变频调速系统的仿真与分析[J].科技创新与应用,2020(10):2.[5]孙英奇,李雷远,刘刚,等.三相感应电动机直接转矩控制变频调速设计[J].科技与创新,2019(11):5.[6]康强.浅谈三相异步电动机特性及变频调速[J].科学与财富,2019.[7]耿青涛,肖军,耿青红,等.基于MM420变频器三相异步电动机无级调速的实现[J].电气传动自动化,2020,42(2):4.[8]卫延波,李梦杨,乔清廉,等.基于Simulink仿真的异步电机变频调速系统[J].电子质量,2020(9):6.[9]李浩峰.浅析三相异步电动机变频调速的实现[J].电力系统装备,2020(18):2.[10]张雅坤.三相异步电动机变频调速控制系统的设计[J].机械管理开发,2020,35(7):2.[11]柴艺晗.三相交流电动机SPWM变频调速系统设计与仿真[J].农村电工,2022,30(10):42-43.[12]郑伟卫.基于PLC控制的三相异步电动机变频调速系统设计[J].能源与环保,2022,44(07):260-264.[13]聂菁.电气自动化控制中变频调速技术的应用[J].电气时代,2022(07