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1、用于异步电动机调速的通用变频器设计用于异步电动机调速的通用变频器设计目录目录一、本次设计方案简介.11.1 变频器主电路方案的选定.11.2 系统原理框图及各部分简介.21.3 fV 比恒定控制 .31.4 选用电动机原始参数.8二、变频器主电路设计.92.1 主电路的工作原理.92.2 主电路各部分的设计.112.3 系统主电路参数计算与元件选择 .13三、系统控制电路设计.183.1 为 SPWM 波生成方法 .183.2 驱动电路设计.193.3 保护电路设计 .203.4 电源电路设计 .273.5 控制系统的实现 .30四、总结.32五、参考文献.331一一 本次设计方案简介本次设计
2、方案简介1.11.1 变频器主电路方案的选定变频器主电路方案的选定变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。静止式变频器从变换环节分为两大类：交-直-交变频器和交-交变频器。1.交-交型变频器：它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同） ，又称直接式变频器。由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/31/2,所以不能高速运行。2.交-直-交型变频器：交-直-
3、交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种：（1）电流型变频器电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。（2）电压型变频器电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功
4、率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。由于交-直-交型变频器是目前广泛应用的通用变频器，所以本次设计中选用此种间接变频器，在交-直-交变频器的设计中，虽然电流型变频器可以弥补电压型变频器在再生制动时必须加入附加电阻的缺点，并有着无须附加任何设备即可以实现负载的四象限运行的优点，但是考虑到电压型变频器的通用性及2其优点，在本次设计中采用交-直-交的电压型变频器。如图 1.1 所示：图 1.1 交-直-交
5、电压型变频主电路1.2 系统原理框图及各部分简介本文设计的交直交变频器由以下几部分组成，如图 1.2 所示：三三 三三 三三 三三 三三三三三8051SPWM三三三 三三三三三三三三三三三三三 三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三图 1.2 系统原理框图系统各组成部分简介：3供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相 220V，中大功率的采用三相 380V 电源。因为本设计中采用三相 380V 电源。整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。在本设计中采用三相不可控整流。它可以使电网的功率因数接近 1。滤波电路：因在本设计中采用电压型变频器，所
6、以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。在设计中采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管 IGBT。电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。控制电路：采用 8051 单片机和 SPWM 波生成芯片 SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。1.3 比恒定控制fV比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它是在改变fV变频器输出电压频率的同时改变输出电压
7、的幅值，以维护电机磁通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。控制是目fV前通用变频器中广泛采用的控制方式。三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态，从而使铁心材料得到充分的利用。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率发生变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强。在励磁不足时电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于饱和状态，是电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的功率损耗，降低电动机的效率和功率因数。因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定为额定值。由电机理论知道，电机定子的感应电势
8、有效值是：411114.44NmEf N K则 即 (1-1)1111 44. 4NKfENm11 mfE另外，电机的电磁转矩为:（1-22mTecosC2）其中 与电动机有关的常数；TCCos转子每相电路功率因数；2转子电压与电流的相位差；2电机的电磁转矩。e由式（1-1）推断，若不变，当定子电源频率增加，将引起气隙磁通1E1f减小；而由式(（1-2）)可知，减小又引起电动机电磁转矩减小，这mme就出现了频率增加，而负载能力下降的情况。在不变时，而定子电源频率1E减小，又将引起增加,增加将导致磁路饱和，励磁电流升高，从而导1fmm致电动机发热，严重时会因绕组过热而损坏电动机。由以上情况可知:
9、变频调速时，必须使气隙磁通不变。因此，在调节频率的同时，必须对定子电压进行协调控制，但控制方式随运行频率在基频以下和基频以上而不同。1.基频以下调速由式(1-1)可知，要保持不变，当频率从额定值向下调节时，必须m1fNf同时降低,使1E=常值11fE只要保持为常数，就可以达到维持磁通恒定的目的。因此这种控制又11fE称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。根据电机端电压和感应电势的关系式：(1-3) 11111()UErjx I式中: -定子相电压； -定子电阻； 1U1r5-定子阻抗； -定子电流1x1I变频后的机械特性如图 1.3 所示:图1.3 电动机低于额定转速方向调速时的机械特性从图
10、 2.4 中可以看出，当电动机向低于额定转速方向调速时,曲线近似0n平行地下降，减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性；但是临界转矩却随着电动机转速的下降而逐渐减小，这就是造成了电动机负载能力的下降。临界转矩下降的原因可以如下解释：为了使电动机定子的磁通量保持恒m定，调速时就要求感应电动势与电源频率的比值不变，为了使控制容易实1E1f现，采用电源电压来近似代替，这是以忽略定子阻抗压降作为代价，当U1E然存在一定的误差。显然，被忽略的定子阻抗压降在电压中所占的比例大小U决定了它的影响。当的数值相对较高时，定子阻抗压降在电压中所占的比1fU例相对较小，所产生的误差较少；当的数值较低时，定子阻抗压
11、降在U1E1f电压中所占的比例下降，而定子阻抗的压降并不按同比例下井，使得定子阻U抗压降在电压中的比例增大，已经不能再满足。此时如果仍以代替UU1EU，将带来很大的误差。因为定子阻抗压降所占的比例增大，使得实际上产生1E的感应电动势减小，的比值减小，造成磁通量减小，因而导致电动1E 11fE m机的临界转矩的下降。变频后机械特性的降低将是电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用。一种简单的解决方法就是所示的fV转矩补偿法。fV转矩补偿法的原理是：针对频率降低时，电源电压成比例地降低fU引起的的下降过低，采用适当的提高电压的方法来保持磁通量恒定，UUm6使电动机转矩回升，因此，有些变频
12、器说明书又称它为转矩提升（Torque Boost） 。带定子压降补偿的压频比控制特性示于图 1.4 中的 b 线，无补偿的控制特性则为 a 线。定子降压补偿只能补偿于额定转速方向调速时的机械特性，而对向高于额定转速方向调速时的机械特性不能补偿。图 1.4 压频比控制特性曲线补偿后的机械特性曲线如图 1.5 所示：图1.5 补偿后的机械特性曲线2.在基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从额定频率向上增高，但是电压却不能超Nf出额定电压，由式（1-1）可知，这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种NU7调速方式下，转子升高时转矩降低，属于恒功率调速方式。变频后的机械特性如图 1.6 所示：图 1.
13、6 电动机高于额定转速方向调速时的机械特性当电动机向高于额定转速方向调速时，曲线不仅临界转矩下降，而且曲0n线工作段的斜率开始增大，使得机械特性变软。造成这种现象的原因是：当频率升高时，电源电压不可能相应升高。这1f是因为电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压，所以，磁通量将随着频率的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转m1f矩下降，造成电动机的机械特性变软。以上调速方式相应的特性曲线如图 1.7 所示：8图1.7 整个频率调速的特性曲线注：图中曲线 1在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线图中曲线 2在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定fV子的电压和电势近似相等条件已不能满足，所以仍按比恒定控制就不能保fV持电机磁通恒定，而电机磁通的减小势必会造成电机的电磁转矩减小。另一方面原因是低速时逆变器桥臂上、下开关元件的导通时间相对较短，电压下降，而且它们的互锁时间也造成了电压降低，从而引起转矩脉动，在一定条件下这将会引起转速、电流的振荡，严重时会导致变频
