交流异步电动机变频调速系统设计报告

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1、 目录 绪论 . 2 第 1 章 系统总方案确定 3 1.1 变频器的选定 3 1.2 系统原理框图及各部分简介 4 第 2 章 主电路的设计与分析 5 2.1 主电路工作原理 5 2.2 整流电路 6 2.3 逆变电路 6 2.4 IGBT 简介及驱动要求 . 8 2.5 保护电路 . 11 第 3 章 控制电路的设计与分析 . 15 31 驱动电路设计 . 15 3.1.1 SPWM 调制技术简介 15 3.1.2 SPWM 波生成芯片特点和引脚功能 17 3.1.3 SA868 芯片内部结构及工作原理 . 20 3.2 控制电路设计 21 第 4 章 实验与仿真 . 22 总结与体会 2

2、4 附录 25 参 考 文 献 . 26 应用技术学院课程设计评分表 27 2 绪论 变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交 流电动机调速目的的技术。大家都知道目前无论哪种机械调 速都是通过电机来实现的。从大的范围来分电机有直流电机 和交流电机。由于直流机调速容易实现性能好因此过去生产 机械的调速多用直流电动机。但直流机固有的缺点由于采用直 流电源它的滑环和碳刷要经常拆换故费时费工成本高给 人们带来太大的麻烦。因此人们希望让简单可靠廉价的笼式交 流电机也像直流电动机那样调速。这样就出现了定子调速、变极 调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。 当然也出现了滑差电机

3、、绕线式电机、同步式交流电机。随着电 力电子技术、微电子技术和信息技术的发展出现了变频调速技 术它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式 乃至直流电机调速而成为电气传动的中枢。 所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管 GTR、绝缘栅 双极型晶体管 IGBT)将 50Hz 的市电变换为用户所要求的交流电或 其他电源。它分为直接变频(又称交-交变频)即把市电直接变成 比它频率低的交流电大量用在大功率的交流调速中间接变频 (又称交-直-交变频)即先将市电整流成直流再变换为要求频 率的交流。它又分为谐振变频和方波变频前者主要用于中频加 热。方波变频又分为等幅等宽和 SPWM 变频常用的

4、方法有正弦波 (调制波)与三角波(载波)比较的 SPWM 法、磁场跟踪式 SPWM 法和 等面积 SPWM 法等。 本设计所设计的题目属于间接变频调速技术。它主要包括整 流部分、 逆变部分、 控制部分及保护部分等。 逆变环节为三相 SPWM 逆变方式。 3 第 1 章 系统总方案确定 1.1 变频器的选定 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。交-直-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

5、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 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

6、速中。 本次设计中选用交-直-交变频器采用电压型变频器。 4 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1.1所示 供电 整流 滤波 逆变 主电路电流 8051SPWM波 隔离 电压检测 主电路 控制电路 保护 电机 电源电路电路电路 驱动 生成芯片单片机 吸收电路 图 1.1 系统原理框图 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。 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。 滤波电路因在本设计中采用电压型变频器所以采用电容 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

7、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SA868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。 5 第 2 章 主电路的设计与分析 2.1 主电路工作原理 变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电 源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成 主电路和控制电路其中主电路通常采用交-

8、直-交方式先将交 流电转变为直流电(整流滤波)再将直流电转变为频率可调的 交流电逆变。 在本设计中采用图2.1的主电路这也是变频器常用的格式。 图 2.1 电压型交直交变频调速主电路 6 2.2 整流电路 整流电路是把交流电变换为直流电的电路。目前在各种整流 电路中应用最广泛的是三相桥式全控整流电路三相桥式全控 整流电路每个时刻均需2个晶闸管导通而且这两个晶闸管一个是 共阴极组一个是共阳极组只有它们能同时导通才能形成导 电回路。由于整流电路原理比较简单设计中不再做详细的介绍 其原理如图2.2所示。 图 2.2 三相桥式全控整流电路 2.3 逆变电路 将直流电转换为交流电的过程称为逆变。完成逆变

9、功能的装 置叫做逆变器它是变频器的主要组成部分电压性逆变器的工 作原理如下 1单相逆变电路 在图2.3的单相逆变电路的原理图中 当 1 S 、 4 S 同时闭合时 ab U 电压为正 2 S 、 3 S 同时闭合时 ab U 电压为负。 由于开关 1 S 4 S 的轮番通断 从而将直流电压 D U 逆变成了交 7 流电压 ab U 。 可以看到在交流电变化的一个周期中一个臂中的两个开关 如 1 S 、 2 S 交替导通每个开关导通电角度。因此交流电的周 期频率可以通过改变开关通断的速度来调节交流电压的幅 值为直流电压幅值 D U 。 图 2.3 单相逆变器原理图 2三相逆变电路 三相逆变电路的

10、原理图见图2.4所示。 图2.4中 1 S 6 S 组成了桥式逆变电路这6个开关交替地接 通、关断就可以在 输出端得到一个相位互相差 3 2 的三相交流电压。 当 1 S 、 4 S 闭合时 VU u 为正 3 S 、 2 S 闭合时 VU u 为负。 用同样的方法得 8 当 3 S 、 6 S 同时闭合和 5 S 、 4 S 同时闭合得到 WV u , 5 S , 2 S 同 时闭合和 1 S 、 6 S 同时闭合得到 UW u 。 为了使三相交流电 VU u 、 WV u 、 UW u 在相位上依次相差 3 2 各开关的接通、关断需符合一定的规律其规律在图2.4b中已标 明。根据该规律可得

11、 VU u 、 WV u 、 UW u 波形如图2.4c 所示。 结构图 b) 开关的通断规律 c) 波形图 图 2.4 三相逆变器原理图 上述分析说明通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交 流电只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率当然交流 电的幅值可通过 D U 的大小来调节。 2.4 IGBT 简介及驱动要求 IGBT是压控器件栅极输入阻抗高所需要驱动功率小驱 9 动较为容易。但必须注意IGBT的特性与栅极驱动条件密切相关 随驱动条件的变化而变化。 (1)随着栅极正向电压 GE U 的增加通态压降减小开通损耗 也减小.若 GE U 固定不变时通态压降随集电极电流增大而增大 开通损耗随

12、结温升高而增大。 (2)随着栅极反向电压 GE U 的增加 集电极浪涌电流减小 而 关断损耗变化不大IGBT 的运行可靠性提高。 (3)随着栅极串联电阻 G R 增加将使 IGBT 的开通和关断时间 增加 从而使 IGBT 开关损耗增加 而 G R 减小 则又将使 dt di 增大 从而使 IGBT 在开关过程中产生较大的电压或电流尖峰 降低 IGBT 运行的安全性和可靠性。 通过以上分析可以看出一个理想的 IGBT 驱动电路应具有以 下基本性能: (1)通常 IGBT 的栅极电压最大额定值为20V若超过此值 栅极就会被击穿导致器件损坏。为防止栅极过压可采用稳压 管作保护。 (2)IGBT 存

13、在 2.56V(T=25C)的栅极开启电压驱动信号低 于此开启电压时器件是不导通的。要使器件导通驱动信号必 须大于其开启电压。当要求 IGBT 工作于开关状态时驱动信号必 须保证使器件工作于饱和状态否则也会造成器件损坏。正向栅 极驱动电压幅值的选取应同时考虑在额定运行条件下和一定过载 情况下器件不退出饱和的前提正向栅极电压越高则通态压降 越小通态损耗也就越小。对无短路保护的驱动电路而言驱动 电压高一些有好处可使器件在各种过流场合仍工作于饱和状态。 通常正向栅极电压取 15V。在有短路保护的场合不希望器件工 作于过饱和状态因为驱动电压小一些可减小短路电流对短 路保护有好处。此时栅极电压可取为 1

14、3V。 另外为减小开通损耗要求栅极驱动信号的前沿要陡。IGBT 10 的栅极等效为一电容负载所以驱动信号源的内阻要小。 (3)当栅极信号低于其开启电压时IGBT 就关断了。为了缩短 器件的关断时间关断过程中应尽快放掉栅极输入电容上的电荷。 器件关断时驱动电路应提供低阻抗的放电通路。一般栅极反向 电压取为-(50)V。当 IGBT 关断后在栅极加上一定幅值的反向电 压可提高抗干扰能力。 (4)IGBT 栅极与发射极之间是绝缘的不需要稳态输入电流 但由于存在栅极输入电容所以驱动电路需要提供动态驱动电流。 器件的电流、电压额定值越大其输入电容就越大。当 IGBT 高频 运行时栅极驱动电流和驱动功率也

15、是不小的因此驱动电路 必须能提供足够的驱动电流和功率。 (5)IGBT 是高速开关器件在大电流的运行场合关断时间不 宜过短否则会产生过高的集电极尖峰电压。栅极电阻 G R 对 IGBT 的开关时间有直接的影响。栅极电阻过小关断时间过短关断 时产生的集电极尖峰电压过高会对器件造成损坏所以栅极电 阻的下限受到器件的关断安全区的限制。栅极电阻过大器件的 开关速度降低开关损耗增大也会降低其工作效率和对其安全 运行造成危险所以栅极电阻的上限受到开关损耗的限制。对 600VIGBT 器件栅极电阻可据下式确定 e R =(I10)625/ e I 式中 e I 为 IGBT 的额定电流值. 栅极电阻的下限取系数为 1 限取系数为 10。对于 1200V 的 IGBT 器件栅极的电阻值可取相同 电流额定值的 600V 器件阻值的一半。 (6)驱动电路和控制电路之间应隔离。在许多设备中IGBT 与工频电网有直接电联系而控制电路一般不希望如此。驱动电 路具有电隔离能力可以保证设备的正常工作同时也有利于维修 调试人员的人身安全.驱动电路和栅极之间的引线应尽可能短并 用绞线使栅极电路的闭合电路面积最小以防止感应噪声的影 响。采用光耦器件隔离时应选用高的共模噪声抑制器件能耐 11 高电压变化率。 (7)输入输出信号传输尽量无延时。这一方面能够减少系