交流异步电动机变频调速系统设计报告
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
4
第 2 章 主电路的设计与分析
(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 存在 2.5�6V(T=25 � C)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 13V。
8
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UGE 的增加�通态压降减小�开通损耗 也减小.若 �UGE 固定不变时�通态压降随集电极电流增大而增大� 开通损耗随结温升高而增大。
(2)随着栅极反向电压 �UGE 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。
波形如图2.4c 所示。
结构图 b) 开关的通断规律 c) 波形图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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UD 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
3
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�
保护 吸收电路
供电 电源 主电路
控制电路
整流
滤波
电路
电路
主电路电流 电压检测
逆变
电机
电路
隔离 驱动
8051 单片机
SPWM波 生成芯片
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。
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 S1 、S 4 同时闭合时�U ab 电压为正�S 2 、S3 同时闭合时�U ab 电压为负。 由于开关 S1 � S 4 的轮番通断�从而将直流电压U D 逆变成了交
另外�为减小开通损耗�要求栅极驱动信号的前沿要陡。IGBT
9
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-(5�0)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。
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-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。
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............................................ 24 附录.................................................. 25 参 考 文 献........................................... 26 应用技术学院课程设计评分表............................ 27
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。
7
当 S 3 、 S 6 同时闭合和 S 5 、 S 4 同时闭合�得到 uV �W , S5 , S 2 同 时闭合和 S1 、 S 6 同时闭合�得到 uW �U 。
为了使三相交流电 uU �V 、 uV �W 、 uW �U 在相位上依次相差 2� 3 � 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 uU �V 、 uV �W 、 uW �U
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 3�1 驱动电路设计 ................................. 15
�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 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。 本次设计中选用交-直-交变频器�采用电压型变频器。
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。
2
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�
6
流电压U ab 。 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� S1 、 S2 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U D 。
图 2.3 单相逆变器原理图
�2�三相逆变电路 三相逆变电路的原理图见图2.4所示。 图2.4中� S1 � S 6 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 2� 3 的三相交流电压。 当 S1 、 S 4 闭合时� uU �V 为正� S 3 、 S 2 闭合时� uU �V 为负。 用同样的方法得�
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、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。
(3)随着栅极串联电阻 RG 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 RG 减小�则又将使 di dt 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:
图 2.1 电压型交直交变频调速主电路
5
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。
(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。
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。
4
第 2 章 主电路的设计与分析
(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 存在 2.5�6V(T=25 � C)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 13V。
8
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UGE 的增加�通态压降减小�开通损耗 也减小.若 �UGE 固定不变时�通态压降随集电极电流增大而增大� 开通损耗随结温升高而增大。
(2)随着栅极反向电压 �UGE 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。
波形如图2.4c 所示。
结构图 b) 开关的通断规律 c) 波形图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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UD 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
3
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�
保护 吸收电路
供电 电源 主电路
控制电路
整流
滤波
电路
电路
主电路电流 电压检测
逆变
电机
电路
隔离 驱动
8051 单片机
SPWM波 生成芯片
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。
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 S1 、S 4 同时闭合时�U ab 电压为正�S 2 、S3 同时闭合时�U ab 电压为负。 由于开关 S1 � S 4 的轮番通断�从而将直流电压U D 逆变成了交
另外�为减小开通损耗�要求栅极驱动信号的前沿要陡。IGBT
9
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-(5�0)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。
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-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。
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............................................ 24 附录.................................................. 25 参 考 文 献........................................... 26 应用技术学院课程设计评分表............................ 27
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。
7
当 S 3 、 S 6 同时闭合和 S 5 、 S 4 同时闭合�得到 uV �W , S5 , S 2 同 时闭合和 S1 、 S 6 同时闭合�得到 uW �U 。
为了使三相交流电 uU �V 、 uV �W 、 uW �U 在相位上依次相差 2� 3 � 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 uU �V 、 uV �W 、 uW �U
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 3�1 驱动电路设计 ................................. 15
�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 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。 本次设计中选用交-直-交变频器�采用电压型变频器。
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。
2
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�
6
流电压U ab 。 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� S1 、 S2 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U D 。
图 2.3 单相逆变器原理图
�2�三相逆变电路 三相逆变电路的原理图见图2.4所示。 图2.4中� S1 � S 6 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 2� 3 的三相交流电压。 当 S1 、 S 4 闭合时� uU �V 为正� S 3 、 S 2 闭合时� uU �V 为负。 用同样的方法得�
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、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。
(3)随着栅极串联电阻 RG 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 RG 减小�则又将使 di dt 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:
图 2.1 电压型交直交变频调速主电路
5
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。
(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。