矢量控制交流变频调速系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

矢量控制交流变频调速系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

WM 波形发生器、隔离电路、保护电路、 信号 采样电路、液晶 显示与 键盘 电路等组成。 其基本原理是：将 380V/50Hz 的三相交流电压经二极管不控整流电路与直流侧电容滤波后变为直流电压，以 DSP 为核心的控制电路实时采样电压、电流、转速的瞬时值，按照矢量控制算法产生 PWM 脉冲信号去控制 PWM 逆变器开关器件的通断，再经输出 LC 滤波器获得幅值、频率可调的三相正弦交流电压。 图 变频电源硬件结构框图 主电路结构设计 380V/5KVA 矢量控制交流变频调速系统 的主电路结构如图 所示， 主 要 由 三相整流桥、软启动电路、直流滤波电路、指示灯电路、制动电路、 PWM 逆变器、输出滤 波器等组成。 各部分的主要作用如下： （ 1）三相整流电路：将电网输入的三相 380VAC 进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的 530VDC 直流电压。 （ 2）三相逆变电路：将 DC530V 电压逆变为频率、幅值可调的三相交流电，提供给负载。 （ 3）输出滤波电路：滤除干扰和谐波，使输出为标准正弦波。 （ 4）直流滤波电路：整流部分和逆变部分的中间环节，起到稳定电压的作用。 （ 5）软启动电路：限制启动电流，保护功率器件。 （ 6）制动电路：实现能耗制动，避免产生泵升电压，损坏功率器件。 武汉工程大学 毕业设计 10 图 主电路结构图 主电 路参数计算及元器件选型分析 整流电路及其参数计算 通常有三种整流方式 :二极管不控整流，晶闸管半控整流和晶闸管全控整流。 采用晶闸管半控、全控整流既可以在开机上电后使整流电压逐渐上升到最大值 ,实现软启动；又可以在电源出现故障时 ,关断晶闸管 ,从而关闭直流环节。 但由于可控整流的控制比较复杂 ,目前在大功率变频器等应用领域 ,整流部分多采用不控整流 ,跟可控整流相比 ,这种方式可以提高网侧电压功率因数 ,而且控制简单 ,较为经济。 本设计中采用了三相桥式不控整流电路，主要优点是电路简单，功率因数接近于 1。 选用整流管组 成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。 滤波电容滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。 因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。 如图 中的 C1 和 C2。 由于两组电容特性不可能完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻 R1和 R2。 当变频器通电时，滤波电容的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管，为了保护二极管，在电路中串入限流电阻 R5，从而使电容的充电电流限制在允许的范围内。 当电容充电到一定程度时，使 S5 闭合，将限流电阻 短路。 电源指示灯DS除了指示电源通电外，还作为滤波电容放电通路和指示。 整流二极管的选择 整个电源容量为 5KVA,输入电压为三相市电 ,线电压有效值为 V380 ,输出电压为三相三线制 ,相电压有效值为 V220 ，根据系统容量和输入电压值可计算出直流侧最大电压和电流。 (1)直流电压 Ud 输入为三相交流电压 V380 ,其峰值电压为 2 380 537 V ,公式（ ）是三相桥式可控整流电路的公式 , Ud 是整流出来的直流电压值 ,U 是输入整流桥的交流相电压有效值 ,ɑ是触发角。 当把整流桥的可控器件换为二极管时 ,即不控整流 时 ,ɑ=0,则三相不控整流的输出直流电压为 VUU 1 42 2 o   () 武汉工程大学 毕业设计 11 实际应用中 ,由于直流侧电解电容的稳压作用 ,当变频电源空载时 ,直流侧 电压的值基本维持在 V530 左右。 (2)额定状态下直流侧的平均功率 avP 本电源的额定容量为 KVA5 ,功率因素此处计算取 ，考虑到实际中功率开关管等会有损耗，功率因数按设计标准取。 WP 33av  () (3)直流电流平均值 dI AUPI 3davd  () 整流电路元件选取需要从电流定额和电压耐量两个方面考虑。 电流定额： AIKI IMP M N  () 电压耐量： VUKU UMRM 8 0 63 8 l  () 其中 IMK 、 UMK 分别为电流、电压安全裕量系数。 lU 为交流输入线电压有效值。 储能电容的设计 储能电容的参数通常按如下公式计算： L3~5 /C T R（） （ ） 式中 T为输入侧直流电压的脉动周期 , LR 为直流侧等效负载电阻 ,装置的额 定容量为 KVA5 ,考虑阻性负载 ,直流母线电压为 VVE 514 ,则：  22EEL PVR () 直流侧为交流电压 (50Hz)经三相全桥整流后的电压 ,其输出 电压一周期内有 6 个脉波 ,则 1 T ,代入式 ()可得： L3 ~ 5 / ( 3 ~ 5 ) 0 . 0 0 3 3 3 / 5 2 . 8 4 1 8 9 ~ 3 1 5 μFC T R   （） () 考虑到为了提供更稳定的直流母线电压 ,实际设计中取 560 181。 F/ V450 的电解 电容两个串联 ,相当于一个 280 181。 F/ V900 的电容。 充电限流电阻 为了在上电时限制电容的充电电流 ,需要设置充电限流电阻 ,如图 21 中的电阻 R5,设计时希望充电电流最大值在 10A左右 ,而上电瞬间电位差为 V530 ,那么限流电阻 R1的值为：  5053105 3 0d1 IUR () 考虑到瞬时电流很大 ,要求电阻可以承受 ,所以选用大功率的水泥电阻 ,水泥电阻放热面积大 ,温度上升率较小 ,水泥型卷线电阻器耐脉冲特性良好 ,能面对很大的瞬间电流武汉工程大学 毕业设计 12 经过 ,大约可以承受 10 倍于额定功率的瞬时功率达 5 秒钟 ,即使电阻上功率大了也不容易燃烧 ,有非常好的阻燃性。 而且水泥电阻比较便宜 ,因此经常被选作为电源上的充电限流电阻。 功率的选取 ,是由电阻上消耗的平均功率来决定的 ,计算方法如式 ()所示 ：  tt502 ee1udt1     EEERUTP ， () 其中 P为平均功率 ,时间 T为 5秒钟 ,整流后的直流电压 E 为 530V。 又有 ： 01 050 6  RC ，则： WTREP |e2250t22     () 实际设计中选用 两个 100 , W5 的水泥电阻并联。 逆变电路及其参数计算 作为逆变的一种重要形式 ,三相逆变器广泛应用于用大电量或三相四线制供电负载场合，其电路拓扑主要有三相全桥式、三相半桥式、三相四桥臂式和组合式等结构。 三相全桥逆变器具有电路拓扑简洁，所用功率器件数少，功率开关电压应力低等优点，但为了提高带不平衡负载的能力，必须在其 输出端增加中点形成变压器 ,从而在一定程度上增加了逆变器的体积和重量。 三相半桥逆变器虽然也有上述优点 ,但其输入直流电源电压利用率较低 ,而且相同输出电压时功率开关的电压应力较大，为了获得强的带不平衡负载的能力 ,两个串联的电解电容必须足够大 ,从而使逆变器体积和重量增加。 三相四桥臂逆变器虽然带不平衡负载的能力较强 ,但其电路拓扑较复杂，所用功率器件数较多，控制也复杂。 组合式三相逆变器由 3 个单相逆变器星形联结构成 ,能同时实现单相和三相四线制供电。 由于每相可分别独立控制 ,易实现模块化结构，模块冗余技术 ,因此系统的可靠性高 ,具有极强的带不平衡负载能力。 但是这种电结构的元器件数多，成本高 [13]。 PWM 逆变器的 PWM 输出电压会产生很高的 dv/dt，损坏电机绝缘。 为此，可在逆变器的输出端设置 LC 滤波电路，以减小 dv/dt，滤除高次谐波，改善输出电压波形。 逆变部分主要元件为 IGBT。 IGBT 的选择应考虑以下几个方面的因素： （ 1） 开关器件额定值 (主要为额定电压和电流 )的选择。 正确选用 IGBT 有两个关键环节 :一是开关器件关断时 ,在任何被要求的过载条件下 ,集电极峰值电流都必须处于开关安全工作区的规定之内 (即小于额定电流的两倍 )；二 是 IGBT 工作时的内部结点温度必须始终保持在 150℃以下 (包括过载情况 )。 （ 2）开关器件安全工作区的选择。 实质上是防止因过电压或过电流引起 IGBT 损坏或工作不稳定。 （ 3）降额因素的考虑。 开关器件的工作环境与测试条件是不同的 ,通常实际应用中指标会有所下降。 基于以上因素 ,对 IGBT 的电压电流 进行如下计算： 电路额定输出容量为 5KVA,功率因数 ,则额定输出功率： WSP os0   () 武汉工程大学 毕业设计 13 考虑最大输出功率为额定值的 倍 ,输出相电压有效值为 220V,则通过每个 IGBT电流的有效值为 : AUPI 2 03 5 0 0co s3 0    () 则通过 IGBT 的电流峰值为 : AII P  () 当上 (下 )桥臂开通 ,下 (上 )桥臂关断时 ,下管 (上管 )IGBT 两端承受 DC53OV电压。 为了使电路工作更加安全可靠 ,这里取两倍电流电压安全裕量 ,综合考虑元器件性价比等因素， 本课题选取 Infineon 公司生产的 SGW25N12O 型 IGBT,该器件具有封装小 、 功耗低 、 功率寿命周期高等优点 ,规格为 1200V/25A。 输出滤波器 为保证变频电源输出波形正弦度好、失真度小 ,必须在逆变电路输出端安装 滤波器。 输出滤波电路常用的是 L型或  型滤 波器。 如图 所示： （ A） L 型 （ B) 型 图 滤波器结构 其中 L型滤波器形式简单 ,应用也较广 ,故本系统采用此种设计。 滤波器参数选择时 ,应考虑以下几点要求 : 在满足输出电压波形失真度要 求的前提下 ,尽量提高滤波器的谐振频率 ,以减小其体积和重量。 滤波电路应 具有较低的输出阻抗 ,以减小负载变化时对滤波器滤波效果的影响。 尽量低的 损耗。 一般按照低通滤波器的计算方法进行设计 ,使滤波器基波频率落在通带之 内 ,从而达到抑制谐波，保留基波的目的 [14]。 忽略电感线圈内阻和电容漏电阻 ,带纯阻性负载 R的 L型滤波器传递函数为 : 22nn2n210 s2sj)s(   LL C RR RVVGLLL （ ） 式中 n 表示无 阻尼震荡频率，LC1n；  为阻尼比， CLRL21 ； 由式（ ）得： 武汉工程大学 毕业设计 14     222101 LLCRRVVLL  () 由式（ ） 可知高频信号通过滤 波器的衰减倍数为 LC21，低频信号则不衰减， 由此可见 L型滤波器是低通滤波器 ,其截至频率： LC 2 12f nc  () 逆变输出电压基波频率 f0《 fc时 ,滤波器对基波信号阻力小 ,允许其通过；最低次谐波频率丘 fcfk1》 时 ,滤波器对最低次谐波阻力大 ,不允许其以及高于其频率的信号通过。 如果滤波器截止频率选得过高 ,谐波衰减减小 ,必然导致滤波效果下降 ,系统中的高频分量得不到很好的抑制 ,输出电压不能满足波形失真度的要求；反之若频率选得过低 ,L、 C值增大 ,滤波电感和电容的体积和重量也会增加 ,而且滤波电路引起的相位滞后变大 ,影响整个闭环控制系统的稳定性。 因此 ,应当在保。