交流异步电动机变频调速设计毕业设计论文(编辑修改稿)

交流异步电动机变频调速设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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 的主电路，这也是变频器常用的格式 [4]。 图 电压型交直交变频调速主电路 变频器主电路设计的基本工作原理 整流电路是把交流电变换为直流电的电路。 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，由于整流电路原理比较简单，设计中不再做详细的介绍 [5]。 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 的单相逆变电路的原理图中： 当 1S 、 4S 同时闭合时， abU 电压为正； 2S 、 3S 同时闭合时， abU 电压为负。 由于开关 1S ～ 4S 的轮番通断，从而将直流电压 DU 逆变成了交流电压 abU。 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： 1S 、 2S 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 DU。 第 15 页 共 31 页 图 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 所示。 图 33 中， 1S ～ 6S 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 32 的三 相交流电压。 当 1S 、 4S 闭合时， VUu 为正； 3S 、 2S 闭合时， VUu 为负。 用同样的方法得： 当 3S 、 6S 同时闭合和 5S 、 4S 同时闭合，得到 WVu , 5S , 2S 同时闭合和 1S 、 6S同时闭合，得到 UWu。 为了使三相交流电 VUu 、 WVu 、 UWu 在相位上依次相差 3；各开关的接通、关断需符合一定的规律，其规律在图 中已标明。 根据该规律可得 VUu 、 WVu 、UWu 波形如图 所示。 a) 结构图 b) 开关的通断规律 c) 波形图 图 三相逆变器原理图 第 16 页 共 31 页 IGBT 及驱动模块介绍 IGBT 简介及驱动要求 绝缘栅极双极型晶体管 (IGBT)是 80 年代初功率半导体器件技术与 MOS 工艺技术相结合研制出的一种复合型器件。 众所周知，构成 IGBT 的 MOSFET 和BJT 各有其优缺点。 MOSFET 属于单极型器件，具有开关频率高、没有二次击穿现象、元件并联运行容易、控制功率小的优点，缺点是导通电阻大，耐压水平不容易提高。 BJT 属于双极型器件，具有耐压水平高、电流大、导通电压低的优点，缺点是开关时间长，有二次击穿现象以及控制功率大。 因此，兼具 MOSFET和 BJT 优点的新型复合器件 IGBT 应运而生， IGBT 具有耐压高、电流大、开关频率高、导通电阻小、控制功率小等优点。 并且，随着 IGBT 技术的发展，其 性能不断得到改善和提高，使得 IGBT在大功率开关电源设备中的地位越来越重要，如 UPS、电焊机、电机驱动、特种工业电源等都使用 IGBT 模块。 由于 IGBT 在设备中所占成本比例较高，所以掌握好 IGBT 的特性和正确的使用方法，尽量减少 IGBT 模块的损坏以降低开发成本和提高整机可靠性，就成为设计者和使用者所必须关心的一个问题 .关于 IGBT 的基本结构、工作原理、主要参数、特性等在电力电子书本里已经有详细介绍，在这里不在赘述 [7]。 IGBT 是压控器件，栅极输入阻抗高，所需要驱动功率小，驱动较为容易。 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 GEU 的增加，通态压降减小，开通损耗也减小 .若 GEU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 GEU 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 GR 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 GR 减小，则又将使 dtdi 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 存在 ～ 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 第 17 页 共 31 页 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。 另外，为减小开通损耗，要求栅极驱动信号的前沿要陡。 IGBT 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。 (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。 (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 GR 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： eR =(I～ 10)625/ eI 式中， eI 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统响应滞后，另一方面能提高保护的快速性。 (8)电路简单，成本低 第 18 页 共 31 页 第四章 控制回路设计 控制回路是为变频器的主电路提供通断信号的电路，其主要任务是完成对逆变器开关元件的开关控制。 控制方式有模拟控制和数字控制两种，本设计中采用的是以微处理器为核心的全数字控制，优点是它采用简单的硬件电路，主要依靠软件来完成各种控制功能，以充分发挥微处理器计算能力和软件控制灵活性高的特点来完成许多模拟量难以实现的功能。 设计控制电路如下： 驱动电路设计 驱动电路的作用是逆变 器中的逆变电路换流器件提供驱动信号。 主电路逆变电路设计中采用的电力电子器件是 IGBT，故称为门极驱动电路。 以下将介绍SPWM 技术工作原理和设计中所选用能产生 SPWM 波芯片 SA4828 的基本结构和工作原理。 SPWM 调制技术简介 脉宽调制 (PWM)技术是利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并消除谐波的技术。 脉宽调制技术在逆变器中的应用，对现代电力电子技术、现代调速系统的发展起到了极大的促进作用。 近几年来。 由于场控自关断器件的不断涌现。 相应高频 SPWM(正 弦脉宽调制 )技术在电机调速中得到了广泛应用，不仅能及时、准确地实现变压变频控制技术，而且更重要地是抑制逆变器输出电压或输出电流中的谐波分量，从而提高了电机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。 实际工程中目前主要采用的 PWM 技术是正弦 PWM(SPWM)，这是因为变频器输出的电压或电流波形更接近于正弦波形。 根据电机学原理，交流异步电动机变频调速时，如果按照频率与定子端电压之比为定值的方式进行控制，则机械特性的硬度变化较小，所以在变频的同时，也要相应改变定子的端电压。 若采用等脉宽 PWM 调制技术实现变频与变压，由于输出矩形波中含有较严重的高次谐波，会危害电动机的正常运行。 为减小输出信号中的谐波分量，一种有效的途径是将等脉宽的矩形波变成信号宽度按正弦规律变化的正弦脉宽调制波，即 SPWM 调制波。 脉宽调制指的是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形 (含形状和幅值 )。 在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按照正弦规律变化。 当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔最小；当正弦值 第 19 页 共 31 页 较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，那么这样的电压脉冲系列就可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，这种调制 方式称为正弦波脉宽调制。 产生 SPWM 信号的方法是用一组等腰三角波 (称为载波 )与一个正弦波 (称为调制波 )进行比较，如图 所示，两波形的交点作为逆变开关管的开通与关断时间。 当调制波的幅值大于载波的幅值时，开关器件导通，当调制波的幅值小于载波的幅值时，开关器件关断。 虽然正弦脉宽调制波与等脉宽 PWM 信号相比，谐波成份大大减小，但它毕竟不是正弦波。 提高载波 (三角波 )的频率，是减小 SPWM 调制波中谐波分量的有效方法。 而载波频率的提高，受到逆变开关管最高工作频率的限制。 第三代绝缘栅双极型晶体管 IGBT 的工作频率可 达 30KHz，用 IGBT 作为逆变开关管，载波频率可以大幅度提高，从而使正弦脉宽调制波更接近正弦波。 可由模拟电路分别产生等腰三角波与正弦波，并送入电压比较器，输出即为 SPWM 调制波。 图 为 SPWM 波生成方法 [10]： utt0u开的时刻关的时刻调制波载波0 图 SPWM波生成方法 采用模拟电路的优点是完成三角波与正弦波的比较。