三相正弦脈寬調(diào)制式變頻器的設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2019-07-05 21:31:00來(lái)源:
該設(shè)計(jì)是武漢市晨光計(jì)劃??高性能全數(shù)字交流調(diào)速系統(tǒng)的研究與應(yīng)用的一個(gè)子課題。
三相正弦脈寬調(diào)制式變頻器的設(shè)計(jì)陳亮明,周榮政(華中理工大學(xué)漢口分校自動(dòng)控制工程系,湖北武漢430012)器具有節(jié)能、安全、快速、體積小、精度高等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用IGBT構(gòu)成變頻器,并采用三相正弦脈寬調(diào)制方式控制。介紹了三相正弦脈寬調(diào)制式變頻器的基本結(jié)構(gòu),以及變頻器主電路、并聯(lián)緩沖器和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。結(jié)果表明,該系統(tǒng)調(diào)試方便,性能優(yōu)良。
自1982年制造出IGBT初樣, 1985年開(kāi)始生產(chǎn)工業(yè)品以來(lái), 90年代進(jìn)口的許多變頻器大多采用了它。本系統(tǒng)采用IGBT構(gòu)成變頻器的主電路,拖動(dòng)三相交流電動(dòng)機(jī),并采用三相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)交流電機(jī)采用變頻無(wú)級(jí)調(diào)速,能量回饋制動(dòng),控制系統(tǒng)采用矢量變換控制。
1變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,其控制系統(tǒng)采用單片機(jī),實(shí)現(xiàn)矢量變換控制。SPWM信號(hào)產(chǎn)生電路,由EPROM產(chǎn)生正弦信號(hào),并由硬件構(gòu)成三角波信號(hào)發(fā)生電路,從而產(chǎn)生SPWM信號(hào)。該電路既可產(chǎn)生數(shù)字信號(hào),也可通過(guò)A /D轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),單獨(dú)構(gòu)成SPWM信號(hào)。系統(tǒng)的控制和檢測(cè)信號(hào)的處理由單片機(jī)完成,從而提高單片機(jī)的處理效率。
驅(qū)動(dòng)電路采用專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯電及延時(shí)和分配電路。EX840具有隔離、過(guò)流保護(hù)功能。保護(hù)電路主要是針對(duì)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)、功率電子器件而設(shè)置的,在過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載、過(guò)熱及超速等工況下,能保護(hù)系統(tǒng)安全使其可靠運(yùn)行。主電路由整流、濾波、分流器、逆變器等構(gòu)成,其中逆變電路中采用了并聯(lián)緩沖器,緩沖器吸收反饋能量和IGBT關(guān)斷過(guò)程中的能量。
2主電路的設(shè)計(jì)2. 1主電路原理圖三相交流經(jīng)整流橋整流成直流,通過(guò)串聯(lián)電容和C濾波,經(jīng)三相橋式電路( V T) ,向三相交流電機(jī)提供調(diào)制的交流信號(hào)(配合控制電路)。IGBT, V T構(gòu)成分流電路,以泄放濾波電容上過(guò)多的能量,從而避免電容上產(chǎn)生過(guò)高的泵升電壓,如圖2所示。
2. 2整流橋的選擇整流橋輸出平均電流I為負(fù)載的額定電流 Z為整流橋輸出效率,一般取Z= 0. 85 K為安全裕量,一般為K= 2~5.整流橋的耐壓一般取的額定電壓,如二單元流橋耐壓U 2. 3并聯(lián)緩沖器的設(shè)計(jì)由于工作頻率較高,開(kāi)關(guān)頻率高會(huì)增大開(kāi)關(guān)損耗,并在IGBT的集電極產(chǎn)生浪涌電壓,造成器件過(guò)熱,甚至損壞。但若改變并聯(lián)緩沖器的工作點(diǎn),將IGBT的工作點(diǎn)限制在安全區(qū)內(nèi),限制IGBT過(guò)電壓、過(guò)電流,則可降低其開(kāi)關(guān)損耗。
長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)并聯(lián)緩沖器的使用一般有三種形式,一是與器件并聯(lián),二是與個(gè)橋臂并聯(lián),另外是逆變器并聯(lián),如尖峰電壓能力強(qiáng)(從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看也是如此) ,在限流電阻R上的功耗較大 ( b)中緩沖器吸收效果較好,且R功率較小 ( c)中緩沖器的吸收效果較差。
考慮到緩沖器的吸收效果、R的耗散功率以及反饋能量,選擇圖3( b)并聯(lián)緩沖器較理想。圖3( b)中并聯(lián)緩沖器設(shè)計(jì)如下:式中: L為主電路分布電感 I為IGBT關(guān)斷時(shí)集電極電流 U為吸收電容C上比較終達(dá)到的電壓為直流電源的電壓值。
式中f為IGBT的開(kāi)關(guān)頻率。如R過(guò)小,吸收回路出現(xiàn)電流振蕩, IGBT導(dǎo)通時(shí)使集電極電流I尖峰值也增大,因此在滿(mǎn)足公式的前提下, R取大為好,其功耗與阻值無(wú)關(guān),關(guān)系式為的選擇對(duì)吸收有明顯影響,應(yīng)選擇快速恢復(fù)二極管。
注意吸收回路的引線(xiàn)電感對(duì)吸收影響很大,應(yīng)盡量縮短引線(xiàn)。
3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路,可以根據(jù)其驅(qū)動(dòng)要求,由模擬器件構(gòu)成,但它的可靠性較差。本設(shè)計(jì)選用富士公司的驅(qū)動(dòng)模塊,該模塊輸入端接有高隔離電壓光電耦合器,使控制電路與驅(qū)動(dòng)電路隔離(見(jiàn)大小對(duì)輸出波形影響很大,過(guò)小會(huì)產(chǎn)生振蕩,過(guò)大使IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)間延長(zhǎng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)選用的過(guò)流保護(hù)輸入端6,接集電極C,當(dāng)I 100 A時(shí),端點(diǎn)6處電壓典型值為7. 5 V,過(guò)流保護(hù)而系統(tǒng)整定的過(guò)流電流為70 A,因而設(shè)計(jì)時(shí)在端口6與C之間加一穩(wěn)壓管Z5,由于過(guò)流的動(dòng)作臨界值與對(duì)應(yīng)I值并不是非線(xiàn)性關(guān)系,二者關(guān)系通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得,如表1所示。
由表1可知Z5的電壓值取為5. 1 V.
過(guò)流報(bào)警延時(shí)時(shí)間7μs, R并聯(lián)后,延時(shí)時(shí)間可以縮短為3. 4μs,大大加快響應(yīng)時(shí)間。
長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)Z5穩(wěn)壓值動(dòng)作臨界電壓集電極電流4結(jié)語(yǔ)本次設(shè)計(jì)中,我們采用數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)所需功能,并且盡量采用功耗低,抗干擾能力強(qiáng)的CMO S,HCM OS器件,故該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng),適用于電磁干擾場(chǎng)合,同時(shí)也適合多種三相異步電機(jī),且保護(hù)功能完善,通用行好,擴(kuò)展性強(qiáng),能方便地與單片機(jī)接口,構(gòu)成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的數(shù)字控制系統(tǒng)。其成本低、調(diào)試方便,運(yùn)行情況良好。
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陳亮明等三相正弦脈寬調(diào)制式變頻器的設(shè)計(jì)