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本文作者:杨 海 晶 单位:山西省国新能源发展集团有限公司

0引言

在国民生产、国防科技以及社会生活等各个方面,电动机作为主要的动力设备被广泛地应用。据统计,电动机的负荷约占总发电量的60%~70%之间,已经成为当前耗电量最多的用电设备。同时,交流电动机用电量又占电动机总用电量的85%左右,可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。电动机是把电能转换为机械能的主要电气设备,在实际应用中,要求电动机具有足够高的机电能量转换效率,并且能够根据工艺要求合理调节电动机的转速。电动机的调速性能的好坏直接影响到产品的质量的好坏、劳动生产率高低以及耗电量的多少。为了控制电动机的运行,就要为电动机配上控制装置,即交流调速系统。随着电力电子器件制造技术、变流技术和控制技术,以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展,变频调速技术成为目前发展最为迅速的交流调速技术之一[1,2]。由于变频调速具有调速精度高、速度控制范围广、响应速度快、保护功能完善,过载能力强、节能显著、使用维护方便等优点,已经广泛的用于电力、运输、制造等国民经济领域。

1变频调速的基本原理和方法

由电机学可知,交流异步电机的转速公式为:n=60f1pn(1-s)=n0(1-s),(1)式中可知:要改变异步电机的转速,可以分为3种方案,即改变极对数pn、改变转差率s或改变定子电压供电频率f1。与其他2种调速方法相比较,变频调速体现出它的优越性。实际上,变频调速是通过改变定子电压供电频率f1从而改变异步电动机同步转速n0来达到调速目的的,很显然,只要能够得到输出频率可平滑调节的变频电源装置,我们就可以平滑、无级地调节异步电动机的转速。而且这类系统中无论转速高低,所消耗的转差功率基本不变,因此效率最高[3]。

1.1PWM逆变器工作原理在交—直—交变频装置中,整流器是不可控的,其输出电压经电容滤波后形成恒定幅值的直流电压,加在逆变器的输入端,控制逆变器中的功率开关器件通断,其输出端即获得一系列宽度不等的矩形脉冲波形,而决定开关器件动作顺序和时间分配规律的控制方法即称为脉宽调制方法。通过改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值,通过改变调制周期可以控制其输出频率,从而在逆变器上可同时进行输出电压幅值与频率的控制,满足变频调速对电压与频率协调控制的要求,这就是PWM逆变器的工作原理[2]。

1.2SPWM的控制模式及其实现根据SPWM逆变器的工作原理,三角载波变化一个周期之间,它与正弦波相交两次,相应的逆变器功率器件导通与关断一次。要准确地生成SPWM波形,就得尽量精确地计算功率器件的导通时刻和关断时刻。根据采样时刻的选择方式不同,可以分为自然采样法、规则采样法。由于自然采样运算复杂,所以文中采用规则采样。2SPWM变频调速系统的仿真与分析本文用仿真调速系统控制一台额定值是660V、1470r/min的三相异步电动机。调速系统工作过程为:从电网中通过变压器获得三相对称交流电,将其接入三相不可控整流,经过滤波和基于SPWM控制方式下的逆变器为电动机提供可靠的电源,电动机在三相逆变电源的控制下产生电磁转矩带动负载工作。原理结构图如图1所示:在给定频率为50Hz,起动时间为3s的情况下[4],仿真结果如图2所示。其中图2(a)所示为电动机转速变化曲线,2(b)为三相调制波形,2(c)为电动机定子电流波形,2(d)为逆变器输出电压。仿真结果可以得出,该仿真调速系统可以很方便地对SPWM调速方案进行验证,同时可以对实际运行中遇到的问题以及对调速系统造成的影响进行仿真研究。这个仿真系统对异步电动机变频调速系统的理论学习、方案设计和故障分析都有很大的帮助。

3SPWM变频调速系统的硬件设计

3.1系统控制结构图,如图3所示

3.2变频调速系统主要构成环节

3.2.1主电路系统功率变换环节采用AC/DC整流电路和IGBT逆变电路,三相交流电压经二极管整流模块整流,大电容滤波后送到由六个IGBT组成的三相逆变器,再由逆变器送出可变频率和电压的交流电供给异步电动机调速。

3.2.2控制电路控制电路主要由87C196MC及其一些外围设备构成,它主要用来接受外来信号、发出控制命令以及生成SPWM波形。

3.2.3驱动电路驱动电路采用的是日本富士公司生产的IGBT专用驱动模块EXB841,其内部设有保护电路,并有报警输出端,设计相应的外围电路,使它接收来自波形发生器的信号,经光电隔离驱动IGBT单管[5]。

3.2.4保护电路本系统采用比较完备的检测、保护措施,包括电压、电流(直流和交流)、以及温度检测和保护。4SPWM变频调速系统的软件设计系统软件如图4所示:由初始化子程序、预充电子程序、给定积分子程序、键盘处理子程序、电流电压检测子程序、故障处理子程序和SPWM输出子程序构成。

4结语

阐述了变频调速的基础知识,运用规则采样法形成SPWM波作为交流电机调速的控制方法,以87C196MC为核心控制器件,开发了一个能开环运行的变频调速系统。系统采用恒压频比控制,在TLAB/SIMULINK环境下进行了仿真,结果表明其能完成速度的较平滑调节。文中简要地介绍了设计变频调速系统所牵涉到的系统硬件,并对整个系统的主电路、各种保护电路、控制电路及实现控制的软件都进行了系统的分析,最后简要编写了系统软件流程框图。由于文对SPWM的实现只是在开环状态下实现的,因此是很粗糙的,精度不高,只能是为以后进行高性能交流异步电机控制技术打下了一个基础,有待于进一步深入研究。

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