交流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：動力系統(tǒng)的控制要求不斷提高，在上世紀(jì)60年代以前，直流調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速領(lǐng)域中站占治地位，而在全控型功率開關(guān)器件出現(xiàn)以后，交流調(diào)速才得到了長足的發(fā)展，特別是集成電路的出現(xiàn)，使用合適的調(diào)速方式（如PWM調(diào)速），使得交流調(diào)速動態(tài)和靜態(tài)特性完全可以和直流調(diào)速相媲美，在本課題著重研究了現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)中的變壓變頻調(diào)速，以及現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)用成熟的電壓空間矢量調(diào)速系統(tǒng)，來解決本課題的調(diào)速問題。

關(guān)鍵詞：交流調(diào)速系統(tǒng)；PWM調(diào)速；規(guī)模集成電路；電力電子器件

1 交流調(diào)速控制的選擇

現(xiàn)階段的變壓變頻調(diào)速的控制方式， 矢量控制系統(tǒng)：根據(jù)磁鏈的是否閉環(huán)又可以分為直接矢量控制和間接矢量控制，她們都具有非常良好的動態(tài)和靜態(tài)性能，調(diào)速范圍也很寬在實踐中得到了普遍的運(yùn)用；不足之處是動態(tài)性能受電動機(jī)參數(shù)影響。

在本課題的設(shè)計中選擇間接矢量控制方法即--磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制。

2 電動機(jī)類型的選擇

按照本課題的設(shè)計要求，以500KW的電動機(jī)為被控對象，那么電動機(jī)就選擇西安電動機(jī)廠生產(chǎn)的JS1410-4型三相交流異步電動機(jī)。

在電動機(jī)參數(shù)測量問題上，一般都是同過電動機(jī)空載和短路試驗測的，但是因為條件的限制，對以上電動機(jī)的參數(shù)直接給出：

3 主電路元器件的計算

主電路的動能介紹

主電路采用典型的交-直-交電壓源通用變頻器結(jié)構(gòu)，輸入功率級采用三相橋式不可控整流電路UI，整流輸出環(huán)節(jié)由大容濾波，獲得平滑的直流電壓，逆變部分通過功率開關(guān)器件有規(guī)律的導(dǎo)通和關(guān)斷產(chǎn)生變壓變頻的電壓。

主電路中主要是對整流器和逆變器電力電子器件的計算

3.1 整流二極管參數(shù)的整定

在主電路中采用的是三相不可控的橋式整流電路

電力二級管參數(shù)整定：

3.2 濾波電路

整流電路的輸出的直流電壓含有很大的脈動成分，此外逆變部分和所帶負(fù)載的變化也使直流電壓產(chǎn)生脈動，因此要加入大電容濾波環(huán)節(jié)。

當(dāng)沒加濾波電容時，三相整流輸出平均直流電壓為：

加上濾波電容時，三相整流輸出最大交流線電壓峰值為：

假設(shè)輸入電壓的波動范圍是5900-6200V，此時對應(yīng)6000V的輸入，整流后的電壓為8484V。設(shè)電源的功率因數(shù)是0.9，那么每個周期電容吸收的容量為：

其中POUT是電動機(jī)的輸出功率，UPK為峰值電壓，最小的輸入電壓應(yīng)該在370V以上，所以得：

濾波電容理論上講越大越好，在實際中考慮到價格的影響，用8個2500V，300？自F的電容，兩個串接，然后再3個并聯(lián)，等效成一個耐壓10000V800 的電容。

3.3 逆變電路

IGBT的正反向峰值電壓：

考慮到2-2.5倍的安全系數(shù)，取耐壓值為19000V。

通態(tài)峰值電流：

在整流逆變環(huán)節(jié)通過參數(shù)的計算得知，型號為JCC-6kV/500kW-IGBT系列的通用變頻器?，F(xiàn)代的交流調(diào)速系統(tǒng)中為了提高系統(tǒng)控制的可靠性，都是采用數(shù)字化的控制將上述的控制主回路與過電壓保護(hù)，過電流保護(hù)，過熱保護(hù)等檢測電路集成到一塊芯片上這種智能型的模塊叫做IPM，但是在本課題的國內(nèi)外都沒有如此高電壓等級的IPM，在這里選用IGBT模塊：FD400R66KF2，額定參數(shù)400A/6600V。

4 驅(qū)動電路的原理

驅(qū)動電路是IPM主電路和控制電路之間的接口，良好的驅(qū)動電路設(shè)計對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。

在該課題中選擇 M57140-01和M57120L。它們是三菱公司為其IPM系列產(chǎn)品專門配置的電壓變換模塊。在M57120L的輸入端加一路113V-400V的直流電壓可以在輸出端得到一路20V的直流電壓，在M57140-0的輸入端加一路18V-22V的直流電壓，輸出端可以得到4路相互隔離的15V電壓，方便地為IPM供電；HCPL4504和PC817是高速光耦，起到電氣隔離IPM與外部電路的作用，IPM的控制信號Cin和故障輸出信號FO通過光耦傳輸。

5 IPM保護(hù)電路的原理

過電壓、欠電壓保護(hù)：

因為IGBT射集耐壓能力有限，而我國的電網(wǎng)又不是很穩(wěn)定，因此設(shè)置的過電壓，欠電壓電路圖2所示

工作原理：在過電壓、欠電壓保護(hù)中，當(dāng)電壓高于（低于）參考點V2（V1）時，OVH（OVL）輸出為低電平，故障信號經(jīng)過邏輯電路送入控制電路，立即封鎖PWM輸出和停止運(yùn)行。

保護(hù)點參數(shù)的選擇：

欠電壓保護(hù)：

過電流保護(hù)：

光耦電路參數(shù)：

一次側(cè)：VF=1.3V，連續(xù)正向電流IF（MAX）=10mA

二次側(cè)：電流傳輸比IF=1mA，CTR=70%

過電流保護(hù)電路：IGBT雖然可以承受短時間的過流，但是一旦超出了安全區(qū)，就有可能造成管子的永久損壞，所以要設(shè)置快速的過電流保護(hù)，系統(tǒng)利用采樣電流和規(guī)定值進(jìn)行比較，當(dāng)超過時數(shù)字端輸出低電平，控制部分產(chǎn)生中斷。

6 電流調(diào)節(jié)器的計算

保證電動機(jī)穩(wěn)定調(diào)速的要求就要保證其動態(tài)參數(shù)要滿足控制要求，下面就對電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定。

6.1 確定時間常數(shù)：

由于PWM逆變器采用IPM模塊，不會產(chǎn)生滯后所以，時間常數(shù)只對電動機(jī)，整流器和電流環(huán)回路來計算

6.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇：

因為電流調(diào)節(jié)器是內(nèi)環(huán)，要求對系統(tǒng)的跟隨性良好，所以選擇用典型的I型系統(tǒng)。

7 控制器的選擇

控制器是整個交流調(diào)速系統(tǒng)的中心，她起到控制系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)，對數(shù)字信號處理等作用，是一個功能非常強(qiáng)大的數(shù)字處理器，數(shù)字信號處理器（DSP）已經(jīng)發(fā)展了20多年，數(shù)字控制系統(tǒng)克服了模擬控制系統(tǒng)電路功能單一、控制精度不高的缺點，它抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，可實現(xiàn)復(fù)雜控制，增強(qiáng)了控制的靈活性。

在本課題中我選用TMS320LF2407A，TMS320LF2407A是美國TI公司推出的新型高性能16位定點數(shù)字信號處理器，它專門為數(shù)字控制設(shè)計，集DSP的高速信號處理能力及適用于控制的優(yōu)化外圍電路于一體，在數(shù)字控制系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用

系統(tǒng)組成：TMS320LF2407A系統(tǒng)組成包括：40MHz、40MIPS的低電壓3.3V CPU、片內(nèi)存儲器、事件管理器模塊、片內(nèi)集成外圍設(shè)備。

8 交流調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)

通過以上對交流調(diào)速系統(tǒng)中每個部分的原理及功能介紹，按照模擬參數(shù)的計算來選擇或者設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)就能夠得到一個調(diào)速性能優(yōu)良的調(diào)速系統(tǒng)；在其中電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在間接矢量控制系統(tǒng)中用分立元件夠成的模擬電路已經(jīng)在現(xiàn)實中用的非常少了，這是因為模擬電路的各種局限性導(dǎo)致的，在實際中轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器都是集成在DSP芯片上，具體操作時只需要設(shè)置其參數(shù)即可。所以現(xiàn)在的交流調(diào)速系統(tǒng)在數(shù)字化大發(fā)展的前提下精度和可靠性都有了非常的高度，設(shè)備的復(fù)雜性和占地空間現(xiàn)實因素已經(jīng)被基本解決。

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作者簡介：周丹（1984-），女，新疆阿拉爾人，新疆塔里木大學(xué)機(jī)電學(xué)院，843300，助教。

裴久玲（1980-）， 女，新疆阿拉爾人，新疆塔里木大學(xué)機(jī)電學(xué)院，843300，講師。