淺析交流電機(jī)變頻控制方案應(yīng)用策略

摘 要：在工業(yè)生產(chǎn)尤其是煉鋼生產(chǎn)中，三相交流異步電動(dòng)機(jī)由于具有先天的優(yōu)良性能，得到廣泛的應(yīng)用。文章主要就三相交流異步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象來(lái)討論調(diào)速系統(tǒng)，采用智能模塊對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行恒壓頻比控制，基于DSP控制系統(tǒng)研究實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方案。

關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；變頻調(diào)速；數(shù)字信號(hào)處理器；恒壓頻比控制

1 控制總體方案分析

1.1 交流電機(jī)變頻控制研究意義

電動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中較為常見(jiàn)的電氣設(shè)備之一，隨著電動(dòng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用數(shù)量的增多，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行控制就顯得尤為重要。交流變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電子技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，另外隨著我國(guó)落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，節(jié)能減排工作的不斷推進(jìn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)的改進(jìn)是十分有效的手段。采用交流變頻調(diào)速技術(shù)能夠有效控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效果，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，避免不必須要的資源浪費(fèi)，現(xiàn)階段基于DSP技術(shù)發(fā)展的交流電機(jī)變頻控制技術(shù)是應(yīng)用較為廣泛的調(diào)速處理技術(shù)，新型的控制器不僅具備高速的運(yùn)算能力，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多重電機(jī)控制要求，為交流電機(jī)變頻速度調(diào)控的進(jìn)一步推廣提供了技術(shù)上的可能。再者本文應(yīng)用的恒壓頻比控制法是實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制較為有效簡(jiǎn)便的方法，能夠較為靈活的實(shí)現(xiàn)調(diào)頻控制。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

以三相交流異步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，來(lái)演示交流電機(jī)變頻控制實(shí)現(xiàn)策略，配合使用DSP作為處理器，在本文中對(duì)電動(dòng)機(jī)主要采用V/F控制方法來(lái)進(jìn)行機(jī)械程序運(yùn)算。具體思路為：首先工作人員要通過(guò)外接輸入設(shè)備比如鍵盤(pán)來(lái)輸入需要的調(diào)節(jié)的頻率和改變信號(hào)，傳入到DSP處理器中，然后由處理器產(chǎn)生三相六路的SPWM的改變信號(hào)，并由光耦隔離傳給驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電纜實(shí)現(xiàn)IPM的導(dǎo)通和斷開(kāi)，與此同時(shí)由DSP來(lái)檢測(cè)是否出現(xiàn)故障輸出，如果檢測(cè)出故障，則要關(guān)掉主要電路，反之則繼續(xù)運(yùn)行，由液晶顯示器顯示出運(yùn)行狀態(tài)下的相關(guān)信息，比如頻率、轉(zhuǎn)速等。

2 系統(tǒng)硬件電路

根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知，該系統(tǒng)的硬件電路主要由變頻主電路、驅(qū)動(dòng)電路、光耦隔離電路及保護(hù)電路等組成。

2.1 變頻主電路

首先分析變頻主電路，顧名思義變頻主電路是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速處理的主要電路。變頻主電路主要包括整流電路、逆變電路和濾波電路三大部分組成。其中整流電路主要采用單相不可控整流橋來(lái)實(shí)現(xiàn)電流由交流變?yōu)橹绷鞯牟僮?。脈動(dòng)的直流電壓就是整流電路輸出的整流電壓，因此必須采用濾波處理。濾波電容不僅能夠消除整流后的電壓干擾外，還能夠在整流電路與逆變電路中起到去耦合作用，從而消除兩者之間的干擾，為感性負(fù)載提供一定的無(wú)功功率，來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的進(jìn)一步控制，逆變電路的主要功能就是將整流后的直流電變?yōu)榭梢哉{(diào)節(jié)頻率和幅值的交流電，這也是實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)變頻控制的關(guān)鍵步驟，在整個(gè)系統(tǒng)中有著至關(guān)重要的作用。

2.2 功率驅(qū)動(dòng)電路

功率驅(qū)動(dòng)電路主要是為整個(gè)系統(tǒng)提供必要的功率支持，該系統(tǒng)主要采用智能功率模塊進(jìn)行運(yùn)行，所謂的智能功率模塊是將保護(hù)電路、檢測(cè)電路及驅(qū)動(dòng)電路集成在一個(gè)模塊上的智能電路模塊。該系統(tǒng)中使用的功率驅(qū)動(dòng)電路主要是采用低飽和壓降配以高開(kāi)關(guān)速度的功率元件。其中功率開(kāi)關(guān)采用的IPM主要是以IGBT為核心，采用單電源邏輯電壓輸入的柵極進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯柵區(qū)的控制。利用時(shí)序邏輯進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)控，以免出現(xiàn)電流過(guò)大導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱過(guò)多造成系統(tǒng)損壞。并且IPM中只要有一個(gè)保護(hù)電路起到保護(hù)的作用，就能夠起到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)，并且發(fā)出一個(gè)故障信號(hào)。

2.3 光耦隔離電路

本文論述的系統(tǒng)主要是采用TLP559光電耦合器進(jìn)行運(yùn)行，并且盡量使光偶合與IPM控制端之間的線路最短，實(shí)現(xiàn)線路產(chǎn)生的阻抗最小。該光電耦合器主要是由發(fā)光二極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用光耦陰極接限流電阻的形式來(lái)形成。

2.4 系統(tǒng)保護(hù)電路

系統(tǒng)保護(hù)電路主要是由逆變橋電路組成，在逆變橋的上橋臂上各配置一個(gè)保護(hù)信號(hào)輸出單元，其余的下橋臂配置一個(gè)保護(hù)信號(hào)輸出，這樣整個(gè)系統(tǒng)中就會(huì)有四個(gè)保護(hù)信號(hào)，系統(tǒng)正常運(yùn)行沒(méi)有出現(xiàn)故障時(shí)，光電耦合器處于斷開(kāi)狀態(tài)，系統(tǒng)中的與門(mén)處于高電平狀態(tài)。一旦其中一個(gè)橋臂出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)就會(huì)輸出低電平，光電耦合器處于導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)中與門(mén)的輸入信號(hào)就會(huì)變成低電平，這時(shí)DSP處理器就會(huì)檢測(cè)到一個(gè)下降沿，然后通過(guò)設(shè)定的程序判斷出現(xiàn)故障，然后就會(huì)封鎖系統(tǒng)中的輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)作用。

3 軟件設(shè)計(jì)分析

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是采用SPWM法也就是正弦脈寬調(diào)制法來(lái)實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)變頻控制。正弦脈寬調(diào)制法主要是通過(guò)一定的技術(shù)手段來(lái)將輸出的脈沖寬度按照正弦規(guī)律進(jìn)行變動(dòng)，從而有效的實(shí)現(xiàn)抑制輸出電壓中低次諧波的分量要求，保證電機(jī)工作時(shí)能夠在近似正弦交變電壓下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩較小的脈動(dòng)，該方法有效地提高了交流電機(jī)的使用范圍，擴(kuò)大的速度調(diào)節(jié)的上下限，生成的正弦脈寬利用規(guī)則采樣法形成序列。具體方法就是將一個(gè)三角載波的周期內(nèi)的正弦調(diào)制波視為不變，在一個(gè)周期內(nèi)只需要取樣一次，采用這種方法就能將正弦脈寬產(chǎn)生的脈沖的中點(diǎn)與三角波的中點(diǎn)重合，從形式上有效簡(jiǎn)化正弦脈寬的計(jì)算步驟。根據(jù)事先編寫(xiě)的程序完成系統(tǒng)和軟件的初始化數(shù)據(jù)操作和頻率信號(hào)的采集工作，在中斷子程序的過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算公式來(lái)計(jì)算恒壓頻比控制下的M值和對(duì)應(yīng)到頻率，并通過(guò)相應(yīng)的三相正弦值，進(jìn)行一定的計(jì)算后存儲(chǔ)到內(nèi)置存儲(chǔ)器中進(jìn)行相應(yīng)的幅值工作。具體流程為由開(kāi)始啟動(dòng)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化操作，然后是軟件的初始化，接著從只讀存儲(chǔ)器中加載一個(gè)周期短正弦波的數(shù)據(jù)，然后讀入頻率值，然后由處理器選擇合適的頻率范圍，判斷頻率是否發(fā)生了改變，如果沒(méi)有發(fā)生改變則通過(guò)查表取得三相正弦值，然后清除操作，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的恢復(fù)出來(lái)，如果頻率改變了則要重新讀取新的頻率值，并相應(yīng)的改變M值，其余步驟跟頻率沒(méi)有改變時(shí)相同。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證報(bào)告表明，系統(tǒng)利用IPM模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在最初的額定電壓為450V，額定電流為10A，控制電路中的電壓為15V，設(shè)定的開(kāi)關(guān)頻率為20KHz。電機(jī)選擇的是三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定時(shí)DSP輸出的信號(hào)按照正弦規(guī)律由小到大進(jìn)行變動(dòng)?？梢钥闯鲈撓到y(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)交流電機(jī)變頻的有效控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要論述了基于DSP技術(shù)和智能功率模塊控制交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)要解釋了該系統(tǒng)的硬件組成部分，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行展示出了良好的實(shí)際應(yīng)用性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單精度高，并且系統(tǒng)配置價(jià)格相對(duì)較低，因此整個(gè)系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比較高，另外穩(wěn)定性強(qiáng)也是其突出的一個(gè)特點(diǎn)。DSP技術(shù)的發(fā)展為電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的進(jìn)一步拓展應(yīng)用提供了技術(shù)可能，為變頻調(diào)速的進(jìn)一步研究提供了參考性意見(jiàn)。隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)控技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始逐步向著人機(jī)智能對(duì)話界面來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行全過(guò)程的監(jiān)控，相信隨著電子技術(shù)和微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，交流電機(jī)的變頻操作會(huì)更加的靈活自如，更好的促進(jìn)我國(guó)科學(xué)發(fā)展觀的有效落實(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]何蘇勤，王忠勇.TMS320C2000系列DSP原理及實(shí)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2]王宏偉，梁暉.基于DSP控制的小功率異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)[J].電力電子技術(shù)，2005，39（3）：95～97.

[3]富士電機(jī)株式會(huì).富士5000G11S/P11S系列變頻器操作說(shuō)明書(shū)[M].北京：中國(guó)工控網(wǎng)，2005.

[4]龔沛曾，陸為民，楊志強(qiáng).Visual Basic 程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明教程[M].北京：高等教育出版社，2002.