異步電機(jī)變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作

夏帥 陶韌 李蒙蒙 趙仁慈

摘 要：變頻調(diào)速憑借其優(yōu)良的調(diào)速性能在交流調(diào)速中廣泛應(yīng)用，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本科階段對(duì)于變頻調(diào)速系統(tǒng)的學(xué)習(xí)也是電氣專業(yè)的教學(xué)重點(diǎn)。以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有異步電機(jī)為被控對(duì)象，設(shè)計(jì)制作變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置，編寫(xiě)矢量控制程序，有效充實(shí)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；矢量控制；實(shí)驗(yàn)裝置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.004

0 引言

異步電動(dòng)機(jī)憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、運(yùn)行效率高、適用工作環(huán)境廣等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的關(guān)注。在眾多異步電機(jī)調(diào)速方法中，變頻調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、平滑性好的特點(diǎn)，具備優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)特性，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速方式，因此變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展迅速并成為交流調(diào)速的主流。本文所設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置是為了補(bǔ)充本科生“電力電子與電力拖動(dòng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)而制作的，通過(guò)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，是對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的有效補(bǔ)充。

1 異步電機(jī)變頻調(diào)速理論

為充分利用異步電機(jī)磁場(chǎng)，需要保證電機(jī)磁場(chǎng)在額定轉(zhuǎn)速以下維持穩(wěn)定，即：在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)速時(shí)，需要同時(shí)改變異步電機(jī)的供電電壓，這就是所謂的變壓變頻調(diào)速。當(dāng)今變頻調(diào)速主要分為基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制（FOC）系統(tǒng)和基于定子磁鏈定向的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC），矢量控制系統(tǒng)因其開(kāi)關(guān)頻率固定、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛?；谵D(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)通過(guò)磁場(chǎng)定向和坐標(biāo)變換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了定子電流轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量的解耦控制，采用直流電機(jī)調(diào)速理論，分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和磁鏈調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制[2]。

2 變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的硬件電路包含主電路、控制電路以及信號(hào)采集電路，硬件電路的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

主電路包括二極管不控整流、預(yù)充電電路、濾波電路、IGBT逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路及緩沖電路等?？刂撇糠诌x擇恩智浦公司的MK60DN512VLL10為主控芯片。信號(hào)采集主要包括母線電壓、輸出電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速等的檢測(cè)。

2.1 主電路設(shè)計(jì)

主電路的作用是根據(jù)調(diào)速要求產(chǎn)生變壓變頻交流電，以驅(qū)動(dòng)被控電機(jī)。為實(shí)現(xiàn)這一功能，設(shè)計(jì)的變壓變頻實(shí)驗(yàn)裝置的主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

首先采用二極管構(gòu)成整流橋，將工頻交流電整流成直流電。采用電解電容、充放電電阻，實(shí)現(xiàn)對(duì)中間直流環(huán)節(jié)的濾波與保護(hù)。逆變部分采用基于IGBT設(shè)計(jì)三相逆變橋，向被控電機(jī)提供能量。

2.2 控制電路

矢量控制中，坐標(biāo)變換需要大量的運(yùn)算，基于運(yùn)算量、控制實(shí)時(shí)性及外設(shè)資源等方面的考慮，選擇恩智浦系列的MK60DN512VLL10（以下簡(jiǎn)稱MK60）作為本變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置的主控芯片。MK60的運(yùn)算速度、可提供的接口類型以及其功耗，而且恩智浦系列單片機(jī)擁有多路DAC輸出、高精度模擬量檢測(cè)模塊、通信模塊接口豐富、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在滿足本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上仍有可開(kāi)發(fā)的空間，方便后期功能的繼續(xù)的拓展[3]。

2.3 信號(hào)檢測(cè)及處理電路

為保障系統(tǒng)免于過(guò)流危害，需要對(duì)系統(tǒng)直流母線以及逆變輸出端的電流進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電流超出安全閾值時(shí)，MK60發(fā)出光電報(bào)警信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)關(guān)斷，停止發(fā)波等操作，以保證系統(tǒng)的安全。通過(guò)比較，在本實(shí)驗(yàn)裝置中采用霍爾傳感器對(duì)系統(tǒng)的電流進(jìn)行采樣。由于LEM公司的LA25-NP型號(hào)的電流傳感器，精度高，響應(yīng)時(shí)間小于1，安全工作電壓600V，抗干擾能力強(qiáng)。滿足系統(tǒng)對(duì)電流采樣的要求。由于主控芯片的AD端口，只能檢測(cè)0～3.3V的模擬量，而逆變輸出端的電流為雙極性，所以在檢測(cè)逆變輸出側(cè)的電流時(shí)，需要對(duì)將模擬量信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。本設(shè)計(jì)所采用的電流處理電路如圖3所示。

2.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

控制電路的PWM信號(hào)需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)隔離、放大后，施加到功率開(kāi)關(guān)器件IGBT上，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子器件的開(kāi)通關(guān)斷控制。本裝置中，選用HCPL316J作為驅(qū)動(dòng)電路的隔離芯片，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

3 變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的功能實(shí)現(xiàn)除了依靠穩(wěn)定安全的硬件，還需要軟件的支撐。在硬件設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上對(duì)進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)編寫(xiě)。軟件設(shè)計(jì)主要包括：系統(tǒng)初始化、信號(hào)采集、預(yù)充電控制、SVPWM、通信等部分。整個(gè)系統(tǒng)的程序流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)論

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的功能，分別對(duì)驅(qū)動(dòng)電路、預(yù)充電電路、信號(hào)處理電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、PWM輸出等功能進(jìn)行了測(cè)試，相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。

上述測(cè)試結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的變頻調(diào)速控制，并與當(dāng)前“電力電子與電力拖動(dòng)”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兼容，有效補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高了教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：夏帥（1984-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，講師，研究方向：交流電機(jī)調(diào)速和新能源發(fā)電技術(shù)。