通用低壓變頻器的設(shè)計與實現(xiàn)

和 虎

華電渠東發(fā)電有限公司

通用低壓變頻器的設(shè)計與實現(xiàn)

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華電渠東發(fā)電有限公司

變頻器是一種針對電機(jī)的可以調(diào)節(jié)頻率的驅(qū)動系統(tǒng)，應(yīng)用變頻技術(shù)通過改變壓頻來平滑控制交流電動機(jī)所輸出的速度及轉(zhuǎn)矩，在變頻器出現(xiàn)之前，電機(jī)調(diào)速一般是通過使用直流電機(jī)來實現(xiàn)的，或者要利用內(nèi)建耦合機(jī)的電動機(jī)，在運轉(zhuǎn)中的時候通過耦合機(jī)實現(xiàn)最終輸出轉(zhuǎn)速的改變，而變頻器的出現(xiàn)能夠節(jié)約電能，改善生產(chǎn)工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量以及改善運行環(huán)境，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對其的研究非常有必要?；诖吮疚姆治隽送ㄓ玫蛪鹤冾l器的設(shè)計與實現(xiàn)。

通用低壓變頻器；設(shè)計；控制

1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)和原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的控制裝置，應(yīng)用變頻驅(qū)動技術(shù)改變交流電動機(jī)工作電壓的頻率和幅度，來平滑控制交流電動機(jī)速度及轉(zhuǎn)矩。

變頻器的工作原理：總體來說變頻器就是將工頻交流電源轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電源設(shè)備，根據(jù)交流電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速N=60f/p(在式中，N為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，f為電源頻率，p為電機(jī)極對數(shù))這一公式，只要改變頻率，就可以改變交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻器就是根據(jù)這一原理研制開發(fā)出來的電源變換裝置。通用變頻器和專用變頻器的工作原理也相同，只是專用變頻器是根據(jù)專業(yè)設(shè)備的特性，研制出來更具有針對性的變頻器，因此要求變頻器容量要求足夠大，過載能力強(qiáng)，紡織和冶金機(jī)械要求變頻器的精度高等性能。交一交變頻器的主要缺點是所用電力元器件比交一直一交變頻器多，并且只能運行在電網(wǎng)頻率(工頻)以下，其頻率只能運行在工頻以下，現(xiàn)在各國正在研究開發(fā)中的矩陣式交一交型變頻器可以克服這一缺點。

2 低壓變頻器的設(shè)計

2.1 變頻器的設(shè)計方法

變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下幾個方面內(nèi)容：

1)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計，明確系統(tǒng)的總體要求及技術(shù)條件。包括系統(tǒng)的基本功能﹑控制方案選擇，以及性能指標(biāo)(響應(yīng)時間﹑穩(wěn)態(tài)精度﹑通信接口)等。2)設(shè)計主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3)選擇各變量的檢測元件或傳感器。4)建立電動機(jī)數(shù)學(xué)模型，并確定控制算法。5)選擇主控制芯片。6)系統(tǒng)硬件設(shè)計，包括主電路模塊﹑驅(qū)動與保護(hù)電路，與相關(guān)的電路﹑外圍設(shè)備﹑接口電路﹑邏輯電路及鍵盤顯示模塊。7)系統(tǒng)軟件設(shè)計，包括應(yīng)用程序的設(shè)計﹑管理以及監(jiān)控。8)在各單元軟硬件調(diào)試合格的基礎(chǔ)上，進(jìn)入系統(tǒng)實驗與統(tǒng)調(diào)階段。

2.2 低壓變頻器的硬件設(shè)計

電源模塊為系統(tǒng)其它各個模塊提供所需要的電源，設(shè)計中，除了要考慮到電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率﹑降低噪聲﹑防止干擾和電路簡化等方面進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 電源部分示意圖

可靠的電源方案是整個硬件電路穩(wěn)定可靠運行的基礎(chǔ)，在電源設(shè)計中，直流電源通過成品的電源模塊把高電壓轉(zhuǎn)換成較低的直流電，直流電經(jīng)過開關(guān)電源模塊，線性穩(wěn)壓模塊，將直流電分別轉(zhuǎn)換成不同的電壓，供給各部分模塊，電容以及電感的濾波為電壓的穩(wěn)定提供了保障。

2.2.2 數(shù)字量輸入電路

數(shù)字量輸入電路用于外界開關(guān)量的輸入，由8路普通數(shù)字量輸入電路和1路高速數(shù)字量輸入電路組成。HCPL-0601的使能輸入允許探測器帶有選通特性。探測器IC的輸出則是一個集電極開路肖特基鉗位晶體管。HCPL-0601的內(nèi)部屏蔽可保證在Vcm=1000V條件下，其共模瞬變抗擾度達(dá)到15000V/ws。這種獨特的設(shè)計提供了最大限度的ac和do電路隔離，同時實現(xiàn)了TTL兼容。HCPL-0601光禍的操作參數(shù)保證溫度范圍為一40℃-+85℃，這些參數(shù)允許了系統(tǒng)的無擾運行。

2.2.3 直流母線電壓﹑電流檢測電路

直流電壓檢測電路由運算放大器和電壓比較器構(gòu)成，運算放大電路實現(xiàn)對電路的保護(hù)，電壓比較器實現(xiàn)直流母線的過壓檢測并輸出給AD采樣電路及可一編程邏輯器件CPLD，當(dāng)母線電壓超過330V時輸出過壓信號，通過程序?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)或采取相應(yīng)措施。

直流電流檢測電路由電流傳感器對母線電流流進(jìn)行檢測，經(jīng)過運算放大器輸出給AD采樣電路。

2.3 低壓變頻器的軟件設(shè)計

西屋正在研發(fā)的遠(yuǎn)期技術(shù)，即硅化鈾芯塊和碳化硅包殼的先導(dǎo)試驗組件將在2022年裝入商業(yè)機(jī)組堆芯。西屋正在與通用原子能公司(General Atomics)合作研發(fā)碳化硅復(fù)合包殼。

主程序的主要功能是負(fù)責(zé)各個模塊的運行調(diào)度:首先系統(tǒng)運行前，先對系統(tǒng)相關(guān)參部件進(jìn)行初始化;其次，當(dāng)某模塊需要運行的時間到時，就調(diào)用相關(guān)模塊運行。

本程序設(shè)計中，有以下幾大部分:

1)通訊部分，與外設(shè)進(jìn)行通訊，獲取設(shè)置參數(shù)，發(fā)送相關(guān)信息。

2)數(shù)字量模擬量的輸入輸出部分，通過設(shè)置可以用開關(guān)量或者模擬量直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時以開關(guān)量模擬量的形式輸出相關(guān)信息，其中高速數(shù)字量輸入接口可接編碼器實現(xiàn)電機(jī)實時轉(zhuǎn)速的獲取。

3)PWM產(chǎn)生部分，產(chǎn)生PWM波，控制驅(qū)動電路使電機(jī)轉(zhuǎn)動。

4)故障檢測，通過AD采樣獲取相關(guān)的電壓電流值，判斷過壓過流故障，避免硬件燒壞。

3 低壓變頻器系統(tǒng)的測試

3.1 靜態(tài)測試

3.1.1 試整流電路

找到變頻器內(nèi)部直流電源的P端和N端，使用萬用表正向測其阻值，應(yīng)該有大約幾十歐的阻值，且基本平衡。再使用萬用表相反測其阻值，有一個接近于無窮大的阻值。將紅表棒接到N端，重復(fù)以上步驟，都應(yīng)得到相同結(jié)果。如果有以下結(jié)果，可以判定電路己出現(xiàn)異常，A.阻值三相不平衡，可以說明整流橋問題。B.正向電阻無窮大，可以斷定整流橋故障或起動電阻出現(xiàn)問題。

3.1.2 測試逆變電路

將紅表棒接到P端，黑表棒分別接U，V，W上，應(yīng)該有幾十歐的阻值，且各相阻值基本相同，反相應(yīng)該為無窮大。將黑表棒接到N端，重復(fù)以上步驟應(yīng)得到相同結(jié)果，否則可確定逆變模塊不正常。

3.2 動態(tài)測試

3.2.1 上電測試

電機(jī)的的驅(qū)動電源和電路板的供電電源是隔離的，先給電路板上電，電路板測試正常之后在給功率部分上電。

3.2.2 工作測試

帶動電機(jī)轉(zhuǎn)動，依次測試各個工作狀態(tài)下的控制情況。

切換至遠(yuǎn)程控制模式，啟動電機(jī)，電機(jī)運行起來，遠(yuǎn)程模式下有三種狀態(tài):串口通訊，多段速和模擬量控制。

經(jīng)過對變頻器系統(tǒng)整體進(jìn)行的測試可以知道設(shè)計的通用低壓變頻器符合設(shè)計要求，各個模塊運行正常，可通過本地以及遠(yuǎn)程多種方式對電機(jī)進(jìn)行控制，測試過程順利。

總之，變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實際逐漸走向成熟，其具有很多優(yōu)勢，進(jìn)一步加強(qiáng)對其的研究非常有必要。

[1]徐志勇.新型高壓變頻器的研究[D].北京建筑大學(xué)，2013.