第五節(jié)變頻器設(shè)計方法—變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計的一般性方法否是變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下幾個方面內(nèi)容：掌握系統(tǒng)總體方案設(shè)計，明確系統(tǒng)的總案選擇，以及性能指標〔響應時間、穩(wěn)態(tài)精度、通信接口〕等；設(shè)計主電路拓撲構(gòu)造；選擇各變量的檢測元件或傳感器；；選擇主掌握芯片；系統(tǒng)硬件設(shè)計，包括主電路模塊、驅(qū)動CPU相關(guān)的電路、外圍設(shè)備、接口電路、規(guī)律電路及鍵盤顯示模塊；系統(tǒng)軟件設(shè)計，包括應用程序的設(shè)計、治理以及監(jiān)控；在各單元軟硬件調(diào)試合格的根底上，進入系統(tǒng)試驗與統(tǒng)調(diào)階段。變頻調(diào)速系統(tǒng)的研制開發(fā)過程如圖3-？所示。變頻調(diào)速系統(tǒng)總體方案確實定

3－變頻調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)過程確定溝通電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)總體方案，是進展系統(tǒng)設(shè)計的第一步?？傮w方案的好壞直接影響整個掌握系統(tǒng)的投資、調(diào)整品質(zhì)及實施難度。確定掌握系統(tǒng)的總體方案必需依據(jù)實際應用的要求，結(jié)合具體被控對象而定。但在總體設(shè)計中還是有肯定的共性，大體上可以從以下幾個方面進展考慮。選擇主電路拓撲構(gòu)造在溝通電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，必需依據(jù)系統(tǒng)容量的大小以及實際應用的具體要求來選擇適當?shù)闹麟娐吠負錁?gòu)造。2080年月以來，以GTO、BJT、MOSFET為代表的自關(guān)斷器件得到長足的進展，尤其是以IGBT為代表的雙極型復合器件的驚人進展，使得電力電子器件正沿著大容量、高頻率、易驅(qū)動、低損耗、智能模塊化的方向邁進。伴隨著電力電子器件的飛速進展，各種逆變器主電路的進展也日趨多樣化。一般三相逆變器通常也稱為雙電平逆變器，這種拓撲構(gòu)造比較簡潔，為了獲得大功率可承受器件的串并聯(lián)來實現(xiàn)。交-交變頻電路一般雙電平逆變器直流側(cè)電壓通常由溝通電整流獲得，由于其中存在直流環(huán)節(jié)，所以逆變器效率不高，主電路相對簡單。而交-交直接變頻電路省去中間直流環(huán)節(jié)，一次功率-1/3～1/2常僅用于低頻場合，而且掌握簡單，對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的無功和諧波污染?！?〕變壓器耦合的多脈沖及多電平逆變器為獲得高壓，同時減輕器件上的高壓應力，并解決器件并聯(lián)帶來的問題，人們利用升壓變壓器的特點，將逆變橋而不是單個器件并聯(lián)起來以獲得大電流；或?qū)⒛孀兤鞔?lián)起來獲得高電壓，再加肯定的相移，還可實現(xiàn)接近正弦的電壓輸出。2、確定掌握系統(tǒng)方案依據(jù)系統(tǒng)的要求，首先確定出系統(tǒng)是通用型掌握系統(tǒng)，還是高性能的掌握系統(tǒng)，或是特別要求的掌握系統(tǒng)。其次要確定系統(tǒng)的掌握策略，是承受VVVF、矢量掌握，還是承受直接轉(zhuǎn)矩掌握等。第三要確定是單機掌握系統(tǒng)、主從掌握系統(tǒng)，還是承受分布式掌握系統(tǒng)。在數(shù)字系統(tǒng)中，通過模塊化設(shè)計，可以使系統(tǒng)通用性增加，組合敏捷。在主從掌握系統(tǒng)或是分布式掌握系統(tǒng)中，多由主控板和系統(tǒng)支持板組成。支持板的種類很多，如A/D和D/A轉(zhuǎn)換板、并行接口板、顯示板等，通常承受統(tǒng)一的標準總線，以便利功能板的組合。3、選擇檢測元件在確定總體方案時，必需首先選擇好被測變量的測量元件，它是影響掌握精度的重要因素之一。測量各種變量，如電壓、電流、溫度、速度等的傳感器，種類繁多，規(guī)格各異，因此，要正確地選擇測量元件。4CPU和輸入/輸出通道及外圍設(shè)備溝通電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)主控板及過程通道通常應依據(jù)被控對象變量的多少來確定，并依據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模及要求，配以適當?shù)耐鈬O(shè)備，如鍵盤、顯示、I/O接口等。選擇時應考慮以下一些問題：掌握系統(tǒng)方案及掌握策略；PWMPWM的數(shù)量與互鎖；被控對象變量的數(shù)目；各輸入/輸出通道是串行操作還是并行操作；各數(shù)據(jù)通道的傳遞速率；各通道數(shù)據(jù)的字長及選擇位數(shù)；對鍵盤、顯示及外部掌握的特別要求。5、畫出整個系統(tǒng)原理圖前面四步完成以后，結(jié)合工業(yè)流程圖，最終要畫出一個完整的溝通電機變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖，其中包括整流電路、逆變電路、驅(qū)動電路，以及各種傳感器、變送器、外圍設(shè)備、輸入/輸出通道及微處理器局部。它是整個系統(tǒng)的總圖，要求全面、清楚、明白。二變頻器主電路設(shè)計SPWM3-14?！惨弧匙冾l器主電路設(shè)計在變頻器主電路的設(shè)計中，主要包括電源側(cè)阻容吸取電路中R、C的選擇，三相整流電路元件IGBT的電壓、電流定額值的選擇。+-RCCR+-RCCRC為防止變壓器操作過電壓而設(shè)。R的設(shè)置目的是為防3止電容和變壓器漏抗產(chǎn)生諧振。電源變壓器為Y接，阻容吸取Δ2-28所示。電容容量C按下式計算：

R C圖2-28 溝通側(cè)阻容吸取環(huán)節(jié)1 SC 6i%3 0 U22

〔2-13〕式中，i％——變壓器勵磁電流百分數(shù)；S——變壓器每相平均計算容量，單位為VA；U——0 2V。C的耐壓計算(U計算)：CR的計算：

U 1.5 3UC 2

(2-14)R32.3

U22S%U22S%k%0 式中，uu％=5~10。k kR的功率計算：P (1~2)[(2f)2kR 1

(RC)k2

]CU

2 (2-16)2k＝3(對三相橋式電路)；k1

＝900整流二極管(D~D)的選擇1 6整流器接入濾波電容，穩(wěn)定工作時流過變壓器副方相電流如圖2-29所示。通過三相整流橋的每2-30I對應于電動機最大負載電流的峰值，m也打算了方波的峰值，則流過二極管的電流有效值為i0i0120○tDm0t圖2-29 變壓器副邊近似相電流 圖2-30 整流二極管近似電流1360 01201360 0120I2d(t)m3D m

〔2-17〕故二極管的電流定額值為Ied

1 I /1.57 ID 2.72 m

〔2-18〕二極管的耐壓U (2~3)UD em

〔2-19〕式中，U ——線電壓峰值。em平滑濾波電容(C1

、C)的選擇2C、C1 2

的作用有兩個：一是對整流電路的輸出電壓濾波，盡可能保持其輸出直流電壓為恒定值；二是吸取來自異步電動機在制動過程中回饋的能量。防止逆變器過IGBT。CC作濾波作用考慮時，、CC1 2

和負載的等效電阻的乘積〔時間常數(shù)〕應遠遠大于三相全控橋輸出T=0.0033s〔3.3ms〕,則C C1 2

C

3R

106(F)

〔2-20〕fR取負載等效電阻=0.5Ω。Rf作吸取異步電動機的回饋能量考慮時，只能按能量關(guān)系來近似估量。當異步電動機突然停車和減速制動時，電動機軸上的機械能及漏抗儲能將向電容倒灌，造成電容兩端電壓突然上升，稱這種因異步電動機動能轉(zhuǎn)換成電能而造成的直流電壓突然上升的現(xiàn)象為“泵升”現(xiàn)象。為保護IGBT不致?lián)p壞，一般盡量選取大電容值，形成“水池”以使泵升電壓不致太高。另外，逆變器也設(shè)置了泵升電壓過高限制電路。JΩ，則電動機軸上的機械儲能Σ DW 1j 2

J2 (2-21) D漏感的儲能W 1L

LI2 (2-22)u電容上的初始電壓為，電容的儲能u0W 1C

C(u21

u2)0

〔2-23〕u式中，——能量回饋后引起的電容電壓上升值。u1假定能量回饋時不計其他損耗，電動機驟停時，機械儲能與漏感儲能之和等于電容上的儲能，即1C(u22 1

u2)0

1J 2

1LI2 〔2-24〕21 設(shè)過壓系數(shù)K=u/u (K>1)1 C

J

LI2

〔2-25〕0.69u20假設(shè)限定K＝1.3，即允許電容上泵升電壓上升30%，則C

J

LI2

〔2-26〕0.69u20式(2-25)說明，當電壓泵升值肯定時，負載側(cè)儲能越大，濾波電容的容量也越大。而當儲能肯定時，泵升電壓值越低，KuD。IGBT(VT~VT)的選擇1 6IGBT是電流掌握元件。開關(guān)速度高，具有自關(guān)斷力量，使得逆變器構(gòu)造小巧。缺點是熱時間常數(shù)小，承受過載力量差。所以，使用時要留意以下三個問題：要由負載的最嚴峻狀況選擇IGBT。最嚴峻狀況如異步電動機的啟動電流為額定電流的(1.2~2)倍，且要考慮溝通電流的峰值。IGBTβ是受集電極電流的增加而降低的，I越大，β越小。為此，由〔1〕項決cIGBT的集電極電流I (1.2~2)Ic m

〔2-27〕IGBT的耐壓U 至少應為實際擔當?shù)淖畲蠓逯惦妷旱?.2倍以上，即CE0UCE0

1.2Ud

〔2-28〕〔二〕11.2kVA變頻器設(shè)計舉例ZHI×50W×40×40雙面銑組合機床的機械滑臺，由原來的齒輪變速改造成變頻調(diào)速。拖動電5.5kW16～750r／min，以滿足工作進給和快速返回的加工工藝要求。試設(shè)計變頻器。被控對象的原始數(shù)據(jù)：異步電動機型號：Y132M2—6額定功率：5.5kW額定電壓：380V額定電流：12.6A額定轉(zhuǎn)速：960r／min2倍的額定轉(zhuǎn)矩。設(shè)計步驟：1 打算變頻器的工作方式由題意要求可知，調(diào)速范圍1：47，低速性能要求高，故打算選用雙極性IGBT-SPWM工作方式。設(shè)計變頻器的電氣原理圖由于承受雙極性IGBT-SPWM變頻器，變頻器的電氣原理圖如圖2-14所示。變頻器的大功率開關(guān)管的計算1．計算通過IGBT的峰值電流ImIm由系統(tǒng)工作的最嚴峻狀況打算。由題意要求可知，系統(tǒng)要具有2倍額定電流的電磁轉(zhuǎn)矩，再考慮溝通電流的峰值，則22I 22m n

212.6A35.63A．選用IGBT的電流定額值由式(2-27)得出IGBT的集電極電流I 1.2IC m

1.235.63A42.7AI＝50A的電流定額值。C3．選用IGBT的電壓定額值變頻器輸出溝通電壓為380V。為此，必需用線電壓為380V的溝通電直接整流，直流電Y壓U=2.34×220V=514V。d由式(2-28)，IGBT的耐壓UCE0

2Ud

2514V1028V選用U 的IGBT。CE04〕由U ，I打算IGBT的型號CE0 C＝1200V，選用日本富士公司生產(chǎn)的兩單元IGBT模塊組件型號為EVl234。C CE0變頻器的容量3S 3U I 3n n

380V17A11.2kVAI應大于異步電動機的額定電流。n整流二極管的計算Ied由式(2-18)得I 1 Ied 2.72 m

12.72

35.63A13A考慮濾波電容的充電電流的影響，需留有較大的電流余量，選用I ＝60A。ed計算整流二極管的電壓定額UD由式(2-19)得：U (2~3)UD em2U 380V537.4V2emUD

2Uem

2537.4V1074.8VUD＝1500V。打算整流二極管型號I 由＝60A和 ＝1500VI ed D控橋模塊組件(DF60AAl20)。平波濾波電容器的計算R由式(2-20)，取負載等效電阻＝0.5Ω得：Rf0.0033C3Rf

106(F)2200(F)U由于直流電壓 Ud電容串并聯(lián)，以提高耐壓，獲得大容量。溝通電網(wǎng)側(cè)阻容吸取環(huán)節(jié)的設(shè)計由式(2-13)C的大?。篊16i%S3 0 U223(F)0.3(3F)3 22023電容的耐壓U 3C

220V571.6V U=630V。C阻尼電阻由式〔2-15〕打算：CUU22S%k%

54 2202 54R32.3

32.3 186 0

2023 電阻的功率計算，由式〔2-16〕得：P (1~2)[(2f)2kR 1

(RC)k2

]CU22(1~2)[(250)23(1800.33106)900]0.331062202W(1~2)14.7W25W。11.25kVA雙極性變頻器主電路設(shè)計計算完畢。三變頻器保護電路設(shè)計2.2.3 微處理芯片的選擇在總體方案確定之后，首要的任務就是選擇一種適宜的微處理芯片。正如前面所講的，微處理芯片的種類繁多，選擇適宜的微處理芯片是溝通電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵之一。以微處理器為掌握核心的溝通電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計時通常有兩種方法：①用現(xiàn)成的微處理器總線系統(tǒng)；②利用微處理器芯片自行設(shè)計最小目標系統(tǒng)。1A/D和D/A轉(zhuǎn)換板、打印機接口板、CRT顯示器接口板、并行通信板等，它們都具有模塊化的構(gòu)造、通用性強、組合敏捷的特點，可以通過統(tǒng)一的標準總線，便利地組成掌握系統(tǒng)，并大大削減爭論開發(fā)和調(diào)試時間。但相對來說，這類開發(fā)系統(tǒng)構(gòu)造簡單、硬件費用較高。因此，對某些應用系統(tǒng)，這些板并非是最優(yōu)的。2、利用微處理器芯片自行設(shè)計最小目標系統(tǒng)選擇適宜的微處理器芯片，針對被控對象的具體任務，自行開發(fā)和設(shè)計一個微處理器最小目標系統(tǒng)，是目前微處理器系統(tǒng)設(shè)計中常常使用的方法。這種方法具有針對性強、投資少、系統(tǒng)簡潔、敏捷等特點。特別是對于批量生產(chǎn)，它更有其獨特的優(yōu)點。3、微處理器字長的選擇不管是選用現(xiàn)成的微處理器系統(tǒng)，還是自行開發(fā)設(shè)計，面臨的一個共同問題就是怎樣選擇微處理器的字長，也就是選用幾位微處理器。位數(shù)越長，微處理器的處理精度越高，功能越強，但本錢也越高。因此，必需依據(jù)系統(tǒng)的實際需要進展選用，否則，將會影響系統(tǒng)的功能及造價?，F(xiàn)將各種字長微處理器的用途簡述如下?！?〕4位機4位機的特點是價格廉價，但功能對一些簡潔的應用來說并不差。它的片內(nèi)同樣ROM、RAMI/O接口，以及定時/計數(shù)器等。如美國NSCOPS-400系列單片機COPS-444C2KBROM、128BRAM、4位輸入、4位輸出、8I/O、4I/O，另外還有串行接口內(nèi)部定時器/計數(shù)器?！?〕8位機8位機是目前工業(yè)掌握和智能化儀器中應用最多的單片機。它們可在數(shù)據(jù)處理及過程掌握中作為直接數(shù)字掌握〔DDC〕或監(jiān)視掌握〔SC〕計算機，用來掌握各種參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液面、濃度、成分、密度、粘度等。8位機也可以作為性能要求不高的溝通電機的掌握核心。但在高性能的溝通電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，只能用來掌握一些外圍設(shè)備，例如液晶顯示器的漢字顯示等?！?〕16位機這是一種高性能單片機，目前已經(jīng)有很多品種系列。16位單片機根本上可以滿足溝通電機的數(shù)字掌握系統(tǒng)掌握精度的要求。目前，很多通用溝通電機的數(shù)字掌握系統(tǒng)均承受了16位單片機作為掌握核心。DSP芯片DSP1632位數(shù)字系統(tǒng)，因此精度高。16位的數(shù)字系統(tǒng)可以到達105格外適合高性能溝通電機掌握系統(tǒng)的應用。系統(tǒng)的硬件局部，包括微處理器、接口電路及外圍設(shè)備，其中微處理器是掌握系統(tǒng)的核心，它通過內(nèi)部掌握程序，對輸入接口輸入的數(shù)據(jù)進展處理，完成掌握計算等工作，通過輸出接口電路向外圍設(shè)備發(fā)出各種掌握信號，外圍設(shè)備除了檢測元件和執(zhí)行機構(gòu)，還包括各種操作、顯示以及通信設(shè)備。微處理器技術(shù)的最進展包括以下幾個方面：處理器、系統(tǒng)構(gòu)造和存儲器件。目前適用于溝通電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的微處理器主要有單片機、數(shù)字信號處理器〔DSP〕、精簡指令集計算機〔RIS〔ransputer〕〔ASI〕形式有承受超高速緩沖存儲器、多總線構(gòu)造、流水線構(gòu)造和多處理器構(gòu)造等。高速和大容量存儲器也已推出，以適應高速微處理器的需求。全部這些進展，使得微處理器組成的系統(tǒng)到達了較高的性能價格比。盡管已經(jīng)消滅了很多性能較高的微處理器，但考慮到性能價格比的最大化，大多數(shù)溝通電機的掌握核心承受的仍舊是單片機或數(shù)字信號處理器〔DSP。1．2變頻器的分類變頻器的分類方法有多種，依據(jù)主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；PAM掌握變頻器、PWMPWM掌握變頻器；依據(jù)V／f掌握變頻器、轉(zhuǎn)差頻率掌握變頻器和矢量掌握變頻器等；依據(jù)用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。變頻器中常用的掌握方式非智能掌握方式V／f協(xié)調(diào)掌握、轉(zhuǎn)差頻率掌握、矢量掌握、直接轉(zhuǎn)矩掌握等。V／f掌握V／f掌握是為了得到抱負的轉(zhuǎn)矩—速度特性，基于在轉(zhuǎn)變電源頻率進展調(diào)速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器根本上都承受這種掌握方式。V／f掌握變頻器構(gòu)造格外簡潔，但是這種變頻器承受開環(huán)掌握方式，不能到達較高的掌握性能，而且，在低頻時，必須進展轉(zhuǎn)矩補償，以轉(zhuǎn)變低頻轉(zhuǎn)矩特性。轉(zhuǎn)差頻率掌握V／f機的實際轉(zhuǎn)速對應的電源頻率，并依據(jù)期望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)整變頻器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應的輸出轉(zhuǎn)矩。這種掌握方式，在掌握系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反響，對頻率和電流進展掌握，因此，這是一種閉環(huán)掌握方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應特性。矢量掌握[2]矢量掌握是通過矢量坐標電路掌握電動機定子電流的大小和相位，以到達對電動機在d、q、0坐標軸系中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進展掌握，進而到達掌握電動機轉(zhuǎn)矩的目的。通過掌握各矢量的作用挨次和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種PWM波，到達各種不同的掌握目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的PWM波以削減開關(guān)損耗[3]基于轉(zhuǎn)差頻率掌握的矢量掌握方式和無速度傳感器的矢量掌握方式兩種?；谵D(zhuǎn)差頻率的矢量掌握方式與轉(zhuǎn)差頻率掌握方式兩者的定常特性全都，但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量掌握還要經(jīng)過坐標變換對電動機定子電流的相位進展掌握，使之滿足肯定的條件，以消退轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量掌握方式比轉(zhuǎn)差頻率掌握方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這種掌握方式屬于閉環(huán)掌握方式，需要在電動機上安裝速度傳感器，因此，應用范圍受到限制。無速度傳感器矢量掌握是通過坐標變換處理分別對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進展掌握，然后通過檢測電動機定子繞組上的電壓、電流來辨識轉(zhuǎn)速，以到達掌握勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種掌握方式調(diào)速范圍寬，啟動轉(zhuǎn)矩大，工作牢靠，操作便利[4]，但計算比較簡單，一般需要特地的處理器來進展計算，因此，實時性不是太抱負，掌握精度受到計算精度的影響。直接轉(zhuǎn)矩掌握直接轉(zhuǎn)矩掌握是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下分析溝通電動機的數(shù)學模型，掌握電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來到達觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量掌握等簡單的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量掌握方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，100％的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動具有負荷平衡功能[5]。最優(yōu)掌握最優(yōu)掌握在實際中的應用依據(jù)要求的不同而有所不同，可以依據(jù)最優(yōu)掌握的理論對某一個掌握要求進展個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的掌握應用中，就成功的承受了時間分段掌握和相位平移掌握兩種策略，以實現(xiàn)肯定條件下的電壓最優(yōu)波形[6]。其他非智能掌握方式在實際應用中，還有一些非智能掌握方式在變頻器的掌握中得以實現(xiàn)，例如自適應掌握[7][8][9]、滑模變構(gòu)造掌握[10][11][12]、差頻掌握[13]、環(huán)流掌握[14]、頻率掌握[15][16][17]等，限于篇幅，這里不再累述，有興趣的讀者可自行參閱有關(guān)文獻。智能掌握方式智能掌握方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)掌握、模糊掌握、專家系統(tǒng)、學習掌握等。在變頻器的掌握中承受智能掌握方式在具體應用中有一些成功的范例。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)掌握神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)掌握方式應用在變頻器的掌握中，一般是進展比較簡單的系統(tǒng)掌握，這時對于系統(tǒng)的模型了解甚少，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既要完成系統(tǒng)辨識的功能，又要進展掌握。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)掌握方式可以同時掌握多個變頻器[18][19]，因此在多個變頻器級聯(lián)時進展掌握比較適合。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)太多或者算法過于簡單都會在具體應用中帶來不少實際困難。模糊掌握模糊掌握算法用于掌握變頻器的電壓和頻率，使電動機的升速時間得到掌握，以避開升速過快對電機使用壽命的影響以及升速過慢影響工作效率[20][21]。模糊掌握的關(guān)鍵在于論域、隸屬度以及模糊級別的劃分，這種掌握方式尤其適用于多輸入單輸出的掌握系統(tǒng)。專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是利用所謂“專家