异步电机变频调速实验装置的设计与制作

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 异步电机变频调速实验装置的设计 与制作 摘 要：变频调速凭借其优良的 调速性能在交流调速中广泛应用，成为 国内外研究的热点问题。本科阶段对于 变频调速系统的学习也是电气专业的教 学重点。以实验室现有异步电机为被控 对象，设计制作变频调速实验装置，编 写矢量控制程序，有效充实当前实验平 台的教学内容，提高教学效果。 中国论文网 /1/view-13026568.htm 关键词：变频调速；矢量控制； 实验装置 DOI：10.16640/ki.37- 1222/t.2018.08.004 0 引言 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 异步电动机凭借结构简单、维护 方便、运行效率高、适用工作环境广等 优点，受到越来越多的关注。在众多异 步电机调速方法中，变频调速系统具有 调速范围广、平滑性好的特点，具备优 良的动、静态特性，是一种理想的高效 率、高性能的调速方式，因此变频调速 系统发展迅速并成为交流调速的主流。 本文所设计的变频调速实验装置是为了 补充本科生“ 电力电子与电力拖动 ”实验 教学而制作的，通过应用变频调速技术， 实现对异步电机的转速控制，是对实验 平台现有实验内容的有效补充。 1 异步电机变频调速理论 为充分利用异步电机磁场，需要 保证电机磁场在额定转速以下维持稳定， 即：在额定转速以下调速时，需要同时 改变异步电机的供电电压，这就是所谓 的变压变频调速。当今变频调速主要分 为基于转子磁链定向的矢量控制 （FOC）系统和基于定子磁链定向的直 接转矩控制系统（DTC） ，矢量控制系 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 统因其开关频率固定、转矩脉动等优点， 在实际应用中较为广泛。基于转子磁链 定向的矢量控制系统通过磁场定向和坐 标变换技术，实现了定子电流转矩分量 和励磁分量的解耦控制，采用直流电机 调速理论，分别设计转速和磁链调节器， 实现转速控制2。 2 变频调速实验装置的硬件电路 设计 本文所设计实验装置的硬件电路 包含主电路、控制电路以及信号采集电 路，硬件电路的整体结构框图如图 1 所 示。 主电路包括二极管不控整流、预 充电电路、滤波电路、IGBT 逆变电路、 驱动电路及缓冲电路等。控制部分选择 恩智浦公司的 MK60DN512VLL10 为主 控芯片。信号采集主要包括母线电压、 输出电流、电机转速等的检测。 2.1 主电路设计 主电路的作用是根据调速要求产 生变压变频交流电，以驱动被控电机。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 为实现这一功能，设计的变压变频实验 装置的主电路结构如图 2 所示。 首先采用二极管构成整流桥，将 工频交流电整流成直流电。采用电解电 容、充放电电阻，实现对中间直流环节 的滤波与保护。逆变部分采用基于 IGBT 设计三相逆变桥，向被控电机提 供能量。 2.2 控制电路 矢量控制中，坐标变换需要大量 的运算，基于运算量、控制实时性及外 设资源等方面的考虑，选择恩智浦系列 的 MK60DN512VLL10（以下简称 MK60）作为本变频调速实验装置的主 控芯片。MK60 的运算速度、可提供的 接口类型以及其功耗，而且恩智浦系列 单片机拥有多路 DAC 输出、高精度模 拟量检测模块、通信模块接口丰富、抗 干扰能力强等诸多优点，在满足本设计 的基础上仍有可开发的空间，方便后期 功能的继续的拓展3。 2.3 信号检测及处理电路 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 为保障系统免于过流危害，需要 对系统直流母线以及逆变输出端的电流 进行检测，当电流超出安全阈值时， MK60 发出光电报警信号，并进行相应 的信号关断，停止发波等操作，以保证 系统的安全。通过比较，在本实验装置 中采用霍尔传感器对系统的电流进行采 样。由于 LEM 公司的 LA25-NP 型号的 电流传感器，精度高，响应时间小于 1，安全工作电压 600V，抗干扰能力强。 满足系统对电流采样的要求。由于主控 芯片的 AD 端口，只能检测 03.3V 的 模拟量，而逆变输出端的电流为双极性， 所以在检测逆变输出侧的电流时，需要 对将模拟量信号进行调理。本设计所采 用的电流处理电路如图 3 所示。 2.4 驱动电路设计 控制电路的 PWM 信号需要通过 驱动电路实现隔离、放大后，施加到功 率开关器件 IGBT 上，实现对电力电子 器件的开通关断控制。本装置中，选用 HCPL316J 作为驱动电路的隔离芯片， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 所设计的驱动电路如图 4 所示。 3 变频调速实验装置的软件设计 本设计的功能实现除了依靠稳定 安全的硬件，还需要软件的支撑。在硬 件设计完成的基础上对进行软件的设计 编写。软件设计主要包括：系统初始化、 信号采集、预充电控制、SVPWM、通 信等部分。整个系统的程序流程图如图 5 所示。 4 实验测试与结论 为了验证所设计实验装置的功能， 分别对驱动电路、预充电电路、信号处 理电路、转速检测、PWM 输出等功能 进行了测试，相关实验波形如图 6 所示。 上述测试结