【交流电机调速系统设计11000字（论文）】

X3IGBT元器件的相关设计3.1IGBT所具有的保护IGBT作为一种集成器件有着非常出色的特性，其应用方式也很广泛，通常应用于微型供电元件和逆变器中。所以，IGBT作为一个重要器件被广泛应用于各行业当中，并且得到了极大程度的推广与普及。但是，IGBT本身也存在着一些缺陷，这就需要我们去解决。实际工业使用时，除具备耐电压、电流等性能之外，对于驱动器之防护亦须兼顾下列几点：（1）短路（过电流）保护短路故障时IGBT集电区与基区间PN结电流变大，并逐渐大于限定值使得Uce增大。由于在开关过程中产生了热量，Uce不断地增大而使得温度上升到一定程度就可能导致器件损坏甚至是爆炸事故发生。因此当发生短路时，必须切断电源。由于IGBT是一个不可逆的电路。因此，在IGBT发生短路时，应关断IGBT。（2）过电压保护IGBT启闭速度较快，IGBT在需要启闭状态下会产生较大，由于周围存在连线中电感形成瞬时过电压并形成瞬时过电压值超过IGBT的Uce限定值导致毁坏。为了防止IGBT受到瞬间电压的损坏，可以采用一些方法来保护IGBT。IGBT内设置缓冲电路以方便吸收瞬时过电压；IGBT驱动电路Uce调整使其最小。（3）栅极电阻IGBT输入端等效阻抗较大，仍为呈容性阻抗，非工作时不需DC电流，为减小IGBT集电区至基区间PN结电压峰值脉冲需串联一电阻Rg，该电阻对线路中线路起保护作用，Rg增大时，IGBT开关断时间延长，能量消耗增加；Rg减小则电流改变显著，有可能不慎导通线路或损毁IGBT。因此应根据电流限制容量，电压限定值及开关断频率等参数选择合适线路。3.2IGBT的驱动电路驱动IGBT用的模块有很多，其中EXB系列模块应用较多，EXB84系列是日系公司生产的专用于驱动IGBT芯片，其可驱动电压峰值达到1200V。它具有很好的隔离能力，能够有效地防止IGBT在工作过程中产生过大的过电流。模块内部功能丰富，采用+20VDC供电，内部有TLP550电路。如图3.1所示。并且通过对功率MOSFET管进行热仿真后发现，IGBT管中温度上升很快，所以在设计时需要考虑到散热问题。为了能够保证正常工作的可靠性，我们必须要有完善的保护措施。电路内部也集合了检查过电流用的电路与慢速关断慢电流用的电路，其中检查过流用电路是根据驱动与集电区与基区间PN结之电压二者之连接而检查过流用。IGBT电流是由器件内部产生的慢电流通过控制IGBT的开关而产生的，IGBT的工作时间可以根据需要进行调节。避免集电区与基区间PN结中IGBT产生较大峰值电压脉冲；RG与栅极间串接缓冲电阻。图3.1EXB841驱动电路在利用这一计划时应注意下列问题：（1）IGBT栅-射极启动电路前后联线应不超过1M，栅-射极采用绞线连接。（2）在IGBT的集电区与基区之间采用PN结来产生峰值电压脉冲，这样可以降低IGBT的损耗和提高栅极上的Rg。（3）电容C选择EXB840和EXB850是33VF，对于EXB841来说是47VF。3.3控制电路SPWM由3个重要模块组成：时基发生器、带相位启动通路以及控制相关元器件。相位是通过改变驱动通道的开通时间来实现的，TON=总时间/TON+TON+辅助电路的工作模式由中断发生器决定。P6口接在逆变器上，它可以产生多达六条不同频率的SPWM信号，其中每一条都有自己独立的SPWM信号；取样法测得的波形显示出了很好的效果，并且能准确地测量到三相脉宽。由于采用双极性调制技术，使得输入电压波形畸变率很小，输出电流谐波含量低，具有很好的输出特性。另外还对整个系统作了详细说明。为抑制同一桥段内两功率管短路，SPWM起动电路设计应具有死区互锁功能，使同桥段内两二极管SPWM脉冲信号互相兼容，高低电平转换时应将其设置到高电平无法控制的时间域内，以确保同桥段内各功率管不一同开路。图3.2三相异步电动机和87C196MC的联接方式3.4检测电路3.4.1霍尔传感器/变送器的性能特点霍尔传感器具有良好的电气（机电）特性，是用于电气检验的尖端元器件，可屏蔽主电路及辅助电路。其集仪用变压器、分流器优点于一体，采用同一检验元器件，可共同对DC、AC进行检验，并可对瞬时峰值大小进行检测，是一种代替仪用变压器及分流器的新型设备。霍尔传感器有以下几个优点。（1）U、I波形不论何种形状均可测。但是由于这种信号是以脉冲形式出现在示波器上的，因此它比一般的线性电流或电压要复杂得多。现在最常用的方法是用霍尔传感器来检测它们。这种器件很容易制造。用霍尔传感器元件来测量U、I、DC或AC波形。瞬时峰值也可以被测量。（2）对信号进行了分析和处理，并验证其精确程度。霍尔传感器元件比工作区精确程度高，能探测到每个波形。（3）动态特性较好。采用光电耦合器和磁敏元件构成的磁传感器具有很高的灵敏度、响应速度快等优点。在外加磁场作用下，其输出信号会发生很大变化，这就要求传感器具备较好的响应能力。霍尔元器件动态反应时间不会超过1μs，跟踪速度不低于50A/us，但一般仪用变压器动态反应时间在15μs左右。3.4.2霍尔元件的使用方法常用的补偿传感器元件有这三类：CHB-×p、CHB-S、LA-××p，这三类元件均以电流作为输出。它们在外加电压作用下，M端子与电源接地之间串联一个采样电阻。如果采用一种简单而又实用的电路来测量这种元件的特性，就可将这些装置用于各种用途。在图3.3中，有代表性地给出了一种布线方法。图3.3霍尔元件布线方法1.转速检测电路接通电源，根据光电符号确定电动机速度，光电开关经光电编码器（光电脉冲分离器）输出处用LED导线以两通道A和B90度差值用87c96mc分别送至t1clk、t1dir型零件上。t1dir信号升至t1clk管底时T1的号码；反之，T1在此处被扣除，我们就会观测电动机转动。数字测速组件包括一个或多个光电盘编码器和一个或多个测量装置，它们被配置为提供不同的分辨率。在该系统中使用了Mt转换技术来产生所需要的脉冲信号。脉冲发生器可产生沿旋转方向连续变化的一系列脉冲，并通过监视设备实时显示这些脉冲的位置和数量，从而达到提高轴测量速度的目的。在所谓mt转换方法中，若时钟等于PV发电动机M1脉冲总和时，仅M1、M2脉冲测量值不等于发动机转速。2.光电耦合器本系统使用了6n137光电耦合器，6n137属于高速光隔离设备适合数据传输要求较高。6n137具有良好的输入信号校正功能；当数据传输速率较低时，可以通过调整输入电压来补偿传输过程中产生的误差，从而保证了高速率下的读写性能。此外，该传感器还可用于其他需要高精度的场合。在电路速度测量中，为避免因工作场所干扰造成磁盘信号不正确，需要把信号磁盘从外部隔离开来，以使磁盘信号经过多次光学连接后送到机器上，由于6n137是高频响应的输出，它适用于从光盘上分离输出。6N137电路接线见图3.4所示：图3.46N137电路接线图3.5辅助电路3.5.1集成稳压电源系统采用87c96mc、exb841LGBT驱动器等光电隔离电路进行供电，若电源独立设计，体积大、要求直流电压高，这里将两种电压整合到lm317、cw7800两端，其可输出持续可调直流电压。它的应用电路图见图3.5。图3.5CW7805典型应用电路3.5.2由LM317组成恒流源电路LM317为美国产三重可调稳压器（AC），其高电压精度为3个输出端口整合而成，也就是说第6侧输入不公共接地且一般接地跨电阻串联。图3.6表示一种典型应用图：当图中的调制改变到V0R2，C2接通来降低干扰因素大小，可使制动大于20db，但因二极管D1短路而需接通C3输出电路进行短路，若不接通D1，C2使r1c1时间常数表现缓慢，可能使短路到D1后输出等于零而对机器造成损害。图3.6LM317典型应用电路图3.6时钟及复位电路让计算机以初始状态变成单个芯片或者系统中其它部件装置复位状态运行的最简单线路复位图3.7显示，复位线路PK端所用引脚后，只需复位终止已经回复到PK选择即可产生正脉冲。这种电路是由两个独立的单元组成，其中一个用来初始化CPU，另一个则用于初始化RAM。这两个单元都可以采用CMOS工艺实现。时钟频率6MHz，除需电复位以外，还要122V，有时需手动复位，此处需点击复位按钮。复位电路及时钟电路图如下所示。图3.7时钟电路图3.8复位电路4交流变频调速系统的MATLAB仿真Matlab作为一种前沿的数学模型分析与计算机应用程序可以对动态系统进行建模与模拟，尤其适合矩阵分析与计算。因此，MATLAB成为应用数学中最有前途的一种软件之一，它已被广泛地运用到许多领域之中。尤其是在自动控制理论方面，Matlab提供了很多重要的分析方法与手段。由于Matlab具有很强的开放性，所以用户可以根据自己的需要开发出各种软件。在此背景下开发出非常多的有用工具系统软件，例如控制系统、信号处理、最优控制和系统辨识。4.1变流电路的仿真4.1.1整流电路仿真本设计所使用的整流电路是用电容滤波的三相不可控整流电路（见图4.1）。所讨论的三相不可控整流电路设计成三相桥式结构；其原理是：在一对二极管导通的情况下，其输出直流电压与交流侧电压的最大值相等，线电压既给电容器提供电源，又给负载提供电源。为了使变压器能正常工作，必须保证两个端点都有足够大的电流流过，使二极管以线电压过零角起导通。线电压=sin（t+）相电压=sin（t+-30°）电流平均值=电容电流平均值=0=其中为输出电压平均值（=）图4.1带电容滤波的三相不可控整流电路依据它的原理对它进行了模拟，并依据模拟结果所得到的数据利用以上公式对它进行了检验。一般情况下，AC与DC、AC与DC电压转换器、一些AC与DC转换整流器都采用无控制DC链接得到了广泛的应用通过对这些回路的模拟，可根据控制阀及仿真设定控制角度为零。采用模块化整流器本课题采用无节制的无节制装置来符合电阻仿真模型：图4.2三相不控桥阻容性负载的仿真模型一般情况下，AC、DC转换器作为非DC连接器被广泛应用于AC、DC之间。然而，由于它们的输出端连接到输入端子上，因此可能会产生一些问题。本文将介绍一种设计方法来解决这个问题。通过对上述电路的仿真，可利用整流器单元来设定控制角度。仿真波形如下所示：图4.3AC-DC波形图图4.4AC-DC转换器波形图图4.5AC-DC整流输出电压波形图4.6AC-DC转换器整流输出电压波形4.1.2三相电压源型SPWM逆变器仿真三相电压逆变器（SPWM源）是应用最广泛的逆变器之一，其利用三相电压来仿真SPWM逆变器中Simulink模块。三相电压源SPWM逆变器的仿真模型如下。图4.7三相SPWM逆变器仿真模型图4.8三相SPWM逆变器仿真波形4.2转速开环变频调速系统的仿真如下图所示为FDA频率控制系统感应电动机模拟示意图，该系统含有独立的三波发射机将信号与输入信号互相匹配并选择输出PWM信号脉冲，子系统由6个功率单元FDA制造的信号输入单元组成用于控制脉冲以在6种型号异步式电动机系统上进行停选单元并需配置合适的参数。设定电动机参数：[额定功率：1.0kw；线电压：380V；频率：50Hz]，[定子电阻：0.455欧姆；漏感：1.5mH]，[转子电阻：0.796欧姆；漏感：1.5mH]，[定转子互感：70.43mH]，[转动惯量：0.09；摩擦系数为0；电动机极对数：2]。图4.9转速开环变频调速系统仿真模型空载时仿真波形如下所示：图4.10空载仿真波形图4.11转速变化情况图4.12转矩变化情况负载转矩为11.8N.m时的波形如下：图4.13负载转矩为11.8N.m仿真波形图4.14转速变化情况图4.15转矩变化情况由图中可看出非常清晰之速度波形，在恒定速度0.1400rpm之情况下，可清楚地看出转矩波形之变化历程，转矩下降，但其数值却大于负载达恒定速度之转矩最后下降之电磁转矩转矩之转矩值与负载转矩之转矩值在0.3s内相等，而在转速几乎不变之情况下转矩几乎不变。基于仿真图得到的数据如下：表4.1电压与电流关系输出电压输出电流375V0.186A376V0.187A378V0.188A380V0.190A表4.2电动机三相的电压值A相B相C相-80V-160V80V0V0V0V80V0V-80V160V-80V-80V5结论交流异步电动机工作时电压u不可能是恒定的，它将随频率f变化最终U/f几乎不变。异步电动机具有良好的转矩特性，尤其是在低速工作时，可以实现电动机的快速起动与停止，因此被广泛应用于各种场合，但由于其结构简单，成本低廉等特点，使得电动机多采用AC电动机来实现无极调速。在此基础上，本论文针对交流异步电动机变频调速系统展开设计与研究，先设计出电机变频元件，然后对于着重分析IGBT元器件，主要是有驱动电路，控制电路，检测电路，辅助电路与复位电路等均展开阐述，最后利用变频器与MATLAB仿真得出变频调速原理，使用情况与今后发展趋势。工业是整个国民经济的基础，而变频调速技术在其中占据着重要地位，它不仅可以降低产品生产过程中的能耗和污染，而且也能够促进工业领域的快速发展。最后对整个方案进行了仿真验证分析。但是就目前情况来看，在使用变频调速技术过程中还存在着一些问题需要引起相关技术人员的重视，只有这样才能更好地发挥出电气控制和变频技术的作用，从而提高我国的工业发展水平以及经济实力。通过仿真能很容易地测试设计方案的可行性，也能模拟出实际运行过程中所碰到的各种问题并加以解决。参考文献[1]熊英鹏,毛佳昌.基于CFPWM的交流电机调速系统的仿真[J].电子设计工程,2020,28(3):5.[2]杨枭.交流电机调速系统逆变器开路故障诊断[J].有色设备,2020.[3]党永财,米鹏鹏,毛宏源,等.交流电机矢量控制调速系统的建模与仿真[J].技术与市场,2019,