交流調速系統的設計

摘 要：動力系統的控制要求不斷提高，在上世紀60年代以前，直流調速系統在調速領域中站占治地位，而在全控型功率開關器件出現以后，交流調速才得到了長足的發展，特別是集成電路的出現，使用合適的調速方式（如PWM調速），使得交流調速動態和靜態特性完全可以和直流調速相媲美，在本課題著重研究了現代交流調速系統中的變壓變頻調速，以及現在已經運用成熟的電壓空間矢量調速系統，來解決本課題的調速問題。

關鍵詞：交流調速系統；PWM調速；規模集成電路；電力電子器件

1 交流調速控制的選擇

現階段的變壓變頻調速的控制方式， 矢量控制系統：根據磁鏈的是否閉環又可以分為直接矢量控制和間接矢量控制，她們都具有非常良好的動態和靜態性能，調速范圍也很寬在實踐中得到了普遍的運用；不足之處是動態性能受電動機參數影響。

在本課題的設計中選擇間接矢量控制方法即--磁鏈開環轉差型矢量控制。

2 電動機類型的選擇

按照本課題的設計要求，以500KW的電動機為被控對象，那么電動機就選擇西安電動機廠生產的JS1410-4型三相交流異步電動機。

在電動機參數測量問題上，一般都是同過電動機空載和短路試驗測的，但是因為條件的限制，對以上電動機的參數直接給出：

3 主電路元器件的計算

主電路的動能介紹

主電路采用典型的交-直-交電壓源通用變頻器結構，輸入功率級采用三相橋式不可控整流電路UI，整流輸出環節由大容濾波，獲得平滑的直流電壓，逆變部分通過功率開關器件有規律的導通和關斷產生變壓變頻的電壓。

主電路中主要是對整流器和逆變器電力電子器件的計算

3.1 整流二極管參數的整定

在主電路中采用的是三相不可控的橋式整流電路

電力二級管參數整定：

3.2 濾波電路

整流電路的輸出的直流電壓含有很大的脈動成分，此外逆變部分和所帶負載的變化也使直流電壓產生脈動，因此要加入大電容濾波環節。

當沒加濾波電容時，三相整流輸出平均直流電壓為：

加上濾波電容時，三相整流輸出最大交流線電壓峰值為：

假設輸入電壓的波動范圍是5900-6200V，此時對應6000V的輸入，整流后的電壓為8484V。設電源的功率因數是0.9，那么每個周期電容吸收的容量為：

其中POUT是電動機的輸出功率，UPK為峰值電壓，最小的輸入電壓應該在370V以上，所以得：

濾波電容理論上講越大越好，在實際中考慮到價格的影響，用8個2500V，300？自F的電容，兩個串接，然后再3個并聯，等效成一個耐壓10000V800 的電容。

3.3 逆變電路

IGBT的正反向峰值電壓：

考慮到2-2.5倍的安全系數，取耐壓值為19000V。

通態峰值電流：

在整流逆變環節通過參數的計算得知，型號為JCC-6kV/500kW-IGBT系列的通用變頻器。現代的交流調速系統中為了提高系統控制的可靠性，都是采用數字化的控制將上述的控制主回路與過電壓保護，過電流保護，過熱保護等檢測電路集成到一塊芯片上這種智能型的模塊叫做IPM，但是在本課題的國內外都沒有如此高電壓等級的IPM，在這里選用IGBT模塊：FD400R66KF2，額定參數400A/6600V。

4 驅動電路的原理

驅動電路是IPM主電路和控制電路之間的接口，良好的驅動電路設計對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要意義。

在該課題中選擇 M57140-01和M57120L。它們是三菱公司為其IPM系列產品專門配置的電壓變換模塊。在M57120L的輸入端加一路113V-400V的直流電壓可以在輸出端得到一路20V的直流電壓，在M57140-0的輸入端加一路18V-22V的直流電壓，輸出端可以得到4路相互隔離的15V電壓，方便地為IPM供電；HCPL4504和PC817是高速光耦，起到電氣隔離IPM與外部電路的作用，IPM的控制信號Cin和故障輸出信號FO通過光耦傳輸。

5 IPM保護電路的原理

過電壓、欠電壓保護：

因為IGBT射集耐壓能力有限，而我國的電網又不是很穩定，因此設置的過電壓，欠電壓電路圖2所示

工作原理：在過電壓、欠電壓保護中，當電壓高于（低于）參考點V2（V1）時，OVH（OVL）輸出為低電平，故障信號經過邏輯電路送入控制電路，立即封鎖PWM輸出和停止運行。

保護點參數的選擇：

欠電壓保護：

過電流保護：

光耦電路參數：

一次側：VF=1.3V，連續正向電流IF（MAX）=10mA

二次側：電流傳輸比IF=1mA，CTR=70%

過電流保護電路：IGBT雖然可以承受短時間的過流，但是一旦超出了安全區，就有可能造成管子的永久損壞，所以要設置快速的過電流保護，系統利用采樣電流和規定值進行比較，當超過時數字端輸出低電平，控制部分產生中斷。

6 電流調節器的計算

保證電動機穩定調速的要求就要保證其動態參數要滿足控制要求，下面就對電流調節器進行參數整定。

6.1 確定時間常數：

由于PWM逆變器采用IPM模塊，不會產生滯后所以，時間常數只對電動機，整流器和電流環回路來計算

6.2 電流調節器結構的選擇：

因為電流調節器是內環，要求對系統的跟隨性良好，所以選擇用典型的I型系統。

7 控制器的選擇

控制器是整個交流調速系統的中心，她起到控制系統，監測系統，對數字信號處理等作用，是一個功能非常強大的數字處理器，數字信號處理器（DSP）已經發展了20多年，數字控制系統克服了模擬控制系統電路功能單一、控制精度不高的缺點，它抗干擾能力強，可靠性高，可實現復雜控制，增強了控制的靈活性。

在本課題中我選用TMS320LF2407A，TMS320LF2407A是美國TI公司推出的新型高性能16位定點數字信號處理器，它專門為數字控制設計，集DSP的高速信號處理能力及適用于控制的優化外圍電路于一體，在數字控制系統中得以廣泛應用

系統組成：TMS320LF2407A系統組成包括：40MHz、40MIPS的低電壓3.3V CPU、片內存儲器、事件管理器模塊、片內集成外圍設備。

8 交流調速系統的實現

通過以上對交流調速系統中每個部分的原理及功能介紹，按照模擬參數的計算來選擇或者設置相應的參數就能夠得到一個調速性能優良的調速系統；在其中電流調節器和轉速調節器在間接矢量控制系統中用分立元件夠成的模擬電路已經在現實中用的非常少了，這是因為模擬電路的各種局限性導致的，在實際中轉速和電流調節器都是集成在DSP芯片上，具體操作時只需要設置其參數即可。所以現在的交流調速系統在數字化大發展的前提下精度和可靠性都有了非常的高度，設備的復雜性和占地空間現實因素已經被基本解決。

參考文獻

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作者簡介：周丹（1984-），女，新疆阿拉爾人，新疆塔里木大學機電學院，843300，助教。

裴久玲（1980-）， 女，新疆阿拉爾人，新疆塔里木大學機電學院，843300，講師。