微機控制交流電機變頻調速教學實驗裝置研究

摘要：研究開發出了微機控制交流電機變頻調速教學實驗裝置，該實驗裝置主要由微型計算機、多功能模入模出接口卡、功率放大電路、驅動保護電路和交流電動機等組成。采用該裝置可以培養和提升學生綜合運用計算機接口與編程技術、電工電子技術、機電控制工程等方面的基礎知識解決工程實際問題的能力，該實驗裝置與機械裝置相結合，可以較為方便地設計出一些機電綜合的創新實驗，較好地培養學生的科技創新與工程實踐能力。

關鍵詞：交流電機；變頻調速；微機控制；教學實驗

交流電機由于具有結構簡單、價格低廉和性能可靠等特點，在工業生產中得到了廣泛應用，是金屬切削機床中最為常用的一種動力源。[1-3]交流電機變頻調速技術具有單機不受限制、體積小、重量輕、轉動慣量小、動態響應好、維護簡單、節約能源等諸多優點，被國內外公認為最有發展前途的一種調速方式。[4-7]本文結合機械和近機類專業學生機電綜合素質培養與綜合性創新實驗設計的要求，研究開發出了微機控制交流電機變頻調速教學實驗裝置，并在實驗教學中得到了較好的應用。

一、交流電機調速方式的選擇

三相交流電機的轉速可表示為：[8]

（1）

式（1）中f為定子供電電壓頻率，p為旋轉磁場的磁極對數，s為轉差率。由（1）式可以看出，交流電機的調速方法有三種，即通過改變極對數p、轉差率s或定子供電電壓頻率f實現調速。

變極對數調速是通過改變定子繞組的連接方式來實現的，由于電機的極對數是有限的并且極對數總是整數，故該方法的調速范圍有限且是一種有級調速。[9]改變轉差率的方法很多，常用的有改變交流電機定子電壓調速、采用滑差電機調速、轉子繞組串電阻調速等，這些方法都可實現交流電機的平滑調速，但是在調速過程中存在轉差損耗，即在調速過程中產生了大量的轉差功率并消耗在轉子回路中，使轉子發熱，從而使系統效率降低。[10，11]變頻調速是通過改變定子供電電壓頻率來實現調速的，該方法可平滑、無級地調節交流電機的轉速且效率較高，是一種應用較為廣泛的交流電機調速方式。[12-15]因此，本文選定變頻的方式來研制交流電機調速教學實驗裝置。

二、交流電機變頻調速系統硬件電路的設計

所設計的交流電機變頻調速系統硬件電路主要由功率放大電路和驅動保護電路等組成。

1.功率放大電路的設計

所設計的交流電機變頻調速功率放大電路如圖1所示。圖1中，交流電經AC/DC整流模塊整流、經電容濾波后送到由六個VMOS功率開關管組成的三相逆變器。其工作原理是：微機發出控制信號經1～6輸入端分別送入六個VMOS管的柵極，六個VMOS管每隔60°導通一只，相鄰兩相的VMOS管導通時間互差120°，一個周期共換向六次，對應六個不同的工作狀態（又稱六拍）。當按Q1-Q6的順序導通時，每個工作狀態下都有三個VMOS管同時導通，其中每個橋臂上都有一個導通，形成三相負載同時通電，導通規律如表1所示。

通過對每個狀態下工作電壓的分析，可以獲得三相電壓型逆變器輸出電壓波形，如圖2所示。由圖2可以看出，逆變器輸出為三相交流電壓，各相之間互差120°，三相對稱，相電壓為階梯波，線電壓為方波。輸出電壓的交變頻率取決于逆變器中VMOS管的切換頻率。

2.驅動保護電路的設計

因逆變電路中VMOS管處于直流高壓電路中，又分屬于三相輸出電路中不同的相，所以驅動電源和主控電源之間必須進行可靠隔離，各驅動電源相互之間也必須可靠隔離，與直流高壓負極相接的三個驅動電路可以共“地”。

本設計中采用變壓器進行隔離，圖1中的1、3、5路分別采用三個變壓器進行驅動電源和主控電源之間的隔離，2、4、6路采用一個變壓器隔離，因而形成了GND1、GND3、GND5和GND0四個地，其中GND0與功率放大電路的地共地。圖3為VMOS管Q1的驅動保護電路，圖4為VMOS管Q2、Q4和Q6的驅動保護電路。此外，為防止功率放大電路高壓信號因故引起多功能模入模出接口卡損壞，在信號輸入集成運算放大器LM324前用光耦TLP521進行隔離。

三、變頻調速系統微機控制部分設計

1.多功能模入模出接口卡的選擇

本設計中選用PC6313多功能模入模出接口卡，該接口卡主要由模數轉換電路、數字量輸入輸出電路以及接口控制邏輯電路構成，可用于具有ISA總線的PC系列微機和多種操作系統，具有很好的兼容性。該卡使用時只需將接口卡插入機內任何一個ISA總線插槽中，其模入模出及I/O信號均可通過信號電纜從機箱外部直接接入。[16]

2.交流電機調速程序中主要參數的選擇

實驗中選用JW7114三相交流電機，極對數p=2，取額定轉差率s=0.04，[17]將上述參數代入（1）式，可得：

（2）

由表1可知，可通過控制VMOS管輪流導通來控制交流電機的運行。本文中導通時間采用微機固有頻率，經測量得C語言運行時delay（1）所需時間為0.0000339s。由圖1可知，當驅動信號為高電平時VMOS管導通，為低電平時VMOS管截止，因此同一橋臂上兩個VMOS管的驅動信號不允許同時為高電平，而且兩驅動信號電平發生轉換前有一個同時為低電平的時間間隔，在此時間內，兩VMOS管皆處于截止狀態，該時間稱為“死區”。[18]根據所選用的VMOS管型號，本系統中將死區時間設置為：

（3）

因此控制VMOS導通一周期所需時間：

（4）

其中，n_tim為VMOS導通一周的程序設定時間，VMOS導通頻率可計算為：

（5）

由式（2）和式（5）可求出n和n_tim的關系如下：

（6）

3.微機控制交流電機變頻調速系統的搭建

所搭建的微機控制交流電機變頻調速教學實驗裝置如圖5所示。該實驗裝置的工作原理是：由微機發出的變頻調速信號經PC6313卡發出，然后經過驅動保護電路控制功率放大電路的VMOS管的導通狀態來控制三相交流電機的供電頻率，從而實現對三相交流電機的變頻調速。圖6為交流電機運行過程中通過示波器測得的相電壓波形，與程序所設定的結果一致。

四、結論

該交流電機變頻調速教學實驗裝置涉及到計算機、電工電子、機電控制工程等方面的基礎知識及其應用技術，用該調速系統與機械裝備結合可以方便地實現機、電和計算機等技術的復合。學生可根據實驗要求和自身的知識水平，結合該實驗裝置構思一些綜合性的創新實驗。如構思新的機械結構裝置，選擇合適的交流電機、多功能模入模出接口卡和編制變頻調速系統的計算機控制程序，然后進行實際的聯調測試，可以較好地培養學生綜合運用所學知識分析問題和解決問題的能力，提高他們理論聯系實際、實際動手與科技創新的能力。該教學實驗系統有利于培養機械及近機類專業學生的機電綜合創新能力與工程意識，具有廣闊的應用前景。

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（責任編輯：孫晴）