通用低壓變頻器的設計與實現(xiàn)

和 虎

華電渠東發(fā)電有限公司

通用低壓變頻器的設計與實現(xiàn)

和 虎

華電渠東發(fā)電有限公司

變頻器是一種針對電機的可以調節(jié)頻率的驅動系統(tǒng)，應用變頻技術通過改變壓頻來平滑控制交流電動機所輸出的速度及轉矩，在變頻器出現(xiàn)之前，電機調速一般是通過使用直流電機來實現(xiàn)的，或者要利用內建耦合機的電動機，在運轉中的時候通過耦合機實現(xiàn)最終輸出轉速的改變，而變頻器的出現(xiàn)能夠節(jié)約電能，改善生產工藝流程，提高產品質量以及改善運行環(huán)境，因此進一步加強對其的研究非常有必要。基于此本文分析了通用低壓變頻器的設計與實現(xiàn)。

通用低壓變頻器；設計；控制

1 變頻器的基本結構和原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的控制裝置，應用變頻驅動技術改變交流電動機工作電壓的頻率和幅度，來平滑控制交流電動機速度及轉矩。

變頻器的工作原理：總體來說變頻器就是將工頻交流電源轉換成頻率可調的電源設備，根據(jù)交流電動機同步轉速N=60f/p(在式中，N為電機同步轉速，f為電源頻率，p為電機極對數(shù))這一公式，只要改變頻率，就可以改變交流電動機的轉速，變頻器就是根據(jù)這一原理研制開發(fā)出來的電源變換裝置。通用變頻器和專用變頻器的工作原理也相同，只是專用變頻器是根據(jù)專業(yè)設備的特性，研制出來更具有針對性的變頻器，因此要求變頻器容量要求足夠大，過載能力強，紡織和冶金機械要求變頻器的精度高等性能。交一交變頻器的主要缺點是所用電力元器件比交一直一交變頻器多，并且只能運行在電網頻率(工頻)以下，其頻率只能運行在工頻以下，現(xiàn)在各國正在研究開發(fā)中的矩陣式交一交型變頻器可以克服這一缺點。

2 低壓變頻器的設計

2.1 變頻器的設計方法

變頻調速系統(tǒng)設計主要包括以下幾個方面內容：

1)控制系統(tǒng)總體方案設計，明確系統(tǒng)的總體要求及技術條件。包括系統(tǒng)的基本功能﹑控制方案選擇，以及性能指標(響應時間﹑穩(wěn)態(tài)精度﹑通信接口)等。2)設計主電路拓撲結構。3)選擇各變量的檢測元件或傳感器。4)建立電動機數(shù)學模型，并確定控制算法。5)選擇主控制芯片。6)系統(tǒng)硬件設計，包括主電路模塊﹑驅動與保護電路，與相關的電路﹑外圍設備﹑接口電路﹑邏輯電路及鍵盤顯示模塊。7)系統(tǒng)軟件設計，包括應用程序的設計﹑管理以及監(jiān)控。8)在各單元軟硬件調試合格的基礎上，進入系統(tǒng)實驗與統(tǒng)調階段。

2.2 低壓變頻器的硬件設計

電源模塊為系統(tǒng)其它各個模塊提供所需要的電源，設計中，除了要考慮到電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉換效率﹑降低噪聲﹑防止干擾和電路簡化等方面進行優(yōu)化。

圖1 電源部分示意圖

可靠的電源方案是整個硬件電路穩(wěn)定可靠運行的基礎，在電源設計中，直流電源通過成品的電源模塊把高電壓轉換成較低的直流電，直流電經過開關電源模塊，線性穩(wěn)壓模塊，將直流電分別轉換成不同的電壓，供給各部分模塊，電容以及電感的濾波為電壓的穩(wěn)定提供了保障。

2.2.2 數(shù)字量輸入電路

數(shù)字量輸入電路用于外界開關量的輸入，由8路普通數(shù)字量輸入電路和1路高速數(shù)字量輸入電路組成。HCPL-0601的使能輸入允許探測器帶有選通特性。探測器IC的輸出則是一個集電極開路肖特基鉗位晶體管。HCPL-0601的內部屏蔽可保證在Vcm=1000V條件下，其共模瞬變抗擾度達到15000V/ws。這種獨特的設計提供了最大限度的ac和do電路隔離，同時實現(xiàn)了TTL兼容。HCPL-0601光禍的操作參數(shù)保證溫度范圍為一40℃-+85℃，這些參數(shù)允許了系統(tǒng)的無擾運行。

2.2.3 直流母線電壓﹑電流檢測電路

直流電壓檢測電路由運算放大器和電壓比較器構成，運算放大電路實現(xiàn)對電路的保護，電壓比較器實現(xiàn)直流母線的過壓檢測并輸出給AD采樣電路及可一編程邏輯器件CPLD，當母線電壓超過330V時輸出過壓信號，通過程序對電機轉速進行調節(jié)或采取相應措施。

直流電流檢測電路由電流傳感器對母線電流流進行檢測，經過運算放大器輸出給AD采樣電路。

2.3 低壓變頻器的軟件設計

西屋正在研發(fā)的遠期技術，即硅化鈾芯塊和碳化硅包殼的先導試驗組件將在2022年裝入商業(yè)機組堆芯。西屋正在與通用原子能公司(General Atomics)合作研發(fā)碳化硅復合包殼。

主程序的主要功能是負責各個模塊的運行調度:首先系統(tǒng)運行前，先對系統(tǒng)相關參部件進行初始化;其次，當某模塊需要運行的時間到時，就調用相關模塊運行。

本程序設計中，有以下幾大部分:

1)通訊部分，與外設進行通訊，獲取設置參數(shù)，發(fā)送相關信息。

2)數(shù)字量模擬量的輸入輸出部分，通過設置可以用開關量或者模擬量直接控制電機的轉速，同時以開關量模擬量的形式輸出相關信息，其中高速數(shù)字量輸入接口可接編碼器實現(xiàn)電機實時轉速的獲取。

3)PWM產生部分，產生PWM波，控制驅動電路使電機轉動。

4)故障檢測，通過AD采樣獲取相關的電壓電流值，判斷過壓過流故障，避免硬件燒壞。

3 低壓變頻器系統(tǒng)的測試

3.1 靜態(tài)測試

3.1.1 試整流電路

找到變頻器內部直流電源的P端和N端，使用萬用表正向測其阻值，應該有大約幾十歐的阻值，且基本平衡。再使用萬用表相反測其阻值，有一個接近于無窮大的阻值。將紅表棒接到N端，重復以上步驟，都應得到相同結果。如果有以下結果，可以判定電路己出現(xiàn)異常，A.阻值三相不平衡，可以說明整流橋問題。B.正向電阻無窮大，可以斷定整流橋故障或起動電阻出現(xiàn)問題。

3.1.2 測試逆變電路

將紅表棒接到P端，黑表棒分別接U，V，W上，應該有幾十歐的阻值，且各相阻值基本相同，反相應該為無窮大。將黑表棒接到N端，重復以上步驟應得到相同結果，否則可確定逆變模塊不正常。

3.2 動態(tài)測試

3.2.1 上電測試

電機的的驅動電源和電路板的供電電源是隔離的，先給電路板上電，電路板測試正常之后在給功率部分上電。

3.2.2 工作測試

帶動電機轉動，依次測試各個工作狀態(tài)下的控制情況。

切換至遠程控制模式，啟動電機，電機運行起來，遠程模式下有三種狀態(tài):串口通訊，多段速和模擬量控制。

經過對變頻器系統(tǒng)整體進行的測試可以知道設計的通用低壓變頻器符合設計要求，各個模塊運行正常，可通過本地以及遠程多種方式對電機進行控制，測試過程順利。

總之，變頻調速技術是現(xiàn)代電力傳動技術重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術的發(fā)展，交流變頻技術從理論到實際逐漸走向成熟，其具有很多優(yōu)勢，進一步加強對其的研究非常有必要。

[1]徐志勇.新型高壓變頻器的研究[D].北京建筑大學，2013.