異步電機變頻調速實驗裝置的設計與制作

夏帥 陶韌 李蒙蒙 趙仁慈

摘 要：變頻調速憑借其優良的調速性能在交流調速中廣泛應用，成為國內外研究的熱點問題。本科階段對于變頻調速系統的學習也是電氣專業的教學重點。以實驗室現有異步電機為被控對象，設計制作變頻調速實驗裝置，編寫矢量控制程序，有效充實當前實驗平臺的教學內容，提高教學效果。

關鍵詞：變頻調速；矢量控制；實驗裝置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.004

0 引言

異步電動機憑借結構簡單、維護方便、運行效率高、適用工作環境廣等優點，受到越來越多的關注。在眾多異步電機調速方法中，變頻調速系統具有調速范圍廣、平滑性好的特點，具備優良的動、靜態特性，是一種理想的高效率、高性能的調速方式，因此變頻調速系統發展迅速并成為交流調速的主流。本文所設計的變頻調速實驗裝置是為了補充本科生“電力電子與電力拖動”實驗教學而制作的，通過應用變頻調速技術，實現對異步電機的轉速控制，是對實驗平臺現有實驗內容的有效補充。

1 異步電機變頻調速理論

為充分利用異步電機磁場，需要保證電機磁場在額定轉速以下維持穩定，即：在額定轉速以下調速時，需要同時改變異步電機的供電電壓，這就是所謂的變壓變頻調速。當今變頻調速主要分為基于轉子磁鏈定向的矢量控制（FOC）系統和基于定子磁鏈定向的直接轉矩控制系統（DTC），矢量控制系統因其開關頻率固定、轉矩脈動等優點，在實際應用中較為廣泛。基于轉子磁鏈定向的矢量控制系統通過磁場定向和坐標變換技術，實現了定子電流轉矩分量和勵磁分量的解耦控制，采用直流電機調速理論，分別設計轉速和磁鏈調節器，實現轉速控制[2]。

2 變頻調速實驗裝置的硬件電路設計

本文所設計實驗裝置的硬件電路包含主電路、控制電路以及信號采集電路，硬件電路的整體結構框圖如圖1所示。

主電路包括二極管不控整流、預充電電路、濾波電路、IGBT逆變電路、驅動電路及緩沖電路等。控制部分選擇恩智浦公司的MK60DN512VLL10為主控芯片。信號采集主要包括母線電壓、輸出電流、電機轉速等的檢測。

2.1 主電路設計

主電路的作用是根據調速要求產生變壓變頻交流電，以驅動被控電機。為實現這一功能，設計的變壓變頻實驗裝置的主電路結構如圖2所示。

首先采用二極管構成整流橋，將工頻交流電整流成直流電。采用電解電容、充放電電阻，實現對中間直流環節的濾波與保護。逆變部分采用基于IGBT設計三相逆變橋，向被控電機提供能量。

2.2 控制電路

矢量控制中，坐標變換需要大量的運算，基于運算量、控制實時性及外設資源等方面的考慮，選擇恩智浦系列的MK60DN512VLL10（以下簡稱MK60）作為本變頻調速實驗裝置的主控芯片。MK60的運算速度、可提供的接口類型以及其功耗，而且恩智浦系列單片機擁有多路DAC輸出、高精度模擬量檢測模塊、通信模塊接口豐富、抗干擾能力強等諸多優點，在滿足本設計的基礎上仍有可開發的空間，方便后期功能的繼續的拓展[3]。

2.3 信號檢測及處理電路

為保障系統免于過流危害，需要對系統直流母線以及逆變輸出端的電流進行檢測，當電流超出安全閾值時，MK60發出光電報警信號，并進行相應的信號關斷，停止發波等操作，以保證系統的安全。通過比較，在本實驗裝置中采用霍爾傳感器對系統的電流進行采樣。由于LEM公司的LA25-NP型號的電流傳感器，精度高，響應時間小于1，安全工作電壓600V，抗干擾能力強。滿足系統對電流采樣的要求。由于主控芯片的AD端口，只能檢測0～3.3V的模擬量，而逆變輸出端的電流為雙極性，所以在檢測逆變輸出側的電流時，需要對將模擬量信號進行調理。本設計所采用的電流處理電路如圖3所示。

2.4 驅動電路設計

控制電路的PWM信號需要通過驅動電路實現隔離、放大后，施加到功率開關器件IGBT上，實現對電力電子器件的開通關斷控制。本裝置中，選用HCPL316J作為驅動電路的隔離芯片，所設計的驅動電路如圖4所示。

3 變頻調速實驗裝置的軟件設計

本設計的功能實現除了依靠穩定安全的硬件，還需要軟件的支撐。在硬件設計完成的基礎上對進行軟件的設計編寫。軟件設計主要包括：系統初始化、信號采集、預充電控制、SVPWM、通信等部分。整個系統的程序流程圖如圖5所示。

4 實驗測試與結論

為了驗證所設計實驗裝置的功能，分別對驅動電路、預充電電路、信號處理電路、轉速檢測、PWM輸出等功能進行了測試，相關實驗波形如圖6所示。

上述測試結果表明：所設計的變頻調速實驗裝置達到了設計目標，可實現異步電機的變頻調速控制，并與當前“電力電子與電力拖動”實驗平臺兼容，有效補充實驗項目，提高了教學效果。

參考文獻：

[1]阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統—運動控制系統（第四版）[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]李永東.交流電機數字控制系統[M].北京：機械工業出版社，2002.

[3]Freescale Semiconductor .MK60P100M100SF2V2，Data Sheet： Technical Data.2013.

[4]陳景熙.PWM變頻調速系統相關技術問題研究[D].華中科技大學， 2007.

[5]Hashem，G.M， EI-Koshariy，A.D.Investigation of induction motor performance fed from PWM inverter[J].Power systems conference，vol.2，2006：421-426.

作者簡介：夏帥（1984-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，講師，研究方向：交流電機調速和新能源發電技術。