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        淺析交流電機(jī)變頻控制方案應(yīng)用策略

        2014-04-29 00:00:00尹波
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年2期

        摘 要:在工業(yè)生產(chǎn)尤其是煉鋼生產(chǎn)中,三相交流異步電動機(jī)由于具有先天的優(yōu)良性能,得到廣泛的應(yīng)用。文章主要就三相交流異步電動機(jī)為研究對象來討論調(diào)速系統(tǒng),采用智能模塊對交流電機(jī)進(jìn)行恒壓頻比控制,基于DSP控制系統(tǒng)研究實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的變頻調(diào)速方案。

        關(guān)鍵詞:異步電動機(jī);變頻調(diào)速;數(shù)字信號處理器;恒壓頻比控制

        1 控制總體方案分析

        1.1 交流電機(jī)變頻控制研究意義

        電動機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的電氣設(shè)備之一,隨著電動機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用數(shù)量的增多,對于電動機(jī)的運(yùn)行控制就顯得尤為重要。交流變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電子技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物,另外隨著我國落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀,轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式,節(jié)能減排工作的不斷推進(jìn),對電動機(jī)運(yùn)行中應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)的改進(jìn)是十分有效的手段。采用交流變頻調(diào)速技術(shù)能夠有效控制電動機(jī)的運(yùn)行效果,根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié),避免不必須要的資源浪費(fèi),現(xiàn)階段基于DSP技術(shù)發(fā)展的交流電機(jī)變頻控制技術(shù)是應(yīng)用較為廣泛的調(diào)速處理技術(shù),新型的控制器不僅具備高速的運(yùn)算能力,并且能夠?qū)崿F(xiàn)多重電機(jī)控制要求,為交流電機(jī)變頻速度調(diào)控的進(jìn)一步推廣提供了技術(shù)上的可能。再者本文應(yīng)用的恒壓頻比控制法是實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制較為有效簡便的方法,能夠較為靈活的實(shí)現(xiàn)調(diào)頻控制。

        1.2 總體設(shè)計(jì)方案

        以三相交流異步電動機(jī)為研究對象,來演示交流電機(jī)變頻控制實(shí)現(xiàn)策略,配合使用DSP作為處理器,在本文中對電動機(jī)主要采用V/F控制方法來進(jìn)行機(jī)械程序運(yùn)算。具體思路為:首先工作人員要通過外接輸入設(shè)備比如鍵盤來輸入需要的調(diào)節(jié)的頻率和改變信號,傳入到DSP處理器中,然后由處理器產(chǎn)生三相六路的SPWM的改變信號,并由光耦隔離傳給驅(qū)動電路,由驅(qū)動電纜實(shí)現(xiàn)IPM的導(dǎo)通和斷開,與此同時(shí)由DSP來檢測是否出現(xiàn)故障輸出,如果檢測出故障,則要關(guān)掉主要電路,反之則繼續(xù)運(yùn)行,由液晶顯示器顯示出運(yùn)行狀態(tài)下的相關(guān)信息,比如頻率、轉(zhuǎn)速等。

        2 系統(tǒng)硬件電路

        根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知,該系統(tǒng)的硬件電路主要由變頻主電路、驅(qū)動電路、光耦隔離電路及保護(hù)電路等組成。

        2.1 變頻主電路

        首先分析變頻主電路,顧名思義變頻主電路是實(shí)現(xiàn)電動機(jī)變頻調(diào)速處理的主要電路。變頻主電路主要包括整流電路、逆變電路和濾波電路三大部分組成。其中整流電路主要采用單相不可控整流橋來實(shí)現(xiàn)電流由交流變?yōu)橹绷鞯牟僮鳌C}動的直流電壓就是整流電路輸出的整流電壓,因此必須采用濾波處理。濾波電容不僅能夠消除整流后的電壓干擾外,還能夠在整流電路與逆變電路中起到去耦合作用,從而消除兩者之間的干擾,為感性負(fù)載提供一定的無功功率,來實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的進(jìn)一步控制,逆變電路的主要功能就是將整流后的直流電變?yōu)榭梢哉{(diào)節(jié)頻率和幅值的交流電,這也是實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)變頻控制的關(guān)鍵步驟,在整個(gè)系統(tǒng)中有著至關(guān)重要的作用。

        2.2 功率驅(qū)動電路

        功率驅(qū)動電路主要是為整個(gè)系統(tǒng)提供必要的功率支持,該系統(tǒng)主要采用智能功率模塊進(jìn)行運(yùn)行,所謂的智能功率模塊是將保護(hù)電路、檢測電路及驅(qū)動電路集成在一個(gè)模塊上的智能電路模塊。該系統(tǒng)中使用的功率驅(qū)動電路主要是采用低飽和壓降配以高開關(guān)速度的功率元件。其中功率開關(guān)采用的IPM主要是以IGBT為核心,采用單電源邏輯電壓輸入的柵極進(jìn)行功率驅(qū)動,以此來實(shí)現(xiàn)邏輯柵區(qū)的控制。利用時(shí)序邏輯進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)控,以免出現(xiàn)電流過大導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱過多造成系統(tǒng)損壞。并且IPM中只要有一個(gè)保護(hù)電路起到保護(hù)的作用,就能夠起到對整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù),并且發(fā)出一個(gè)故障信號。

        2.3 光耦隔離電路

        本文論述的系統(tǒng)主要是采用TLP559光電耦合器進(jìn)行運(yùn)行,并且盡量使光偶合與IPM控制端之間的線路最短,實(shí)現(xiàn)線路產(chǎn)生的阻抗最小。該光電耦合器主要是由發(fā)光二極管進(jìn)行驅(qū)動,采用光耦陰極接限流電阻的形式來形成。

        2.4 系統(tǒng)保護(hù)電路

        系統(tǒng)保護(hù)電路主要是由逆變橋電路組成,在逆變橋的上橋臂上各配置一個(gè)保護(hù)信號輸出單元,其余的下橋臂配置一個(gè)保護(hù)信號輸出,這樣整個(gè)系統(tǒng)中就會有四個(gè)保護(hù)信號,系統(tǒng)正常運(yùn)行沒有出現(xiàn)故障時(shí),光電耦合器處于斷開狀態(tài),系統(tǒng)中的與門處于高電平狀態(tài)。一旦其中一個(gè)橋臂出現(xiàn)故障,則系統(tǒng)就會輸出低電平,光電耦合器處于導(dǎo)通狀態(tài),系統(tǒng)中與門的輸入信號就會變成低電平,這時(shí)DSP處理器就會檢測到一個(gè)下降沿,然后通過設(shè)定的程序判斷出現(xiàn)故障,然后就會封鎖系統(tǒng)中的輸出信號,從而實(shí)現(xiàn)對于整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)作用。

        3 軟件設(shè)計(jì)分析

        該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是采用SPWM法也就是正弦脈寬調(diào)制法來實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)變頻控制。正弦脈寬調(diào)制法主要是通過一定的技術(shù)手段來將輸出的脈沖寬度按照正弦規(guī)律進(jìn)行變動,從而有效的實(shí)現(xiàn)抑制輸出電壓中低次諧波的分量要求,保證電機(jī)工作時(shí)能夠在近似正弦交變電壓下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩較小的脈動,該方法有效地提高了交流電機(jī)的使用范圍,擴(kuò)大的速度調(diào)節(jié)的上下限,生成的正弦脈寬利用規(guī)則采樣法形成序列。具體方法就是將一個(gè)三角載波的周期內(nèi)的正弦調(diào)制波視為不變,在一個(gè)周期內(nèi)只需要取樣一次,采用這種方法就能將正弦脈寬產(chǎn)生的脈沖的中點(diǎn)與三角波的中點(diǎn)重合,從形式上有效簡化正弦脈寬的計(jì)算步驟。根據(jù)事先編寫的程序完成系統(tǒng)和軟件的初始化數(shù)據(jù)操作和頻率信號的采集工作,在中斷子程序的過程中,通過計(jì)算公式來計(jì)算恒壓頻比控制下的M值和對應(yīng)到頻率,并通過相應(yīng)的三相正弦值,進(jìn)行一定的計(jì)算后存儲到內(nèi)置存儲器中進(jìn)行相應(yīng)的幅值工作。具體流程為由開始啟動,首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化操作,然后是軟件的初始化,接著從只讀存儲器中加載一個(gè)周期短正弦波的數(shù)據(jù),然后讀入頻率值,然后由處理器選擇合適的頻率范圍,判斷頻率是否發(fā)生了改變,如果沒有發(fā)生改變則通過查表取得三相正弦值,然后清除操作,進(jìn)行現(xiàn)場的恢復(fù)出來,如果頻率改變了則要重新讀取新的頻率值,并相應(yīng)的改變M值,其余步驟跟頻率沒有改變時(shí)相同。

        4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證報(bào)告表明,系統(tǒng)利用IPM模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在最初的額定電壓為450V,額定電流為10A,控制電路中的電壓為15V,設(shè)定的開關(guān)頻率為20KHz。電機(jī)選擇的是三相鼠籠式異步電動機(jī),電動機(jī)穩(wěn)定時(shí)DSP輸出的信號按照正弦規(guī)律由小到大進(jìn)行變動??梢钥闯鲈撓到y(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)交流電機(jī)變頻的有效控制。

        5 結(jié)束語

        本文主要論述了基于DSP技術(shù)和智能功率模塊控制交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng),簡要解釋了該系統(tǒng)的硬件組成部分,該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)運(yùn)行展示出了良好的實(shí)際應(yīng)用性能,結(jié)構(gòu)簡單精度高,并且系統(tǒng)配置價(jià)格相對較低,因此整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比較高,另外穩(wěn)定性強(qiáng)也是其突出的一個(gè)特點(diǎn)。DSP技術(shù)的發(fā)展為電動機(jī)變頻調(diào)速的進(jìn)一步拓展應(yīng)用提供了技術(shù)可能,為變頻調(diào)速的進(jìn)一步研究提供了參考性意見。隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,對于電動機(jī)的變頻調(diào)控技術(shù)已經(jīng)開始逐步向著人機(jī)智能對話界面來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)運(yùn)行全過程的監(jiān)控,相信隨著電子技術(shù)和微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,交流電機(jī)的變頻操作會更加的靈活自如,更好的促進(jìn)我國科學(xué)發(fā)展觀的有效落實(shí)。

        參考文獻(xiàn)

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