和 虎

華電渠東發(fā)電有限公司

通用低壓變頻器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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變頻器是一種針對(duì)電機(jī)的可以調(diào)節(jié)頻率的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)用變頻技術(shù)通過(guò)改變壓頻來(lái)平滑控制交流電動(dòng)機(jī)所輸出的速度及轉(zhuǎn)矩，在變頻器出現(xiàn)之前，電機(jī)調(diào)速一般是通過(guò)使用直流電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，或者要利用內(nèi)建耦合機(jī)的電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)轉(zhuǎn)中的時(shí)候通過(guò)耦合機(jī)實(shí)現(xiàn)最終輸出轉(zhuǎn)速的改變，而變頻器的出現(xiàn)能夠節(jié)約電能，改善生產(chǎn)工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量以及改善運(yùn)行環(huán)境，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其的研究非常有必要?；诖吮疚姆治隽送ㄓ玫蛪鹤冾l器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

通用低壓變頻器；設(shè)計(jì)；控制

1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)和原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)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(yīng)用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)改變交流電動(dòng)機(jī)工作電壓的頻率和幅度，來(lái)平滑控制交流電動(dòng)機(jī)速度及轉(zhuǎn)矩。

變頻器的工作原理：總體來(lái)說(shuō)變頻器就是將工頻交流電源轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電源設(shè)備，根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速N=60f/p(在式中，N為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，f為電源頻率，p為電機(jī)極對(duì)數(shù))這一公式，只要改變頻率，就可以改變交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻器就是根據(jù)這一原理研制開(kāi)發(fā)出來(lái)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(shè)備的特性，研制出來(lái)更具有針對(duì)性的變頻器，因此要求變頻器容量要求足夠大，過(guò)載能力強(qiáng)，紡織和冶金機(jī)械要求變頻器的精度高等性能。交一交變頻器的主要缺點(diǎn)是所用電力元器件比交一直一交變頻器多，并且只能運(yùn)行在電網(wǎng)頻率(工頻)以下，其頻率只能運(yùn)行在工頻以下，現(xiàn)在各國(guó)正在研究開(kāi)發(fā)中的矩陣式交一交型變頻器可以克服這一缺點(diǎn)。

2 低壓變頻器的設(shè)計(jì)

2.1 變頻器的設(shè)計(jì)方法

變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：

1)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，明確系統(tǒng)的總體要求及技術(shù)條件。包括系統(tǒng)的基本功能﹑控制方案選擇，以及性能指標(biāo)(響應(yīng)時(shí)間﹑穩(wěn)態(tài)精度﹑通信接口)等。2)設(shè)計(jì)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3)選擇各變量的檢測(cè)元件或傳感器。4)建立電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，并確定控制算法。5)選擇主控制芯片。6)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括主電路模塊﹑驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路，與相關(guān)的電路﹑外圍設(shè)備﹑接口電路﹑邏輯電路及鍵盤(pán)顯示模塊。7)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)﹑管理以及監(jiān)控。8)在各單元軟硬件調(diào)試合格的基礎(chǔ)上，進(jìn)入系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與統(tǒng)調(diào)階段。

2.2 低壓變頻器的硬件設(shè)計(jì)

電源模塊為系統(tǒng)其它各個(gè)模塊提供所需要的電源，設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換效率﹑降低噪聲﹑防止干擾和電路簡(jiǎn)化等方面進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 電源部分示意圖

可靠的電源方案是整個(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，在電源設(shè)計(jì)中，直流電源通過(guò)成品的電源模塊把高電壓轉(zhuǎn)換成較低的直流電，直流電經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源模塊，線性穩(wěn)壓模塊，將直流電分別轉(zhuǎn)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(kāi)關(guān)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(cè)器帶有選通特性。探測(cè)器IC的輸出則是一個(gè)集電極開(kāi)路肖特基鉗位晶體管。HCPL-0601的內(nèi)部屏蔽可保證在Vcm=1000V條件下，其共模瞬變抗擾度達(dá)到15000V/ws。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)提供了最大限度的ac和do電路隔離，同時(shí)實(shí)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(wú)擾運(yùn)行。

2.2.3 直流母線電壓﹑電流檢測(cè)電路

直流電壓檢測(cè)電路由運(yùn)算放大器和電壓比較器構(gòu)成，運(yùn)算放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)，電壓比較器實(shí)現(xiàn)直流母線的過(guò)壓檢測(cè)并輸出給AD采樣電路及可一編程邏輯器件CPLD，當(dāng)母線電壓超過(guò)330V時(shí)輸出過(guò)壓信號(hào)，通過(guò)程序?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)或采取相應(yīng)措施。

直流電流檢測(cè)電路由電流傳感器對(duì)母線電流流進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器輸出給AD采樣電路。

2.3 低壓變頻器的軟件設(shè)計(jì)

西屋正在研發(fā)的遠(yuǎn)期技術(shù)，即硅化鈾芯塊和碳化硅包殼的先導(dǎo)試驗(yàn)組件將在2022年裝入商業(yè)機(jī)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(fù)合包殼。

主程序的主要功能是負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的運(yùn)行調(diào)度:首先系統(tǒng)運(yùn)行前，先對(duì)系統(tǒng)相關(guān)參部件進(jìn)行初始化;其次，當(dāng)某模塊需要運(yùn)行的時(shí)間到時(shí)，就調(diào)用相關(guān)模塊運(yùn)行。

本程序設(shè)計(jì)中，有以下幾大部分:

1)通訊部分，與外設(shè)進(jìn)行通訊，獲取設(shè)置參數(shù)，發(fā)送相關(guān)信息。

2)數(shù)字量模擬量的輸入輸出部分，通過(guò)設(shè)置可以用開(kāi)關(guān)量或者模擬量直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)以開(kāi)關(guān)量模擬量的形式輸出相關(guān)信息，其中高速數(shù)字量輸入接口可接編碼器實(shí)現(xiàn)電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的獲取。

3)PWM產(chǎn)生部分，產(chǎn)生PWM波，控制驅(qū)動(dòng)電路使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

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

3 低壓變頻器系統(tǒng)的測(cè)試

3.1 靜態(tài)測(cè)試

3.1.1 試整流電路

找到變頻器內(nèi)部直流電源的P端和N端，使用萬(wàn)用表正向測(cè)其阻值，應(yīng)該有大約幾十歐的阻值，且基本平衡。再使用萬(wàn)用表相反測(cè)其阻值，有一個(gè)接近于無(wú)窮大的阻值。將紅表棒接到N端，重復(fù)以上步驟，都應(yīng)得到相同結(jié)果。如果有以下結(jié)果，可以判定電路己出現(xiàn)異常，A.阻值三相不平衡，可以說(shuō)明整流橋問(wèn)題。B.正向電阻無(wú)窮大，可以斷定整流橋故障或起動(dòng)電阻出現(xiàn)問(wèn)題。

3.1.2 測(cè)試逆變電路

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

3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試

3.2.1 上電測(cè)試

電機(jī)的的驅(qū)動(dòng)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(cè)試正常之后在給功率部分上電。

3.2.2 工作測(cè)試

帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，依次測(cè)試各個(gè)工作狀態(tài)下的控制情況。

切換至遠(yuǎn)程控制模式，啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行起來(lái)，遠(yuǎn)程模式下有三種狀態(tài):串口通訊，多段速和模擬量控制。

經(jīng)過(guò)對(duì)變頻器系統(tǒng)整體進(jìn)行的測(cè)試可以知道設(shè)計(jì)的通用低壓變頻器符合設(shè)計(jì)要求，各個(gè)模塊運(yùn)行正常，可通過(guò)本地以及遠(yuǎn)程多種方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，測(cè)試過(guò)程順利。

總之，變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實(shí)際逐漸走向成熟，其具有很多優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)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(xué)，2013.