【交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)11000字（論文）】

X3IGBT元器件的相關(guān)設(shè)計(jì)3.1IGBT所具有的保護(hù)IGBT作為一種集成器件有著非常出色的特性，其應(yīng)用方式也很廣泛，通常應(yīng)用于微型供電元件和逆變器中。所以，IGBT作為一個(gè)重要器件被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)當(dāng)中，并且得到了極大程度的推廣與普及。但是，IGBT本身也存在著一些缺陷，這就需要我們?nèi)ソ鉀Q。實(shí)際工業(yè)使用時(shí)，除具備耐電壓、電流等性能之外，對(duì)于驅(qū)動(dòng)器之防護(hù)亦須兼顧下列幾點(diǎn)：（1）短路（過(guò)電流）保護(hù)短路故障時(shí)IGBT集電區(qū)與基區(qū)間PN結(jié)電流變大，并逐漸大于限定值使得Uce增大。由于在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生了熱量，Uce不斷地增大而使得溫度上升到一定程度就可能導(dǎo)致器件損壞甚至是爆炸事故發(fā)生。因此當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，必須切斷電源。由于IGBT是一個(gè)不可逆的電路。因此，在IGBT發(fā)生短路時(shí)，應(yīng)關(guān)斷IGBT。（2）過(guò)電壓保護(hù)IGBT啟閉速度較快，IGBT在需要啟閉狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生較大，由于周圍存在連線中電感形成瞬時(shí)過(guò)電壓并形成瞬時(shí)過(guò)電壓值超過(guò)IGBT的Uce限定值導(dǎo)致毀壞。為了防止IGBT受到瞬間電壓的損壞，可以采用一些方法來(lái)保護(hù)IGBT。IGBT內(nèi)設(shè)置緩沖電路以方便吸收瞬時(shí)過(guò)電壓；IGBT驅(qū)動(dòng)電路Uce調(diào)整使其最小。（3）柵極電阻IGBT輸入端等效阻抗較大，仍為呈容性阻抗，非工作時(shí)不需DC電流，為減小IGBT集電區(qū)至基區(qū)間PN結(jié)電壓峰值脈沖需串聯(lián)一電阻Rg，該電阻對(duì)線路中線路起保護(hù)作用，Rg增大時(shí)，IGBT開(kāi)關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)，能量消耗增加；Rg減小則電流改變顯著，有可能不慎導(dǎo)通線路或損毀IGBT。因此應(yīng)根據(jù)電流限制容量，電壓限定值及開(kāi)關(guān)斷頻率等參數(shù)選擇合適線路。3.2IGBT的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)IGBT用的模塊有很多，其中EXB系列模塊應(yīng)用較多，EXB84系列是日系公司生產(chǎn)的專用于驅(qū)動(dòng)IGBT芯片，其可驅(qū)動(dòng)電壓峰值達(dá)到1200V。它具有很好的隔離能力，能夠有效地防止IGBT在工作過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的過(guò)電流。模塊內(nèi)部功能豐富，采用+20VDC供電，內(nèi)部有TLP550電路。如圖3.1所示。并且通過(guò)對(duì)功率MOSFET管進(jìn)行熱仿真后發(fā)現(xiàn)，IGBT管中溫度上升很快，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到散熱問(wèn)題。為了能夠保證正常工作的可靠性，我們必須要有完善的保護(hù)措施。電路內(nèi)部也集合了檢查過(guò)電流用的電路與慢速關(guān)斷慢電流用的電路，其中檢查過(guò)流用電路是根據(jù)驅(qū)動(dòng)與集電區(qū)與基區(qū)間PN結(jié)之電壓二者之連接而檢查過(guò)流用。IGBT電流是由器件內(nèi)部產(chǎn)生的慢電流通過(guò)控制IGBT的開(kāi)關(guān)而產(chǎn)生的，IGBT的工作時(shí)間可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。避免集電區(qū)與基區(qū)間PN結(jié)中IGBT產(chǎn)生較大峰值電壓脈沖；RG與柵極間串接緩沖電阻。圖3.1EXB841驅(qū)動(dòng)電路在利用這一計(jì)劃時(shí)應(yīng)注意下列問(wèn)題：（1）IGBT柵-射極啟動(dòng)電路前后聯(lián)線應(yīng)不超過(guò)1M，柵-射極采用絞線連接。（2）在IGBT的集電區(qū)與基區(qū)之間采用PN結(jié)來(lái)產(chǎn)生峰值電壓脈沖，這樣可以降低IGBT的損耗和提高柵極上的Rg。（3）電容C選擇EXB840和EXB850是33VF，對(duì)于EXB841來(lái)說(shuō)是47VF。3.3控制電路SPWM由3個(gè)重要模塊組成：時(shí)基發(fā)生器、帶相位啟動(dòng)通路以及控制相關(guān)元器件。相位是通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)通道的開(kāi)通時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的，TON=總時(shí)間/TON+TON+輔助電路的工作模式由中斷發(fā)生器決定。P6口接在逆變器上，它可以產(chǎn)生多達(dá)六條不同頻率的SPWM信號(hào)，其中每一條都有自己獨(dú)立的SPWM信號(hào)；取樣法測(cè)得的波形顯示出了很好的效果，并且能準(zhǔn)確地測(cè)量到三相脈寬。由于采用雙極性調(diào)制技術(shù)，使得輸入電壓波形畸變率很小，輸出電流諧波含量低，具有很好的輸出特性。另外還對(duì)整個(gè)系統(tǒng)作了詳細(xì)說(shuō)明。為抑制同一橋段內(nèi)兩功率管短路，SPWM起動(dòng)電路設(shè)計(jì)應(yīng)具有死區(qū)互鎖功能，使同橋段內(nèi)兩二極管SPWM脈沖信號(hào)互相兼容，高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)將其設(shè)置到高電平無(wú)法控制的時(shí)間域內(nèi)，以確保同橋段內(nèi)各功率管不一同開(kāi)路。圖3.2三相異步電動(dòng)機(jī)和87C196MC的聯(lián)接方式3.4檢測(cè)電路3.4.1霍爾傳感器/變送器的性能特點(diǎn)霍爾傳感器具有良好的電氣（機(jī)電）特性，是用于電氣檢驗(yàn)的尖端元器件，可屏蔽主電路及輔助電路。其集儀用變壓器、分流器優(yōu)點(diǎn)于一體，采用同一檢驗(yàn)元器件，可共同對(duì)DC、AC進(jìn)行檢驗(yàn)，并可對(duì)瞬時(shí)峰值大小進(jìn)行檢測(cè)，是一種代替儀用變壓器及分流器的新型設(shè)備。霍爾傳感器有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。（1）U、I波形不論何種形狀均可測(cè)。但是由于這種信號(hào)是以脈沖形式出現(xiàn)在示波器上的，因此它比一般的線性電流或電壓要復(fù)雜得多。現(xiàn)在最常用的方法是用霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)它們。這種器件很容易制造。用霍爾傳感器元件來(lái)測(cè)量U、I、DC或AC波形。瞬時(shí)峰值也可以被測(cè)量。（2）對(duì)信號(hào)進(jìn)行了分析和處理，并驗(yàn)證其精確程度。霍爾傳感器元件比工作區(qū)精確程度高，能探測(cè)到每個(gè)波形。（3）動(dòng)態(tài)特性較好。采用光電耦合器和磁敏元件構(gòu)成的磁傳感器具有很高的靈敏度、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。在外加磁場(chǎng)作用下，其輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生很大變化，這就要求傳感器具備較好的響應(yīng)能力?；魻栐骷?dòng)態(tài)反應(yīng)時(shí)間不會(huì)超過(guò)1μs，跟蹤速度不低于50A/us，但一般儀用變壓器動(dòng)態(tài)反應(yīng)時(shí)間在15μs左右。3.4.2霍爾元件的使用方法常用的補(bǔ)償傳感器元件有這三類：CHB-×p、CHB-S、LA-××p，這三類元件均以電流作為輸出。它們?cè)谕饧与妷鹤饔孟?，M端子與電源接地之間串聯(lián)一個(gè)采樣電阻。如果采用一種簡(jiǎn)單而又實(shí)用的電路來(lái)測(cè)量這種元件的特性，就可將這些裝置用于各種用途。在圖3.3中，有代表性地給出了一種布線方法。圖3.3霍爾元件布線方法1.轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路接通電源，根據(jù)光電符號(hào)確定電動(dòng)機(jī)速度，光電開(kāi)關(guān)經(jīng)光電編碼器（光電脈沖分離器）輸出處用LED導(dǎo)線以兩通道A和B90度差值用87c96mc分別送至t1clk、t1dir型零件上。t1dir信號(hào)升至t1clk管底時(shí)T1的號(hào)碼；反之，T1在此處被扣除，我們就會(huì)觀測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)字測(cè)速組件包括一個(gè)或多個(gè)光電盤編碼器和一個(gè)或多個(gè)測(cè)量裝置，它們被配置為提供不同的分辨率。在該系統(tǒng)中使用了Mt轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)產(chǎn)生所需要的脈沖信號(hào)。脈沖發(fā)生器可產(chǎn)生沿旋轉(zhuǎn)方向連續(xù)變化的一系列脈沖，并通過(guò)監(jiān)視設(shè)備實(shí)時(shí)顯示這些脈沖的位置和數(shù)量，從而達(dá)到提高軸測(cè)量速度的目的。在所謂mt轉(zhuǎn)換方法中，若時(shí)鐘等于PV發(fā)電動(dòng)機(jī)M1脈沖總和時(shí)，僅M1、M2脈沖測(cè)量值不等于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。2.光電耦合器本系統(tǒng)使用了6n137光電耦合器，6n137屬于高速光隔離設(shè)備適合數(shù)據(jù)傳輸要求較高。6n137具有良好的輸入信號(hào)校正功能；當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率較低時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整輸入電壓來(lái)補(bǔ)償傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，從而保證了高速率下的讀寫性能。此外，該傳感器還可用于其他需要高精度的場(chǎng)合。在電路速度測(cè)量中，為避免因工作場(chǎng)所干擾造成磁盤信號(hào)不正確，需要把信號(hào)磁盤從外部隔離開(kāi)來(lái)，以使磁盤信號(hào)經(jīng)過(guò)多次光學(xué)連接后送到機(jī)器上，由于6n137是高頻響應(yīng)的輸出，它適用于從光盤上分離輸出。6N137電路接線見(jiàn)圖3.4所示：圖3.46N137電路接線圖3.5輔助電路3.5.1集成穩(wěn)壓電源系統(tǒng)采用87c96mc、exb841LGBT驅(qū)動(dòng)器等光電隔離電路進(jìn)行供電，若電源獨(dú)立設(shè)計(jì)，體積大、要求直流電壓高，這里將兩種電壓整合到lm317、cw7800兩端，其可輸出持續(xù)可調(diào)直流電壓。它的應(yīng)用電路圖見(jiàn)圖3.5。圖3.5CW7805典型應(yīng)用電路3.5.2由LM317組成恒流源電路LM317為美國(guó)產(chǎn)三重可調(diào)穩(wěn)壓器（AC），其高電壓精度為3個(gè)輸出端口整合而成，也就是說(shuō)第6側(cè)輸入不公共接地且一般接地跨電阻串聯(lián)。圖3.6表示一種典型應(yīng)用圖：當(dāng)圖中的調(diào)制改變到V0R2，C2接通來(lái)降低干擾因素大小，可使制動(dòng)大于20db，但因二極管D1短路而需接通C3輸出電路進(jìn)行短路，若不接通D1，C2使r1c1時(shí)間常數(shù)表現(xiàn)緩慢，可能使短路到D1后輸出等于零而對(duì)機(jī)器造成損害。圖3.6LM317典型應(yīng)用電路圖3.6時(shí)鐘及復(fù)位電路讓計(jì)算機(jī)以初始狀態(tài)變成單個(gè)芯片或者系統(tǒng)中其它部件裝置復(fù)位狀態(tài)運(yùn)行的最簡(jiǎn)單線路復(fù)位圖3.7顯示，復(fù)位線路PK端所用引腳后，只需復(fù)位終止已經(jīng)回復(fù)到PK選擇即可產(chǎn)生正脈沖。這種電路是由兩個(gè)獨(dú)立的單元組成，其中一個(gè)用來(lái)初始化CPU，另一個(gè)則用于初始化RAM。這兩個(gè)單元都可以采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘頻率6MHz，除需電復(fù)位以外，還要122V，有時(shí)需手動(dòng)復(fù)位，此處需點(diǎn)擊復(fù)位按鈕。復(fù)位電路及時(shí)鐘電路圖如下所示。圖3.7時(shí)鐘電路圖3.8復(fù)位電路4交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真Matlab作為一種前沿的數(shù)學(xué)模型分析與計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序可以對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模與模擬，尤其適合矩陣分析與計(jì)算。因此，MATLAB成為應(yīng)用數(shù)學(xué)中最有前途的一種軟件之一，它已被廣泛地運(yùn)用到許多領(lǐng)域之中。尤其是在自動(dòng)控制理論方面，Matlab提供了很多重要的分析方法與手段。由于Matlab具有很強(qiáng)的開(kāi)放性，所以用戶可以根據(jù)自己的需要開(kāi)發(fā)出各種軟件。在此背景下開(kāi)發(fā)出非常多的有用工具系統(tǒng)軟件，例如控制系統(tǒng)、信號(hào)處理、最優(yōu)控制和系統(tǒng)辨識(shí)。4.1變流電路的仿真4.1.1整流電路仿真本設(shè)計(jì)所使用的整流電路是用電容濾波的三相不可控整流電路（見(jiàn)圖4.1）。所討論的三相不可控整流電路設(shè)計(jì)成三相橋式結(jié)構(gòu)；其原理是：在一對(duì)二極管導(dǎo)通的情況下，其輸出直流電壓與交流側(cè)電壓的最大值相等，線電壓既給電容器提供電源，又給負(fù)載提供電源。為了使變壓器能正常工作，必須保證兩個(gè)端點(diǎn)都有足夠大的電流流過(guò)，使二極管以線電壓過(guò)零角起導(dǎo)通。線電壓=sin（t+）相電壓=sin（t+-30°）電流平均值=電容電流平均值=0=其中為輸出電壓平均值（=）圖4.1帶電容濾波的三相不可控整流電路依據(jù)它的原理對(duì)它進(jìn)行了模擬，并依據(jù)模擬結(jié)果所得到的數(shù)據(jù)利用以上公式對(duì)它進(jìn)行了檢驗(yàn)。一般情況下，AC與DC、AC與DC電壓轉(zhuǎn)換器、一些AC與DC轉(zhuǎn)換整流器都采用無(wú)控制DC鏈接得到了廣泛的應(yīng)用通過(guò)對(duì)這些回路的模擬，可根據(jù)控制閥及仿真設(shè)定控制角度為零。采用模塊化整流器本課題采用無(wú)節(jié)制的無(wú)節(jié)制裝置來(lái)符合電阻仿真模型：圖4.2三相不控橋阻容性負(fù)載的仿真模型一般情況下，AC、DC轉(zhuǎn)換器作為非DC連接器被廣泛應(yīng)用于AC、DC之間。然而，由于它們的輸出端連接到輸入端子上，因此可能會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題。本文將介紹一種設(shè)計(jì)方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)上述電路的仿真，可利用整流器單元來(lái)設(shè)定控制角度。仿真波形如下所示：圖4.3AC-DC波形圖圖4.4AC-DC轉(zhuǎn)換器波形圖圖4.5AC-DC整流輸出電壓波形圖4.6AC-DC轉(zhuǎn)換器整流輸出電壓波形4.1.2三相電壓源型SPWM逆變器仿真三相電壓逆變器（SPWM源）是應(yīng)用最廣泛的逆變器之一，其利用三相電壓來(lái)仿真SPWM逆變器中Simulink模塊。三相電壓源SPWM逆變器的仿真模型如下。圖4.7三相SPWM逆變器仿真模型圖4.8三相SPWM逆變器仿真波形4.2轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真如下圖所示為FDA頻率控制系統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模擬示意圖，該系統(tǒng)含有獨(dú)立的三波發(fā)射機(jī)將信號(hào)與輸入信號(hào)互相匹配并選擇輸出PWM信號(hào)脈沖，子系統(tǒng)由6個(gè)功率單元FDA制造的信號(hào)輸入單元組成用于控制脈沖以在6種型號(hào)異步式電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行停選單元并需配置合適的參數(shù)。設(shè)定電動(dòng)機(jī)參數(shù)：[額定功率：1.0kw；線電壓：380V；頻率：50Hz]，[定子電阻：0.455歐姆；漏感：1.5mH]，[轉(zhuǎn)子電阻：0.796歐姆；漏感：1.5mH]，[定轉(zhuǎn)子互感：70.43mH]，[轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.09；摩擦系數(shù)為0；電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)：2]。圖4.9轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型空載時(shí)仿真波形如下所示：圖4.10空載仿真波形圖4.11轉(zhuǎn)速變化情況圖4.12轉(zhuǎn)矩變化情況負(fù)載轉(zhuǎn)矩為11.8N.m時(shí)的波形如下：圖4.13負(fù)載轉(zhuǎn)矩為11.8N.m仿真波形圖4.14轉(zhuǎn)速變化情況圖4.15轉(zhuǎn)矩變化情況由圖中可看出非常清晰之速度波形，在恒定速度0.1400rpm之情況下，可清楚地看出轉(zhuǎn)矩波形之變化歷程，轉(zhuǎn)矩下降，但其數(shù)值卻大于負(fù)載達(dá)恒定速度之轉(zhuǎn)矩最后下降之電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩之轉(zhuǎn)矩值與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之轉(zhuǎn)矩值在0.3s內(nèi)相等，而在轉(zhuǎn)速幾乎不變之情況下轉(zhuǎn)矩幾乎不變。基于仿真圖得到的數(shù)據(jù)如下：表4.1電壓與電流關(guān)系輸出電壓輸出電流375V0.186A376V0.187A378V0.188A380V0.190A表4.2電動(dòng)機(jī)三相的電壓值A(chǔ)相B相C相-80V-160V80V0V0V0V80V0V-80V160V-80V-80V5結(jié)論交流異步電動(dòng)機(jī)工作時(shí)電壓u不可能是恒定的，它將隨頻率f變化最終U/f幾乎不變。異步電動(dòng)機(jī)具有良好的轉(zhuǎn)矩特性，尤其是在低速工作時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的快速起動(dòng)與停止，因此被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合，但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉等特點(diǎn)，使得電動(dòng)機(jī)多采用AC電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速。在此基礎(chǔ)上，本論文針對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)展開(kāi)設(shè)計(jì)與研究，先設(shè)計(jì)出電機(jī)變頻元件，然后對(duì)于著重分析IGBT元器件，主要是有驅(qū)動(dòng)電路，控制電路，檢測(cè)電路，輔助電路與復(fù)位電路等均展開(kāi)闡述，最后利用變頻器與MATLAB仿真得出變頻調(diào)速原理，使用情況與今后發(fā)展趨勢(shì)。工業(yè)是整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，而變頻調(diào)速技術(shù)在其中占據(jù)著重要地位，它不僅可以降低產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的能耗和污染，而且也能夠促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展。最后對(duì)整個(gè)方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證分析。但是就目前情況來(lái)看，在使用變頻調(diào)速技術(shù)過(guò)程中還存在著一些問(wèn)題需要引起相關(guān)技術(shù)人員的重視，只有這樣才能更好地發(fā)揮出電氣控制和變頻技術(shù)的作用，從而提高我國(guó)的工業(yè)發(fā)展水平以及經(jīng)濟(jì)實(shí)力。通過(guò)仿真能很容易地測(cè)試設(shè)計(jì)方案的可行性，也能模擬出實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中所碰到的各種問(wèn)題并加以解決。參考文獻(xiàn)[1]熊英鵬,毛佳昌.基于CFPWM的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程,2020,28(3):5.[2]楊梟.交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)逆變器開(kāi)路故障診斷[J].有色設(shè)備,2020.[3]黨永財(cái),米鵬鵬,毛宏源,等.交流電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真[J].技術(shù)與市場(chǎng),2019,