电压源型异步电动机变压变频调速系统设计

课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：

摘要

近年来，普通交流异步电动机变频调速系统被广泛应用，交流电机变压变频调速及其相关技术的研究已成为现代电气传动领域的一个重大课题，并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变压变频调速技术还将会取得巨大进步。但是，普通交流异步电动机都是按恒频、恒压设计的，在频率改变时，电动机的参数和性能都将发生改变。由于异步电动机本身的非线性性，加上工作频率的改变，使其建模非常困难，因此，长期以来，在设计普通交流异步电动机变频调速系统时，只是凭借经验确定一些重要参数。

本文对变压变频调速理论，逆变技术进行了研究，并且是针对于电压源型进行了探讨，在此基础上设计了一个电压型频率双闭环的异步调频电动机，一交流异步电动机作为被控对象，以单片机为核心，从而设计出来一个符合要求的调速系统。

关键字：变压变频；双闭环；异步电动机；电压型

目录

第1章绪论 (1)

第2章课程设计方案 (2)

2.1概述 (2)

2.2电压源型频率开环的异步电动机变压变频调速系统 (2)

2.2.1 系统的组成及格控制环节分析 (2)

2.2.2 交直交电压源型逆变器的数学模型 (4)

第3章控制电路的设计与分析 (6)

3.1整流电路 (6)

3.2逆变电路 (6)

3.3IGBT简介及驱动要求 (8)

3.4保护电路 (10)

第4章课程设计总结 (13)

参考文献 (14)

第1章绪论

变频调速被认为是一种理想的交流调速方法，是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。大家都知道，目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。从大的范围来分，电机有直流电机和交流电机。由于直流机调速容易实现，性能好，因此过去生产机械的调速多用直流电动机。但直流机固有的缺点：由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来太大的麻烦。因此人们希望，让简单可靠廉价的笼式交流电机也像直流电动机那样调速。这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机。随着电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，出现了变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢。

变频调速用变频器，它的种类多，按使用的电力电子器件及其控制、换流方式分，有基于半控器件晶闸管（Thyristor）移相控制、自然换流的变频器及基于全控器件IGBT、IGCT、IEGT等PWM控制、自关断换流的变频器两大类。所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将50Hz 的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交-交变频)，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中；间接变频(又称交-直-交变频)，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频，前者主要用于中频加热。方波变频又分为等幅等宽和SPWM变频，常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。

本设计所设计的题目属于变压变频调速技术。它主要包括整流部分、逆变部分、控制部分及保护部分等。是一种电压型双闭环的调速系统。

第2章课程设计方案

2.1概述

变压变频器的功能是：把恒压恒频的交流电源转化成变压变频的交流电源，以满足交流变频调速的需要。交直交电压源型变频器由整流器和逆变器两部分组成。逆变器的晶闸管起开关作用，它按照一定规律通断。要使晶闸管触发导通时容易实现的，而要使晶闸管及时可靠地关断则比较困难，这需要增设专门的换流电路。换流电路的核心是逆变器的核心部分，它是保证逆变器强迫换流成功的关键，并对变频器装置的性能指标、工作可靠性以及装置的造价、体积等方面起着决定性作用。

电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。

由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。在多机拖动系统、高精度稳频稳压电源和不停电电源中，常用交直交电压源型变频器。电压源型变频器的换流电路有很多种，本次设计中选用交-直-交变频器，采用电压型变频器。

2.2电压源型频率开环的异步电动机变压变频调速系统

2.2.1系统的组成及格控制环节分析

电压源型变压变频调速系统主电路由两个功率变换环节构成，即整流和逆变电桥，整流桥由二极管组成的三相桥式电路，其直流输出电压为Ud=2.34UA0(来自电网的A相电压有效值)。调压与调频控制通过逆变器来完成，其给定值来自于同一个给定环节。

该系统采用SPWM控制技术实现变压变频控制，通过改变IGBT的占空比（脉冲宽度）来控制逆变器输出交流电压的大小，而输出频率通过控制逆变电桥的控

制周期就可以实现。由前述可知，为了使异步电动机能合理的、正常的、稳定工作，必须使逆变器输出给异步电动机的电压Us与频率fs通过SPWM控制来保持严格的比例协调关系。下面就介绍控制系统中主要控制单元的作用。

图2.1 电压源型逆变器开环调速系统

（1）转速给定积分环节(GI)

设置目的：将阶跃给定信号转变为斜坡信号，以消除阶跃给定对系统产生的过大冲击，使系统中的电压、电流、频率、和电机转速都能稳步上升和下降，以提高系统的可靠性及满足一些机械的工艺要求。

（2）函数发生器(U/F特性)

设置目的：实现Us/fs=C的控制方式。在变压变频调速系统中，Us=f(fs) ,即电机定子电压使定子频率的函数。函数发生器就是根据给定积分器输出的频率信号，产生一个对应于定子电压的给定信号，以实现电压、频率的协调控制。变频器中以下几项内容与函数发生器有关：

1)按照不同服在要求设定不同的Us/fs=C特性曲线。

2)当变频器高于基频工作时，采用恒功率控制，这时要保证变频器输出电压不能高于电机的额定输出电压，可通过Us/fs=C函数发生器的输出限幅来保证。

3)节能控制：电机处于轻载工作时，适当降低电压，可以使输出电流下降，减小损耗，可通过改变Us/fs=C曲线的斜率来实现。

（3）电流实际值检测

电流实际值检测主要用于输出电压的修正和过流、过载保护。

通过检测变频器输出电流，进行过流、过载计算，当判断为过流、过载后，发出触发脉冲封锁信号封锁触发器，停止变频器运行，确保变频器和电动机的安全。

（4）电流限制调节器

由于本系统没有电流闭环控制，不能直接控制变频器输出的电流。电流限制调节器有相应的输出，使变频器输出电压降低，保证变频器输出不发生过电流。（5）I·R补偿环节

在低频时，为了保证磁通恒定，变压器引入了I·R补偿环节，根据负载性质及负载电流值适当提高Usg,修正Us/fs=C特性曲线，达到使Us/fs=C接近于Es/fs=C的目的。

（6）Ud校正环节

由图2.1可知，变频器没有输出电压反馈，当直流电压Ud发生波动时，将引起Us/fs=C关系失调。检测Ud变化，通过SPWM调整输出电压脉冲的宽度，以保证Us/fs=C的协调关系

（7）转差补偿环节

由于是开环频率控制，调速系统的机械特性较软。为了提高机械特性硬度，正在系统设置了转差补偿环节。当负载增大时，通过提高同步转速使其机械特性曲线上移，以补偿转差增大部分，从而保证系统的转差不变性。

2.2.2交直交电压源型逆变器的数学模型

图2.2 逆变器与异步电动机的等效电路图

图中Rs 、Rr 为电机定子每相电阻、折算到定子侧的电机转子每相电阻；Ls 、Lr 为电机定子每相漏感、折算到定子侧的电机转子每相漏感；Es 为等效的电动机反电动势；C 为电压源型变频器的滤波电容器。

设异步电动机在小转差下工作(s ≈0)，则有下式成立

S e S S s p m S S S n C K N n n K N f E =Φ=Φ≈m S 6044

.444.4 (2.2)

式中,C e =4.44N s K Φsm n p /60。 因电动机及负载由于有较大的机械转动惯量，转速n 不能瞬间发生突变，从而可认为式(2.2)中电动机反电动势Es 在瞬间也不能发生突变，或者认为电压U d 的变化比转速和反电动势的变化快得多。因此，在研究U d 的变化时，（可类似于直流调速系统中对电流环矫正时）暂不考虑反电动势变化的影响，即认为?E s ≈0.

第3章 控制电路的设计与分析

3.1 整流电路

整流电路是把交流电变换为直流电的电路。目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，三相桥式全控整流电路每个时刻均需2个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组，一个是共阳极组，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。由于整流电路原理比较简单，设计中不再做详细的介绍，如图3.1所示。

图3.1 三相桥式全控整流电路

3.2 逆变电路

将直流电转换为交流电的过程称为逆变。完成逆变功能的装置叫做逆变器，它是变频器的主要组成部分，电压性逆变器的工作原理如下：

（1）单相逆变电路

在图3.21的单相逆变电路的原理图中：

当1S 、4S 同时闭合时，ab U 电压为正；2S 、3S 同时闭合时，ab U 电压为负。

由于开关1S ～4S 的轮番通断，从而将直流电压D U 逆变成了交流电压ab U 。

可以看到在交流电变化的一个周期中，一个臂中的两个开关如：1S 、2S 交替导通，每个开关导通 电角度。因此交流电的周期（频率）可以通过改变开关通断的速度来调节，交流电压的幅值为直流电压幅值D U 。

图3.21 单相逆变器原理图

（2）三相逆变电路

三相逆变电路的原理图见图3.22所示。

图3.22中，1S ～6S 组成了桥式逆变电路，这6个开关交替地接通、关断就可以

在输出端得到一个相位互相差32π

的三相交流电压。

当1S 、4S 闭合时，V U u -为正；3S 、2S 闭合时，V U u -为负。

用同样的方法得：

当3S 、6S 同时闭合和5S 、4S 同时闭合，得到W V u -,5S ,2S 同时闭合和1S 、6

S 同时闭合，得到U W u -。

为了使三相交流电V U u -、W V u -、U W u -在相位上依次相差32π；各开关的接通、

关断需符合一定的规律，其规律在图3.22b 中已标明。根据该规律可得V U u -、W V u -、

U W u -

波形如图3.22c 所示。

a)结构图 b) 开关的通断规律 c) 波形图

图3.22 三相逆变器原理图

上述分析说明，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅值可通过D U 的大小来调节。

3.3 IGBT 简介及驱动要求

IGBT 是压控器件，栅极输入阻抗高，所需要驱动功率小，驱动较为容易。但必须注意，IGBT 的特性与栅极驱动条件密切相关，随驱动条件的变化而变化。

(1)随着栅极正向电压GE U 的增加，通态压降减小，开通损耗也减小.若GE U +固

定不变时，通态压降随集电极电流增大而增大，开通损耗随结温升高而增大。

(2)随着栅极反向电压GE U -的增加，集电极浪涌电流减小，而关断损耗变化

不大，IGBT 的运行可靠性提高。

(3)随着栅极串联电阻G

R 增加，将使IGBT 的开通和关断时间增加，从而使IGBT 开关损耗增加；而G R 减小，则又将使dt di 增大，从而使IGBT 在开关过程中产生较大的电压或电流尖峰，降低IGBT 运行的安全性和可靠性。

通过以上分析可以看出，一个理想的IGBT 驱动电路应具有以下基本性能:

(1)通常IGBT 的栅极电压最大额定值为±20V ，若超过此值，栅极就会被击穿，导致器件损坏。为防止栅极过压，可采用稳压管作保护。

(2)IGBT 存在2.5～6V(T=25?C)的栅极开启电压，驱动信号低于此开启电压时，器件是不导通的。要使器件导通，驱动信号必须大于其开启电压。当要求IGBT 工作于开关状态时，驱动信号必须保证使器件工作于饱和状态，否则也会造成器件损坏。正向栅极驱动电压幅值的选取应同时考虑在额定运行条件下和一定过载情况下器件不退出饱和的前提，正向栅极电压越高，则通态压降越小，通态损耗也就越小。对无短路保护的驱动电路而言，驱动电压高一些有好处，可使器件在各种过流场合仍工作于饱和状态。通常，正向栅极电压取15V 。在有短路保护的场合，不希望器件工作于过饱和状态，因为驱动电压小一些，可减小短路电流，对短路保护有好处。此时，栅极电压可取为13V 。

另外，为减小开通损耗，要求栅极驱动信号的前沿要陡。IGBT 的栅极等效为一电容负载，所以驱动信号源的内阻要小。

(3)当栅极信号低于其开启电压时，IGBT 就关断了。为了缩短器件的关断时间，关断过程中应尽快放掉栅极输入电容上的电荷。器件关断时，驱动电路应提供低阻抗的放电通路。一般栅极反向电压取为-(5～0)V 。当IGBT 关断后在栅极加上一定幅值的反向电压可提高抗干扰能力。

(4)IGBT 栅极与发射极之间是绝缘的，不需要稳态输入电流，但由于存在栅极输入电容，所以驱动电路需要提供动态驱动电流。器件的电流、电压额定值越大，其输入电容就越大。当IGBT 高频运行时，栅极驱动电流和驱动功率也是不小的，因此，驱动电路必须能提供足够的驱动电流和功率。

(5)IGBT 是高速开关器件，在大电流的运行场合，关断时间不宜过短，否则

会产生过高的集电极尖峰电压。栅极电阻G R 对IGBT 的开关时间有直接的影响。

栅极电阻过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高，会对器件造成损坏，所以栅极电阻的下限受到器件的关断安全区的限制。栅极电阻过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大，也会降低其工作效率和对其安全运行造成危险，所以栅极电阻的上限受到开关损耗的限制。对600VIGBT 器件，栅极电阻可据下式确定：

e R =(I ～10)×625/e I

式中，e 为IGBT 的额定电流值. 栅极电阻的下限取系数为1，限取系数为10。

对于1200V 的IGBT 器件，栅极的电阻值可取相同电流额定值的600V 器件阻值的一半。

(6)驱动电路和控制电路之间应隔离。在许多设备中，IGBT 与工频电网有直接电联系，而控制电路一般不希望如此。驱动电路具有电隔离能力可以保证设备的正常工作，同时也有利于维修调试人员的人身安全.驱动电路和栅极之间的引线应尽可能短，并用绞线，使栅极电路的闭合电路面积最小，以防止感应噪声的影响。采用光耦器件隔离时，应选用高的共模噪声抑制器件，能耐高电压变化率。

(7)输入输出信号传输尽量无延时。这一方面能够减少系统响应滞后，另一方面能提高保护的快速性。

(8)电路简单，成本低。

(9)当IGBT 处于负载短路或过流状态时，能在IGBT 允许时间内通过逐渐降低栅极电压自动抑制故障电流，实现IGBT 软关断。其目的是避免快速关断故障电流造成过离的dt di 。在杂散电感的作用下，过高的dt di 会产生过高的电压尖峰，使IGBT 承受不住而损坏。同样的，驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响，即应具有定时逻辑栅压控制的功能。当出现过流时，无论此时有无输入信号，都应无条件地实现软关断.在各种设备中，二极管的反向恢复、分布电容及关断吸收电路等都会在IGBT 开通时造成尖峰电流，驱动电路应具备抑制这一瞬时过流的能力，在尖峰电流过后，应能恢复正常栅压，保证电路的正常工作。

(10)在出现短路、过流的情况下，能迅速发出过流保护信号，供控制电路处理。

3.4 保护电路

保护电路的主要功能是对检测电路得到的各种信号进行运算处理，以判断变频器本身或系统是否出现异常。当检测到异常时，进行各种必要的处理。

过压、欠压保护是针对电源异常、主回路电压超过或低于一定数值时考虑的。通用变频器输入电源电压允许波动的范围一般是额定输入电压的士10%。通常情况下，主回路直流环节的电压与输入电压保持固定关系。当输入电源电压过高，将使直流侧电压过高。过高的直流电压对IGBT 的安全构成威胁，很可能超过IGBT 的最大耐压值而将其击穿，造成永久性损坏。当输入电压过低时，虽不会对主回路元件构成直接威胁，但太低的输入电压很可能使控制回路工作不正常，而使系统紊乱，导致SA868输出错误的触发脉冲，造成主回路直通短路而烧坏IGBT 。而且较

低的输入电压也使系统的抗干扰能力下降。因此有必要对系统的电压进行保护。图2.6为本文介绍的变频器过压保护电路。

图3.41 过电压保护电路

它直接对直流侧电压进行检测。其中电压信号的取样是通过电阻1R 和2R 分压

得到的，电容1C 起滤波抗干扰作用，防止电路误动作。过压设定值从电位器1W 上

取出。运放A U :1接成比较器的形式。当取样电压高于设定值时(异常情况下)，比较器输出高电平，光耦器件导通，输出低电平保护信号。其中电阻

5R 是正反馈电阻，它的接入使正反馈有一定回差，防止取样信号在给定点附近波动时比较器抖

动，这里将过压保护的动作值整定为额定输入电压的110%。 欠压产生的原因有两种：一是输入的交流电压长时间低于标准规定的数值。另一种是瞬时停电或瞬时电压降低。欠电压导致逆变器开关器件驱动功率不足而烧坏开关器件。一般欠压信号从直流端取样，这样既能在欠电压，过电压时检测出信号进行保护，又不会因为短时间因为在欠电压，过电压并未构成危险时而保护误动作。

欠压保护电路的原理与过压保护电路类似。其电压取样与过压取样相同，欠

压设定值由2W 上取出。运放B U :1接成比较器的形式。当取样电压高于设定值时

(正常情况下)，比较器输出高电平，光耦器件不导通，输出高电平。当取样电压低于设定值时(欠压情况下)，比较器输出低电平，光耦器件导通，输出低电平保护信号。其电路下图所示。动作值整定为输入电压的85%。

图3.42 欠压保护电路

本系统的故障自诊断是指在系统运行前，变频器本身可以对过载、过压、欠压保护电路进行诊断，检测其保护电路是否正常。因此故障自诊断功能就是由单片机控制发出各种等效故障信号，检测对应的保护电路是否动作，若动作则说明保护电路正常，反之说明保护电路本身有故障，应停机对保护电路进行检查，直到显示器显示正常为止。

故障自诊断电路工作过程如下：单片机控制HSO.2口发出一高电平，经非门整形后输出低电平，光耦器件导通，有电流流过三极管的基极，三极管导通输出低电平，输出的低电平自诊断信号分别送至过压、欠压保护电路。因SA868的SET TRIP 端为高电平有效,所以应加上一个反相器,使其反相后输出高电平。以下的过流信号也是如此.故障自诊断电路如图2.7所示：

图3.7 故障自诊断电路

第4章课程设计总结

近两周的课程设计结束了，这次的课程设计不仅检验了我以前所学习的知识，还让我学到了很多以前不是很熟悉的知识。

通过做课程设计我了解和掌握了关于交流调速等方面的相关内容，受益匪浅。并进一步了解和掌握了交直交变频调速系统，比较全面的将所学的交流调速和电力拖动等方面的知识运用于设计当中，对设计中一些参数的计算也比较清析得到。整个交直交变频调速系统分阶段地完成，从交流调速方面的设计到电力拖动方面的设计，是一步一步的完成和组合。

在本次设计中，我翻阅了很多资料，并在网上查阅相关知识，然后进行整合和整理才将设计的课题要求加以总结和完成。同时，我觉得，这次设计不仅仅让我了解和掌握了相关交直交变频调速系统的相关知识，还学会了如何对资料进行整合和分类。在整流部分、逆变部分、控制部分及保护部分这几个设计的各个环节当中，我们同组人员都是分工合作，然后总结在一起。这个过程让我体会到了合作的重要性。

正所谓“实践是检验真理的唯一标准”，这次的课程设计对我来说无疑是一次实践课程的真实体验。所能够学到的东西是平时课本中所没有的。我想，只有把理论知识和实践知识相结合才能有更大的收获。这次的设计任务让我从中获益很多，虽然有些知识掌握的还不是特别清晰，但是这两周里，通过大量资料的查阅还是很有收获的，我知道在这次的设计中还存在着很多的不足之处，希望老师给予见谅。

参考文献

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