变频调速设计方案

系统设计方案一、 为什么要进行调速系统是否需要调速，是相对比较容易确定的。根据工艺运行要求，如果除启动和停止过程外，在运行期间也需要改变电机转速，或者运行中虽然电机转速基本不变，但每次运行时对电机转速的要求却并不一样，那就需要调速的系统。有时候即使不调速也能够运行，但运行时的能耗指标很差，长期运行的费用使其选择调速运行更加经济，也应该作为调速的应用对待，如水泵和风机的情况。此外，在稳定转速基本不变的电力拖动系统中，有两种情况可能也需要采用高性能的调速系统。一是需要高的转速稳定性时，二是需要改善启动以及停止过程时，及我们常常说的软启动和软停止情况。二、 确定调速方案在确定系统需要调速之后，要进一步考察的是，是否使用以下一些简单廉价的调速方式来满足要求。首先，变级数多速电动机是一种简单的有级调速方式，它实际上是把具有不同级数的电动机做成了一个统一体，通过外部电路连接成不同的级数，改变电动机的同步转速。这种方式比较简单，系统的成本低，不产生额外能耗，机械特性也比较硬。它的缺点是有级调速而且每级速度不能随意改变，同时运行中改变级数会产生严重的电气冲击和机械冲击。故变级调速只适用于运行中不需要调速的粗略型有级变速应用。其次，转子串电阻方式也是一种调速方式。这种方式的投资成本比直流调速和变频调速低，但属于能耗方式，调速时输入功率基本不变，靠把多余能量消耗在外接转子电阻上而实现调速，因此他肯定不能用于满足节能方面的调速需求。此外，他改变的是机械特性斜率，会使转性稳定性变差，调速深度越大，稳定性越大。故说，串联电阻方式适合于不大的调速范围、很低的速度精度要求和速度稳定性要求、没有节能需要、非位能负载的调速应用。还有，转差离合器一种由不调速的电动机带动的电磁调速装置，其主动轴由电动机带动，励磁后产生旋转磁场，相当于异步电动机定子的作用；从动轴上有转子绕组，作用相当于异步电动机转子。这种调速方式是通过改变电动机机械特性斜率来调速的，速度精度和速度稳定性同样很差。为此转差离合器调速通常采用了简单的速度闭环控制，稳态速度有所提高，速度稳定性也有所改善，但动态调速性能仍然很差。故说转差离合器调速适合于小容量、不需要节能、精度低、低动态性能要求的调速应用。随着小容量变频器成本的降低这种调速方式的应用价值也就大大降低了。总之，既然简单的调速方案难以满足要求，这时就要考虑高性能的无级调速。虽然直流调速的投资成本于变频调速接近，但维护麻烦，运行维护成本高。故确定采用变频调速方案。设计的调频调速方案要求如下：要求： 主要以单相电路为例 变频范围：050hz 幅值输出220V，功率50KW 逆变电路可以用IGBTH或者MOSFET 驱动电路可以单片机或者一般的元器件电路(应该就是SPWM调制电路）设计三、 总的电路框图简化图如下：电路设计思想如下：要达到变频调速，即要输出的是一个频率可调的电压幅值一定的交流电压，主要通过改变四个IGBT的导通顺序和导通时间来改变的。本次设计我们采用SPWM正弦脉宽双极性单相调制来实现变频。，即通过改变脉冲周期，以实现频率的调节。首先，将通过积分电路产生频率一定的10K的高频三角波与由单片机控制输出频率可调的幅值小于三角波幅值的正弦脉冲进行比较，输出单相的SPWM波形。在输出的SPWM波信号中引出一路进行倒向，于是得到两路相位相差180的SPWM波，用于驱动同一桥臂。而由于输出的SPWM波德驱动信号很弱，不可能直接驱动，所以还需要设计一个驱动电路，才能驱动高达300V的IGBT。因为有一个IR2110芯片可以有两路的输出，故需要有两个芯片才能驱动四个IGBT。基于安全的考虑，在进行驱动信号转换时，还要进行一个光耦隔离。驱动信号的产生框图如下所示：四、 主电路及分析主电路主要有整流、滤波、逆变三部分组成。整流部分是由四个不可控的2CZ5型号的1N4007二极管组成的整流桥。而逆变的四个IGBT的型号为MP6750，规格如下：五、 控制电路及分析控制电路，就是SPWM脉冲波的产生电路。所采用的产生电路框图如下：三角波与正弦波的如下：T1T4管的驱动脉冲如下：1) 三角波的产生电路由迟滞比较器和积分器首位相串联构成的，电路输出频率fo=R2/(4R1*R4*C1);输出电压为：Uo=VZ*R1/R2.经计算可知：当R4=50欧姆时，fo=10k;Uo=7.5V.输出波形如下：2) 正弦波的产生电路如下，主要采用单片机控制产生。编程如下：要用到数模转换DAC0832MOV DPTR,#SINTAB;正弦表写入内部RAM6DH-7FHMOV R0,#6DHLOOP:CLRAMOVC A,A+DPTRMOV R0,AINC DPTRINC R0CJNE R0,#80H,LOOPMOV DPTR,#7FFFH;设置D/A转换器的端口地址MOV R0,#6DH;设置正弦表指针LOOP1:MOV A,R0;查表MOVX DPTR,A;D/A转换ACAL LDELAY;延时，等待转换结束DEC R0;正弦表位移量增量CJNE R0,#6DH,LOOP1;第一象限输出完？LOOP2:MOV A,R0;查表MOVX DPTR,A;D/A转换acall DELAY;延时，等待转换结束DEC R0;正弦表位移量减量CJNE R0,#6DH,LOOP2;第二象限输出完？LOOP3:MOV A,R0;查表CPLA;表值取反MOVXDPTR,A;D/A转换ACALL DELAY;延时，等待转换结束INC R0;正弦表位移量增量CJNE R0,#7FH,LOOP3;第三象限输出完？LOOP4:MOV A,R0;查表CPL A;表值取反MOVX DPTR,A;D/A转换ACALL DELAY;延时，等待转换结束DEC R0;正弦表位移量减量CJNE R0,#6DH,LOOP4;第四象限输出完？SJM LOOP1DELAY:MOV R7,#200;延时50msDEL1:MOV R6,#123NOPDEL2：JNZ R6,DEL2DJNZ R7,DEL1RETSINTAB:DB80H,83H,86H,89H,8DH,90H,93H,96HDB99H,9CH,9FH,0A2H,0A5H,0A8H,0ABH,0AEHDB0B1H,0B4H,0B7H,0BAH,0BCH,0BFH,0C2H,0C5HDB0C7H,0CAH,0CCH,0CFH,0D1H,0D4H,0D6H,0D8HDB0DAH,0DDH,0DFH,0E1H,0E3H,0E5H,0E7H,0E9HDB0EAH,0ECH,0EEH,0EFH,0F1H,0F2H,0F4H,0F5HDB0F6H,0F7H,0F8H,0F9H,0FAH,0FBH,0FCH,0FDHDB0FDH,0FEH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFHDB0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FEH,0FDHDB0FDH,0FCH,0FBH,0FAH,0F9H,0F8H,0F7H,0F6HDB0F5H,0F4H,0F2H,0F1H,0EFH,0EEH,0ECH,0EAHDB0E9H,0E7H,0E5H,0E3H,0E1H,0DEH,0DDH,0DAHDB0D8H,0D6H,0D4H,0D1H,0CFH,0CCH,0CAH,0C7HDB0C5H,0C2H,0BFH,0BCH,0BAH,0B7H,0B4H,0B1HDB0AEH,0ABH,0A8H,0A5H,0A2H,9FH,9CH,99HDB96H,93H,90H,8DH,89H,86H,83H,80HDB80H,7CH,79H,78H,72H,6FH,6CH,69HDB66H,63H,60H,5DH,5AH,57H,55H,51HDB4EH,4CH,48H,45H,43H,40H,3DH,3AHDB38H,35H,33H,30H,2EH,2BH,29H,27HDB25H,22H,20H,1EH,1CH,1AH,18H,16HDB15H,13H,11H,10H,0EH,0DH,0BH,0AHDB09H,08H,07H,06H,05H,04H,03H,02HDB02H,01H,00H,00H,00H,00H,00H,00HDB00H,00H,00H,00H,00H,00H,01H,02HDB02H,03H,04H,05H,06H,07H,08H,09HDB0AH,0BH,0DH,0EH,10H,11H,13H,15HDB16H,18H,1AH,1CH,1EH,20H,22H,25HDB27H,29H,2BH,2EH,30H,33H,35H,38HDB3AH,3DH,40H,43H,45H,48H,4CH,4EHDB51H,55H,57H,5AH,5DH,60H,63H,66HDB69H,6CH,6FH,72H,76H,79H,7CH,80HEND分析：这是由单片机控制输出频率可改变的正弦波。而频率的改变主要是通过改变延迟时间来调节的。这一部分的正弦波的输出幅值要求低于三角波的幅值，及要小于7.5V，最好去5V。六、 隔离电路及分析隔离器使用一般的光耦隔离就可以了。光电耦合器(简称光耦)，是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内，中间通过电光电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。 光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。对于既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分的工业应用测控系统，采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。但是，使用光耦隔离需要考虑以下几个问题： 光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问题； 光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题； 如果输出有功率要求的话，还得考虑光耦的功率接口设计问题。 光电耦合器的输入端是发光二极管，因此，它的输入特性可用发光二极管的伏安特性来表示，如下图a所示；输出端是光敏三极管，因此光敏三极管的伏安特性就是它的输出特性，如下图c所示。由图b可见，光电耦合器存在着非线性工作区域，直接用来传输模拟量时精度较差。 上图为光电耦合器结构及输入、输出特性在本次设计中所使用的隔离器采用如下电路： 七、 驱动电路及分析驱动电路采用两片的IR2110芯片组成，每一个芯片驱动一个桥臂。下面是IR2110芯片的内部结构，即功能框图。其两路输出HO、LO分别与两路输入HIN、LIN相对应，当欠电压锁定端SD为低电平时，两路均能正常输出。当SD为高电平时，输出驱动脉冲被封锁。IR2110输入端为滞环施密特触发电路，以提高抗干扰能力和接受上升沿缓慢的输入逻辑信号。VDD/VCC电平转换电路把输入逻辑信号电平转换为输出驱动信号电平。IR2110两路输出均为采用图腾柱输出，输出级由两只峰值电流为2A以上、内阻为3欧姆以下的N沟道FET组成，输出级可提供的驱动电压为1020V。IR21100驱动一个桥臂的电路接线如下图所示：其中，二极管VD 必须选用快速二极管，其耐压必须超过主电路输入直流电压。电容C1的电容值选取决定于开关频率及IGBT的输入电容的充放电的要求等。当IR2110用于驱动一个桥臂时，固定栅极参考的一路输出用于驱动下管，浮动输出一路用于驱动上管。 选用的电源容量需要确倮能提供峰值电流。IR2110的11脚具有关闭功能，当检测到过电流时，该脚输入高电平，则输出关闭。此脚功能不用时接地。如何确定C1、C2、C3的呢，计算思路如下：C1容量可根据下式进行计算式中，QG为VT1的电荷量，Ucc为低压端电压，UCES（ON）为VT2的导通电压，UL为IGBT导通时最低电压。IGBT选用MP6750，开关工作频率f为15 kHz，栅极电压UGE为15 。若QG为50nC，根据其动态输入特性，驱动功率PON为若IR2110的，由上式可知，C1容量为 两式计算出的C1容量不同，选取其中较大者，即选用1.5 F，加上一定的余量，C1选用1.8 F或2.2 F。驱动功率Pd为若tON=1.0S，则IGBT导通时启动电流Ic为电源电流Imin为 式中，IQCC为低压电源电流，IQDD为IR211O的电流，Id为驱动电流。最小平均电流为3 mA，此外还有IR2110本身开关工作时消耗的电流，因此实际电流比3 mA大。故，C1=10uf, C2=1.5uf, C3=10uf八、 设计感想本次变频调速系统设计主要涉及到了数电、模电、单片机、电力电子等几门课的知识。所以在设计过程中要翻阅的书籍资料比较多，综合考虑的问题也比较多。而最大的苦难是在单片机这一块。在第一次的设计中，正弦波的产生发生器主要采用电子技术的模块产生的，但是由于其输出不稳定，而且频率很难调整。故只能采用单片机来控制产生，主要用到的是数模转换芯片DAC0832，其好处在于输出稳定，并且只要通过改变延迟就能很好调节频率。于以往的设计不同的是，这次设计难度也大，并且大部分由我主导，要思考和设计的东西增多了。在设计之前，我先是翻阅了变频调速原理的相关知识，并且对于设计中用到的芯片，也是经过多次咨询，考虑设计的可行性、经济型、可靠性。比如在原来的设计中驱动电路所用的芯片，原本我想采用EXB840芯片，它能驱动高达150A的600V的IGBT和高达75A的1200V IGBT。但是经过咨询，该芯片价格很贵，于是否定了，最后选择性价比比较高的IR2110.在原来自己所学习的有关于SPWM调制原理知识，一直犯了一个错误。我一直以为，调制波正弦波是由反馈得来的，所以整个电路的连接在这一块就打住了。在经过老师的指导之后，终于恍然大悟，最终将大致的控制电路、驱动电路、隔离器、主电路等想连接起来。这次的课程设计收获很大，第一次差不多都是依靠自己，独立完成任务。虽然过程中，要查找的资料很多，要请教老师、同学，但是在自己努力研究，跟同学一起仔细探讨的结果下，最后终于确定下了最后方案。在做毕业设计之前，还能有这样的机会，认真复习之前学习的几门课程，并又重新熟悉运用几个相关的电气仿真软件，这对在下一学期的毕业设计的圆满成功奠定了坚实的基础。综合课程设计变频调速系统设计方案 姓名：覃柳芳 班级：电气0701 学号：07291034