数字变压变频调速系统设计

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1、数字变压变频调速系统设计摘要：数字式变压变频交流电机控制系统主要采用TMS320F2812数字信号处理芯片作为主控制器、智能功率模块为主控元件，电机专用控制软件模块为程序控制核心。经试验证实，本系统调速性能良好，快速性，稳定性均满足实际应用场合。关键词：数字信号处理智能功率模块变压变频中图分类号：TM921文献标识码：A文章编号：1007-9416(2012)11-0021-03目前，随着大功率高频电力电子元器件和高速数字信号处理芯片的诞生，数字变压变频调速系统由于自身优越的调速性能，已经被广泛应用在交流调速系统中。交流调速的方法大致可以分为以下几种：变极调速，串

2、电阻调速，降压调速，串级调速和变频调速。除去变频调速以外的其他调速方法，因为能源消耗大，调速成本高，性价比低，调速控制结构复杂，不便于维护等缺点，现如今已经被淘汰。交流变频调速通过改变电动机的电源频率，从而可以连续地改变同步转速，最终使电动机运转在一个较宽的范围以内。现在流行的交流变频调速方法有两种：变压变频法和矢量控制法［2］。从调速特性上看，交流变频调速系统在任何一个速度段的硬度特性，都与自然机械特性及其相似。同时，还具有调速范围宽、平滑性能优良等可以与直流调速系统相媲美的优良调速特性。数字变压变频调速系统由于运行的经济性、调速平滑性以及调速机械特性等优良性能

3、，已经广泛应用于数控机床、煤矿风机以及提升机、泵类、传送带、给料系统、制冷系统等设备的动力源，并起到了节约能源，提高电源利用率以及提升产品数量和质量的良好效果。1、变压变频调速系统的基本组成变压变频调速系统基本上由五大部分组成：主回路模块（主要有智能功率模块和IGBT开关原件驱动模块组成）、检测回路模块、数字控制器模块、故障综合模块（有数据检测综合单元组成）和主控制面板模块。本系统使用德州仪器公司生产的C2000系列中TMS320F2812作为数字控制器的主控芯片[1],智能功率模块IPM-PS21867（IntelligentPowerModule）,以及电压空

4、间矢量、数字PID等先进控制算法于一体的一款交一直一交数字式交流变频器。由图1可以看出，主回路模块通过从单相交流输入端引入220V电源，然后经整流滤波获取逆变器所需的直流电源,再利用三相全桥逆变电路开关元件的通断控制，产生交流调速电机所需的频率可调的三相交流电。同时，在主回路上通过对过电流、过电压、过热等参数的测量，经故障综合模块引入到DSP的保护引脚PDPINTB实现对PWM信号的封锁，从而起到保护电机及其控制系统的作用。检测回路模块主要负责对电压、电流等模拟信号的釆样，为实现软件调速系统的闭环控制和算法实现，起到决定性的作用。数字控制器模块综合主控制面板所传递

5、的参数以及其它反馈信息，通过FLASHRAM中所加载的程序和CPU内核高速运算性能，实现对交流电机的全数字式控制。2、变压变频调速基本原理2.1变压变频问题的提出根据电机学原理，交流异步电动机的定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁力线的结果，其有效值如下式计算⑵:其中，一电源电压；一定子绕组的反电动势；一定子电流（）;—为线圈电阻和漏电感；电源电压的一部分产生了定子绕组的反电动势（对应）,另一部分消耗在由组成的阻抗上（对应）。定子电流一部分用于建立主磁场磁通，另一部分用于产生电磁力带动机械负载。当交流变压变频调速系统电源频率下降时，由式（2-1）可得定子绕组的反

6、电动势会降低；在电源电压不变的情况下。通过式（2-2）,将会引起定子电流的增加；加入外部负载不变时（即不变），则将会增加，将会使主磁通增加；由式（2-1）可得反电动势也会增加，最终达到新的平衡点。由于电动机的磁通量与电动机的铁芯大小有关，通常在设计时已经达到饱和状态，因此将会使电动机的磁通量无法再增加，产生电流波形畸变，减弱电磁力矩，从而影响机械特性［4］。为解决上述问题，最有效的方法是维持主磁通量的不变，设法使E/f二K二常数，这样就要求在电动机在改变电源频率时，也应该保持不变。因为的大小无法控制，于是我们通过式(2-2)在阻抗压降很小的情况下，可以近似得到：，

7、从而可以用加在绕组两端的电源电压的调整，实现对的调整，最终使得磁通量保持在一个恒定数值以内。2.2变压变频转矩补偿法变频后机械特性的下降将使电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用，因此人们想办法来解决这个问题。一种简单的解决方法是采用V/F转矩补偿法［4］。V/F转矩补偿法的原理是：针对频率降低时，电源电压U成比例地降低引起的下降过低，采用适当提高电压的方法来保持磁通量中恒定，使电动机转矩回升。有时也称它为转矩提升(torqueboost)o适当提高电压将使调压比Ku>Kf,也就是说电压并不再随频率等比例地变化。采用V/F转矩补偿后的电动机机械特性如图

8、2所示。3