矢量控制交流变频调速系统设计(4)

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1.4 设计任务与要求

本设计主要是完成380V/5KVA矢量控制交流变频调速系统的主电路结构及参数设计、控制器结构和参数设计，并用MATLAB/SIMULINK软件平台建立系统仿真模型，进行系统稳态和动态性能分析。

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第二章 系统主电路设计

变频调速系统组成原理框图如图2.1所示，分为主电路和控制电路两大部分。主电路主要由三相整流桥、直流侧滤波电路、PWM逆变器、输出滤波器组成；控制电路是以DSP控制器为核心，由PWM波形发生器、隔离电路、保护电路、信号采样电路、液晶显示与键盘电路等组成。其基本原理是：将380V/50Hz的三相交流电压经二极管不控整流电路与直流侧电容滤波后变为直流电压，以DSP为核心的控制电路实时采样电压、电流、转速的瞬时值，按照矢量控制算法产生PWM脉冲信号去控制PWM逆变器开关器件的通断，再经输出LC滤波器获得幅值、频率可调的三相正弦交流电压。

图2.1 变频电源硬件结构框图

2.1 主电路结构设计

380V/5KVA矢量控制交流变频调速系统的主电路结构如图2.2所示，主要由三相整流桥、软启动电路、直流滤波电路、指示灯电路、制动电路、PWM逆变器、输出滤波器等组成。各部分的主要作用如下：

（1）三相整流电路：将电网输入的三相380VAC进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的530VDC直流电压。

（2）三相逆变电路：将DC530V电压逆变为频率、幅值可调的三相交流电，提供给负载。

（3）输出滤波电路：滤除干扰和谐波，使输出为标准正弦波。

（4）直流滤波电路：整流部分和逆变部分的中间环节，起到稳定电压的作用。 （5）软启动电路：限制启动电流，保护功率器件。

（6）制动电路：实现能耗制动，避免产生泵升电压，损坏功率器件。

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图2.2 主电路结构图

2.2 主电路参数计算及元器件选型分析

2.2.1 整流电路及其参数计算

通常有三种整流方式:二极管不控整流，晶闸管半控整流和晶闸管全控整流。采用晶闸管半控、全控整流既可以在开机上电后使整流电压逐渐上升到最大值,实现软启动；又可以在电源出现故障时,关断晶闸管,从而关闭直流环节。但由于可控整流的控制比较复杂,目前在大功率变频器等应用领域,整流部分多采用不控整流,跟可控整流相比,这种方式可以提高网侧电压功率因数,而且控制简单,较为经济。

本设计中采用了三相桥式不控整流电路，主要优点是电路简单，功率因数接近于1。选用整流管组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。滤波电容滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。如图2.2中的C1和C2。由于两组电容特性不可能完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻R1和R2。当变频器通电时，滤波电容的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管，为了保护二极管，在电路中串入限流电阻R5，从而使电容的充电电流限制在允许的范围内。当电容充电到一定程度时，使S5闭合，将限流电阻短路。电源指示灯DS除了指示电源通电外，还作为滤波电容放电通路和指示。 1、整流二极管的选择

整个电源容量为5KVA,输入电压为三相市电,线电压有效值为380V,输出电压为三相三线制,相电压有效值为220V，根据系统容量和输入电压值可计算出直流侧最大电压和电流。

(1)直流电压Ud

输入为三相交流电压380V,其峰值电压为2?380?537V,公式（2.1）是三相桥式可控整流电路的公式, Ud是整流出来的直流电压值,U是输入整流桥的交流相电压有效值,ɑ是触发角。当把整流桥的可控器件换为二极管时,即不控整流 时,ɑ=0,则三相不控整流的输出直流电压为

Ud?2.34Ucos??2.34?220?514.8V (2.1)

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实际应用中,由于直流侧电解电容的稳压作用,当变频电源空载时,直流侧 电压的值基本维持在530V左右。 (2)额定状态下直流侧的平均功率Pav

本电源的额定容量为5KVA,功率因素此处计算取0.9，考虑到实际中功率开关管等会有损耗，功率因数按设计标准取0.85。

5?103?0.9Pav??5.294?103W (2.2)

0.85(3)直流电流平均值Id

Pav5.294?103 Id???10.3A (2.3)

Ud514 整流电路元件选取需要从电流定额和电压耐量两个方面考虑。 电流定额：

IPMN?KIMId?1.5?10.3?15.45A (2.4)

电压耐量：

URM?2KUMUl?2?1.5?380?806V (2.5) 其中KIM、KUM分别为电流、电压安全裕量系数。Ul为交流输入线电压有效值。 2、储能电容的设计

储能电容的参数通常按如下公式计算：

C?（2.6） （3~5）T/RL 式中T为输入侧直流电压的脉动周期,RL为直流侧等效负载电阻,装置的额 定容量为5KVA,考虑阻性负载,直流母线电压为VE?514V,则：

VE25142??52.84? (2.7) RL?PE5000直流侧为交流电压(50Hz)经三相全桥整流后的电压,其输出电压一周期内有6个脉波,则T?1?3.33ms,代入式(2.6)可得： 50?6C?（3~5）T/RL?(3~5)?0.00333/52.84?189~315μF (2.8)

考虑到为了提供更稳定的直流母线电压,实际设计中取560μF/450V的电解 电容两个串联,相当于一个280μF/900V的电容。 3、充电限流电阻

为了在上电时限制电容的充电电流,需要设置充电限流电阻,如图2-1中的电阻R5,设计时希望充电电流最大值在10A左右,而上电瞬间电位差为530V,那么限流电阻R1的值为：

R1?Ud530??53?50? (2.9) I10考虑到瞬时电流很大,要求电阻可以承受,所以选用大功率的水泥电阻,水泥电阻放热面积大,温度上升率较小,水泥型卷线电阻器耐脉冲特性良好,能面对很大的瞬间电流

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经过,大约可以承受10倍于额定功率的瞬时功率达5秒钟,即使电阻上功率大了也不容易燃烧,有非常好的阻燃性。而且水泥电阻比较便宜,因此经常被选作为电源上的充电限流电阻。功率的选取,是由电阻上消耗的平均功率来决定的,计算方法如式(2.10)所示：

tt????15U2???1?e?E?e P?T?0Rdt，u?E?E? (2.10) ???? 其中P为平均功率,时间T为5秒钟,整流后的直流电压E为530V。又有：

??RC?50?280?10?6?0.014，则：

2tE2??-??55302?0.014??e?|0? P??7.87W (2.11) ??TR2?5?50?2? 实际设计中选用两个100?,5W的水泥电阻并联。

2.2.2 逆变电路及其参数计算

作为逆变的一种重要形式,三相逆变器广泛应用于用大电量或三相四线制供电负载

场合，其电路拓扑主要有三相全桥式、三相半桥式、三相四桥臂式和组合式等结构。 三相全桥逆变器具有电路拓扑简洁，所用功率器件数少，功率开关电压应力低等优点，但为了提高带不平衡负载的能力，必须在其输出端增加中点形成变压器,从而在一定程度上增加了逆变器的体积和重量。三相半桥逆变器虽然也有上述优点,但其输入直流电源电压利用率较低,而且相同输出电压时功率开关的电压应力较大，为了获得强的带不平衡负载的能力,两个串联的电解电容必须足够大,从而使逆变器体积和重量增加。三相四桥臂逆变器虽然带不平衡负载的能力较强,但其电路拓扑较复杂，所用功率器件数较多，控制也复杂。组合式三相逆变器由3个单相逆变器星形联结构成,能同时实现单相和三相四线制供电。由于每相可分别独立控制,易实现模块化结构，模块冗余技术,因此系统的可靠性高,具有极强的带不平衡负载能力。但是这种电结构的元器件数多，成本高[13]。PWM逆变器的PWM输出电压会产生很高的dv/dt，损坏电机绝缘。为此，可在逆变器的输出端设置LC滤波电路，以减小dv/dt，滤除高次谐波，改善输出电压波形。

逆变部分主要元件为IGBT。IGBT的选择应考虑以下几个方面的因素：

（1）开关器件额定值(主要为额定电压和电流)的选择。正确选用IGBT有两个关键环节:一是开关器件关断时,在任何被要求的过载条件下,集电极峰值电流都必须处于开关安全工作区的规定之内(即小于额定电流的两倍)；二是IGBT工作时的内部结点温度必须始终保持在150℃以下(包括过载情况)。

（2）开关器件安全工作区的选择。实质上是防止因过电压或过电流引起IGBT损坏或工作不稳定。

（3）降额因素的考虑。开关器件的工作环境与测试条件是不同的,通常实际应用中指标会有所下降。基于以上因素,对IGBT的电压电流进行如下计算：

电路额定输出容量为5KVA,功率因数0.9,则额定输出功率：

P0?S?cos??5000?0.9?4500W (2.12)

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