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摘要近年来随着电力电子技术、计算机技术、自动控制理论三者的迅速发展,变频调速己得到了越来越广泛的应用。本文阐述了单片机调速系统的工作原理,重点分析了变频调速中的交—直—交变换以及在变换中相关问题的解决办法。
中图分类号:TP39文献标识码:A
1 单片机调速系统工作原理
通过微电子器件、电力电子器件和控制技术,将供给电机定子的工频交流电源经过二极管整流成直流,再由GTR、IGBT、IGCT等逆变为频率可调的交流电源,此电源再拖动电机和负载。
交流电机变频调速在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、输出性能、功率因数、工作效率、节电降耗、使用方便等方面是以往的交流调速方式无法比拟的。它以体积小、重量轻、通用性强、工艺先进、保护功能完善、设计思想丰富、可靠性高、操作简便等优点深受电力、冶金、矿山、石油、化工、自来水等行业的欢迎,交流变频调速装置是企业技术改造和节能降低的理想设备。
变频调速系统中速度的检测,常用的方式一种是采用测速发电机,其检测信号可以通过模拟量的输入/输出进入主板,经PI调节,然后输出控制,另外一种方式是用光码盘进行检测,对于这种测量方式,开关量的输入/输出板上设计了计量检测电路。并且在软件设计上有可使用户选择适用于自己的测速方式的控制程序。
单片机在整个系统中主要完成监控、协调和控制功能。控制量经D/A转换模块后输出至变颇器.变频器根据接收到信号,经过整流、滤波、逆变等一系列过程后,转变为电压及频率可变的电源信号,以驱动交流电机实现调速。电机的启动、停止及加减速等由系统的开关量控制。A/D模块主要完成反馈比较的功能。
交流变频调速系统的硬件是由变频调速主回路、可控硅及功率晶体管驱动电路、SPWM脉冲形成电路、单片机控制系统、信号检测电路、辅助输入输出电路和电源电路等七大部分组成。
2 变频主电路的构成
变频主电路为交—直—交变频电路,中间环节采用电容器进行滤波,构成电压控制型变频电路。主要包括整流电路,电容滤波电路,GTR逆变电路及控制对象——两相交流异步电机四部分。
2.1交-直变换特点
交—直变换电路主要为整流和滤波电路,其作用是把将三相或单相的交流电通过整流、滤波等过程变成相对比较平滑的直流电。(1)整流电路。由于半波整流浪费能量较大,在实际工作中很少采用。变频器大多采用三相桥式全波整流电路。在中、小容量的变频器中,整流器件采用不可控的整流二极管或二极管模块,如图2-1所示。利用二极管整流主要是利用其单向导电性将双向变化的交流电通过二极管后变成单向变化的直流电。由于该直流电只是在原有的基础上方向发生了变化,但是波形脉动较大,故还需要进行滤波。(2)滤波电路。三相全波整流后的电压波形脉动较大,需要进行滤波。滤波主要是利用电容或电感的冲放电特性,使相应的波形变的平滑。常见的滤波方式有C型滤波、L型滤波、LC型滤波及型滤波等。(3)限流电路。变频器在接入电源之前,滤波电容CF上的直流电压UD=0。当变频器刚接入三相交流电源,由于电容“隔直通交”的特性,对于交流电而言,电容为一通路,这样就会使得电流经整流桥流至电容从而形成短路,如图2-2(a)所示,使整流桥可能因此而受到损害。
为此,在整流桥和滤波电容器之间,接入一个限流电阻RL,起到一个限流的作用,如图2-2(b)所示,以消除刚接通电源时的冲击。
(a)未限流的情形 (b) 限流后的情形
图2-2限流电路
限流电阻RL如果常时间接在电路内,会影响直流电压UD和变频器输出电压的大小,同时,也增大了电路的损耗。所以,当UD增大到一定程度时,必须把RL短路掉。短路所用器件大多由晶闸管或接触器构成,在容量较小的变频器中,也常由继电器的触点构成,如图2-2(b)所示
2.2 直-交变换
逆变桥电路由图2-3(a)中的开关器件 V1～V6构成,其功能是把直流电转换成频率可调的三相交流电。目前,中小容量的变频器中,开关器件大多使用IGBT管。
(1)反向二極管的作用。图2-3中,每个逆变管旁边,都反并联一个二极管(VD7～VD12)。其作用是:当负载是电感元件时当母线上大容量的逆变器发生故障时,直流母线上会产生巨大的反向浪涌能量,此时,我们需要给这些能量提供一个泻放通道,否则巨大的能量将击穿或烧毁小逆变器。而这个通道就需要二极管来构成,故应为续流二极管。
(a)逆变桥电路(b)电动机状态的电流波形
图2-3逆变桥与反向二极管的作用
在电子变流电路中,整流部分单相桥式整流是实际应用最多的单相整流电路。而三相桥式整流是电力系统特别是发电机励磁系统应用最多的方式。这两种电路都要接入续流二极管。其作用大致是一样的,以单相桥式电路为例说明:当可控整流桥接入感性负载时,由于电感电流不能突变,在可控硅关断期内,必须在负载两端接入续流二极管以保持电感电流的通路,以防止可控硅关断时在电感负载两端产生危险的过电压和可控硅能够换相导通。然而发电机励磁系统应用较多的三相桥式整流电路有三相半控桥与三相全控桥电路之分。因此为了保证整流元件可靠换流,半控桥需要在感性负载两端并联续流二极管,而全控桥不需要这样做。当导通角改变时,半控桥的平均电压和线电流的变化较全控桥慢。
(2)逆变管的驱动。GTR对驱动信号的要求:从截止转为导通时,应适当提高栅极电压uG1的上升率,以缩短开通时间;从导通转为截止时,应适当加入负偏压uG2,以加快关断过程。
3 小结
单片机变频控制是工业过程控制中一个重要参数,它从原始的电子线路PID控制到计算机智能控制系统,已使变频过程控制系统达到自动化、智能化,比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好许多。目前,我国的变频调速市场逐渐增长,需求量日益广泛。因而,对于变频调速控制系统的研究具有重要的学术意义和应用价值。
参考文献
[1]李全利,迟荣强.单片机原理及接口技术.高等教育出版社.
[2]胡崇岳.现代变频技术.北京机械工业出版社,1998.
[3]李朝青.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社,1999.
[4]付家才.单片机控制工程实践技术.化学工业出版社.
[5]窦振中.PIC系列单片机原理和程序设计.北京航空航天大学出版社,2000.
[6]谢自美.电子线路设计、实验、测试.华中科技大学出版社.
[7]杨文龙.单片机原理及应用.西安电子科技大学出版社.
中图分类号:TP39文献标识码:A
1 单片机调速系统工作原理
通过微电子器件、电力电子器件和控制技术,将供给电机定子的工频交流电源经过二极管整流成直流,再由GTR、IGBT、IGCT等逆变为频率可调的交流电源,此电源再拖动电机和负载。
交流电机变频调速在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、输出性能、功率因数、工作效率、节电降耗、使用方便等方面是以往的交流调速方式无法比拟的。它以体积小、重量轻、通用性强、工艺先进、保护功能完善、设计思想丰富、可靠性高、操作简便等优点深受电力、冶金、矿山、石油、化工、自来水等行业的欢迎,交流变频调速装置是企业技术改造和节能降低的理想设备。
变频调速系统中速度的检测,常用的方式一种是采用测速发电机,其检测信号可以通过模拟量的输入/输出进入主板,经PI调节,然后输出控制,另外一种方式是用光码盘进行检测,对于这种测量方式,开关量的输入/输出板上设计了计量检测电路。并且在软件设计上有可使用户选择适用于自己的测速方式的控制程序。
单片机在整个系统中主要完成监控、协调和控制功能。控制量经D/A转换模块后输出至变颇器.变频器根据接收到信号,经过整流、滤波、逆变等一系列过程后,转变为电压及频率可变的电源信号,以驱动交流电机实现调速。电机的启动、停止及加减速等由系统的开关量控制。A/D模块主要完成反馈比较的功能。
交流变频调速系统的硬件是由变频调速主回路、可控硅及功率晶体管驱动电路、SPWM脉冲形成电路、单片机控制系统、信号检测电路、辅助输入输出电路和电源电路等七大部分组成。
2 变频主电路的构成
变频主电路为交—直—交变频电路,中间环节采用电容器进行滤波,构成电压控制型变频电路。主要包括整流电路,电容滤波电路,GTR逆变电路及控制对象——两相交流异步电机四部分。
2.1交-直变换特点
交—直变换电路主要为整流和滤波电路,其作用是把将三相或单相的交流电通过整流、滤波等过程变成相对比较平滑的直流电。(1)整流电路。由于半波整流浪费能量较大,在实际工作中很少采用。变频器大多采用三相桥式全波整流电路。在中、小容量的变频器中,整流器件采用不可控的整流二极管或二极管模块,如图2-1所示。利用二极管整流主要是利用其单向导电性将双向变化的交流电通过二极管后变成单向变化的直流电。由于该直流电只是在原有的基础上方向发生了变化,但是波形脉动较大,故还需要进行滤波。(2)滤波电路。三相全波整流后的电压波形脉动较大,需要进行滤波。滤波主要是利用电容或电感的冲放电特性,使相应的波形变的平滑。常见的滤波方式有C型滤波、L型滤波、LC型滤波及型滤波等。(3)限流电路。变频器在接入电源之前,滤波电容CF上的直流电压UD=0。当变频器刚接入三相交流电源,由于电容“隔直通交”的特性,对于交流电而言,电容为一通路,这样就会使得电流经整流桥流至电容从而形成短路,如图2-2(a)所示,使整流桥可能因此而受到损害。
为此,在整流桥和滤波电容器之间,接入一个限流电阻RL,起到一个限流的作用,如图2-2(b)所示,以消除刚接通电源时的冲击。
(a)未限流的情形 (b) 限流后的情形
图2-2限流电路
限流电阻RL如果常时间接在电路内,会影响直流电压UD和变频器输出电压的大小,同时,也增大了电路的损耗。所以,当UD增大到一定程度时,必须把RL短路掉。短路所用器件大多由晶闸管或接触器构成,在容量较小的变频器中,也常由继电器的触点构成,如图2-2(b)所示
2.2 直-交变换
逆变桥电路由图2-3(a)中的开关器件 V1～V6构成,其功能是把直流电转换成频率可调的三相交流电。目前,中小容量的变频器中,开关器件大多使用IGBT管。
(1)反向二極管的作用。图2-3中,每个逆变管旁边,都反并联一个二极管(VD7～VD12)。其作用是:当负载是电感元件时当母线上大容量的逆变器发生故障时,直流母线上会产生巨大的反向浪涌能量,此时,我们需要给这些能量提供一个泻放通道,否则巨大的能量将击穿或烧毁小逆变器。而这个通道就需要二极管来构成,故应为续流二极管。
(a)逆变桥电路(b)电动机状态的电流波形
图2-3逆变桥与反向二极管的作用
在电子变流电路中,整流部分单相桥式整流是实际应用最多的单相整流电路。而三相桥式整流是电力系统特别是发电机励磁系统应用最多的方式。这两种电路都要接入续流二极管。其作用大致是一样的,以单相桥式电路为例说明:当可控整流桥接入感性负载时,由于电感电流不能突变,在可控硅关断期内,必须在负载两端接入续流二极管以保持电感电流的通路,以防止可控硅关断时在电感负载两端产生危险的过电压和可控硅能够换相导通。然而发电机励磁系统应用较多的三相桥式整流电路有三相半控桥与三相全控桥电路之分。因此为了保证整流元件可靠换流,半控桥需要在感性负载两端并联续流二极管,而全控桥不需要这样做。当导通角改变时,半控桥的平均电压和线电流的变化较全控桥慢。
(2)逆变管的驱动。GTR对驱动信号的要求:从截止转为导通时,应适当提高栅极电压uG1的上升率,以缩短开通时间;从导通转为截止时,应适当加入负偏压uG2,以加快关断过程。
3 小结
单片机变频控制是工业过程控制中一个重要参数,它从原始的电子线路PID控制到计算机智能控制系统,已使变频过程控制系统达到自动化、智能化,比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好许多。目前,我国的变频调速市场逐渐增长,需求量日益广泛。因而,对于变频调速控制系统的研究具有重要的学术意义和应用价值。
参考文献
[1]李全利,迟荣强.单片机原理及接口技术.高等教育出版社.
[2]胡崇岳.现代变频技术.北京机械工业出版社,1998.
[3]李朝青.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社,1999.
[4]付家才.单片机控制工程实践技术.化学工业出版社.
[5]窦振中.PIC系列单片机原理和程序设计.北京航空航天大学出版社,2000.
[6]谢自美.电子线路设计、实验、测试.华中科技大学出版社.
[7]杨文龙.单片机原理及应用.西安电子科技大学出版社.