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交流调速系统的设计
作者：周丹 裴久玲
来源：《科技创新与应用》2013年第02期
摘 要：动力系统的控制要求不断提高，在上世纪60年代以前，直流调速系统在调速领域中站占治地位，而在全控型功率开关器件出现以后，交流调速才得到了长足的发展，特别是集成电路的出现，使用合适的调速方式（如PWM调速），使得交流调速动态和静态特性完全可以和直流调速相媲美，在本课题着重研究了现代交流调速系统中的变压变频调速，以及现在已经运用成熟的电压空间矢量调速系统，来解决本课题的调速问题。 关键词：交流调速系统；PWM调速；规模集成电路；电力电子器件 1 交流调速控制的选择
现阶段的变压变频调速的控制方式， 矢量控制系统：根据磁链的是否闭环又可以分为直接矢量控制和间接矢量控制，她们都具有非常良好的动态和静态性能，调速范围也很宽在实践中得到了普遍的运用；不足之处是动态性能受电动机参数影响。
在本课题的设计中选择间接矢量控制方法即--磁链开环转差型矢量控制。 2 电动机类型的选择
按照本课题的设计要求，以500KW的电动机为被控对象，那么电动机就选择西安电动机厂生产的JS1410-4型三相交流异步电动机。
在电动机参数测量问题上，一般都是同过电动机空载和短路试验测的，但是因为条件的，对以上电动机的参数直接给出： 3 主电路元器件的计算 主电路的动能介绍
主电路采用典型的交-直-交电压源通用变频器结构，输入功率级采用三相桥式不可控整流电路UI，整流输出环节由大容滤波，获得平滑的直流电压，逆变部分通过功率开关器件有规律的导通和关断产生变压变频的电压。
主电路中主要是对整流器和逆变器电力电子器件的计算 3.1 整流二极管参数的整定
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在主电路中采用的是三相不可控的桥式整流电路 电力二级管参数整定： 3.2 滤波电路
整流电路的输出的直流电压含有很大的脉动成分，此外逆变部分和所带负载的变化也使直流电压产生脉动，因此要加入大电容滤波环节。 当没加滤波电容时，三相整流输出平均直流电压为： 加上滤波电容时，三相整流输出最大交流线电压峰值为：
假设输入电压的波动范围是5900-6200V，此时对应6000V的输入，整流后的电压为8484V。设电源的功率因数是0.9，那么每个周期电容吸收的容量为：
其中POUT是电动机的输出功率，UPK为峰值电压，最小的输入电压应该在370V以上，所以得：
滤波电容理论上讲越大越好，在实际中考虑到价格的影响，用8个2500V，300？自F的电容，两个串接，然后再3个并联，等效成一个耐压10000V800 的电容。 3.3 逆变电路
IGBT的正反向峰值电压：
考虑到2-2.5倍的安全系数，取耐压值为19000V。 通态峰值电流：
在整流逆变环节通过参数的计算得知，型号为JCC-6kV/500kW-IGBT系列的通用变频器。现代的交流调速系统中为了提高系统控制的可靠性，都是采用数字化的控制将上述的控制主回路与过电压保护，过电流保护，过热保护等检测电路集成到一块芯片上这种智能型的模块叫做IPM，但是在本课题的国内外都没有如此高电压等级的IPM，在这里选用IGBT模块：FD400R66KF2，额定参数400A/6600V。 4 驱动电路的原理
驱动电路是IPM主电路和控制电路之间的接口，良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。
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在该课题中选择 M57140-01和M57120L。它们是三菱公司为其IPM系列产品专门配置的电压变换模块。在M57120L的输入端加一路113V-400V的直流电压可以在输出端得到一路20V的直流电压，在M57140-0的输入端加一路18V-22V的直流电压，输出端可以得到4路相互隔离的15V电压，方便地为IPM供电；HCPL4504和PC817是高速光耦，起到电气隔离IPM与外部电路的作用，IPM的控制信号Cin和故障输出信号FO通过光耦传输。 5 IPM保护电路的原理 过电压、欠电压保护：
因为IGBT射集耐压能力有限，而我国的电网又不是很稳定，因此设置的过电压，欠电压电路图2所示
工作原理：在过电压、欠电压保护中，当电压高于（低于）参考点V2（V1）时，OVH（OVL）输出为低电平，故障信号经过逻辑电路送入控制电路，立即封锁PWM输出和停止运行。
保护点参数的选择： 欠电压保护： 过电流保护： 光耦电路参数：
一次侧：VF=1.3V，连续正向电流IF（MAX）=10mA 二次侧：电流传输比IF=1mA，CTR=70%
过电流保护电路：IGBT虽然可以承受短时间的过流，但是一旦超出了安全区，就有可能造成管子的永久损坏，所以要设置快速的过电流保护，系统利用采样电流和规定值进行比较，当超过时数字端输出低电平，控制部分产生中断。 6 电流调节器的计算
保证电动机稳定调速的要求就要保证其动态参数要满足控制要求，下面就对电流调节器进行参数整定。
6.1 确定时间常数：
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由于PWM逆变器采用IPM模块，不会产生滞后所以，时间常数只对电动机，整流器和电流环回路来计算
6.2 电流调节器结构的选择：
因为电流调节器是内环，要求对系统的跟随性良好，所以选择用典型的I型系统。 7 控制器的选择
控制器是整个交流调速系统的中心，她起到控制系统，监测系统，对数字信号处理等作用，是一个功能非常强大的数字处理器，数字信号处理器（DSP）已经发展了20多年，数字控制系统克服了模拟控制系统电路功能单一、控制精度不高的缺点，它抗干扰能力强，可靠性高，可实现复杂控制，增强了控制的灵活性。
在本课题中我选用TMS320LF2407A，TMS320LF2407A是美国TI公司推出的新型高性能16位定点数字信号处理器，它专门为数字控制设计，集DSP的高速信号处理能力及适用于控制的优化外围电路于一体，在数字控制系统中得以广泛应用
系统组成：TMS320LF2407A系统组成包括：40MHz、40MIPS的低电压3.3V CPU、片内存储器、事件管理器模块、片内集成外围设备。 8 交流调速系统的实现
通过以上对交流调速系统中每个部分的原理及功能介绍，按照模拟参数的计算来选择或者设置相应的参数就能够得到一个调速性能优良的调速系统；在其中电流调节器和转速调节器在间接矢量控制系统中用分立元件够成的模拟电路已经在现实中用的非常少了，这是因为模拟电路的各种局限性导致的，在实际中转速和电流调节器都是集成在DSP芯片上，具体操作时只需要设置其参数即可。所以现在的交流调速系统在数字化大发展的前提下精度和可靠性都有了非常的高度，设备的复杂性和占地空间现实因素已经被基本解决。 参考文献
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[5]冯垛生，邓则名，电力拖动自动控制系统，广州：广东高级教育出版社。
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[6]赖福新，电机控制系统，上海：上海交通大学出版社，1995
[7]张少军 杜金城，交流调速原理及运用，北京：中国电力出版社，2003 [8]塔济那特罗斯基著；李杨译，异步电动机的控制，北京：机械工业出版社
作者简介：周丹（1984-），女，阿拉尔人，塔里木大学机电学院，843300，助教。
裴久玲（1980-），
女，阿拉尔人，塔里木大学机电学院，843300，讲师。
