异步电机变频调速实验装置的设计与制作

夏帅 陶韧 李蒙蒙 赵仁慈

摘 要：变频调速凭借其优良的调速性能在交流调速中广泛应用，成为国内外研究的热点问题。本科阶段对于变频调速系统的学习也是电气专业的教学重点。以实验室现有异步电机为被控对象，设计制作变频调速实验装置，编写矢量控制程序，有效充实当前实验平台的教学内容，提高教学效果。

关键词：变频调速；矢量控制；实验装置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.004

0 引言

异步电动机凭借结构简单、维护方便、运行效率高、适用工作环境广等优点，受到越来越多的关注。在众多异步电机调速方法中，变频调速系统具有调速范围广、平滑性好的特点，具备优良的动、静态特性，是一种理想的高效率、高性能的调速方式，因此变频调速系统发展迅速并成为交流调速的主流。本文所设计的变频调速实验装置是为了补充本科生“电力电子与电力拖动”实验教学而制作的，通过应用变频调速技术，实现对异步电机的转速控制，是对实验平台现有实验内容的有效补充。

1 异步电机变频调速理论

为充分利用异步电机磁场，需要保证电机磁场在额定转速以下维持稳定，即：在额定转速以下调速时，需要同时改变异步电机的供电电压，这就是所谓的变压变频调速。当今变频调速主要分为基于转子磁链定向的矢量控制（FOC）系统和基于定子磁链定向的直接转矩控制系统（DTC），矢量控制系统因其开关频率固定、转矩脉动等优点，在实际应用中较为广泛。基于转子磁链定向的矢量控制系统通过磁场定向和坐标变换技术，实现了定子电流转矩分量和励磁分量的解耦控制，采用直流电机调速理论，分别设计转速和磁链调节器，实现转速控制[2]。

2 变频调速实验装置的硬件电路设计

本文所设计实验装置的硬件电路包含主电路、控制电路以及信号采集电路，硬件电路的整体结构框图如图1所示。

主电路包括二极管不控整流、预充电电路、滤波电路、IGBT逆变电路、驱动电路及缓冲电路等。控制部分选择恩智浦公司的MK60DN512VLL10为主控芯片。信号采集主要包括母线电压、输出电流、电机转速等的检测。

2.1 主电路设计

主电路的作用是根据调速要求产生变压变频交流电，以驱动被控电机。为实现这一功能，设计的变压变频实验装置的主电路结构如图2所示。

首先采用二极管构成整流桥，将工频交流电整流成直流电。采用电解电容、充放电电阻，实现对中间直流环节的滤波与保护。逆变部分采用基于IGBT设计三相逆变桥，向被控电机提供能量。

2.2 控制电路

矢量控制中，坐标变换需要大量的运算，基于运算量、控制实时性及外设资源等方面的考虑，选择恩智浦系列的MK60DN512VLL10（以下简称MK60）作为本变频调速实验装置的主控芯片。MK60的运算速度、可提供的接口类型以及其功耗，而且恩智浦系列单片机拥有多路DAC输出、高精度模拟量检测模块、通信模块接口丰富、抗干扰能力强等诸多优点，在满足本设计的基础上仍有可开发的空间，方便后期功能的继续的拓展[3]。

2.3 信号检测及处理电路

为保障系统免于过流危害，需要对系统直流母线以及逆变输出端的电流进行检测，当电流超出安全阈值时，MK60发出光电报警信号，并进行相应的信号关断，停止发波等操作，以保证系统的安全。通过比较，在本实验装置中采用霍尔传感器对系统的电流进行采样。由于LEM公司的LA25-NP型号的电流传感器，精度高，响应时间小于1，安全工作电压600V，抗干扰能力强。满足系统对电流采样的要求。由于主控芯片的AD端口，只能检测0～3.3V的模拟量，而逆变输出端的电流为双极性，所以在检测逆变输出侧的电流时，需要对将模拟量信号进行调理。本设计所采用的电流处理电路如图3所示。

2.4 驱动电路设计

控制电路的PWM信号需要通过驱动电路实现隔离、放大后，施加到功率开关器件IGBT上，实现对电力电子器件的开通关断控制。本装置中，选用HCPL316J作为驱动电路的隔离芯片，所设计的驱动电路如图4所示。

3 变频调速实验装置的软件设计

本设计的功能实现除了依靠稳定安全的硬件，还需要软件的支撑。在硬件设计完成的基础上对进行软件的设计编写。软件设计主要包括：系统初始化、信号采集、预充电控制、SVPWM、通信等部分。整个系统的程序流程图如图5所示。

4 实验测试与结论

为了验证所设计实验装置的功能，分别对驱动电路、预充电电路、信号处理电路、转速检测、PWM输出等功能进行了测试，相关实验波形如图6所示。

上述测试结果表明：所设计的变频调速实验装置达到了设计目标，可实现异步电机的变频调速控制，并与当前“电力电子与电力拖动”实验平台兼容，有效补充实验项目，提高了教学效果。

参考文献：

[1]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统（第四版）[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]李永东.交流电机数字控制系统[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3]Freescale Semiconductor .MK60P100M100SF2V2，Data Sheet： Technical Data.2013.

[4]陈景熙.PWM变频调速系统相关技术问题研究[D].华中科技大学， 2007.

[5]Hashem，G.M， EI-Koshariy，A.D.Investigation of induction motor performance fed from PWM inverter[J].Power systems conference，vol.2，2006：421-426.

作者简介：夏帅（1984-），男，江苏徐州人，硕士研究生，講师，研究方向：交流电机调速和新能源发电技术。