淺析交流電機變頻控制方案應用策略

摘 要：在工業生產尤其是煉鋼生產中，三相交流異步電動機由于具有先天的優良性能，得到廣泛的應用。文章主要就三相交流異步電動機為研究對象來討論調速系統，采用智能模塊對交流電機進行恒壓頻比控制，基于DSP控制系統研究實現電動機的變頻調速方案。

關鍵詞：異步電動機；變頻調速；數字信號處理器；恒壓頻比控制

1 控制總體方案分析

1.1 交流電機變頻控制研究意義

電動機是現代工業生產中較為常見的電氣設備之一，隨著電動機在工業生產中應用數量的增多，對于電動機的運行控制就顯得尤為重要。交流變頻調速技術是現代電子技術高速發展的產物，另外隨著我國落實科學發展觀，轉變經濟增長方式，節能減排工作的不斷推進，對電動機運行中應用交流變頻調速技術的改進是十分有效的手段。采用交流變頻調速技術能夠有效控制電動機的運行效果，根據實際需求進行動態調節，避免不必須要的資源浪費，現階段基于DSP技術發展的交流電機變頻控制技術是應用較為廣泛的調速處理技術，新型的控制器不僅具備高速的運算能力，并且能夠實現多重電機控制要求，為交流電機變頻速度調控的進一步推廣提供了技術上的可能。再者本文應用的恒壓頻比控制法是實現調速控制較為有效簡便的方法，能夠較為靈活的實現調頻控制。

1.2 總體設計方案

以三相交流異步電動機為研究對象，來演示交流電機變頻控制實現策略，配合使用DSP作為處理器，在本文中對電動機主要采用V/F控制方法來進行機械程序運算。具體思路為：首先工作人員要通過外接輸入設備比如鍵盤來輸入需要的調節的頻率和改變信號，傳入到DSP處理器中，然后由處理器產生三相六路的SPWM的改變信號，并由光耦隔離傳給驅動電路，由驅動電纜實現IPM的導通和斷開，與此同時由DSP來檢測是否出現故障輸出，如果檢測出故障，則要關掉主要電路，反之則繼續運行，由液晶顯示器顯示出運行狀態下的相關信息，比如頻率、轉速等。

2 系統硬件電路

根據設計方案可知，該系統的硬件電路主要由變頻主電路、驅動電路、光耦隔離電路及保護電路等組成。

2.1 變頻主電路

首先分析變頻主電路，顧名思義變頻主電路是實現電動機變頻調速處理的主要電路。變頻主電路主要包括整流電路、逆變電路和濾波電路三大部分組成。其中整流電路主要采用單相不可控整流橋來實現電流由交流變為直流的操作。脈動的直流電壓就是整流電路輸出的整流電壓，因此必須采用濾波處理。濾波電容不僅能夠消除整流后的電壓干擾外，還能夠在整流電路與逆變電路中起到去耦合作用，從而消除兩者之間的干擾，為感性負載提供一定的無功功率，來實現變頻調速的進一步控制，逆變電路的主要功能就是將整流后的直流電變為可以調節頻率和幅值的交流電，這也是實現交流電機變頻控制的關鍵步驟，在整個系統中有著至關重要的作用。

2.2 功率驅動電路

功率驅動電路主要是為整個系統提供必要的功率支持，該系統主要采用智能功率模塊進行運行，所謂的智能功率模塊是將保護電路、檢測電路及驅動電路集成在一個模塊上的智能電路模塊。該系統中使用的功率驅動電路主要是采用低飽和壓降配以高開關速度的功率元件。其中功率開關采用的IPM主要是以IGBT為核心，采用單電源邏輯電壓輸入的柵極進行功率驅動，以此來實現邏輯柵區的控制。利用時序邏輯進行嚴密的監控，以免出現電流過大導致系統發熱過多造成系統損壞。并且IPM中只要有一個保護電路起到保護的作用，就能夠起到對整個系統的保護，并且發出一個故障信號。

2.3 光耦隔離電路

本文論述的系統主要是采用TLP559光電耦合器進行運行，并且盡量使光偶合與IPM控制端之間的線路最短，實現線路產生的阻抗最小。該光電耦合器主要是由發光二極管進行驅動，采用光耦陰極接限流電阻的形式來形成。

2.4 系統保護電路

系統保護電路主要是由逆變橋電路組成，在逆變橋的上橋臂上各配置一個保護信號輸出單元，其余的下橋臂配置一個保護信號輸出，這樣整個系統中就會有四個保護信號，系統正常運行沒有出現故障時，光電耦合器處于斷開狀態，系統中的與門處于高電平狀態。一旦其中一個橋臂出現故障，則系統就會輸出低電平，光電耦合器處于導通狀態，系統中與門的輸入信號就會變成低電平，這時DSP處理器就會檢測到一個下降沿，然后通過設定的程序判斷出現故障，然后就會封鎖系統中的輸出信號，從而實現對于整個系統的保護作用。

3 軟件設計分析

該系統的軟件設計主要是采用SPWM法也就是正弦脈寬調制法來實現交流電機變頻控制。正弦脈寬調制法主要是通過一定的技術手段來將輸出的脈沖寬度按照正弦規律進行變動，從而有效的實現抑制輸出電壓中低次諧波的分量要求，保證電機工作時能夠在近似正弦交變電壓下實現轉矩較小的脈動，該方法有效地提高了交流電機的使用范圍，擴大的速度調節的上下限，生成的正弦脈寬利用規則采樣法形成序列。具體方法就是將一個三角載波的周期內的正弦調制波視為不變，在一個周期內只需要取樣一次，采用這種方法就能將正弦脈寬產生的脈沖的中點與三角波的中點重合，從形式上有效簡化正弦脈寬的計算步驟。根據事先編寫的程序完成系統和軟件的初始化數據操作和頻率信號的采集工作，在中斷子程序的過程中，通過計算公式來計算恒壓頻比控制下的M值和對應到頻率，并通過相應的三相正弦值，進行一定的計算后存儲到內置存儲器中進行相應的幅值工作。具體流程為由開始啟動，首先進行數據的初始化操作，然后是軟件的初始化，接著從只讀存儲器中加載一個周期短正弦波的數據，然后讀入頻率值，然后由處理器選擇合適的頻率范圍，判斷頻率是否發生了改變，如果沒有發生改變則通過查表取得三相正弦值，然后清除操作，進行現場的恢復出來，如果頻率改變了則要重新讀取新的頻率值，并相應的改變M值，其余步驟跟頻率沒有改變時相同。

4 實驗驗證

通過查閱相關文獻及實驗驗證報告表明，系統利用IPM模塊進行實驗，在最初的額定電壓為450V，額定電流為10A，控制電路中的電壓為15V，設定的開關頻率為20KHz。電機選擇的是三相鼠籠式異步電動機，電動機穩定時DSP輸出的信號按照正弦規律由小到大進行變動?？梢钥闯鲈撓到y能夠實現交流電機變頻的有效控制。

5 結束語

本文主要論述了基于DSP技術和智能功率模塊控制交流電機變頻調速系統，簡要解釋了該系統的硬件組成部分，該系統經過實驗運行展示出了良好的實際應用性能，結構簡單精度高，并且系統配置價格相對較低，因此整個系統的性價比較高，另外穩定性強也是其突出的一個特點。DSP技術的發展為電動機變頻調速的進一步拓展應用提供了技術可能，為變頻調速的進一步研究提供了參考性意見。隨著電子技術的進一步發展，對于電動機的變頻調控技術已經開始逐步向著人機智能對話界面來實現電動機運行全過程的監控，相信隨著電子技術和微電子技術的進一步發展，交流電機的變頻操作會更加的靈活自如，更好的促進我國科學發展觀的有效落實。

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