礦用鼓風機變頻調速系統設計①

李瑾

(南昌工程學院機械與電氣工程學院 江西南昌 330099)

1 前言

脈寬調制(PWM)技術是變頻調速的關鍵，傳統的正弦脈寬調制(SPWM)方法是從電源的角度出發，為了得到一個可調壓調頻的三相正弦波電源，而空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術的著眼點是使被控電機得到圓形磁場[1]，以減小電機的轉矩脈動，抑制電流諧波[2]。本文給出了一個以DSP為核心的礦用鼓風機SVPWM變頻調速系統，并對其進行了硬軟件設計。

2 系統硬件設計

系統主電路采用電壓型交-直-交變頻器，包括整流、濾波和逆變三部分。控制部分以TMS320LF2407A型DSP為核心，所用電機的主要參數：PN=750W，UN=220V，IN=2A，nN=1390r/min，4極。

2.1 主電路

圖1是電壓型交-直-交變頻主電路圖，其各部分設計如下。

圖1 電壓型交-直-交變頻主電路

1)變壓器

在設計變壓器時采用從后往前的方式，根據公式：UL=0.612mUd

(1)

式中：UL—輸出線電壓有效值;

m—調制比;

Ud—直流電壓平均值。

由于電機額定電壓UN=220V，按要求要得到UL=UN=220V，則當調制比m取1時

Ud=UL÷0.612=220÷0.612=359V

(2)

由此可得變壓器的二次側電壓為：

(3)

但實際中可能存在過調制(m>1)，所以取三相變壓器的二次側電壓U2N=220V。

2)整流電路

由二極管D1～D6構成三相不控整流電路。

二極管電流的有效值：

(4)

式中：Im—最大負載電流。

這里取Im=6IN，有

(5)

二極管額定電流

(6)

二極管的電壓峰值

(7)

則額定電壓:

Un=(2～3)Um=622～933V

(8)

根據以上計算，選取額定電流10A，額定電壓1000V的整流二極管，型號為PX10A10。

3)濾波電路

這里采用電容濾波來減小直流電壓脈動成分,并提供無功功率給電機以減小整流和逆變電路之間的干擾[3]。

整流電路輸出直流電壓的平均值為：

(9)

考慮一定的安全系數，取直流電壓等級為500V。

電容容量的計算：

(10)

式中：Umax、Umin—Ud的最大與最小值。

考慮直流電壓上下15%的波動，有

Umax=1.15×500=575V，Umin=0.85×500=425V

電源頻率f=50Hz，電源功率因數n取為0.9。

(11)

根據計算選取470μF，耐壓450V的電解電容。

4)逆變電路

采用六個全控型元件IGBT構成的三相橋式逆變器，且每個IGBT都反并一個續流二極管。

IGBT承受的電壓最大值為

(12)

取2～3倍的電壓裕量系數，額定電壓

Un=(2～3)Um=(2～3)×311V=622～933V

(13)

流過IGBT的最大電流為

(14)

取1.5～2倍的電流裕量系數，IGBT額定電流:

In=(1.5～2)Im=8.484～11.312A

(15)

選取15A/1200V的IGBT，型號為GT15Q101。

2.2 DSP控制電路

由于TMS320LF2407A芯片引腳多難以焊接，這里用合眾達公司的2407A簡易開發板來完成整個調速系統的控制和矢量控制算法的實現。此EVM板包括2407A主控芯片，外存擴展電路，電源轉換電路和晶振電路。DSP的擴展電路包括按鍵輸入電路，信號檢測電路，數據實時顯示及故障檢測和保護電路等。

1)電源轉換電路

由于2407A芯片只能接受小于3.3V的單極性電壓，為了跟常用的+5V開關電源兼容，2407A芯片的最小系統板上安裝了專用的電源轉換芯片TPS7333Q來將5V電壓變為3.3V，電路連接圖如圖2所示。此電源輸入端應盡量遠離DSP和數字器件，為了方便用戶，電源插座置于PCB板的邊緣上。

圖2 電源轉換電路

2)轉速檢測電路

編碼器測速常用的有M法和T法，M法又稱測頻法，適用于測量較高轉速[4]，本文選用M法來檢測電機轉速，即在一定時間內(取1ms)測出光電編碼器輸出的脈沖數speedstep，由n=Kspeed×speedstep×n1，便能算出電機轉速[5]。其中Kspeed為比例系數，n1是電機基速。顯然，Kspeed的大小與選取的電機基速n1的值有關，基速取為電機同步轉速。Kspeed的計算過程如下：

電機基速為1500r/min即25r/s，使用分辨率為1024P/R的編碼器E6B2-CWZ6C，經四倍頻后，其每秒輸出的脈沖數是25×4096=102400。因此在1ms內編碼器發出的脈沖數為102400×0.001=102.4。即速度基值對應脈沖數為102.4，則有Kspeed=1/102.4。還須把浮點數轉換為定點數因為2407A屬定點芯片無法直接處理小數。取定標值Q=12，則將Kspeed=1/102.4轉換成定點數為：212/102.4=(40)D。由高速光耦芯片6N136來進行隔離的轉速檢測電路如圖3所示。

圖3 轉速檢測電路

3 軟件設計

系統中DSP程序包括主程序和中斷子程序。主程序給各個控制寄存器賦初值，并給每個變量分配地址和設置初值。系統利用2407A芯片的高速運算能力來保證控制精度及程序執行的實時性，電機轉速和電流檢測模塊、PI調節算法模塊、產生SVPWM波形模塊等都在定時器1的中斷子程序中實現。圖4和圖5分別是系統主程序和中斷子程序流程圖。

圖4 主程序流程圖

圖5 定時器1中斷子程序流程圖

4 結語

本文給出了一個以2407A型DSP為控制器的礦用鼓風機SVPWM變頻調速系統，對其硬件部分包括整流、濾波、逆變電路，電源轉換電路和轉速檢測電路進行了結構設計和參數計算，并給出了主要的軟件流程圖。分析和實驗表明，該變頻調速方法用于礦山鼓風機負載具有可行性。