基于FPGA的交流異步電動機變頻調速系統

  隨著電力電子技術的發展,用交流異步電動機來調速的愿望已經實現。其中尤以變頻調速收到關注。設計引入先進的FPGA,作為其核心控制芯片。系統同時采用SPWM專用芯片SA4828。SA4828是大規模集成電路,專門用來產生三相SPWM波形。本文用FPGA控制SA4828產生三相SPWM波來控制逆變電路,從而實現對三相交流異步電動機的調速。

  所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT)將50 Hz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻(又稱交-交變頻)和間接變頻(又稱交-直-交變頻),后者又分為諧振變頻和方波變頻。方波變頻又分為等幅等寬和SPWM變頻。常用的方法有正弦波(調制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。

  本設計所設計的題目屬于間接變頻調速技術。它主要包括整流部分、逆變部分、控制部分及保護部分等。逆變環節為三相SPWM逆變方式。

  1 系統簡介

  1.1 交流異步電動機

  三相異步電動機主要由定子和轉子兩大部分構成,定子是靜止不動的部分,轉子是旋轉部分,在定子與轉子之間有一定的氣隙,以保證轉子的自由轉動。異步電動機結構如圖1所示。

  1.2 SPWM技術

  SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)技術,即在PWM的基礎之上,改變調制脈沖的方式。脈沖寬度和時間占空比按正弦規率變化,這樣輸出波形經過適當的濾波就可以做到輸出正弦波。

  產生SPWM信號的方法是用一組等腰三角波(稱為載波)與一個正弦波(稱為調制波)進行比較,如圖2所示,兩波形的交點作為逆變開關管的開通與關斷時刻。當調制波的幅值大于載波的幅值時,開關器件導通,當調制波的幅值小于載波的幅值時,開關器件關斷。

  2 系統的硬件實現

  基于FPGA的交流異步電動機的變頻調速系統,以FPGA為核心控制芯片,利用SA4828芯片產生SPWM波,再通過驅動電路驅動逆變開關。再加上外圍電路,保護電路等,構成整個完整系統。

  本設計為交流異步電動機的變頻調速,主要涉及主電路和控制電路兩大部分。

  系統各組成部分簡介。

  供電電源:電源部分因變頻器輸出功率的大小不同而異,小功率的多用單相220 V,中大功率的采用三相380 V電源。

  整流電路:整流部分將交流電變為脈動的直流電,必須加以濾波。此處采用三相不可控整流,用不可控的二極管組成三相橋式整流電路。它可以使電網的功率因數接近1。

  濾波電路:此處采用電壓型變頻器,所以采用電容濾波,中間的電容除了起濾波作用外,還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用,消除干擾。

  逆變電路:逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。在設計中采用三相橋式逆變,開關器件選用全控型開關管IGBT。

  以上四個部分組成主電路,其余部分為控制電路。

  電流電壓檢測:一般在中間直流端采集信號,作為過壓,欠壓,過流保護信號。

  控制電路:采用FPGA和SPWM波生成芯片SA4828,FPGA芯片選ALTER公司Cyclone Ⅱ系列芯片。控制電路的主要功能是接受各種設定信息和指令,根據這些指令和設定信息形成驅動逆變器工作的信號。這些信號經過光電隔離后去驅動開關管的關斷。從而得到與信號電路對稱的SPWM波。

  此處選用電動機原始參數如下:

  額定功率PN:7.5 kW;

  額定電壓UN:380 V;

  額定電流IN:15.6 A;

  效率:86%;

  功率因數:0.85;

  過載系數:=2.2;

  極對數:p=2。

  3 系統軟件實現的實驗結果

  電壓頻率曲線可以分為兩段,在額定電壓一下,電壓頻率成正比。當電壓上升到額定頻率后,不在上升。

  對于恒負載時,由前面章節分析可知,電動機的轉速會與其電源頻率成正比。

  4 結論

  本文采用FPGA控制三相PWM波專用芯片SA4828。具有電源頻率可調,刪除窄脈沖,響應速度快,可現場編程等特點。最終驗證了系統的可行性和有效性。系統中還有過流保護和過壓保護等。還可以通過FPGA監視系統的其他故障,SA4828芯片還提供在緊急情況下急停的功能。在這種內部控制保護與外圍電路保護相結合的方式,保證了電機的安全運行。

  但系統也存在許多不足之處,如控制方案的實現不夠精確,FPGA芯片選擇上不夠經濟,檢測保護電路不夠完善,這些問題有待進一步研究解決。

 

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