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基于FPGA的交流异步电动机变频调速系统

发布日期:2018-8-29 9:48:17

  随着电力电子技术的发展,用交流异步电动机来调速的愿望已经实现。其中尤以变频调速收到关注。设计引入先进的FPGA,作为其核心控制芯片。系统同时采用SPWM专用芯片SA4828。SA4828是大规模集成电路,专门用来产生三相SPWM波形。本文用FPGA控制SA4828产生三相SPWM波来控制逆变电路,从而实现对三相交流异步电动机的调速。

  所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将50 Hz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交-交变频)和间接变频(又称交-直-交变频),后者又分为谐振变频和方波变频。方波变频又分为等幅等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。

  本设计所设计的题目属于间接变频调速技术。它主要包括整流部分、逆变部分、控制部分及?;げ糠值?。逆变环节为三相SPWM逆变方式。

  1 系统简介

  1.1 交流异步电动机

  三相异步电动机主要由定子和转子两大部分构成,定子是静止不动的部分,转子是旋转部分,在定子与转子之间有一定的气隙,以保证转子的自由转动。异步电动机结构如图1所示。

  1.2 SPWM技术

  SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)技术,即在PWM的基础之上,改变调制脉冲的方式。脉冲宽度和时间占空比按正弦规率变化,这样输出波形经过适当的滤波就可以做到输出正弦波。

  产生SPWM信号的方法是用一组等腰三角波(称为载波)与一个正弦波(称为调制波)进行比较,如图2所示,两波形的交点作为逆变开关管的开通与关断时刻。当调制波的幅值大于载波的幅值时,开关器件导通,当调制波的幅值小于载波的幅值时,开关器件关断。

  2 系统的硬件实现

  基于FPGA的交流异步电动机的变频调速系统,以FPGA为核心控制芯片,利用SA4828芯片产生SPWM波,再通过驱动电路驱动逆变开关。再加上外围电路,?;さ缏返?,构成整个完整系统。

  本设计为交流异步电动机的变频调速,主要涉及主电路和控制电路两大部分。

  系统各组成部分简介。

  供电电源:电源部分因变频器输出功率的大小不同而异,小功率的多用单相220 V,中大功率的采用三相380 V电源。

  整流电路:整流部分将交流电变为脉动的直流电,必须加以滤波。此处采用三相不可控整流,用不可控的二极管组成三相桥式整流电路。它可以使电网的功率因数接近1。

  滤波电路:此处采用电压型变频器,所以采用电容滤波,中间的电容除了起滤波作用外,还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用,消除干扰。

  逆变电路:逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。在设计中采用三相桥式逆变,开关器件选用全控型开关管IGBT。

  以上四个部分组成主电路,其余部分为控制电路。

  电流电压检测:一般在中间直流端采集信号,作为过压,欠压,过流?;ば藕?。

  控制电路:采用FPGA和SPWM波生成芯片SA4828,FPGA芯片选ALTER公司Cyclone Ⅱ系列芯片??刂频缏返闹饕δ苁墙邮芨髦稚瓒ㄐ畔⒑椭噶?,根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。从而得到与信号电路对称的SPWM波。

  此处选用电动机原始参数如下:

  额定功率PN:7.5 kW;

  额定电压UN:380 V;

  额定电流IN:15.6 A;

  效率:86%;

  功率因数:0.85;

  过载系数:=2.2;

  极对数:p=2。

  3 系统软件实现的实验结果

  电压频率曲线可以分为两段,在额定电压一下,电压频率成正比。当电压上升到额定频率后,不在上升。

  对于恒负载时,由前面章节分析可知,电动机的转速会与其电源频率成正比。

  4 结论

  本文采用FPGA控制三相PWM波专用芯片SA4828。具有电源频率可调,删除窄脉冲,响应速度快,可现场编程等特点。最终验证了系统的可行性和有效性。系统中还有过流?;ず凸贡;さ??;箍梢酝ü鼺PGA监视系统的其他故障,SA4828芯片还提供在紧急情况下急停的功能。在这种内部控制?;び胪馕У缏繁;は嘟岷系姆绞?,保证了电机的安全运行。

  但系统也存在许多不足之处,如控制方案的实现不够精确,FPGA芯片选择上不够经济,检测?;さ缏凡还煌晟?,这些问题有待进一步研究解决。

 

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