基于FPGA的交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，用交流異步電動機(jī)來調(diào)速的愿望已經(jīng)實現(xiàn)。其中尤以變頻調(diào)速收到關(guān)注。設(shè)計引入先進(jìn)的FPGA，作為其核心控制芯片。系統(tǒng)同時采用SPWM專用芯片SA4828。SA4828是大規(guī)模集成電路，專門用來產(chǎn)生三相SPWM波形。本文用FPGA控制SA4828產(chǎn)生三相SPWM波來控制逆變電路，從而實現(xiàn)對三相交流異步電動機(jī)的調(diào)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(diào)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(shè)計所設(shè)計的題目屬于間接變頻調(diào)速技術(shù)。它主要包括整流部分、逆變部分、控制部分及保護(hù)部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相SPWM逆變方式。

　　1 系統(tǒng)簡介

　　1.1 交流異步電動機(jī)

　　三相異步電動機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成，定子是靜止不動的部分，轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部分，在定子與轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙，以保證轉(zhuǎn)子的自由轉(zhuǎn)動。異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.2 SPWM技術(shù)

　　SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）技術(shù)，即在PWM的基礎(chǔ)之上，改變調(diào)制脈沖的方式。脈沖寬度和時間占空比按正弦規(guī)率變化，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波就可以做到輸出正弦波。

　　產(chǎn)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(diào)制波）進(jìn)行比較，如圖2所示，兩波形的交點作為逆變開關(guān)管的開通與關(guān)斷時刻。當(dāng)調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時，開關(guān)器件導(dǎo)通，當(dāng)調(diào)制波的幅值小于載波的幅值時，開關(guān)器件關(guān)斷。

　　2 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

　　基于FPGA的交流異步電動機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，以FPGA為核心控制芯片，利用SA4828芯片產(chǎn)生SPWM波，再通過驅(qū)動電路驅(qū)動逆變開關(guān)。再加上外圍電路，保護(hù)電路等，構(gòu)成整個完整系統(tǒng)。

　　本設(shè)計為交流異步電動機(jī)的變頻調(diào)速，主要涉及主電路和控制電路兩大部分。

　　系統(tǒng)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?yōu)槊}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(wǎng)的功率因數(shù)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(shè)計中采用三相橋式逆變，開關(guān)器件選用全控型開關(guān)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(hù)信號。

　　控制電路：采用FPGA和SPWM波生成芯片SA4828，F(xiàn)PGA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(shè)定信息和指令，根據(jù)這些指令和設(shè)定信息形成驅(qū)動逆變器工作的信號。這些信號經(jīng)過光電隔離后去驅(qū)動開關(guān)管的關(guān)斷。從而得到與信號電路對稱的SPWM波。

　　此處選用電動機(jī)原始參數(shù)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(shù)：0.85；

　　過載系數(shù)：=2.2；

　　極對數(shù)：p=2。

　　3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的實驗結(jié)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(dāng)電壓上升到額定頻率后，不在上升。

　　對于恒負(fù)載時，由前面章節(jié)分析可知，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速會與其電源頻率成正比。

　　4 結(jié)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(diào)，刪除窄脈沖，響應(yīng)速度快，可現(xiàn)場編程等特點。最終驗證了系統(tǒng)的可行性和有效性。系統(tǒng)中還有過流保護(hù)和過壓保護(hù)等。還可以通過FPGA監(jiān)視系統(tǒng)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(nèi)部控制保護(hù)與外圍電路保護(hù)相結(jié)合的方式，保證了電機(jī)的安全運行。

　　但系統(tǒng)也存在許多不足之處，如控制方案的實現(xiàn)不夠精確，F(xiàn)PGA芯片選擇上不夠經(jīng)濟(jì)，檢測保護(hù)電路不夠完善，這些問題有待進(jìn)一步研究解決。