变频调速系统设计可以分为两个重要部分.docx
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变频调速系统设计可以分为两个重要部分
变频调速系统设计可以分为两个重要部分，软件设计与硬件设计。
本设计首先简要阐述
了变频调速的基础技术，SPWM理论及常用的设计方法等。
然后对变频调速的硬件做了系
统电路地描述。
对整个系统的主电路、控制电路、各种保护电路及控制实现的软件都进行了
系统的分析。
主电路部分给出了整流、滤波、逆变器等器件各个环节的参数的计算。
控制电
路采用TMS320F2812、显示电路、输入电路、检测电路等，并配备了系统保护电路。
在硬
件电路的基础上，用MATLAB工具对系统进行了开环和闭环系统的SPWM仿真。
仿真实
验结果表明，这些设计使系统能够可靠工作，运行状态良好，达到了设计目的。
最后给出了
各个软件设计的系统流程图。
关键词：
变频调速，正弦波脉宽调制，IPM，智能功率模块，SPwM，TMS320F2812
4一
Summary
-
Thevariable
speed
Call
bedividedintotwo
importantparts：
softdesign
and
hardware
design．The
designfirstlyexplains
thebasic
techniques．of
thevariable
speed，thetheory
and
method
oftheSPWM．Thenthe
major
hardwarecircuitis
introduced，Especilly
TMS320F2812andIPM．The
calculationabout
parameter
is
madeinthe
major
circuit．Atthesametimethe
security
ofthecircuitwas
equipped．
DSPwas
regarded
asthecontrollercoreoftheSPWM．Weestablish
a
system
model
whichcontrol
systemspeedopen
andclose
loop
withSPWM，wesimulateand
analyze
thecontrol
systemthrough
MATLAB．The
simulationresultsdemonstratethatitisa
high
valueto
popularize
and
apply
the
controllingsystem．Finally
The
design
also
gave
theflowchartaboutthesoft
design．
Key
word：
varible
freqencyadjustingspeed，，IPM，SPWM
Power
Supply
Module
TMS320F2812，
5贵州大学硕士学位论文
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也是垒
El期：
2QQ涩生≤旦
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贵州大学硕士学位论文
第一章交流调速的发展
1．1交流调速的意义
电动机及其控制在国民经济中起着重要作用。
无论是在工农业生产、运输、国防宇航、
医疗卫生、商务与办公设施还是日常生活中的家用电器，都广泛地使用各种各样的电动机。
电动机是电能应用的主要形式，是应用最广泛到机械能的变换装置，世界上超过60％的发电
量用于驱动各种各样的以电动机的为基础的电力传动装置与系统。
其中许多的机械有着调速
的要求，如车辆、机床、造纸机械、纺织机械等等。
另一类设备如风机、水泵等节约电能也
需要调速。
为了减少运行的损耗，满足生产工艺等要求为目的，需要对电动机进行调速控制。
鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速系统一般采用直流电动机。
在过去，
直流电动机调速系统占据主导地位。
但是直流电动机本身在机构上存在严重的问题，它的机
械接触式换向器不但结构复杂、制造复杂、生产周期长、价格昂贵；而且运行中容易产生火
花，以及更换机械强度不高，电刷易于磨损等，在运行中需要有经常性的维护，同时对环境
的要求也比较高，不能使用于化工、矿山等周围环境中，如有粉尘、腐体和易燃、易爆气体
的场合：
即便应用在车辆牵引上，也感到维护检修不便，特别是由于换向问题的存在，直流
电动机无法做成高速大容量的机组，目前高速直流电动机所能做到的最大容量只有400千瓦
左右，低速的也只能做到几千千瓦，容量较大的直流电机往往要做成双电枢，远远不能适应
现代生产向高速大容量化发展的要求。
众所周知，直流他励电动机是一种控制性能非常优越
的电动机，因为于几何中性线上，电机的励磁回路所产生的励磁电流与电枢回路所产生的电
枢电流在空间是相互垂直的。
若不考虑磁路饱和的影响，它们之间没有耦合关系，互不影响，
可以分别独立进行调节，所以它调速方便，只要改变电机的输入电压电流，就可以在宽广的
范围内实现无级调速，而且在磁场一定的条件下它和电枢电流成正比，它的转矩易于控制，
因此直流电动机调速系统比较容易得到良好的动态特性，所以过去直流电动机调速系统一直
在变速传动领域中占主导地位。
而交流电机早在十九世纪八十年代中期就己问世，由于它具
有消耗原料少、制造成本低、结构牢固、运行安全可靠、环境适应性强以及易于向高压、高
速度和大容量方向发展等特点，迅速得到广泛的应用。
这种所谓的不变速系统是指交流电机
本身不进行调速，而为了达到对整个系统的控制又不得不采用其它的措施进行调速，从而白
自消耗了大量的电能。
这样，如何从本质上改变交流电机调速控制特性，使之具有直流电机
1贵州大学硕士学位论文
的调速性能，便成为近几十年来电气传动研究工作者努力研究的主要课题之一。
交流调速系统具有以下几个主要优点：
交流电动机的价格远低于直流电动机，而且结构
简单、重量轻、制造方便、坚固耐用、可靠性和运行效率高，不易出故障，维修工作量小；
使用场合没有限制，在恶劣的甚至是含有易燃易爆性气体的环境中安全运行；单机容量远大
于直流电动机。
正是由于交流电动机的这种优势，使它在电力拖动系统中的应用范围比直流
电动机要广泛得多，约占整个电力拖动总容量的80％以上。
在整个电机调速中有重要的地位。
而制约交流调速发展的重要原因是，交流电机是高阶、多变量、强耦合、非线性系统，与直
流电机相比，转矩难于控制。
交流变频调速技术是集电力电子技术、微电子技术、电机学及自动控制于一身的一项
技术高度发展的产物，它是通过改变电动机定子供电频率来控制转速，从而实现交流电动
机调速的一种方法。
交流变频调速以其调速范围广，平滑性好，具有优良的动静态特性，
显著的节能效果和广泛的适用性被公认为应用性好、效率高，是理想的电气传动方案。
随
着电力电子学与电子技术的发展，新型电力电子器件不断涌现，微处理器的进步，使得采
用半导体交流技术的交流调速系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的
发展，以及现代控制理论的不断创新，为交流电力传动的开发创造了有利条件，使得交流
电力传动加宽了调速范围、提高了稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行的技
术性能。
随着各种功率半导体开关器件的相继问世，使得长期阻碍变频技术推广应用的关
键问题一如何构成经济、可靠的高性能大功率变频器得到解决，从而使变频调速方式在工
业应用中显示出强大的生命力。
近年来，随着数字化控制的变频调速系统获得巨大发展，
先进的控制理论（如磁场定向矢量控制、直接转矩控制）被广泛应用，变频装置中的电器件
如IGBT、IGCT等性能大大提高，同时核心控制计算机从16位机发展到普遍使用高速数字
信号处理器（DSP），来进行复杂的控制算法运算，快速运算和高精度控制。
现代的数字化控
制变频调速系统噪声大大降低，耗电大幅度减少，并且可以得到良好的电流波形，从而使
系统更加可靠。
同时调速范围、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率和
使用性等方面都是不可比拟的。
目前全数字化控制变频调速电流响应可达到0．卜0．7ms，
速度响应可达到2-4ms，足以满足传动领域当前的需要。
交流调速系统发生了质的飞跃，
逐步取代直流调速系统，成为主要的传动装置，现代高速列车、地铁、电动汽车都采用了
交流调速系统。
2贵州大学硕士学位论文
1．2电力电子技术
变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。
在低压交流电动机的传动控制中，应用
最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模块IPM（IntelligentPowerModule），后面
两种集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体，是目前变频系统和通用变
频器中最广泛使用的主流功率器件。
IGBT作为第二代的电力电子器件，它的应用使变频器
的性能有了很大的提高，主要表现为：
>
发热减少，将曾占主回路发热50—70％的器件发热降低了30％：
>
高载波控制，使输出电流波形有明显改善：
>提高开关频率，实现了电机运行的静音化：
>驱动功率减少，体积趋于更小；
智能功率模块（IPM）是向第四代器件功率集成电路（PIC）的过渡产品，是微电子技术和
电力电子技术相结合的产物。
它不但提供一定功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、
检测、保护和自诊断等功能。
IPM具有以下特点：
◆开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单；
◆采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑；
◆
集成度高，它集成了驱动电路、保护电路甚至光耦，大大缩短开发时间：
◆内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功率
芯片给予足够的保护，故障率大大降低；
◆保护功能丰富，如电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全，实现了
信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减小了体积、减轻
了重量，又提高了可靠性；
◆由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌
电压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能有效得到控制；
◆很高的性能价格比，IPM的售价已逐渐接近IGBT，而采用IPM后的开关
电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素
3贵州大学硕士学位论文
后在许多场合其性价比己高过IGBT，有很好的经济性；
目前IPM己经在工业变频器（中、小功率）中被大量采用，随着技术的不断改进，IPM
的功率也越来越大。
同时经济型的IPM在近年内也开始在一些民用品如家用空调变频器、
冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。
IPM也在向更高的水平发展。
日本三菱电机最近
开发的专用智能模块ASTPM将不需要外接光耦，通过内部自举电路可单电源供电并采用了
低电感的封装技术，在实现系统小型化、专用化、高性能、低成本方面又推进了一步。
1．3国内外交流调速的现状
1．3．1国外现状：
在大功率交一交变频调速技术方面，法国阿尔斯通己能提供单机容量达3万h的电气
传动设备用于船舶推进系统。
在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司
提供了单机容量为6万h的设备用于抽水蓄能电站。
在中功率变频调速技术方面，德国西
门子公司SimovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10—2600kVA和
Si∞vertPGToPWM变频调速设备单机容量为100—900kra，其控制系统己实现全数字化，
用于电力机车、风机、水泵传动。
在小功率交流变频调速技术方面，日本富士BJT变频器
最大单机容量可达700kVA，IGBT变频器己形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。
同时国外交流变频调速技术高速发展有以下特点：
1）市场的大量需求。
随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频
器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以
及风机、水泵等的节能场合，已取得显著的经济效益。
2）功率器件的发展。
近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件
的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高低压、大功率变频器产品的生
产及应用成为现实。
3）
控制理论和微电子技术的发展。
矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制
等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础：
16位、32位高速微处
理器以及信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，为实现
变频器高精度、多功能提供了硬件手段。
4贵州大学硕士学位论文
4）基础工业和各种制造业的高速发展，交频器相关配套件社会化、专业化生产。
1．3．2国内现状
从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10一15年。
在大功率交一
交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系
统可靠性方面与国外还有相当差距。
而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、
大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大需求。
在中小功率变频技术方面，
国内学者作了大量的变频理论的基础研究，早在80年代，已经成功引进了矢量控制的理论，
针对交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦和非线性解耦的方法，
探讨交流电机变频调速的控制策略。
进入90年代，随着高性能单片机和数字信号处理器的
使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流感应电机特点，采用高次谐波注入SPWM
和空间磁通矢量P删等方法，控制算法采用模糊控制、神经网络理论对感应电机转子电阻、
磁链和转矩进行在线观测，在实现无速度传感器交流变频调速系统的研究上作了大量有益
基础研究。
在新型电力电子器件应用方面，由于GTR、GTO、IGBT、IPM等全控器件的使用，
使得中小功率的变流主电路大大简化，大功率SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的并联、串联
技术应用，使高电压、大电流变频器产品的生产及应用成为现实。
在控制器件方面，实现
了从16位单片机到32位DSP的应用。
国内学者并一直致力于变频调速新型控制策略的研
究，但由于半导体功率器件和DSP等器件依赖进口，使得变频器的制造成本较高，无法形
成产业化，与国外的知名品牌相抗衡。
国内几乎所有的产品都是普通的v／f控制，仅有少
量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口高性能的变频器。
国内交流变频调速技术产业状况表现如下。
a）
变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力但由于力量
分散，并没有形成～定的技术和生产规模。
b）变频器产品所用半导体功率器件的制造业还不成熟。
c）相关配套产业及行业落后。
d）产销量少，可靠性及工艺水平不高。
产销量少，可靠性及工艺水平不高。
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1．4论文的来源
永青示仪电科技有限公司所使用的变频器均采用外购。
外购的变频器本身的价格比较
高。
他们希望有一套具有知识产权的变频器。
鉴于此，本人与该厂技术人员合作共同开发和
设计。
。
设计计划分为三大部分：
第一是设计系统主结构，第二是结构工艺的设计，第三是采
购各个系部分元件组成变频器并调试产品。
1．5论文的设计任务
本论文就是从设计系统主结构为出发点，重点分析变频调速系统的主要组成模块，各
个模块的选型，以及设计变频调速系统。
最后利用Matlab—Simulink仿真工具对各个模块进
行仿真。
在开环控制系统得基础上进行仿真，然后设计PI控制器并组成闭环控制系统的仿
真，进而验证变频调速硬件电路的设计的正确性和可行性。
本设计是以实验室现有的交流异
步电动机为样机的，但变频系统设计适合各种异步电动机。
1．6变频调速系统指标
控制系统的稳定性一般从系统的稳态和动态性能指标上衡量。
本设计系统需要完成的稳
态性能指标为：
D；10，S一0．05，系统需要完成的动态性能指标为：
盯=（3—5）％，上
升时间t-2．3s。
1．7控制方案的选择
交一交变频一般只用于低转速、大容量的调速系统，本设计选择交一直一交变频装置。
系
统选用不可控整流桥来提高功率因数。
电流型交直交一般只用于要求频繁加减速的大容量电
机传动，而且电压型逆变器能使直流电压波形比较平直。
因此逆变器设计选用电压型逆变器，
采用SPInt逆变技术。
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第二章变频调速的基本原理与方法
2．1异步电动机调速原理概述
在进行电机调速时，首先要考虑的一个重要因素，总是希望保持每极磁通量中用为额
定值不变。
如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又
会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。
对于直流电机，
励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持中历不变是很容易做到的。
而对于
交流电机，它只有一个供电回路，一个定子绕组，磁通是定子和转子磁动势合成产生的，这
就使得它的控制比较困难。
三相异步电机定子每相电动势的有效值是：
易z
4．44五Ⅳ1rⅣ1西用（2—1）
式中国—气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V；
矗一定子频率，单位为日：
；
Ⅳ1一定子每相绕组串联匝数；
h。
一基波绕组系数；
m。
一每极气隙磁通量肋；
由式（2一1）可知，只要适当控制％和五，便可达到控制磁通巾。
的目的，在确保中。
不
变的情况下，分两种情况考虑：
1）基频以下调速
由式（2一1）可知，要保持①。
不变，当频率六从额定值凡向下调节时，必须同时降低
融，使等一，
即采用恒定的电动势频率比的控制方式。
然而，绕组中的感应是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁
阻抗压降，认为定子相电压U1一Eg，于是可得到：
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鲁
这是恒压频比的控制方式。
低频时，q和t都很小，定子阻抗压降所占的分量比较显著，不可再忽略，这时可以
采取将电压U曲线向上抬高的措施，以便补偿定子压降。
带定子压降补偿的恒压频比控制
特性如图2—1中的曲线II所示，无补偿的控制特性为曲线I。
田2一l恒压瓤比控制特性
I一无补偿Ⅱ一带定子压降朴偿
2）基频以上调速
U
1
IJlN
FlNf
t
蟹2—2异步电机变压变频调邃控辑特性
在基频以上调速时，频率可以从五Ⅳ往上增高，但电压U却不能增加到比额定电压U1Ⅳ
还要大，最多只能保持与U
z‰。
由式（2—1）知，磁通将随着的五增加而成反比例降低，
相当于直流电机的弱磁升速的情况。
把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得到图（2-2）所示的异步电机变压交频调
控制特性。
如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运
行，这时转矩基本上随磁通变化，根据电机原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属
于“恒转矩调速”的性质，在基频以上，转速升高时，转矩降低，基本上属于“恒功率调速”
【3】
2．2变频调速装置分类
如上节讨论，对于异步电机的变压变频调速，必须提供能够同时改变电压和频率的交流
电源。
现有的交流电源式恒压恒频的，因此，必须配备变压变频装置，（通称VVVF装置）。
最早的VwF装置是旋转变频机组，现在的控制方式表明，为满足变频调速的要求，必须同
8贵州大学硕士学位论文
时改变电源的电压和频率。
现有的交流供电电源都是恒压恒频的，因此，必须通过变频装置
获得变压变频的电源，这样的装置称为静止式变频装置。
静止式变频装置从结构上分为间接变频和直接变频两类。
间接变频装置的变频原理是先
将工频交流电源通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流，因
此又称有中间直流环节的变频装置。
直接变频装置的变频原理则将工频交流一次变换成可控
频率的交流，没有中间环节。
目前，在实际中应用较多的是间接变频装置。
1）间接变频装置（交一直一交变频装置）
50H
I凸IC
DC
整
逆
流
爿k
夏
50H
1E2-3问接变频装置（交一直一交交频装置）
I△lCI△IC
）
）
交一交变频
}
图2—4直接（交一交）变频装置
间接变频装置的变频原理如图2-3所示，此类装置按照不同的控制方式可分为三类：
a）
用可控整流器调压、用逆变器调频的变频装置（采用PAM调制方式），此类变频装
置结构简单，控制方便。
这种控制方式中，由于输入和输出分别在两个环节上进
行，两者需要在控制电路上协调配合，由于输入环节采用可控整流器，当电压和
频率调得很低时，电网侧功率因数较低，输出环节多用由晶闸管组成的三相六拍
逆变器，输出谐波较大。
b）用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的交一直一交变频装置（仍采
用PAM调制方式），此整流器不调压，单独设置斩波器，用脉宽调压，调压时输入
功率因数不变，但还有交大的谐波输出。
c）用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器同时调压和调频的交一直一交变频装置功
率因数提高（采用P删调制方式），这种控制方式中，用不可控整流，功率因数提
高，用PWM逆变，谐波减小，谐波减小的程度取决于开关的频率，而开关频率受
9贵州大学硕士学位论文
器件开关时间的限制，它是当前最有发展前途的一种装置。
2）
直接变压变频装置（交一交变压变频装置）
它只有一个变换环节（如图2-4所示），其输出的每一相都是一个两组晶闸管整流
装置反并联的可逆线路。
正、反两组按一定周期相互切换，在负载上获得交变的输出
电压。
输出电压的幅值取决于两组整流装置的控制角，输出电压的频率取决于两组的
切换频率。
如果控制角保持不变，则输出的平均电压为方波，要想得到正弦波输出，
就必须在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。
其突出的优点是：
它的变换中间
环节少，变换效率高，缺点是最高输出频率不超过电网频率的I／3—1／2。
因此调速范
围受到限制，交一交变频一般只用于低转速、大容量的调速系统，如轧钢机、球磨机、
水泥回转窑等。
这类机械用交一交变频装置供电的低速电机直接传动，可以省去庞大
的齿轮减速箱。
交一交变频和交一直一交变频从变频电源的性质上看，都可分为电压源变频器和电流
源变频器两大类。
+
U
dl
—
逆
Cd±
爿R
叉
器
Ld
L_——，r，’rL——一
————·—————■-
逆
b
7依
又
器
f=L）电压源变频器b／电流源变频器
图2—5电压源和电流源交一直一交变频器
1）电压源变频器
对于交一直一交变频器，当中间直流环节主要采用大电容滤波时，直流电压波形比较平
直，在理想情况下是一种内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这种变频
器称为电压源变频器，或叫做电压型变频器（图2-5a）。
一般的交一交变频器虽然没有滤波
电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，因
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