基于spwm变频调速系统毕业设计(带仿真图).doc

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摘要

近年来,交流电机变频调速及其相关技术的研究己成为现代电气传动领域的一个重要课题,并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变频调速技术还将会取得巨大进步。

本文对变频调速理论，逆变技术，SPWM产生原理进行了研究，在此基础上设计了一种新型数字化三相SPWM变频调速系统，以8051控制专用集成芯片SA4828为控制核心，采用IGBT作为主功率器件，同时采用EXB840构成IGBT的驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控的功率环节，电路结构比较简单。

本文在控制上采用恒控制，同时，软件程序使得参数的输入和变频器运行方式的改变极为方便，新型集成元件的采用也使得它的开发周期短。

另外，本文对SA4828三相SPWM波发生器的使用和编程进行了详细介绍，完成了整个系统控制部分的软硬件设计。

关键字:

变频调速，正弦脉宽调制，控制，SA4828波形发生器

ABSTRACT

Recently,theresearchofvariablefrequencyspeedvariationofACmotorandrelevanttechnologyhasbecomeanimportantissueinelectricaldrivefield,withtheappearanceofnewpowerelectronapparatusandmicroprocessorandthedevelopmentofthecontroltheory,thetechnologyofvariablefrequencyspeedvariationwillimprovemorerapidly.

Thisthesishasaresearchonthesetechnologies:

VariableVoltageVariableFrequencymotordrive,inverter,andthecreationprincipleofSPWM,Basedontheresultsofthestudy,IdesignedasystemofanewdigitalthreephasesVVVFmotordrivesystem.ItusesASIC-SA4828controlledby8051asmaincontrollingcore,itusesIGBTaspowerdevice,andusesEXB840asdrive.Itusesdiodesasconvertingcircuitunit,whichmakespowerfactorcloseto1.BecauseIonlyneedtocontrolinverter,thewholecircuitisverysimple.

Iadoptthemeansoflinearoperation.Atthesametime,itisveryconvenienttoinputparametersorchangethedrive’soperatingmodeduetothesoftwareprocedure.Moreover,owingtotheadvantagesofthenewintegratedparts,itcostslesstimetodevelopthismotordrive.

ThisthesishasalsodetailintroducedthemethodoftheusageandtheprogramsofthethreephasesSPWMwavegeneratorSA4828.Thesoftwareandthehardwareofthecontrolpartinsystemhavebeencompleted.

Keywords:

variablefrequencyspeedcontrol，SinePulseWidthModulation（SPWM），operation;SA4828WaveGenerator

目录

摘要 i

Abstract ii

1绪　论 1

1.1　变频调速技术简介 1

1.2变频器的发展现状和趋势 2

1.2.1变频器的发展现状 2

1.2.2变频器技术的发展趋势 2

1.3研究的目的与意义 3

1.4本次设计方案简介 4

1.4.1变频器主电路方案的选定 4

1.4.2系统原理框图及各部分简介 5

1.4.3选用电动机原始参数 6

2交流异步电动机变频调速原理 7

2.1三相异步电机工作的基本原理 7

2.1.1异步电机的等效电路 7

2.1.2异步电动机的转矩 8

2.1.3异步电动机的机械特性 9

2.1.4异步电机变频调速原理 11

3变频器主电路设计 12

3.1主电路的工作原理 12

3.1.1主电路各部分的设计 12

3.1.2变频器主电路设计的基本工作原理 13

3.2主电路参数计算 16

3.3IGBT及驱动模块介绍 17

3.3.1IGBT简介及驱动要求 17

3.3.2EXB840的内部结构 19

3.3.2采用EXB840的IGBT驱动电路 20

4控制回路设计 21

4.1驱动电路设计 21

4.1.1SPWM调制技术简介 21

4.1.2SPWM波生成芯片特点和引脚功能 23

4.2保护电路 24

4.2.1过、欠压保护电路设计 24

4.2.2过流保护设计 26

4.3控制系统的实现 27

5变频器软件设计 29

5.1流程图 29

5.2SA4828的编程 29

5.2.1初始化寄存器编程 29

5.2.2控制寄存器编程 32

5.3程序设计 33

6变频器用MATLAB/SIMULINK仿真 42

6.1MATLAB/SIMULINK简介 42

6.2基于SPWM变频调速系统的仿真 43

总结 48

参考文献 49

致谢 50

1绪论

1.1变频调速技术简介

变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。

大家都知道，目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。

从大的范围来分，电机有直流电机和交流电机。

由于直流机调速容易实现，性能好，因此过去生产机械的调速多用直流电动机。

但直流机固有的缺点：

由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来太大的麻烦。

因此人们希望，让简单可靠廉价的笼式交流电机也像直流电动机那样调速。

这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。

当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机。

随着电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，出现了变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢[1]。

变频调速被认为是一种理想的交流调速方法。

但如何得到一个单独向异步电动机供电的经济可靠的变频电源，一直是交流变频调速的主要课题。

20世纪60年代中期，随着普通的晶闸管、小功率管的实用化，出现了静止变频装置，它是将三相的工频电源经变换后，得到频率可调的交流电。

这个时期的变频装置，多为分立元件，它体积大、造价高，大多是为特定的控制对象而研制的，容量普遍偏小，控制方式也很不完善，调速后电动机的静、动态性能还有待提高，特别是低速的性能不理想，因此仅用于纺织、磨床等特定场合。

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50Hz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），即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中;间接变频（又称交-直-交变频），即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。

它又分为谐振变频和方波变频。

前者主要用于中频加热，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、控制部分及保护部分等。

逆变环节为三相SPWM逆变方式。

1.2变频器的发展现状和趋势

1.2.1变频器的发展现状

进入90年代，通用变频器以其优异的控制性能，在调速领域独树一帜，并在工业领域及家电产品中得到迅速推广。

此外，变频技术和变频器制造己经从一般意义的拖动技术中分离出来，成为世界各国在工业自动化和机电一体化领域中争强占先的阵地，各发达国家更是在该技术领域注入了极大的人力、物力、财力，使之目前己经进入了高新技术行业。

就变频技术而言，目前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等国家可以说是齐头并进，不分伯仲。

在这一领域的研制、生产方面，220KW功率以上的变频器基本被欧、美等国家垄断，如德国的西门子（SIEMEN）、丹佛斯（DANFOSS），美国的AB.OE公司、欧洲的ABB等。

中小容量的变频器85%为日本产品和台湾产品所占领，如富士（FUJI）,三垦（SAMCO）、东芝（TOSHIBA）、松下（PANASONIC）、三菱（MITSUBISHI）、安川以及台湾的台达。

由于这些国家、地区的工业基础好、制造业发达、开发生产能力强，所以他们生产的变频器适应范围广，生产己经初具规模变频器应用普及率在85%以上。

我国的变频器深圳华为电气（现己经改名安圣电气）、伴灵电气、成都森兰、大连普传科技都是变频器研究、开发、生产的高新技术企业，拥有雄厚的技术实力，相信不久的将来可以取代国外品牌，创建我们自己的国产名牌。

1.2.2变频器技术的发展趋势

在进入21世纪的今天，电力电子器件的基片已从Si（硅）变换为SiC（碳化硅）,使电力电子新元件具有耐高压、低功耗、耐高温的优点；并制造出体积小、容量大的驱动装置；永久磁铁电动机也正在开发研制之中。

随着IT技术的迅速普及，以及人类思维理念的改变，变频器相关技术的发展迅速，未来主要朝以下几个方面发展[2]：

1.网络智能化

智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。

利用互联网可以实现多台变频器联动，甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。

2.专门化和一体化

变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。

除此以外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以使体积更小，控制更方便。

3.环保无公害

保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。

21世纪的电力拖动装置应着重考虑：

节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。

4.适应新能源

现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角，有后来居上之势。

这些发电设备的最大特点是容量小而分散，将来的变频器就要适应这样的新能源，既要高效，又要低耗。

现在电力电子技术、微电子技术和现代控制技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。

这种进步集中体现在交流调速装置的大容量化，变频器的高性能化和多功能化，结构的小型化一些方面。

1.3研究的目的与意义

随着交流传动电动机调速的理论问题的突破和调速装置（主要指变频器）性能的完善，交流电动机调速系统的性能差的缺点已经得到了克服，目前，交流调速系统的性能已经可以和直流系统相媲美，甚至可以超过直流系统。

由于交流调速不断显示其本身的优越性和巨大的社会效益，使变频器具有越来越旺盛的生命力。

各种性能优越的新型电力半导体器件的出现，如既能控制导通又能控制关断的门极可关断晶闸管GTO；具有良好功率转换效率和适于在高频大功率情况下工作的MOSFET；既有MOS管栅极驱动电压功率小和驱动线路简单，又有双极性功率晶体管导通饱和压降小优点的绝缘栅双极性大功率管IGBT；以及内部既有大功率开关器件，又有各种驱动电路和过压、过流等保护电路的智能型功率模块IPM等器件的应用，不仅使交流调速系统控制装置体积小，效率高，而且还更容易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案，更加充实和推动了变频器理论的进一步发展。

能完成各种复杂信号和信息处理的集成芯片的出现，如能产生脉宽调制信号的专用集成电路以及各种单片机和计算机系统用的微处理器和接口芯片的大量问世，为高质量的控制创造了良好的条件。

建立在电机统一理论和机电一体化理论基础上的各种先进控制方案，通过快速检测电流实现PWM控制的变频技术，通过直接控制转矩来快速控制转速的转速自调整技术，以及具有很强抗干扰能力的变结构控制系统等等，都极大地丰富了电机调速领域的内容。

总之，交流电机调速技术的发展，特别是变频器传动本身固有的优势，必将使之应用于社会生产的各个领域，以体现出不同的功能，达到不同的目的，收到相应的效益。

因此，本论文通过对变频器的研究，对于交流变频调速系统理论的应用，有着实际的意义和一定的应用价值。

1.4本次设计方案简介

1.4.1变频器主电路方案的选定

变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。

随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。

静止式变频器从变换环节分为两大类：

交-直-交变频器和交-交变频器。

1.交-交型变频器：

它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。

由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。

因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。

但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3～1/2,所以不能高速运行。

2.交-直-交型变频器：

交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。

它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种：

（1）电流型变频器

电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。

（2）电压型变频器

电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。

由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。

与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。

由于交-直-交型变频器是目前广泛应用的通用变频器，所以本次设计中选用此种间接变频器，在交-直-交变频器的设计中，虽然电流型变频器可以弥补电压型变频器在再生制动时必须加入附加电阻的缺点，并有着无须附加任何设备即可以实现负载的四象限运行的优点，但是考虑到电压型变频器的通用性及其优点，在本次设计中采用电压型变频器。

1.4.2系统原理框图及各部分简介

本文设计的交直交变频器由以下几部分组成，如图1.1所示。

图1.1系统原理框图

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220V，中大功率的采用三相380V电源。

因为本设计中采用中等容量的电动机，所以采用三相380V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。

在本设计中采用三相不可控整流。

它可以使电网的功率因数接近1。

滤波电路：

因在本设计中采用电压型变频器，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逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。

电流电压检测：

一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。

控制电路：

采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，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。

1.4.3选用电动机原始参数

在这次设计中，采用中等容量的电动机，具体数据如下：

额定功率：

；

额定电压：

；

额定电流：

；

额定转速：

；

效率：

；

功率因数：

cosφ=0.85；

过载系数：

λ=2.2；

电压波动：

±10%；

极对数：

P=2。

2交流异步电动机变频调速原理

2.1三相异步电机工作的基本原理

2.1.1异步电机的等效电路

异步电动机的转子能量是通过电磁感应而得来的。

定子和转子之间在电路上没有任何联系，其电路可用图2.1来表示[3]。

图2.1异步电动机的定、转子图

图2.1中：

——定子的相电压；

——定子的相电流；

——定子每相绕组的电阻和漏抗；

、、分别是转子电路产生的电动势、电流、漏电抗；

——每相定子绕组反电动势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的。

其有效值可计算如下：

（2-1）

式中:

—气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值；

—定子频率；

—定子每相绕组中串联匝数；

—基波绕组系数；

—极气隙磁通。

由电动机的基础知识可知：

转子回路的频率，与转差率成正比，所以转子回路中的各电量也都与转差率成正比。

为了方便定量分析定、转子之间的各种数量关系，应将定子、转子放在一个电路中。

由于定子、转子回路的频率、绕组、匝数不同，故必须进行折算。

根据电机学原理，在下列假定条件下：

a.忽略空间和时间谐波，各绕组的自感和互感都是线性的；

b.忽略磁饱和；

c.忽略铁损。

可以得到电动机的T形等效电路图，由于交流异步电动机三相对称，所以现只取A相进行计算分析。

A相的T形等效电路如图2.2所示。

图2.2电动机的T形等效电路图

图2.2中：

——励磁电阻，是表征异步电动机铁心损耗的等效电阻；

——励磁电抗，是表征铁心磁化能力的一个参数；

——励磁电流；

——机械负载的等效电阻，在=,在上消耗的功率就相当于异步电动机输出的机械功率；

等参数——经过折算后的转子参数。

2.1.2异步电动机的转矩

（1）电磁转矩的表达式

（2-2）

式中的单位为KW；的单位是；Ｔ的单位是。

（2）电磁转矩的物理表达式

=（2-3）

式中——转矩常数；

　　　——主磁通。

（3）电磁转矩的参数表达式

=（2-4）

式中——磁极对数；

——电源的相电压；

——电源频率。

2.1.3异步电动机的机械特性

机械特性是指电动机在运行时，其转速与电磁转矩之间的关系，即=，它可由（2-3）所决定的曲线变换而来。

异步电动机工作在额定电压、额定频率下，由电动机本身固有的参数所决定的曲线，叫做电动机的自然机械特性。

图2.3异步电动机机械特性曲线

只要确定曲线上的几个特殊点，就能画出电动机的机械特性。

1.理想空载点

图2.3中的E点，在这点上，电动机以同步转速运行（=0），其电磁转矩T=0。

2.起动点

图2.3中的S点，在起动点上，电动机已接通电源，但尚未起动。

对应这一点的转速＝0（ｓ＝1），电磁转矩称起动转矩，起动是带负载的能力一般用起动倍数来表示，即。

式中,为额定转矩。

3.临界点

临界点Ｋ是一个非常重要的点，它是机械特性稳定运行区和非稳定区的分界点。

电动机运行在Ｋ点时，电磁转矩为临界转矩，它表示了电动机所有能产生的最大转矩，此时的转差率叫临界转差率，用表示。

、根据式（2－3）用求极值的办法求出，即：

由＝0，可得：

　　　　　　　　　　　（2－4）

　　（2－5）

电动机正常运行时，需要有一定的过载能力，一般用表示，即

＝（2-6）

普通电动机的＝2.0～2.2之间，而对某些特殊用电动机，其过负载能力可以更高一些。

上述分析说明：

的大小影响着电动机的过载能力，越小，为了保证过载能力不变，电动机所带的负载就越小。

由知：

越小，越大，机械特性就越硬。

因此在调速过程中，、的变化规律常常是关注的重点。

特别是研究变频后的电动机机械特性，、就显得尤其重要。

变频后的机械特性将会在下一小节中介绍。

2.1.4异步电机变频调速原理

交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。

根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。

交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。

根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。

交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。

使电动机转起来。

电机磁场转速称为同步转速，用表示：

（2-7）

式中：

为三相交流电源频率，一般是50Hz；为磁极对数。

当=1是，=3000r／min；=2时，=1500r／min。

由上式可知磁极对数越多，转速就越慢，转子的实际转速比磁场的同步转速要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率表示：

（2-8）

在加上电源转子尚未转动瞬间，=0，这时=1；启动后的极端情况=，则=0，即在0～1之间变化，一般异步电动机在额定负载下的=1%～6%。

综合（2-7）和（2-8）式可以得出：

（2-9）

由式（2-9）可以看出，对于成品电机，其极对数已经确定，转差率的变化不大，则电机的转速与电源频率成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。

3变频器主电路设计

3.1主电路的工作原理

变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。

能实现这个功能的装置称为变频器。

变频器由两部分组成：

主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电（整流，滤波），再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。

在本设计中采用图3.1的主电路，这也是变频器常用的格式[4]。

图