异步电动机变频调速控制系统设计.doc
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第51页
毕业论文（设计）材料
题目：
异步电动机变频调速控制系统设计
学生姓名：
xxx
学生学号：
xxxxxxxxx
系别：
电气信息工程学院
专业：
自动化
届别：
2012届
指导教师：
xxx
异步电动机变频调速控制系统设计
学生：
xxx
指导教师：
xxx
摘要：
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。
此外，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
Inductionmotorspeed-adjustedsystemdesign
Thestudent：
xxx
Theteacher：
xxxxxx
ElectronicinformationandengineeringinstitutefromHuainanNormalUniversity
Abstract:
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
第一章绪论 3
1课题的研究现状和意义 3
2变频器的动态发展趋势 4
第二章方案设计 5
2.1变频器的主电路方案 5
2.2系统的原理框图 6
2.3电动机原始参数 7
2.4异步电机的工作原理 8
2.4.1异步电机的等效电路 8
2.4.2异步电机的转矩 9
2.4.3异步电机的机械特性 10
2.4.4异步电机变频调速原理 11
2.5变频调速的控制方式 12
2.5.1比恒定控制 12
第三章变频器主电路 17
3.1主电路的工作原理 17
3.2主电路各部分设计 18
3.2.1交直电路设计 18
3.2.2直交电路设计 18
3.2.3主电路工作原理 19
3.2.4主电路参数计算 21
3.3IGBT及驱动模块介绍 22
3.3.1IGBT简介及驱动 22
3.3.2EXB840的内部结构 23
3.3.2IGBT驱7动电u u路 24
第四章控制回路 25
4.1驱动电路 25
4.1.1SPWM调制技术 25
4.1.2SPWM波生成芯片特点和引脚 27
4.1.3SA4828结构及工作原理 28
4.2保护电路 30
4.2.1过、欠压保护电路设计 30
4.2.2过流保护设计 32
4.3控制系统的实现 33
第五章变频器软件设计 35
5.1流程图 35
5.2SA4828的编程 36
5.2.1初始化寄存器编程 36
5.2.2控制寄存器编程 38
5.3程序设计 39
第六章结论 48
致谢 49
参考文献 49
第一章绪论
1课题的研究现状和意义
近年来，电动机作为主要的动力设备被广泛的应用于工农业生产、国防科技、日常生活等各个方面，其负荷约占总发电量的60%-70%，成为用电量最多的电气设备，根据采用的控制方式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类。
其中交流电动机形式多样，用途各异，拥有数量最多。
交流电动机又分为同步电动机和异步电动机两大类，根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85%左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民生产中的重要地位。
电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。
电动机的调速性能的好坏对提高产品质量，提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。
众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节，采用转速电流双闭环直流调速系统可获得优良的静动态调速特性。
因此长期以来，在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。
但是，由于直流电动机的机械式换向器和电刷存在着诸多弱点，因此有时直流调速也受到限制。
然而，采用无换向器的交流电动机组成的交流调速系统代替直流调速系统可以突破这些限制，满足生产发展对调速、传动的各种不同的要求。
20世纪60年代以后，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各国重视交流调速技术的研究和开发。
尤其是20世纪70年代以后，由于科学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极有利的技术条件和物质基础。
大致体现在一下四个方面：
1、电力电子的蓬勃发展促进了交流技术的迅速发展和交流调速系统装置的现代化。
2、脉宽调制（PWM）技术的发展与研究。
3、矢量交换控制技术的诞生和发展，奠定了现代交流调速系统高性能化的基础。
4、微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代交流调速系统提供了技术手段和保障
异步电机可以采用调压调速、改变极对数调速、串电阻调速、变频调速等。
在交流调速诸多方式中，变频调速是最有发展前途的一种交流调速方式，也是交流调速的基础和主干内容，变频装置有交—直—交系统和交—交系统两大类。
交—直—交系统在传统电压型和电流型变频器的基础上正向着脉宽调制PWM型变频器和多重化技术方向发展，而交—交变频器应用于低速大容量可逆系统上升趋势现代电力电子、微电子技术和计算机技术的飞速发展，以及控制理论的完善、各种工具的日渐成熟，尤其是专用集成电路、DSP和FPGA近来令人瞩目的发展，促进了交流调速的不断发展。
目前异步电机变频调速控制已经成为一门集电机、电力电子、自动化、计算机控制和数字仿真为一体的新兴学科。
交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展；现代控制理论、电力电子技术的发展和应用，微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。
实践证明，交流调速系统的应用为工农业生产及节省电能方面带来了巨大的经济和社会效益。
现在，交流调速系统正在逐步的代替直流调速系统，交流调速系统在电气传动领域占据统治地位已是不争的事实。
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。
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。
2变频器的动态发展趋势
随着变频技术的不断的发展，通用变频器以其优异的控制性能现已在调速领域、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传统的拖动技术中分离出来，现已成为各国在工业自动化和机电一体化领域中争强占先的阵地，而发达国家更是在该技术领域投入了极大的人力、物力、财力，逐步向高新技术行业发展。
近年来，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：
（1）网络智能化
智能化的变频器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等综合管理控制系统。
（2）专业化和一体化
变频器的制造专业化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵、电梯、起重机械和张力控制专用变频器等。
此外变频器与电动机一体化的发展趋势，使变频器成为电动机的一部分，逐渐向体积小、易控制的方向发展。
（3）适应新能源
以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的性能已得到广泛的应用。
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。
随着电力电子技术、微电子技术和现代控制技术的快速发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进。
主要表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、结构的小型化等方面。
第二章方案设计
2.1变频器的主电路方案
变频器最早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：
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：
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：
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：
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。
由于交-直-交型变频器是目前广泛应用的通用变频器，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。
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。
2.2系统的原理框图
交直交变频器由以下几部分组成，如图1.1所示。
保护吸收电路
逆变电路
供电电源
电机
滤波电路
整流电路
隔离驱动
主电路电流
SPWM波生成芯片
8051单片机
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交流电。
本设计采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。
电流电压检测：
采集直流端信号，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。
2.3电动机原始参数
本设计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。
2.4异步电机的工作原理
2.4.1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，其电路如图2.1。
图2.1异步电动机的定、转子图
图2.1中参数：
——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，将定子、转子放在同一个电路。
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2.1中参数：
——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。
2.4.2异步电机的转矩
（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。
2.4.3异步电机的机械特性
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。
⑴理想空载点
图2.3中的E点，电动机以同步转速运行（=0），其电磁转矩T=0。
⑵起动点
图2.3中的S点，在起动点电动机已接通电源，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。
⑶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。
2.4.4异步电机变频调速原理
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。
2.5变频调速的控制方式
2.5.1比恒定控制
比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。
它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。
控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。
三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态，从而使铁心材料得到充分的利用。
在变频调速的过程中，当电动机电源的频率发生变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强。
在励磁不足时电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于饱和状态，是电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的功率损耗，降低电动机的效率和功率因数。
因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定为额定值。
由电机理论知道，电机定子的感应电势有效值是：
则即（2-10）
另外，电机的电磁转矩为:
（2-11）
其中—与电动机有关的常数；Cos—转子每相电路功率因数；
—转子电压与电流的相位差；—电机的电磁转矩。
由式（2-10）推断，若不变，当定子电源频率增加，将引起气隙磁通减小；而由式（2-11）可知，减小又引起电动机电磁转矩减小，这就出现了频率增加，而负载能力下降的情况。
在不变时，而定子电源频率减小，又将引起增加,增加将导致磁路饱和，励磁电流升高，从而导致电动机发热，严重时会因绕组过热而损坏电动机。
由以上情况可知:
变频调速时，必须使气隙磁通不变。
因此，在调节频率的同时，必须对定子电压进行协调控制，但控制方式随运行频率在基频以下和基频以上而不同。
（1）基频以下调速
由式（2-10）可知，要保持不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低,使=常值。
只要保持为常数，就可以达到维持磁通恒定的目的。
因此这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。
根据电机端电压和感应电势的关系式：
（2-12）
式中:
-定子相电压；-定子电阻；-定子阻抗；-定子电流。
当电机在额定运行情况下，电机定子电阻和漏阻抗的压降较小，和可以看成近似相等，所以保持=常数即可。
由于比恒定调速是从基频向下调速，所以当频率较低时，与都变小，定子漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）不能再忽略。
这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。
变频后的机械特性如图2.4所示。
图2.4电动机低于额定转速方向调速时的机械特性
从图2.4中可以看出，当电动机向低于额定转速方向调速时,曲线近似平行地下降，减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特
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