三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真毕业论文文档格式.docx
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河南工程学院
毕业设计（论文）任务书
题目三相交流电动机变频调速系统的设计及仿真
专业电气工程1222学号201250712207姓名李金萍
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
主要内容：
采用资源合适的单片机与专用电路设计三相交流异步电动机变频调速SPWM发生器，并选择满足设计要求的功率器件。
设计过程中，注意并完善驱动电路设计，考虑管子死区问题，建立PWM变频系统仿真模型并完成仿真分析。
基本要求：
1、掌握SPWM变频调速系统的结构，特点及技术优势；
2、构建个模块电路并完成相应功能建模；
3、完成逆变器与控制对象的集成统一建模，并完成仿真分析；
4、完成对仿真结果的分析
主要参考文献：
[1]郭天祥.单片机教程[M].电子工业出版社，2009.1.
[2]王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）[M].北京:
机械工业出版社，2009
[3]谢瑶.单片机控制的变频调速系统[J].武汉海阔科技有限公司，2011（5）
完成期限：
指导教师签名：
专业负责人签名：
年月日
2.1变频调速原理及控制方式分析3
2.2变频调速系统主电路结构5
2.2.1三相电压型逆变电路..................................................................................6
2.2.2整流电路.........................................................................................................8
2.3SPWM逆变技术8
2.3.1静止式SPWM间接变压变频装置..........................................................8
2.3.2SPWM调制变频技术..................................................................................9
2.3.3单极性SPWM法........................................................................................10
2.3.4双极性SPWM法........................................................................................11
2.3.5SPWM控制信号的产生方法..................................................................12
3.3驱动电路和保护电路的设计19
3.3.1驱动芯片IR2110的介绍19
3.3.2保护电路的设计20
3.4电流检测电路23
三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真
摘要
本文首先介绍了异步电动机的调速特性，变频调速有多种方法，对目前研究领域相当活跃的正弦波脉宽调制技术（SPWM）的变频调速作了一定的研究，从而展开介绍SPWM变频调速的理论基础。
包括变频调速控制思想的由来，控制方法的可行性。
变频调速的控制算法也有许多，本文对目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比控制，给出了完整的硬件电路设计和软件设计。
系统包括主电路和控制电路，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）。
整流部分用的是三相桥式整流电路，逆变电路采用的是三相桥式逆变电路。
本文采用了Intel80C196MC十六位单片机作为控制电路的CPU，采用该单片机的控制系统是本设计的硬件核心部分。
因此本文先简单的介绍此单片机与该设计相关的特性，继而介绍本系统的硬件设计。
建立PWM开环控制的变频调速系统仿真模型，利用Matlab/Simulink仿真，并完成仿真分析。
关键词单片机/Matlab/SPWM/变频调速
THEDESIGNOFTHETHREE-PHASEACMOTORVARIABLEFREQUENCYSPEEDCONTROLSYSTEMANDSIMULATION
ABSTRACT
Thispaperfirstintroducesthespeedregulatingcharacteristicsofasynchronousmotor,frequencycontrolofmotorspeed,therearemanywaysforthepresentstudyquiteactiveinthefieldofsinusoidalpulsewidthmodulation（SPWM）madeacertainstudyoffrequencycontrolofmotorspeed,thusintroducethetheoreticalbasisofSPWMinverter.Includingtheoriginofthefrequencycontrolofmotorspeedcontrolconcepts,thefeasibilityofthecontrolmethod.Frequencycontrolofmotorspeedcontrolalgorithmalsohasmany,inthispaper,thecurrentlyusedbymostofthegeneralinvertercontrolalgorithmofconstantvoltagefrequencyratiocontrol,presentsacompletehardwarecircuitdesignandsoftwareprogramflowdesign.Systemconsistsofmaincircuitandcontrolcircuit,includingmaincircuitisusuallyusedtopay-direct-way,firstthealternatingcurrentintodirectcurrent（rectifier,filter）,thendirectcurrentistransformedintothefrequencyadjustableac（inverter）.Rectifyingsectionwiththreebridgerectifiercircuit,invertercircuitUSESthreebridgeinvertercircuit.ThispaperadoptedIntel80C196MC16bitsinglechipmicrocomputerascontrolcircuitofCPU,usingthesinglechipmicrocomputercontrolsystemisthecorepartofthedesignofhardware.SothisarticlefirstsimplyintroducedthisSCMfeaturesassociatedwiththedesign,thenintroducesthehardwaredesignofthissystem.PWMinvertersystemsimulationmodelissetupandcompletethesimulationanalysis.
KEYWORDSscm,matlab,spwm,frequencycontrolofmotorspeed
1绪论
1.1变频调速技术的现状
随着电力电子技术和计算机技术的不断发展以及电力电子器件的更新换代，变频调速技术得到了飞速的发展。
有关资料显示，现在有90%以上的动力来源来自电动机。
我国生产的电能60%用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分，所以要对电动机的调速有足够的重视。
我们都知道，动力和运动是可以相互转化的，从这个意义上说电动机也是最常见的运动源，对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。
因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。
实际上国外已将电动机的控制改名为运动控制
对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类。
简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。
这类控制可以通过继电器，可编程器件和开关元件来实现。
复杂控制是指对电动机的转速，转角，转距，电压，电流等物理量进行控制。
而且有时往往需要非常精确的控制。
以前，对电动机的简单控制的应用较多，但是，随着现代化步伐的前进，人民对自动化的需求也越来越高。
使电动机的复杂控制逐渐成为主流，其应用领域极为广泛。
在军事和雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的控制等。
工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，绕线机，泵和压缩机，轧机主传动等设备的控制。
计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，绘图仪，打印机，复印机等的控制；
音像设备和家用电器中的录音机，数码相机，洗衣机，冰箱空调，电扇等的控制，我们统统称其为电动机的控制。
控制过程应用单片机已成为了一种不可抗拒的趋势。
1.2研究目的以及意义
在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义，电机调速性能的提高可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率，从而提高产品的质量和数量;
对于风机、水泵负载，如果采用调速的方法改变其流量，节电效率可达20%-60%。
众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。
在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电机调速所垄断，这是和实际中交流电机的广泛使用是一对存在的矛盾，许多应用交流电机的设备为了达到调节被控对象的目的，只能采用物理的方法，例如采用风门，阀门控制流量等，这样浪费能源的问题就很突出，费用大。
而且在采用直流调速的方面由于直流电机固有的缺点—换相器和电刷的存在，使得维修工作量大，事故率高，电机的大容量使用受到限制，在易燃易爆的场合无法使用，因此开发交流调速势在必行。
1.3变频调速的发展条件
（1）电力电子器件的发展是变频调速发展的必要条件：
在变频调速中主要有交一交变频和交一直一交变频，目前应用的最为广泛的是交一直一交变频，它的基本电路是:
先将电源的三相（或单相）交流电经整流桥整流成直流电，又经逆变桥把直流电逆变成频率任意可调的三相交流电。
实现逆变的逆变桥就是变频主电路的关键部件，它由六个开关器件组成，逆变的过程是这六个开关器件按一定的规律不停的导通和截止，这也就是实现变频的过程。
自从1957年第一支晶闸管（SCR）的发明，经过几十年的发展，力电子学，取得了惊人的进步，70年代出现了大功率晶体管（GTR），90年代出现了大功率场效应晶体管（IGBT），它们在各个领域得到了广泛的应用。
逆变桥由使用半控型器件发展为使用全控型器件[1]。
（2）变频调速控制方式的发展促进了变频技术的应用与推广：
本世纪70年代以后，电气传动各相关领域学科相继取得了巨大的突破，交流调速的控制方式发展因之突飞猛进，采用交流调速的场合正愈来愈多。
最初的变频调速是采用恒压频比控制方式，它根据异步电机简化等效电路确定的电压V和频率F的比值进行变频调速，电压是指基波的有效值。
后来增加了电流环，称它为转差频率控制，改善了性能并且已经实用化。
但是系统只是从稳态公式推导出的平均值控制，完全不考虑过渡过程，因此系统的稳定性、启动及低速时的转矩动态响应存在难以克服的不足。
为了提高低频时电动机产生的转矩不足，通常采用提升电压以及随负载变化补偿定子绕组电压降的办法，用以增加变频调速的调速范围。
（3）PWM技术的应用也加快了变频技术的发展：
通过调节脉冲宽度和脉冲占空比来调节平均电压的方法，称为脉宽调制技术（PWM），如果脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律变化，便是正弦脉宽调制技术，简称为SPWM技术。
PWM技术是伴随着电力电子器件的发展而发展起来的，目前己趋于成熟。
PWM技术适应于很多技术领域，如直流斩波、谐波吸收、无功补偿和变频装置等。
PWM技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低谐波并减小转矩脉动。
同时也简化了变频器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应。
2三相交流电动机变频调速概述
2.1变频调速原理及控制方式分析
变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变它的同步转速的调速方法。
变频可以调速这个概念，可以说是交流电动机“与生俱来”的。
同步电动机和异步电机，
它们的转速都是取决于同步转速（即旋转磁场的转速）的：
（2-1）
式中：
n——电动机的转速，单位m/min
n0——电动机的同步转速，单位r/min
s——电动机的转差率s=（n1-n）/n1=△n/n1
同步转速则主要取决频率
（2-2）
f——输入频率，单位为Hz
p——电动机的磁极对数
由式（2-1）和式（2-2）可以知道变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：
（2-3）
由式（2-3）可知，在电动机磁极对数不变的情况下，从而可以通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
在进行电机调速时，通常需要考虑到的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并且保持其不变。
如果磁通太弱的话，则电机就会出现欠励磁的想象，从而将会影响电机的输出转矩，由公式（2-4）
（2-4）
（式中Tm：
电磁转矩，Kt：
比例系数，
：
主磁通，I2：
转子电流，
:
转子回路功率因素），可知，电机磁通的减小，势必会使电动机的转矩减小。
由于在电动机设计时，电动机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电动机铁心出现饱和，从而导致电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铁损耗和铜损耗，严重时会因绕组过热而损坏电动机。
因此，在改变电动机的频率时，应对电动机的电压进行协调控制，以维持电动机磁通的恒定。
而在本设计中我用到的用来改变电动机电压的是SPWM，它输出的波形很接近与正弦波，在下文中我将会对其进行比较详细的说明[2]。
在基频（额定频率）以下调速时，由于E1的大小不易从外部加以控制，而定子绕组的阻抗压降（
U=
，
为定子绕组的阻抗压降，包括电阻和漏磁电抗）在电压较高时可以忽略，所以可以认为电动势和电源相电压近似相等即有U1
E1，因此作为一种可行的方案是在电源电压较高时用电源相电压U1代替电动势E1，当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降所占比重加大，不可以忽略，所以要人为的补偿，这是一种近似的恒磁通控制，这种控制方式常用于恒转矩控制，如下图2-1。
在基频以上调速时由于电压U,受额定电压的限制不能升，因此在频率升高时，迫使主磁通变小，进入弱磁变频调速，属于近似恒功率控制，如图2-1，但是用恒压频比代替恒电动势频率比的一个重要缺点是在速度降低时，电动机的带载能力也同时下降转矩利用率下降，从图2-2的a，b可以看出a图的临界转矩点随着速度的降低也减小，而b图则没有变化，然而要达到b图的效果就要保持E1/f1的比值为恒值而不仅是保持U1/f1比值为恒值了。
基于上述原因，在变频调速的基本控制方式下，改变频率的同时必须改变电压，所以称之为VVVF（VariablevoltageVariableFrequency）控制。
恒功率调速
恒转矩调速
0f1nn
图2-1异步电机变频调速的控制特性
2.2变频调速系统主电路结构设计
主电路是交一直一交电压源型，单相220V工频交流供电，采用不可控的二极管整流桥，大电容滤波，采用大功率晶体管IGBT作为输出SPWM波形的开关器件。
目前的大功率开关器件都是以集成的大功率场效应管IGBT为主流，另外系统中设置了保护电路，包括过压、过流的保护等。
该主电路由二极管三相整流桥向电压型逆变器提供恒定的直流电压，变频器的变压、变频均在逆变器内进行。
逆变器由六只IGBT管组成三相桥式逆变电路，并辅以吸收电路构成。
平波电容器C起中间能量存储作用，使逆变器与交流电网去耦，并可以向电机提供无功功率。
由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的途径，所以一般都用电阻吸收制动能量。
制动时，异步电机进入发电状态，首先通过IGBT两端并联的续流二极管D向电容C充电，当中间直流回路电压升高到一定限制值时，通过电压限制电路将电机释放的动能消耗在制动电阻R上。
图2-4主电路结构图
逆变（DC／AC）技术是电力电子技术的重要组成部分，是把直流电变成交流电的过程，完成逆变功能的电路称为逆变电路逆变电路根据直流侧电源性质不同可分为两种：
直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；
直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。
它们也分别被称为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路。
电压型逆变电路在直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗的特点。
2.2.1三相电压型逆变电路
三相交流负载需要三相逆变器，在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。
采用IGBT作为可控元件的电压型三相逆变电路如图2-5所示，可以看出电路由三个半桥组成。
电压型三相逆变桥的基本工作方式与单相逆变桥相同，也是
导电方式，即每个桥臂的导电角度为
，同一相（同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的时间依次相差
。
这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。
可能是上面一个臂，下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。
因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此，也被称为纵向换流。
图2-5三相逆变电路
用T记为周期，只要注意三相之间互隔T／3（T是周期）就可以了，即B相比A相滞后T／3，C相又比B相滞后T／3。
具体的导通顺序如下：
第1个T／6：
V1，V6，V5导通，V4，V3，V2截止：
第2个T／6：
Vl，V6，V2导通，V4，V3，V5截止：
第3个T／6：
V1，V3，V2导通，V4，V6，V5截止：
第4个T／6：
V4，V3，V2导通，V1，V6，V5截止：
第5个T／6：
V4，V3，V5导通，V1，V6，V2截止：
第6个T／6：
V4，V6，V5导通，V1，V3，V2截止。
下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形。
对于A相输出来说，当桥臂l导通时，
当桥臂4导通时，
因此，
的波形是幅值为
的矩形波。
B，C两相的情况和A相类似，
的波形形状和
相同，只是相位依次相差
三相逆变电路输出电压波形如图2-6：
U
AAT
B
BBT
U
CC
CT
图2-6三相逆变电路输出电压波形
2.2.2整流电路
整流电路是把交流电变换为直流电的电路。
目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，三相桥式全控整流电路每个时刻均需2个二极管导通，而且这两个二极管一个是共阴极组，一个是共阳极组，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。
2.3SPWM逆变技术
2.3.1静止式SPWM间接变压变频装置
SPWM间接变压变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率和幅值的交流电，故又称为交一直一交变压变频装置。
其系统原理框图如图2-8所示在这类装置中，用不控器件整流，而逆变部分用SPWM变频器调压调频一次完成，整流器无需控制，简化了电路结构;
而且由于以全波整流代替了相控整流，所以提高了输入端的功率因数，减小了谐波对电网的影响。
此外，因输出波形由方波改进为SPWM波，减少了谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗和噪声。
SPWM
逆变
全控整流
ACDCAC
50KHZ
CVCFVVVF
调压调频
图2-8SPWM间接变压变频装置
SPWM逆变器输出谐波减少的程度取决于逆变器件的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。
采用IGBT时，开关频率可高达l0kHz以上，其输出电流已非常逼近正弦波。
所以，这种装置己成为当前最有发展前途的一种装置形式。
2.3.2SPWM调制变频技术
SPWM调制技术是PWM多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制.其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。
如果把一个正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合，这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。
同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。
如图2-9所示。
设由整流器提供的直流恒值电压为Us，并设电机绕组中点与直流电压中点相连，则SPWM脉冲序列波的幅值为
令第i个矩形脉冲的宽度为
，其中心点相位角为
，则根据面积相等的等效原则，可写成：
=
（2-5）
当n的数值较大时近似的认为sin
/（2n）=
/（2n），于是
（2-6）
上式表明第i个矩形脉冲的宽度与该处正弦波值近币以成正比。
因此，与半个周期正弦波等效的SPWM波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。
相比于其它各种变频变压调制方式，这样的脉冲系列可获得比常规六
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