交流異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

1、摘要：本文對變頻調(diào)速理論、逆變技術(shù)、spwM生原理進行了研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型數(shù)字化三相 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)，以 8051控制專用集成芯片 SA4828為控制核心，采 用IGBT作為主功率器件，同時采用EXB840構(gòu)成IGBT的驅(qū)動電路，整流電路采用二極管，可使功率因數(shù)接近1,并且只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)比較簡單。本文在控制上采 用恒 Vf控制，同時，軟件程序使得參數(shù)的輸入和變頻器運行方式的改變極為方便，新型集成元件的采用也使得它的開發(fā)周期短。此外，本文對SA4828三相SPWM波發(fā)生器的使用和編程進行了詳細介紹，完成了整個系統(tǒng)控制部分的軟硬件設(shè)計。關(guān)鍵字：變頻調(diào)速；正弦脈寬

2、調(diào)制；V f控制；SA4828波形發(fā)生器In ducti on motor speed-adjusted systemdesig nThe student : xxxThe teacher : xxxxxxElectronic information and engineering institute from Huainan NormalUn iversityAbstract: This thesis has a research on these tech no logies:Variable Voltage VariableFrequency motor drive, inverter,

3、 and the creation principle of SPWM, Based on the results of the study, I desig ned a system of a new digital three phases VVVF motor drive system. It uses ASIC-SA4828 con trolled by 8051 as main con trolli ng core, it uses IGBT as power device, and uses EXB840 as drive. It uses diodes as converting

4、 circuit un it, which makes power factor close to 1. Because I only n eed to con trolinverter, the whole circuit is very simple.I adopt the means of linear operati on. At the same time, it is very convenient to in put parameters or cha nge the drive ' s operating mode due to the software procedu

5、re. Moreover, owing to the adva ntages of the new in tegrated parts, it costs less time to develop this motor drive.This thesis has also detail introduced the method of the usage and the programs of the three phases SPWM wave gen erator SA4828. The software and the hardware of the con trol part in s

6、ystem have bee n completed.Keywords: variable frequency speed control； Sine Pulse Width Modulation (SPWM)；operatio n ; SA4828 Wave Gen erator第一章緒論 21課題的研究現(xiàn)狀和意義 22變頻器的動態(tài)發(fā)展趨勢 4第二章方案設(shè)計 52.1變頻器的主電路方案 2.2系統(tǒng)的原理框圖 62.3電動機原始參數(shù) 72.4異步電機的工作原理 72.4.1 異步電機的等效電路 72.4.2 異步電機的轉(zhuǎn)矩 92.4.3 異步電機的機械特性 92.4.4 異步電機變頻調(diào)速原理

7、112.5變頻調(diào)速的控制方式 122.5.1 V f比恒定控制12第三章變頻器主電路173.1主電路的工作原理 173.2主電路各部分設(shè)計 173.2.1 交直電路設(shè)計 173.2.2 直交電路設(shè)計 183.2.3主電路工作原理 193.2.4 主電路參數(shù)計算 213.3 IGBT及驅(qū)動模塊介紹 223.3.1 IGBT 簡介及驅(qū)動 223.3.2 EXB840的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 233.3.2 IGBT 驅(qū) 7 動電 u第四章控制回路 244.1驅(qū)動電路 254.1.1 SPWM調(diào)制技術(shù) 254.1.2 SPWM波生成芯片特點和引腳 264.1.3 SA4828結(jié)構(gòu)及工作原理 284.2保護電路 3

8、04.2.1 過、欠壓保護電路設(shè)計 304.2.2 過流保護設(shè)計 324.3控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 33第五章變頻器軟件設(shè)計 355.1流程圖 355.2 SA4828 的編程 365.2.1 初始化寄存器編程 365.2.2 控制寄存器編程 385.3程序設(shè)計 40第六章結(jié)論 48致謝 49參考文獻 50第一章緒論1課題的研究現(xiàn)狀和意義近年來，電動機作為主要的動力設(shè)備被廣泛的應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防科技、 日常生活等各個方面，其負荷約占總發(fā)電量的 60%-70%成為用電量最多的電氣 設(shè)備，根據(jù)采用的控制方式不同，電動機分為直流電動機和交流電動機兩大類。 其中交流電動機形式多樣，用途各異， 擁有數(shù)量最多

9、。交流電動機又分為同步電 動機和異步電動機兩大類，根據(jù)統(tǒng)計，交流電動機用電量占電機總用電量的85%左右，可見交流電動機應用的廣泛性及其在國民生產(chǎn)中的重要地位。電動機作為把電能轉(zhuǎn)換為機械能的主要設(shè)備，在實際應用中，一是要使電動機具有較高的機電能量轉(zhuǎn)換效率；二是根據(jù)生產(chǎn)機械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機的旋轉(zhuǎn)速度。電動機的調(diào)速性能的好壞對提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率和節(jié) 省電能有著直接的決定性影響。眾所周知，直流電動機的轉(zhuǎn)速容易控制和調(diào)節(jié)， 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜動態(tài)調(diào)速特性。因此長期以 來，在變速傳動領(lǐng)域中，直流調(diào)速一直占據(jù)主導地位。但是，由于直流電動機的 機械式換向器和電刷存

10、在著諸多弱點，因此有時直流調(diào)速也受到限制。然而，采用無換向器的交流電動機組成的交流調(diào)速系統(tǒng)代替直流調(diào)速系統(tǒng)可以突破這些 限制，滿足生產(chǎn)發(fā)展對調(diào)速、傳動的各種不同的要求。20世紀60年代以后，由于生產(chǎn)發(fā)展的需要和節(jié)省電能的要求，促使世界 各國重視交流調(diào)速技術(shù)的研究和開發(fā)。 尤其是20世紀70年代以后，由于科學技 術(shù)的迅速發(fā)展為交流調(diào)速的發(fā)展創(chuàng)造了極有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。大致體現(xiàn)在一下四個方面：1電力電子的蓬勃發(fā)展促進了交流技術(shù)的迅速發(fā)展和交流調(diào) 速系統(tǒng)裝置的現(xiàn)代化。2、脈寬調(diào)制（PWM技術(shù)的發(fā)展與研究。3、矢量交換控 制技術(shù)的誕生和發(fā)展，奠定了現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)高性能化的基礎(chǔ)。4、微型計算機控

11、制技術(shù)與大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展和廣泛應用為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)提供 了技術(shù)手段和保障異步電機可以采用調(diào)壓調(diào)速、改變極對數(shù)調(diào)速、串電阻調(diào)速、變頻調(diào)速等。在交流調(diào)速諸多方式中，變頻調(diào)速是最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式，也是交 流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容，變頻裝置有交一直一交系統(tǒng)和交一交系統(tǒng)兩大類。 交 直一交系統(tǒng)在傳統(tǒng)電壓型和電流型變頻器的基礎(chǔ)上正向著脈寬調(diào)制PWM型變頻器和多重化技術(shù)方向發(fā)展，而交一交變頻器應用于低速大容量可逆系統(tǒng)上升趨 勢現(xiàn)代電力電子、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，以及控制理論的完善、 各種工具的日漸成熟，尤其是專用集成電路、DSP和FPGA近來令人矚目的發(fā)展，促進了交流調(diào)速的不

12、斷發(fā)展。目前異步電機變頻調(diào)速控制已經(jīng)成為一門集電機、 電力電子、自動化、計算機控制和數(shù)字仿真為一體的新興學科。交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展過程表明，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會發(fā)展的需要推動了交流 調(diào)速的飛速發(fā)展；現(xiàn)代控制理論、 電力電子技術(shù)的發(fā)展和應用，微機控制技術(shù)及 大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應用為交流調(diào)速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)條件。實踐證明，交流調(diào)速系統(tǒng)的應用為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及節(jié)省電能方面帶來了巨大的經(jīng)濟和 社會效益?，F(xiàn)在，交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步的代替直流調(diào)速系統(tǒng)， 交流調(diào)速系統(tǒng)在 電氣傳動領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位已是不爭的事實。總之，交流電機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，特別是變頻器傳動本身固有的優(yōu)勢，必將 使之應用于社會生產(chǎn)的各個

13、領(lǐng)域，以體現(xiàn)出不同的功能，達到不同的目的，收到相應的效益。因此，本論文通過對變頻器的研究，對于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)理論的 應用，有著實際的意義和一定的應用價值。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、控制部分及保護部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相SPW逆變方式。2變頻器的動態(tài)發(fā)展趨勢隨著變頻技術(shù)的不斷的發(fā)展，通用變頻器以其優(yōu)異的控制性能現(xiàn)已在調(diào)速領(lǐng) 域、工業(yè)領(lǐng)域及家電產(chǎn)品中得到迅速推廣。此外，變頻技術(shù)和變頻器制造己經(jīng)從傳統(tǒng)的拖動技術(shù)中分離出來，現(xiàn)已成為各國在工業(yè)自動化和機電一體化領(lǐng)域中爭 強占先的陣地，而發(fā)達國家更是在該技術(shù)領(lǐng)域投入了極大的人力、物力、財力， 逐步向高新技術(shù)行

14、業(yè)發(fā)展。近年來，電力電子器件的基片已從 Si （硅）變換為SiC （碳化硅），使電力 電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優(yōu)點；并制造出體積小、容量大的驅(qū) 動裝置；永久磁鐵電動機也正在開發(fā)研制之中。隨著IT技術(shù)的迅速普及，以及人類思維理念的改變，變頻器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展迅速，未來主要朝以下幾個方面發(fā) 展：（1）網(wǎng)絡(luò)智能化智能化的變頻器可以進行故障自診斷、 遙控診斷以及部件自動置換，從而保 證變頻器的長壽命。利用互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)多臺變頻器聯(lián)動等綜合管理控制系統(tǒng)。（2）專業(yè)化和一體化變頻器的制造專業(yè)化，可以使變頻器在某一領(lǐng)域的性能更強，如風機、水泵、 電梯、起重機械和張力控制專用變頻器等。 此外變頻器

15、與電動機一體化的發(fā)展趨 勢，使變頻器成為電動機的一部分，逐漸向體積小、易控制的方向發(fā)展。（3）適應新能源以太陽能和風力為能源的燃料電池以其低廉的性能已得到廣泛的應用。這些 發(fā)電設(shè)備的最大特點是容量小而分散， 將來的變頻器就要適應這樣的新能源， 既 要高效，又要低耗。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的快速發(fā)展， 變頻調(diào)速傳動技術(shù)也隨之取得了日新月異的進。 主要表現(xiàn)在交流調(diào)速裝置的大容 量化、變頻器的高性能化和多功能化、結(jié)構(gòu)的小型化等方面。第二章方案設(shè)計 2.1變頻器的主電路方案變頻器最早是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機組作為可變頻率電源供給交流電動機。 隨著電力 半導體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了

16、變頻器的主要形式。靜止式變頻器 從變換環(huán)節(jié)分為兩大類：交-直-交變頻器和交-交變頻器。（1）交-交型變頻器：是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率可調(diào)電壓 的交流電（轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同），又稱直接式變頻器。由于中間不經(jīng)過直流環(huán) 節(jié)，不需換流，故效率很高。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機等。但這種控制方式?jīng)Q定了最高輸出頻率只能達到電源頻率的1/31/2,所以不能高速運行。（2）交-直-交型變頻器：是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再直流 變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱間接變頻器，交-直-交變頻器是目前廣泛應用 的通用變頻器。它根據(jù)直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電

17、流 型兩種： 電流型變頻器：是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功 功率，即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較大， 故稱電流源型變頻器。 電壓型變頻器：是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容器作為儲能環(huán)節(jié) 來緩沖無功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當于電壓源， 故稱電壓型變頻器。由于交-直-交型變頻器是目前廣泛應用的通用變頻器， 作為電壓源向交流電 動機提供交流電功率，所以其主要優(yōu)點是運行幾乎不受負載的功率因數(shù)或換流的 影響，它主要適用于中、小容量的交流傳動系統(tǒng)。 所以本次設(shè)計中選用此種間接變頻器，在交-直-交變頻器的設(shè)計中，雖然電流型變頻器可以彌

18、補電壓型變頻器 在再生制動時必須加入附加電阻的缺點，并有著無須附加任何設(shè)備即可以實現(xiàn)負 載的四象限運行的優(yōu)點，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點，在本次設(shè)計中采用電壓型變頻器。2.2系統(tǒng)的原理框圖交直交變頻器由以下幾部分組成，如圖1.1所示供電電源逆變電路Bb整流電路k濾波電路1 電機L4 I主電路電流隔離驅(qū)動圖1.1系統(tǒng)原理框圖系統(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220V,中大功率的采用三相380V電源。因為本設(shè)計中采用中等容量的電動機，所以采用三相380V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。在本設(shè)計中采用三相不可控整流。它可以使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近1。濾波電路：因在本設(shè)計中采用電壓型變頻器，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交流電。本設(shè)計采用三相橋逆變，開關(guān)器件選用全控型開關(guān)管IGBT。電流電壓檢測：采集直流端信號，作為過壓、欠壓、過流保護信號?？刂齐娐罚翰捎?051單片機和SPW波生成芯片SA4828控制電路的主要 功能是