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电压型三相交流变频调速系统设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.19M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘要：本课题主要是研究电压型三相交流SPWM变频技术的基本原理、实现方法及软硬件设计，完成系统的软硬
    ABSTRACT： Focus is Studying SPWM three-phase volta
    第1章 前言
    1.1 电力电子技术的发展与创新
    1.1.1 概述
    1.1.2 电力电子器件发展回顾
    1.1.3 电力电子器件发展趋势
    1.1.4 电力电子技术创新
    1.2 设计本课题的总思路
    1.3 设计任务及要求
    第2章 变频调速基本原理及应用
    2.1 变频调速技术的发展
    2.1.1 变频技术的发展方向
    2.1.2 交流变频调速技术的发展
    2.2 变频调速基本原理
    2.2.1 变频调速的工作原理p——磁极对数
    2.2.2 变频调速的控制原理
    2.2.3 变频调速的性能比较
    2.3 变频器
    2.3.1 变频器的选型
    2.3.2 变频器的工作原理
    2.3.3 频器的运行和相关参数的设置
    2.4 变频调速的应用
    2.4.1 变频调速技术的实际运用分析
    2.4.2 我国变频调速技术的应用
    第3章 脉宽调制技术
    3.1 相电压控制PWM
    3.1.1 等脉宽PWM法
    3.1.2 随机PWM
    3.1.3 SPWM法
    3.1.4 梯形波与三角波比较法
    3.2 线电压控制PWM
    3.2.1 马鞍形波与三角波比较法
    3.2.2 单元脉宽调制法
    3.3 电流控制PWM
    3.3.1 滞环比较法
    3.3.2 三角波比较法
    3.3.3 预测电流控制法
    3.4 空间电压矢量控制PWM
    3.5 矢量控制PWM
    3.6 直接转矩控制PWM
    3.7 非线性控制PWM
    第4章 系统的硬件设计
    4.1 系统工作原理
    4.1.1 SPWM技术原理
    4.1.2 C8051实现SPWM波形的原理及算法
    4.2 主电路的设计
    4.2.1 整流电路设计
    4.2.2 逆变电路的设计
    4.2.3 逆变驱动电路的设计
    4.2.4 转速检测电路
    4.2.5 滤波电路的设计
    4.3 光电隔离电路
    4.4 过压保护电路
    4.5 8051控制电路
    4.5.1 8051控制电路
    4.5.2 PWM输出与光耦驱动的接口电路
    4.6 人机接口电路
    第5章 系统的软件设计
    5.1 单片机程序设计
    5.1.1 初始化程序
    5.1.2 转速调节程序
    5.1.3 显示中断程序
    5.1.4 故障中断服务程序
    5.1.5 显示子程序及键盘服务程序流程图
    5.2 控制电路
    5.3 最小脉冲问题分析
    总结
    参考文献
    附录A
    附录B
    电压型三相交流变频调速系统的设计 电压型三相交流变频调速系统设计 摘 要 ：本课题主要是研究电压型三相交流 SPWM 变频技术的基本原理、实现方法 及软硬件设计，完成系统的软硬件设计。要求完成内容主要有：1、变频调速技术基本 原理 2、变频调速基本原理 3、控制方案确定 4、软件与硬件设计 5、实验调试。涉及 的主要相关知识：电力电子及运动控制、微机控制。在通常情况下交流异步电动机用 作调速机时，它的控制电路复杂，系统的效率较低。采用单片机微机控制的交流异步 电动机变频调速系统使起控制电路大为简化，使用正弦脉宽调制（SPWM）驱动，系 统效率也有所提高。 交流异步电动机的变频调速，实际中多采用脉冲宽度调制（PWM），完成调频和 调压两种功能。用单片微机实现（PWM）来控制可使调节灵活，电路简化。本设计采 用的 MCS51 系列的单片微机控制 PWM，在 300W 的二相异步交流电机上进行运行实 验。 传统的交流变频调速系统由正弦波和锯齿波相交产生所需的脉宽调制波实现恒压 额比的变频调速控制。这种系统由于采用模拟控制，设备复杂、调整困难，且控制精 度低，可靠性差，因而限制了这种系统的应用。与上述传统的系统相比，本系统具有 如下特点：采用新型大规模专用集成电路产生脉宽调制波，使波形稳定，精度和可靠 性显著增加。以单片机8031CPU为核心的全数字控制．电路简单，调整迅速，进一步 提高了控制精度。 关键词：电压型三相PWM整流器，变频调速，单片机，交流电机； I
    Design of three-phase Voltage-type Inverter Control System 电压型三相交流变频调速系统的设计 ABSTRACT： Focus is Studying SPWM three-phase voltage-type AC inverter with the fundamental principles in this paper, and designing the methods and software and hardware, and complete system software and hardware. The main completion on: 1.the basic principles of VVVF technology 2. three basic principles of Frequency Control, the control scheme for the 4, 5 software and hardware design, experimental debugging. The main relevant knowledge: power electronics and motion control, computer control. Under normal circumstances in exchange for motor asynchronous speed machine, it's complicated control circuits, the system's efficiency is low. SCM using computer control the exchange of asynchronous motor Frequency Control System that has greatly simplified control circuit, the use of SPWM (SPWM) drive, the system has improved efficiency. Induction Motor Frequency Control, in the actual use of pulse width modulation (PWM), and completed FM Surge two functions. To achieve single-chip microprocessor (PWM) to control can adjust flexibly, to simplify circuit. This design by the MCS51 series of single-chip microprocessor achives PWM control, 300W in the two-phase asynchronous motor exchanges on running the experiment. The traditional exchange of Frequency Control System from the intersection of a sine wave and the sawtooth PWM wave of constant pressure to achieve than the frequency for arrest control. As a result of this analog control system, equipment complex and difficult adjustment, and low-precision control, reliability poor, thus limiting the application of such a system. With the traditional systems, this system has the following characteristics: a new type of large-scale ASIC PWM wave, the wave stability, accuracy and reliability of a significant increase in SCM (8031 CPU as the core of digital control. Circuit simple to adjust quickly to further enhance the control accuracy. Keywords ： Three-Phase PWM voltage rectifier, Frequency Control, SCM, AC motor, computer control II
    电压型三相交流变频调速系统的设计 第 1 章 前 言 1.1 电力电子技术的发展与创新 1.1.1 概述 自20世纪50年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上自20世纪50年代 末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础 开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流 机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子的诞 生。进入20世纪70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，普 通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理 论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发 展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTR、GTO，功率MOSFET等自关断全 控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器 件，开始向大容易高频率，响应快，低损耗方向发展。而进入20世纪90年代电力电子器 件正朝着复台化 标准模块化、智能化功率集成的方向发展，以此为基础形成一条以电 力电子技术理论研究，器件开发研制，应用渗透性，在国际上电力电子技术是竞争最激 烈的高新技术领域。 1.1.2 电力电子器件发展回顾 整流管是电力电子器件中结构最简单，应用最广泛的一种器件。目前已形成普通型， 快恢复型和肖特基型三大系列产品，电力整流管对改善各种电力电子电路的性能，降低 电路损耗和提高电流使用效率等方面都具有非常重要的作用。自1958年美国通用电气 GE公司研制出第一个工业用普通晶闸管开始，其结构的改进和工艺的改革为新器件开 发研制奠定了基础，在以后的十年间开发研制出双向，逆变、逆导、非对称晶闸管，至 今晶闸管系列产品仍有较为广泛的市场。20世纪70年代研制出GTR系列产品，其额定值 已达1．8kV／0．8kA／2kHZ，0．6kV／0．003kA／100kHZ，它具有组成的电路灵活 成熟，开关损耗小、开关时问短等特点，在中等容量、中等频率的电路中应用广泛，而 作为高性能，大容量的第三代绝缘栅型双极性晶体管IGBT，因其具有电压型控制，输 入阻抗大、驱动功率小，开关损耗低及工作频率高等特点，有着广阔的发展前景。而IGCT 是最近发展起来的新型器件，它是在GTO基础上发展起来的器件，称为集成门极换流晶 闸管，也有人称之为发射极关断晶闸管，它的瞬时开关频率可达20kHz，关断时间为1s， di1dt4kA／ms，du／dtl020KV／ms，交流阻断电压6kV，直流阻断电压3．9kV，开关时 1
    电压型三相交流变频调速系统的设计 间<2ks，导通压降3600A时，开关频率>1000Hz。 1.1.3 电力电子器件发展趋势 当我们将50Hz的标准二频大幅的提高之后，使用这样工频的电气设备的体积与重量 就能大大缩小，使电气设备制造节约材料，运行时节电就更加明显，设备的系统性能亦 大为改善，尤其是对航天工业其意义十分深远的。故电力电子器件的高频化是今后电力 电子技术创新的主导方向，而硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋势，目前先进的 模块，已经包括开关元件和与其反向并联的续流二极管在内及驱动保护电路多个单元， 并都以标准化和生产出系列产品，并且可以在一致性与可靠性上达到极高的水平。目前 世界上许多大公司已开发出IPM智能化功率模块，如日本三菱东芝及美国的国际整流器 公司已有成熟的产品推出。El本新电源公司的IPM智能化功率模块的主要特点是： (1)它内部集成了功率芯片，检测电路及驱动电路，使主电路的结构为最简。 (2)其功率芯片采用的是开关速度高，驱动电流小的IGBT，且自带电流传感器，可 以高效地检测出过电流和短路电流，给功率芯片以安全的保护。 (3)在内部配线上将电源电路和驱动电路的配线长度控制到最短，从而很好地解决了 浪涌电压及噪声影响误动作等问题。 (4)自带可靠的安全保护措施，当故障发生时能及时关断功率器件并发出故障信号， 对芯片实施双重保护，以保证其运行的可靠性。 1.1.4 电力电子技术创新 98年末朱总理明确指示，今后必须加快国家创新体系的建设，因此可以肯定的说， 在21纪初国家发展中，技术创新将要变成企业工作的主导内容，而发展与建立适合中国 国情的电气工业的技术创新机制，通过电力电子技术长足进步推动新型电气工业不断升 级和进步进而走向世界。电力电子技术又称为能流技术，因此电力电子技术的发展与创 新是21世纪可持续发展战略纲领的重要组成部分。电力电子技术的创新与电力电子器件 制造工艺，已成为世界各国工业自动化控制和机电一体化领域竞争最激烈的阵地，各发 达国家均在这一领域注入极大的人力，物力和财力，使之进入高科技行业，就电力电子 技术的理论研究言，目前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等西欧国家可以说是齐头并进， 在这些国家各种先进的电力电子功率量不断开发完善，促进电力电子技术向着高频化迈 进，实现用电设备的高效节能，为真正实现工控设备的小型化，轻量化，智能化奠定了 重要的技术基础，也为21世纪电力电子技术的不断拓展创新描绘了广阔的前景。我国开 发研制电力电子器件的综合技术能力与国外发达国家相比，仍有较大的差距，要发展和 创新我国电力电子技术，并形成产业化规模，就必须走有中国特色的产学创新之路，即 2
    电压型三相交流变频调速系统的设计 牢牢坚持和掌握产、学、研相结合的方法走共同发展之路。从跟踪国外先进技术，逐步 走上自主创新，从交叉学科的相互渗透中创新，从器件开发选择及电路结构变换上创新， 这对电力技术创新是尤其实用的。也要从器件制造工艺技术引导创新，从新材料科学的 应用上创新，以此推动电力电子器制造工艺的技术创新，提高器件的可靠性。由此形成 基础积累型的创新之路。并要把技术创新与产品应用及市场推广有机结合，已加快科技 创新的自我强化的循环，促进和带动技术创新有着稳定的基础，以使我国电力电子技术 及器件制造工艺技术有以长足的发展，并形成一个全新的圾阳产业，转化为巨大的生产 力，推动我国工业领域由粗板型经营走向集型，促进国民经济以高速、高度、可持续发 展。 1.2 设计本课题的总思路 本文对于逆变器供电的变频调速系统进行了分析，并设计了一种以 MCS-51 系列单 片机为基础生成的 SPWM 来控制逆变器的控制系统。首先，在逆变器供电的交流调速 系统中，电动机的运行条件发生了很大变化，针对逆变器供电的特点给出了变频调速异 步电动机的选择方法。其次，对于新型器件的应用做了说明，根据新型功率器件的特点 和应用要求，设计出了逆变器的驱动电路和保护电路，使得新型功率器件的应用更加安 全。最后，为适应变频调速电机的要求，设计了一套基于单片机生成的 SPWM 控制逆 变器来控制电动机变频调速系统，对于硬件电路部分和实现控制策略的软件部分进行设 计。 1.3 设计任务及要求 本课题主要是研究电压型三相交流 SPWM 变频技术的基本原理、实现方法及软硬 件设计，完成系统的软硬件设计。要求完成任务主要有： 1、变频调速技术基本原理 2、变频调速基本原理 3、控制方案确定 4、软件与硬件设计 5、实验调试 要求设计一个完整的电压型三相交流 SPWM 变频系统，并进行相关的实验。 资料：要求在图书馆和查阅与参考变频调速系统及电力电子相关的书籍的基础上，写 出开题报告，设计中写好设计日志、设计说明书完整、软件清单、设计图纸完整。 3
    电压型三相交流变频调速系统的设计 第 2 章 变频调速基本原理及应用 2.1 变频调速技术的发展 近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动 技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控 制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品 质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性 能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认 为最有发展前途的调速方式。 2.1.1 变频技术的发展方向 (1)交流变频向直流变频方向转化 直流变频是以数字转换电路代替交流变频中的交流转换电路，使负载电机始终处于 最佳运行状态。它摒弃了交流变频技术的交流－直流－交流－变转速方式交流电机的循 环工作方式，采用先进的交流－直流－变转速方式数字电机的控制技术，无逆变环节， 因而减少电流在工作中转变次数，使电能转化效率大大提高，能够实现精确控制，平稳 安静高效地运转。同时，避免了交流变频电机电磁噪声较大的缺点，噪声更加低。 (2)控制技术由 PWM（脉宽调制）向 PAM（脉幅调制）方向发展 采用 PWM 控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超 过 7000r/min。而采用 PAM 控制方式的压缩机转速可提高 1.5 倍左右，这样大大提高了 快速制冷和制热能力。同时，由于 PAM 在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因 而可以获得比 PWM 更高的效率。此外，在抗干扰方面也有着 PWM 无法比拟的优越性， 可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。 (3)功率器件向高集成智能功率模块发展 虽然单个功率器件的效率越来越高，控制简化，但电的复杂性给生产和测试带来不 便。智能功率模块（IPM）是将功率器件的配置、散热乃至驱动问题在模块中解决，因 而易于使用，可靠性高。以变频空调为例，我国的变频空调几乎 100％采用 IPM 方式。 近年来带驱动和保护电路的智能功率模块（IPM）相继面市。IPM 是将三相逆变 IGBT、 驱动电路以及保护电路集成在一块芯片上。它的出现推动了变频家电市场的启动和发 展。新型 IPM 模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方便用户使用，用户只需要了 解接口电路和定义，很快可以组成运行系统。 4
    2.1.2 交流变频调速技术的发展 电压型三相交流变频调速系统的设计 交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转 换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功 率和控制两大部分。其主要发展方向有如下几项： (1)实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、 直接转矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型 参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的 最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控 制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。 (2)开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧 和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容 量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率 下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。 (3)缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括 智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制 造的小体积变压器、电抗器和电容器。 (4)高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实 现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有 很大的发展。 (5)模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD 软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。 主要的研究开发项目有如下各项： (1)数字控制的大功率交-交变频器供电的传动设备。 (2)大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大型风机和泵上 的推广应用。 (3)电压型GTO逆变器在铁路机车上的推广应用。 (4)电压型IGBT、IGCT逆变器供电的传动设备扩大功能，改善性能。如4象限运行， 带有电极参数自测量与自设定和电机参数变化的自动补偿以及无传感器的矢量控制、直 接转矩控制等。 (5)风机和泵用高压电动机的节能调速研究。众所周知，风机和泵改用调速传动后节 约大量电力。特别是电压电动机，容量大，节能效果更显著。 5
    电压型三相交流变频调速系统的设计 2.2 变频调速基本原理 2.2.1 变频调速的工作原理 p——磁极对数 由电机学理论可知，电动机的转速为 n=60f/p，式中 f—电源频率；p—磁极对数； 当 P 为定值时，n 与 f 成正比。如果连续地改变供电电源的频率就可以调节电动机的转 速，这就是变频调速的工作原理。而变频调速的关键设备就是变频器它决定整个调速系 统的性能。目前使用较多的是“交—直—交”变频，将 50Hz 交流整流为直流电 Ud，再 由三相逆变器将直流逆变为频率可调的三相交流供给鼠笼电机实现变频调速。频率的下 降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。 2.2.2 变频调速的控制原理 变频调速装置主电路由空气开关 QF1，交流接触器 KM1 和变频器 VF 组成，由安 装在配电柜面板上的转换开关 SA，复位开关 SB；或安装在现场防爆操作柱上启动按钮 SB 和停止按钮 SB2 控制 VF 的运行： (1)启动 VF 时必须先合上 QF1 和 QF2，使 SA 置于启动位置，KM1 便带动电触点 闭合，来电显示灯 HL2 亮；此时按下 SB，也可以按下现场 SB1 使 KA1 带电触点闭合， VF 投入运行同时运行指示灯 HL3 亮。 (2)需要停止 VF 时，按下 SB2 使 KA1 失电，VF 停止运行，此时 HL3 灭；置 SA 于 停止位置，KM1 断开同时 HL1 亮，表示停机。 (3)如果在运行过程中 VF 有故障 FLA、FLC 端口将短接，KA2 带电，KM 带电其触 点断开，同时故障指示灯 HL3 亮并报警。 由于工艺条件复杂，实际运行过程中有多方面不确定因素，为安全其见，每台变频 器均加有一旁路接触器 KM2；如果 KM1 或 VF 发生故障时保证电机仍能变频运行。变 频调速实行闭环负反馈自动控制即由仪表装置供给变频器 1V 和 CC 端口 4～20MA 电信 号，靠信号大小改变来控制 VF 频率高低变化达到调节电动机转速和输出功率的目的， 原理图如图 2.1 所示： 图 2.1 系统的控制原理图 单片机控制系 变频器 变频器 2.2.3 变频调速的性能比较 A∕D 放大器 压 力 传 感 变频调速相对于传统的电磁调速有着很好的性能，以下是两者的比较见表1： 6
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