当前位置:首页 >> 电力/水利 >>

异步电动机变频调速控制系统设计


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: 学生学号: 系 专 届 别: 业: 别:

xxx xxxxxxxxx 电气信息工程学院 自动化 2012 届 xxx

指导教师:

异步电动机变频调速控制系统设计
学生:xxx<

br />
第 1 页

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
V f

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;
V f

控制;SA4828 波形发生器

Induction motor speed-adjusted system design
The student:xxx The teacher:xxxxxx

Electronic information and engineering institute from Huainan Normal University
Abstract:This thesis has a research on these technologies: Variable Voltage Variable Frequency motor drive, inverter, and the creation principle of SPWM, Based on the results of the study, I designed a system of a new digital three phases VVVF motor drive system. It uses ASIC-SA4828 controlled by 8051 as main controlling core, it uses IGBT as power device, and uses EXB840 as drive. It uses diodes as converting circuit unit, which makes power factor close to 1. Because I only need to control inverter, the whole circuit is very simple.I adopt the means of linear
V f

operation. At the same time, it is very convenient to input parameters or change the drive’s operating mode due to the software procedure. Moreover, owing to the advantages of the new integrated 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 generator SA4828. The software and the hardware of the control part in system have been completed. Keywords: variable frequency speed control ; Sine Pulse Width Modulation (SPWM) ;
V f

operation; SA4828 Wave Generator

异步电动机变频调速控制系统设计

第 2 页

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 ....................................................................................................... 5 第二章 方案设计............................................................................................................................. 6 2.1 变频器的主电路方案 ....................................................................................................... 6 2.2 系统的原理框图 ............................................................................................................... 7 2.3 电动机原始参数 ............................................................................................................... 8 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 .......................................................................................................... 10 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
V

2.5.1

f 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 .............................................................................................................. 19 3.2.3 主电路工作原理 ........................................................................................................... 20 3.2.4 主电路参数计算 .......................................................................................................... 22 3.3 IGBT 及驱动模块介绍 .................................................................................................... 23 3.3.1 IGBT 简介及驱动 ......................................................................................................... 23 3.3.2 EXB840 的内部结构 ..................................................................................................... 23 3.3.2 IGBT 驱 7 动电 u ....................................................... 第四章 控制回路......................................................................................................................... 25

第 3 页

4.1 驱动电路......................................................................................................................... 25 4.1.1 SPWM 调制技术 ............................................................................................................. 25 4.1.2 SPWM 波生成芯片特点和引脚 ..................................................................................... 27 4.1.3 SA4828 结构及工作原理 ............................................................................................. 29 4.2 保护电路......................................................................................................................... 31 4.2.1 过、欠压保护电路设计 .............................................................................................. 31 4.2.2 过流保护设计 .............................................................................................................. 33 4.3 第五章 5.1 5.2 控制系统的实现 ............................................................................................................. 34 变频器软件设计 ............................................................................................................. 36 流程图............................................................................................................................. 36 SA4828 的编程 ................................................................................................................ 37 5.2.1 初始化寄存器编程 ...................................................................................................... 37 5.2.2 控制寄存器编程 .......................................................................................................... 39 5.3 程序设计......................................................................................................................... 40 第六章 结论................................................................................................................................... 49 致谢................................................................................................................................................. 50 参考文献......................................................................................................................................... 50

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,

异步电动机变频调速控制系统设计

第 4 页

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

第 5 页

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。

异步电动机变频调速控制系统设计

第 6 页

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

第 7 页

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

供电电源

整流电路

滤波电路

逆变电路

电机

主电路电流

隔离驱动

8051 单片机 图 1.1 系统原理框图

SPWM 波 生成芯片

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。

异步电动机变频调速控制系统设计

第 8 页

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: PN ? 7.5KW ; 额定电压:U N ? 380V ;额定电流: I N ? 15.6 A ; 效

nN ? 1450r / min ; 额定转速:
过载系数:λ =2.2; 2.4 异步电机的工作原理 2.4.1 异步电机的等效电路

? ? 86% ; 率:

功率因数: cosφ =0.85; 极 对 数:P=2。

电压波动:±10%;

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:错误!未找到引用源。——定子的相电压;错误!未找到引用源。 ——定子的相电流; 错误!未找到引用源。——定子每相绕组的电阻和漏抗;

E 2 s 、 I 2 S 、 X 2S 分别是转子电路产生的电动势、电流、漏电抗;
错误!未找到引用源。——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。

第 9 页

其有效值可计算如下:

E1 ? 4.44 f1 N1K N1?m

(2-1)

式中: E1 ——气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值; f1 ——定子频率;

N1 ——定子每相绕组中串联匝数; K N 1 ——基波绕组系数; ? m ——极气
隙磁通。 由电动机的基础知识可知:转子回路的频率 f 2 ? sf1 ,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: rm ——励磁电阻,是表征异步电动机铁心损耗的等效电阻;

x m ——励磁电抗,是表征铁心磁化能力的一个参数;
I0 ——励磁电流;
.

RL ——机械负载的等效电阻,在 RL =
步电动机输出的机械功率;

1? s r2? 在 RL 上消耗的功率就相当于异 s

?、E? ? ? I2 2  、r 2  、X2 等参数——经过折算后的转子参数。

异步电动机变频调速控制系统设计

第 10 页

2.4.2 异步电机的转矩 (1)电磁转矩的表达式
?? ?m 9550 ?m ? ? n

(2-2)

r 式中 ?m 的单位为 KW; n 的单位是 min ;T的单位是 N ? m 。

(2)电磁转矩的物理表达式

?e = CT ? M ? ,2 cos? 2
式中 CT ——转矩常数;

(2-3)

? m ——主磁通。
(3)电磁转矩的参数表达式

2 psU12 r2? ? )2 ] ?e = 2?f1[(sr1 ? r2? ) 2 ? s 2 ( x1 ? x2
式中

(2-4)

p ——磁极对数; U 1 ——电源的相电压; f1 ——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 n = f (T ) , 它可由(2-3)所决定的 T ? f ( s) 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 n ? f (T ) 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。

第 11 页

⑴ 理想空载点 图 2.3 中的 E 点,电动机以同步转速 n0 运行( s =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 n =0(s=1),电磁转矩称起动转矩 ?st ,起动是带负载的能力一般用起动 倍数来表示,即 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 TK ,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 sK 表示。TK 、 sK 根据式(2-3) 用求极值的办法求出,即:由 dT ds =0,可得:
K st ? Tst TN

。式中, TN 为额定转矩。

sK ?

r2? ? )2 r12 ? ( x1 ? x 2
3 pU12

?

r2? ? x1 ? x 2
? 3 pU12 ?) 4?f1 ( x1 ? x 2

(2-4)

TK ?

? )2 ] 4?f1 [r1 ? r12 ? ( x1 ? x 2

(2-5)

电动机正常运行时,需要有一定的过载能力,一般用 ? m 表示,即

TK ? m = TN

(2-6)

普通电动机的 ? m =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: ?K 的大小影响着电动机的过载能力, ?K 越小,为了保证过 载能力不变, 电动机所带的负载就越小。 由 nK ? n0 (1 ? sK ) 知:sK 越小,nK 越大, 机械特性就越硬。因此在调速过程中, ?K 、 sK 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

异步电动机变频调速控制系统设计

第 12 页

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 n0 表示:
n0 ? 60 f p

(2-7)

式中: f 为三相交流电源频率,一般是 50Hz; p 为磁极对数。当 p =1 是,

n0 =3000r/min; p =2 时, n0 =1500r/min。
由上式可知磁极对数 p 越多,转速 n0 就越慢,转子的实际转速 n 比磁场的 同步转速 n0 要慢一点,所以称为异步电动机,这个差别用转差率 s 表示:
s? n0 ? n ?100% n0

错误!未找到引用源。 (2-8)

在加上电源转子尚未转动瞬间, n =0,这时 s =1;启动后的极端情况 n = n0 ,则

s =0,即 s 在 0~1 之间变化,一般异步电动机在额定负载下的 s =1%~6%。综
合(2-7)和(2-8)式可以得出:
n ? n0 (1 ? s ) ? 60 f (1 ? s) p

(2-9)

由式(2-9)可以看出,对于成品电机,其极对数 p 已经确定,转差率 s 的 变化不大,则电机的转速 n 与电源频率 f 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
V

2.5.1

f

比恒定控制

V

f

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。 用变频器中广泛采用的控制方式。
V f

控制是目前通

第 13 页

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:

E1 ? 4.44 f1 N1K N1?m
?m ? E1 4.44 f1 K N 1 N1 ?m ? E1 f1





(2-10)

另外,电机的电磁转矩为:

?e ? CT ? m ? 2 cos? 2
其中

(2-11)

CT —与电动机有关的常数;Cos ? 2 —转子每相电路功率因数;

? 2 —转子电压与电流的相位差; ?e —电机的电磁转矩。
由式(2-10)推断,若 E1 不变,当定子电源频率 f1 增加,将引起气隙磁通 ? m 减小;而由式(2-11)可知, ? m 减小又引起电动机电磁转矩 ?e 减小,这就出现了 频率增加,而负载能力下降的情况。在 E1 不变时,而定子电源频率 f1 减小,又 将引起 ? m 增加, ? m 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 ? m 不变,当频率 f1 从额定值 f N 向下调节时,必须 同时降低 E1 ,使
E1 f1 E1

=常值。只要保持

f1

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。

异步电动机变频调速控制系统设计

第 14 页

根据电机端电压和感应电势的关系式:

U1 ? E1 ? (r1 ? jx1 ) I1

(2-12)

式中: U1 -定子相电压; r1 -定子电阻; x1 -定子阻抗; I1 -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, U1 和 E1 可

V
以看成近似相等,所以保持

f =常数即可。

V
由于

f 比恒定调速是从基频向下调速,所以当频率较低时,U1 与 E1 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 n0 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性;但是临界转矩却随着 电动机转速的下降而逐渐减小,这就是造成了电动机负载能力的下降。 临界转矩下降的原因可以如下解释:为了使电动机定子的磁通量 ? m 保持恒 定,调速时就要求感应电动势 E1 与电源频率 f1 的比值不变,为了使控制容易实 现,采用电源电压 U ≈ E1 来近似代替,这是以忽略定子阻抗压降作为代价,当 然存在一定的误差。 显然, 被忽略的定子阻抗压降在电压 U 中所占的比例大小决 定了它的影响。当 f1 的数值相对较高时,定子阻抗压降在电压 U 中所占的比例

第 15 页

相对较小, U ≈ E1 所产生的误差较少;当 f1 的数值较低时,定子阻抗压降在电 压 U 中所占的比例下降, 而定子阻抗的压降并不按同比例下井, 使得定子阻抗压 降在电压 U 中的比例增大,已经不能再满足 U ≈ E1 。此时如果仍以 U 代替 E1 , 将带来很大的误差。因为定子阻抗压降所占的比例增大,使得实际上产生的感应 电动势 E1 减小, 转矩的下降。 变频后机械特性的降低将是电动机带负载能力减弱, 影响交流电动机变频调
E1 f1

的比值减小,造成磁通量 ? m 减小,因而导致电动机的临界

V
速的使用。一种简单的解决方法就是所示的

f 转矩补偿法。

V

f 转矩补偿法的原理是:针对频率 f 降低时,电源电压 U 成比例地降低引起的

U 的下降过低,采用适当的提高电压 U 的方法来保持磁通量 ? m 恒定,使电动机

转矩回升,因此,有些变频器说明书又称它为转矩提升(Torque Boost)。带定 子压降补偿的压频比控制特性示于图 2.5 中的 b 线, 无补偿的控制特性则为 a 线。 定子降压补偿只能补偿于额定转速方向调速时的机械特性, 而对向高于额定 转速方向调速时的机械特性不能补偿。

图 2.5 压频比控制特性曲线

补偿后的机械特性曲线如图 2.6 所示。

异步电动机变频调速控制系统设计

第 16 页

图 2.6 补偿后的机械特性曲线

(2 时, 频率可以从额定频率 f N 向上增高, 但是电压却不能超出额定电压 U N , 由式()基频以上调速 在基频以上调速 2-10)可知,这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种调 速方式下,转子升高时转矩降低,属于恒功率调速方式。 变频后的机械特性如图 2.7 所示。

图 2.7 电动机高于额定转速方向调速时的机械特性

当电动机向高于额定转速 n0 方向调速时,曲线不仅临界转矩下降,而且曲 线工作段的斜率开始增大,使得机械特性变软。 造成这种现象的原因是:当频率 f1 升高时,电源电压不可能相应升高。这是 因为电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压,所以, 磁通量 ? m 将随着频率 f1 的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转矩下 降,造成电动机的机械特性变软。

第 17 页

以上调速方式相应的特性曲线如图 2.8 所示。

恒转矩调速

恒功率调速

图 2.8 整个频率调速的特性曲线

注:图中曲线 1——在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线 图中曲线 2——在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线

V

f 比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定子的电

V
压和电势近似相等条件已不能满足,所以仍按

f 比恒定控制就不能保持电机磁

通恒定,而电机磁通的减小势必会造成电机的电磁转矩减小。另一方面原因是低 速时逆变器桥臂上、下开关元件的导通时间相对较短,电压下降,而且它们的互 锁时间也造成了电压降低,从而引起转矩脉动,在一定条件下这将会引起转速、 电流的振荡,严重时会导致变频器不能运行。

第三章 变频器主电路

3.1 主电路的工作原理 111111 本设计中采用图 3.1 的主电路。!!!!!

异步电动机变频调速控制系统设计

第 18 页

图 3.1 电压型交直交变频调速主电路

3.2 主电路各部分设计 3.2.1 交直电路设计 选用整流管 VD1 ? VD6 组成三相整流桥,对三相交流电进行全波整流。整流 后的电压为 U d =1.35 U L =1.35×380V=513V 。滤波电容 C F 滤除整流后的电压波 纹,并在负载变化时保持电压平稳。 当变频器通电时,滤波电容 C F 的充电电流很大,过大的冲击电流可能会损 坏三相整流桥中的二极管,为了保护二极管,在电路中串入限流电阻 RL ,从而 使电容 C F 的充电电流限制在允许的范围内。当 C F 充电到一定程度,使 S L 闭合, 将限流电阻短路。 在许多下新型的变频器中, S L 已有晶闸管替代。 电源指示灯 HL 除了指示电源通电外,还作为滤波电容放电通路和指示。由 于滤波电容的容量较大,放电时间比较长(数分钟),几百伏的电压会威胁人员 安全。因此维修时,要等指示灯熄灭后进行。

RB 为制动电阻,在变频器的交流调速中,电动机的减速是通过降低变频器
的输出频率而实现的,在电动机减速过程中,当变频器的输出频率下降过快时,

第 19 页

电动机将处于发电制动状态,拖动系统的动能要回馈到直流电路中,使直流电路 电压(称泵升电压)不断上升,导致变频器本省过电压保护动作,切断变频器的 输出。 为了避免出现这一现象, 必须将再生到直流电路的能量消耗掉,RB 和 VB 的 作用就是消耗掉这部分能量。如图 3.1 所示,当直流中间电路上电压上升到一定 值,制动三极管 VB 导通,将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。

3.2.2 直交电路设计 选用逆变开关管 V1 ? V6 组成三相逆变桥,将直流电逆变成频率可调的交流 电,逆变管在这里选用 IGBT。 续流二极管 VD7 ? VD12 的作用是:当逆变开关管由导通变为截止时,虽然 电压突然变为零,但是由于电动机线圈的电感作用,储存在线圈中的电能开始 释放,续流二极管提供通道,维持电流在线圈中流动。另外,当电动机制动时, 续流二极管为再生电流提供通道,使其回流到直流电源。 电阻 R01 ? R06 ,电容 C01 ? C06 ,二极管 VD01 ? VD06 组成缓冲电路,来保护 逆变管。由于开关管在开通和关断时,要受集电极电流 I c 和集电极与发射极间 的电压 Vce 的冲击,因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变管关断时, Vce 迅速 上升, I c 迅速降低,过高增长的电压对逆变管造成危害,所以通过在逆变管两 端并联电容( C01 ? C06 )来减小电压增长率。当逆变管开通时, Vce 迅速下降,

I c 迅速升高,并联在逆变管两端的电容由于电压降低,将通过逆变管放电,这
将加速电流 I c 的增长率,造成 IGBT 的损坏。所以增加电阻 R01 ? R06 ,限制电容 的放电电流。可是当逆变管关断时,该电阻又会阻止电容的充电,为了解决这 个矛盾,在电阻两端并联二极管( VD01 ? VD06 ),使电容充电时避开电阻,通 过二极管充电。放电时,通过电阻放电,实现缓冲功能。这种缓冲电路的缺点 是增加了损耗,所以适用于中小功率变频器。

异步电动机变频调速控制系统设计

第 20 页

3.2.3 主电路工作原理 1、整流电路:把交流电变换为直流电的电路。本设计中采用了三相桥式不 控整流电路,主要优点是电路简单,功率因数接近于 1。 2、逆变的基本工作原理:将直流电转换为交流电的过程称为逆变。完成逆 变功能的装置叫做逆变器,它是变频器的主要组成部分,电压性逆变器的工作 原理如下: (1)单相逆变电路 在图 3.2 的单相逆变电路的原理图中:当 S1 、S 4 同时闭合时,U ab 电压为正;

S 2 、 S 3 同时闭合时, U ab 电压为负。由于开关 S1 ~ S 4 的轮番通断,从而将直流
电压 U D 逆变成了交流电压 U ab 。可以看到在交流电变化的一个周期中,一个臂 中的两个开关如: S1 、 S 2 交替导通,每个开关导通 ? 电角度。因此交流电的周 期(频率)可以通过改变开关通断的速度来调节,交流电压的幅值为直流电压幅 值U D 。

图 3.2 单相逆变器原理图

(2)三相逆变电路 三相逆变电路的原理图见图 3.3 所示。 图 3-3 中, S1 ~ S 6 组成了桥式逆变电路,这 6 个开关交替地接通、关断就

第 21 页

可以在输出端得到一个相位互相差

2?

uU ?V S 4 闭合时, 3 的三相交流电压。 当 S1 、

为正; S 3 、 S 2 闭合时, uU ?V 为负。 用同样的方法得: 当 S 3 、S 6 同时闭合和 S 5 、S 4 同时闭合, 得到 uV ?W , S 5 , S 2 同时闭合和 S1 、S 6 同时闭合,得到 uW ?U 。为了使三相交流电 uU ?V 、uV ?W 、uW ?U 在相位上依次相差
2? 3 ;各开关的接通、关断需符合一定的规律,其规律在图

3.3b 中已标明。根据该规律可得 uU ?V 、 uV ?W 、 uW ?U 波形如图 3.3c 所示。

(a)结构图

(b) 开关的通断规律
图 3.3 三相逆变器原理图

(c) 波形图

观察 6 个开关的位置及波形图可以发现以下两点: ①各桥臂上的开关始终处于交替打开、关断的状态如 S1 、 S 2 。 ②各相的开关顺序以各相的“首端”为准,互差
2? 3 , S 5 比 S 3 滞后 2? 3。 2? 3 电角度。如 S 3 比 S1 ,滞后

上述分析说明,通过 6 个开关的交替工作可以得到一个三相交流电,只要

异步电动机变频调速控制系统设计

第 22 页

调节开关的通断速度就可调节交流电频率, 当然交流电的幅值可通过 U D 的大小 来调节。

3.2.4 主电路参数计算 根据前面所给出的原始参数,主电路各部分的计算如下: 1、整流二极管的参数计算

I m (峰值电流)=

2 I N = 2 ×15.6=22.06A

I d (有效值)= I m / 2 =15.6A
二极管额定电流值 I e =(1.5~2)Id/1.57=14.91A~19.88A 额定电压值 U e =(2~3) U m =(2~3)× 2 ×380=1074.64V~1611.96V 2、滤波电容 系统采用三相不控整流,经滤波后 U d =1.1× 2 ×380=591.05V。 3、制动部分 制动电阻粗略计算为
RB ? 2U d IN

~ U d I N =18.94 ? ~37.89 ?

Vb 击穿电压:当线电压为 380V 时,根据经验值选 1000V。 VB 集 电 极 最 大 电 流 ? cm : 按 照 正 常 电 压 流 经 RB 电 流 的 两 倍 来 计 算 :
I CM ? 2 Ud Rb

=2×591.05/18.94=62.41A

4、IGBT 的选用 峰值电压=(2~2.5)×1.1× 2 ×380=1182.1V~1477.63V 集电极电流 I c =(1.2~2) I m =(1.2~2)× I N ×λ × 2 =58.23~97.06A 集电极-发射极额定电压≥1.2 倍最高峰值电压=1.2×1477.63V=1773.16V

第 23 页

3.3 IGBT 及驱动模块介绍 3.3.1 IGBT 简介及驱动 绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)是 80 年代初功率半导体器件技术与 MOS 工 艺技术相结合研制出的一种复合型器件。 由 IGBT 构成的 MOSFET 和 BJT 各有 其优缺点。MOSFET 属于单极型器件,具有开关频率高、无二次击穿现象、易 并联运行、控制功率小的优点,缺点是导通电阻大,耐压水平不易提高。BJT 属于双极型器件,具有耐压水平高、电流大、导通电压低的优点,缺点是开关 时间长,有二次击穿现象以及控制功率大。因此,兼具 MOSFET 和 BJT 优点的 新型复合器件 IGBT 应运而生,IGBT 具有耐压高、电流大、开关频率高、导通 电阻小、控制功率小等优点。并且,随着 IGBT 技术的发展,其性能不断得到 改善和提高,使得 IGBT 在大功率开关电源设备中的地位越来越重要,如 UPS、 电焊机、电机驱动、特种工业电源等都使用 IGBT 模块。由于 IGBT 在设备中 所占成本比例较高, 所以掌握好 IGBT 的特性和正确的使用方法, 尽量减少 IGBT 模块的损坏以降低开发成本和提高整机可靠性。 IGBT 是压控器件,栅极输入阻抗高,所需要驱动功率小,驱动较为容易。 但必须注意, IGBT 的特性与栅极驱动条件密切相关, 随驱动条件的变化而变化。 (1)随着栅极正向电压 UGE 的增加,通态压降减小,开通损耗也减小.若 ?U GE 固定不变时,通态压降随集电极电流增大而增大,开通损耗随结温升高而增大。 (2)随着栅极反向电压 ?U GE 的增加,集电极浪涌电流减小,而关断损耗变化 不大,IGBT 的运行可靠性提高。 (3)随着栅极串联电阻 RG 增加,将使 IGBT 的开通和关断时间增加,从而使 IGBT 开关损耗增加;而 RG 减小,则又将使
di dt 增大,从而使 IGBT 在开关过程

中产生较大的电压或电流尖峰,降低 IGBT 运行的安全性和可靠性。

3.3.2 EXB840 的内部结构 本设计采用 EXB840,它是一种高速驱动集成电路,最高使用频率为 40KHz 驱动

异步电动机变频调速控制系统设计

第 24 页

150A/600V 或者 75A/1200V 的 IGBT,驱动电路信号延迟小于 1.5 ?s ,采用单电源 20V 供电。EXB840 的功能框图如图 3.4 所示。
过电流保护信号 外接电容(防止 输出(低电平) 过流信号误驱动)
5 4 6 电压采集

集电极

过电流 保护环节
2

电源(+20V)

驱动 15 信号 输入
(-) 14

(+)

R`

3 驱动输出 A 1 接反向偏置 VST` 电源的滤波电容 9 电源(0V)

光电耦合器
图 3.4 EXB840 的引脚图

它主要由输入隔离电路,驱动放大电路,过流检测急保护电路以及电源电路 组成。其中输入隔离电路由高速光电耦合器组成,可隔离交流 2500V 的信号。过 流检测及保护电路根据 IGBT 栅极驱动电平和集电极电压之间的关系,检测是否 有过电流现象存在,如果有过电流,保护电路将迅速关断 IGBT,防止过快的关断 时而引起因电路中电感产生的感应电动势升高,使 IGBT 集电极电压过高而损坏 IGBT,电源电路将 20V 外部供电电源变成 15V 的开栅电压和-5V 的关栅电压。 EXB840 引脚定义如下: 引脚 1 用于连接反偏置电源的滤波电容,引脚 2 和 9 分别是电源和地,引脚 3 为驱动输出,引脚 4 用于连接外部电容器,防止过流保护 误动作,引脚 5 为过流保护输出,引脚 6 为集电极电压监视端,引脚 14 和 15 为驱 动信号输入端,其余引脚不用。

3.3.2 IGBT 驱动电路 采用 EXB840 集成电路驱动的 IGBT 的典型应用电路如图 3.5 所示。 其中 ERA34-10 是快速恢复二极管。 IGBT 的栅极驱动连线应该用双绞线,长度应 该小于 1m,以防止干扰,如果 IGBT 的集电极产生大的电压脉冲,可增加 IGBT 的栅 极电阻 RG 。

第 25 页

驱动信 号 双绞线

隔离电源 故障输 出
4.7 Ω

图 3.5 EXB840 组成的驱动电路

第四章 控制回路

控制回路是为变频器的主电路提供通断信号的电路,其主要任务是完成对逆 变器开关元件的开关控制。控制方式有模拟控制和数字控制两种,本设计中采用 的是以微处理器为核心的全数字控制,优点是它采用简单的硬件电路,主要依靠 软件来完成各种控制功能, 以充分发挥微处理器计算能力和软件控制灵活性高的 特点来完成许多模拟量难以实现的功能。设计控制电路如下:

4.1 驱动电路 驱动电路的作用是逆变器中的逆变电路换流器件提供驱动信号。主电路逆变 电路设计中采用的电力电子器件是 IGBT,故称为门极驱动电路。

4.1.1 SPWM 调制技术 脉宽调制(PWM)技术是利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压 变成一定形状的电压脉冲序列,实现变压、变频控制并消除谐波的技术。

异步电动机变频调速控制系统设计

第 26 页

脉宽调制技术在逆变器中的应用,对现代电力电子技术、现代调速系统的发 展 起 到 了 极 大 的 促 进 作 用 。 实 际 工 程 主 要 采 用 的 PWM 技 术 是 正 弦 PWM(SPWM),这是因为变频器输出的电压或电流波形更接近于正弦波形。为减 小输出信号中的谐波分量, 一种有效的途径是将等脉宽的矩形波变成信号宽度按 正弦规律变化的正弦脉宽调制波,即 SPWM 调制波。 脉宽调制指的是通过对一系列脉冲的宽度进行调制, 来等效地获得所需要的 波形(含形状和幅值)。在进行脉宽调制时,使脉冲系列的占空比按照正弦规律变 化。当正弦值为最大值时,脉冲的宽度最大,而脉冲间的间隔最小;当正弦值较 小时,脉冲的宽度也小,而脉冲间的间隔则较大,那么这样的电压脉冲系列就可 以使负载电流中的高次谐波成分大为减小,这种调制方式称为正弦波脉宽调制。 产生 SPWM 信号的方法是用一组等腰三角波(称为载波)与一个正弦波(称 为调制波)进行比较,如图 4.1 所示,两波形的交点作为逆变开关管的开通与关 断时间。当调制波的幅值大于载波的幅值时,开关器件导通,当调制波的幅值小 于载波的幅值时,开关器件关断。 虽然正弦脉宽调制波与等脉宽 PWM 信号相比,谐波成份大大减小,但它毕 竟不是正弦波。提高载波(三角波)的频率,是减小 SPWM 调制波中谐波分量的 有效方法。而载波频率的提高,受到逆变开关管最高工作频率的限制。第三代绝 缘栅双极型晶体管 IGBT 的工作频率可达 30KHz,用 IGBT 作为逆变开关管,载 波频率可以大幅度提高,从而使正弦脉宽调制波更接近正弦波。可由模拟电路分 别产生等腰三角波与正弦波,并送入电压比较器,输出即为 SPWM 调制波。图 4.1 为 SPWM 波生成方法:

第 27 页

u
载波 调制波

0

u
开的时 刻 关的时 刻

t

0
图 4.1 SPWM 波生成方法

t

采用模拟电路的优点是完成三角波与正弦波的比较并确定输出脉冲宽度的 时间很短, 几乎瞬间完成。 缺点是电路所用硬件较多, 改变参数和调试比较困难。 若用单片机直接产生 SPWM 信号,由于需要通过计算确定正弦脉宽调制波的宽 度,使 SPWM 信号的频率及系统的动态响应都较慢。对于调速精度、调速方式要 求较高的交流异步电动机,可以采用各项性能指标都非常完善,但价格也比较昂 贵的通用变频器;对一般交流电动机的变频调速,可以直接采用三相 SPWM 调 制信号专用芯片构成调速系统。在本设计中选用 SA4828。SA4828 是 MITEL 公 司推出的一种专用于三相 SPWM 信号发生和控制的集成芯片, 可以和单片机接口, 完成对交流电动机的变频调速。

4.1.2 SPWM 波生成芯片特点和引脚 1.SA4828 的特点 全数字控制,兼容 Intel 等多系列单片机,输入调制波频率范围 0~4kHz, 16 位调速分辩率,载波频率最高可达 24kHz,内部 ROM 固化 3 种可选波形, 最小脉宽和延时时间可调,可单独调整各相输出以适应不平衡负载,具备看门狗 定时器功能等。 2.SA4828 引脚功能

异步电动机变频调速控制系统设计

第 28 页

SA4828 采用 28 脚封装。下图给出了其引脚排列示意图和原理框图。

图 4.2 SA4828 引脚排列示意图

各引脚的功能说明如下: (1)输入类管脚说明 AD0~AD7:8 位地址与数据复用总线。 SET TRIP:通过引脚,可以快速关断全部 SPWM 信号输出,高电平有效。

RESET :复位端,低电平有效。
CLK:时钟信号输入端。 MUX :总线选择端。当 MUX 为高电平时,使用地址和数据共用的总线, 这时,地址/数据管脚 RS 不用;当 MUX 为低电平时,使用地址和数据分开的总 线,这时,地址锁存器 ALE 接低电平,RS 引脚要与一条地址线相连,来区分输 入的字节是地址(低电平),还是数据(高电平),通常先地址后数据。

CS :片选输入,该控制线可使 SA8282 与其他外围接口芯片共享同一组总
线,低电平有效。

WR 、 RD :Intel(Motorola)总线控制 write、read 信号。
ALE:地址锁存允许。 VDD:供电电源正端(+5V)。 Vss:供电电源负端(0V)。 (2)输出类管脚说明 RPHB、YPHB、BPHB:这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的 R、Y、B 相 的下臂开关管。 RPHT、YPHT、BPHT:这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的 R、Y、B 相

第 29 页

的上臂开关管。以上引脚都是标准 TTL 输出,每一个输出都有 12mA 的驱动能 力,可以直接驱动光耦。
TRIP :输出封锁状态指示,低电平表示禁止输出。

ZPPR:零相位脉冲输出端。 Wss:波形采样同步端口。 RS:寄存器选择端。

4.1.3 SA4828 结构及工作原理 SA4828 为 28 引脚的 DIP 或 SOIC 封装的控制芯片,内部具有总线控制及译 码电路, 有多种寄存器和相控逻辑电路。 外部时钟输入经分频器分成设定的频率, 并生成三角形载波,三角载波与所选定的片内三种调制波形进行比较,自动生成 SPWM 输出脉冲,然后通过脉冲删除电路删除窄脉冲(如图 4.3)
窄脉宽

图 4.3 脉冲序列中的窄脉宽

因为这种脉冲不起任何作用,只会增加开关管的损耗。通过脉冲延迟电路生 成死区,从而保证桥上的管子不会在状态转换期间导通短路。看门狗定时器用来 防止程序跑飞, 当条件满足时快速封锁输出。SA4828 内部结构原理框图如图 4.4 所示。

异步电动机变频调速控制系统设计

第 30 页

图 4.4 SA4828 原理框图

SA4828 的设置是通过单片机接口将数据送入 SA4828 芯片内的两个寄存器 (初始化寄存器和控制寄存器)来实现的。 初始化寄存器用于设定与交流电动机有 关的基本参数,这些参数要在 PWM 输出端允许输出前设定,系统工作以后不允 许改变。控制寄存器是在工作过程中控制输出脉宽调制波的状态,从而进一步控 制交流电动机的运行状态,通常在工作时,该寄存器的内容常被改写,以实现实 时对交流电动机的速度进行控制。 参数的设定是通过 8 个暂存器 R0 、 R1 、 R2 、 R3 、 R4 、 R5 、 R14 、 R15 来传送 的。其中 R14 和 R15 是两个虚拟的寄存器,实际上并不存在。初始化参数要先写入

R0 ~ R5 ,然后通过对 R14 的写操作将参数送入初始化寄存器,再将控制参数写入 R0 ~ R5 ,并通过对 R15 的写操作将参数送入控制寄存器。SA4828 各控制寄存器
的地址见表 4.1 所列。
表 4.1 各寄存器地址

寄存器 R0 R1 R2 R3 R4 R5

AD3 0 0 0 0 0 0

AD2 0 0 0 0 1 1

AD1 0 0 1 1 0 0

AD0 0 1 0 1 0 1

地址 00 H 01 H 02 H 03 H 04 H 05 H

第 31 页

R14 R15 4.2 保护电路

1 1

1 1

1 1

0 1

0E H 0F H

保护电路的主要功能是对检测电路得到的各种信号进行运算处理,以判断变 频器本身或系统是否出现异常。当检测到异常时,进行各种必要的处理。

4.2.1 过、欠压保护电路设计 过压、欠压保护是针对电源异常、主回路电压超过或低于一定数值时考虑的。 通用变频器输入电源电压允许波动的范围一般是额定输入电压的士 10%。 通常情 况下,主回路直流环节的电压与输入电压保持固定关系。当输入电源电压过高, 将使直流侧电压过高。过高的直流电压对 IGBT 的安全构成威胁,很可能超过 IGBT 的最大耐压值而将其击穿,造成永久性损坏。当输入电压过低时,虽不会 对主回路元件构成直接威胁,但太低的输入电压很可能使控制回路工作不正常, 而使系统紊乱,导致 SA4828 输出错误的触发脉冲,造成主回路直通短路而烧坏 IGBT。而且较低的输入电压也使系统的抗干扰能力下降。因此有必要对系统的 电压进行保护。图 4.5 为本文介绍的变频器过压保护电路。

图 4.5 过电压保护电路

它直接对直流侧电压进行检测。其中电压信号的取样是通过电阻 R1 和 R2 分 压得到的, 电容 C1 起滤波抗干扰作用, 防止电路误动作。 过压设定值从电位器 W1 上取出。 运放 U1 : A 接成比较器的形式。 当取样电压高于设定值时(异常情况下), 比较器输出高电平,光耦器件导通,输出低电平保护信号。其中电阻 R5 是正反

异步电动机变频调速控制系统设计

第 32 页

馈电阻,它的接入使正反馈有一定回差,防止取样信号在给定点附近波动时比较 器抖动,这里将过压保护的动作值整定为额定输入电压的 110%。 欠压产生的原因有两种:一是输入的交流电压长时间低于标准规定的数值。 另一种是瞬时停电或瞬时电压降低。 欠电压导致逆变器开关器件驱动功率不足而 烧坏开关器件。一般欠压信号从直流端取样,这样既能在欠电压,过电压时检测 出信号进行保护,又不会因为短时间因为在欠电压,过电压并未构成危险时而保 护误动作。 欠压保护电路的原理与过压保护电路类似。其电压取样与过压取样相同,欠 压设定值由 W2 上取出。运放 U1 : B 接成比较器的形式。当取样电压高于设定值时 (正常情况下),比较器输出高电平,光耦器件不导通,输出高电平。当取样电压 低于设定值时(欠压情况下),比较器输出低电平,光耦器件导通,输出低电平保 护信号。其电路下图所示。动作值整定为输入电压的 85%。

图 4.6 欠压保护电路

本系统的故障自诊断是指在系统运行前,变频器本身可以对过载、过压、欠 压保护电路进行诊断,检测其保护电路是否正常。因此故障自诊断功能就是由单 片机控制发出各种等效故障信号,检测对应的保护电路是否动作,若动作则说明 保护电路正常,反之说明保护电路本身有故障,应停机对保护电路进行检查,直 到显示器显示正常为止。 故障自诊断电路工作过程:单片机控制 HSO.2 口发出一高电平,经非门整 形后输出低电平,光耦器件导通,有电流流过三极管的基极,三极管导通输出低 电平, 输出的低电平自诊断信号分别送至过压、 欠压保护电路。 因 SA4828 的 SET TRIP 端为高电平有效,所以应加上一个反相器,使其反相后输出高电平。以下的

第 33 页

过流信号也是如此.故障自诊断电路如图 4.7 所示:

图 4.7 故障自诊断电路

4.2.2 过流保护设计 变频器在诸如直流短路、桥臂短路、输出短路、对地短路等情况下,电流变 化非常迅速,元件将承受极大的电压和电流,而 IGBT 器件的内部结构决定了它 在足够大的电流下会出现锁定现象,造成管子失控无法关断,以至烧坏,所以过 流之前必须使 IGBT 关断以切断电流,虽然在 IGBT 的驱动模块 EXB840 中已经 有过流保护,但考虑到

di

dt 过大时 IGBT 还未来得及关断已经发生锁定现象的可

能性,必须采取辅助断流措施。这里采用瑞士 LEM 公司生产的霍尔效应磁场补 偿式电流传感器来进行电流的检测。 在此传感器的输出端串电阻 R, 则 R 上的压 降反应了被测的电流。过流发生时,R 上的压降大于过流保护动作整定值,比较 器 LEM324 输出低电平去封锁 IGBT 的驱动电路的输入信号, 即可使桥臂上的所 有 IGBT 处于截止状态实现过流保护的功能。过流保护的电路示意图如 4.8 图所 示:

图 4.8 过流保护电路

异步电动机变频调速控制系统设计

第 34 页

4.3 控制系统的实现 单片机在整个控制系统中起着核心作用,从电流电压的检测到参数的计算、存储 和传送,再到人机接口的实现,都是单片机在其中穿针引线,控制、协调各部分 的工作。它的性能的好坏及工作的正常与否对整个控制系统有着重要的影响。在 本设计中选用单片机课程学习到的 Intel 公司的 8051 单片机。 8051 是高性能的单 片机, 因受到引脚数目的限制, 它属于地址与数据复用的单片机, 可以与 SA4828 直接接口。其内部有 4KB 的 ROM,以下是它的引脚图。
1 2 3 4 5 6 7 8 13 12 15 14 31 19 18 9 17 16 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 INT1 INT0 T1 T0 EA/VP X1 X2 RESET RD WR RXD TXD ALE/ P PSEN 10 11 30 29 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28

8 05 1

图 4.9 8051 引脚图

模拟量的频率给定通过 ADC0809 模数转换器读入 8051,转化为 SA4828 的 控制字,以控制触发信号的波形。ADC0809 是一种 8 路模拟输入的 8 位逐次逼 近型 A/D 转换器件,电位器的输出接其输入 IN0(当 51 单片机没有当 5l 单片机 没有外扩 RAM 和 I/O 口时, ADC0809 就可以在概念上作为一个特殊的唯一的外 扩 RAM 单元。因为它是唯一的,就没有地址编号,也就不需要任何地址线或者 地址译码线。只要单片机往外部 RAM 写入,就是写到 ADC0809 的地址寄存器 中。只要单片机从外部 RAM 读取数据,就是读取 ADC0809 的转换结果。)EOC 转换结束信号经一非门接 8031 外部中断 1(P3.3)。 8051 通过地址线 P2.0 和读写信号来控制转换器的模拟量输入通道地址锁 存,启动允许输出。

第 35 页

19

XTAL1

XTAL2

8051

P1.0 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 WR RD P2.7 P3.2 ALE P2.0

STTRIP AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7 WR RD CS ZPPR ALE

CL K

RPHB YPHB BPHB RPHT

SA4828

YPHT BPHB

P3.3

REST

RESET

TRIP

+5V

除2
D0 R?D1 D2 RES2 D3 D4 D5 D6 VREF+ D7 IN0 VREFSC ALE CLK OE EOC VDD

+5V

图 4.10 单片机系统图

因 8051 的复用总线结构,SA4828 的 MUX 引脚应该接高电平或悬空不接。 8051 的 P0 口与 SA4828 的 AD 口连接,提供 8 位数据和低 8 位地址,SA4828 芯片中的地址锁存器可以锁存来自 8051 的低八位地址,从而将 AD 口输入的地 址和数据分开,SA4828 的地址锁存器由 8051 的 ALE 引脚控制,同时连接的控 制信号还有读,写信号 RD , WR .SA4828 的片选信号 CS 用 8051 的 P2.7 引脚来控 制, 这样 SA4828 的 8 个寄存器的地址为: 寄存器 R0~R5 的地址: 0000H~0005H; 虚拟寄存器 R14,R15 的地址:000EH,000FH SA4828 的 STTRIP 引脚接 8051 的 P1.0,使单片机能在异常情况下封锁 SA4828 的输出,ZPPR 引脚接 8051 的 P3.2( INT 0 ),测量调试波的频率,用于 显示。因 8051 的复位端为高电平有效,而 SA4828 为低电平有效,所以在两者

异步电动机变频调速控制系统设计

第 36 页

中间需要加上反相器。 SA4828 的 TRIP 引脚接一个发光二极管,当 SA4828 的输出被封锁时,发光 二极管亮,用于指示封锁状态。SA4828 的六个输出引脚分别通过各自的驱动电 路来驱动逆变桥的六只开关管。

第五章 变频器软件设计

5.1 流程图
开始

软件设计的流程图如图 5.1
单片机初始化 SA4828 复位 往 R0-R5 写入初始化数 据 写 R14 完成数据传输 往 R0-R5 写控制参数 R15 完成数据传输

允许输出

更新看门狗 N SA4828 正常否 Y 过载? N N 控制数据更新 延时

第 37 页

停止显示

退出 图 5.1 程序设计流程图

5.2 SA4828 的编程 5.2.1 初始化寄存器编程 初始化是用来设定与电动机有关的参数。包括载波频率设定,调制波频率范 围设定,脉冲延时时间设定,最小删除脉宽设定,调制波形选择,幅值控制,看 门狗时间常数设定等。下表为初始化编程时,R0~R5 各寄存器的内容。
表 5.1 初始化编程时 R0—R5 各寄存器内容

7 R0 R1 R2 R3 R4 R5 FRS2 × × × WD15 WD7

6 FRS1 PDT6 × × WD14 WD6

5 FRS0 PDT5 PDY5 AC WD13 WD5

4 × PDT4 PDY4 0 WD12 WD4

3 × PDT3 PDY3 0 WD11 WD3

2 CFS2 PDT2 PDY2 × WD10 WD2

1 CFS1 PDT1 PDY1 WS1 WD9 WD1

0 CFS0 PDT0 PDY0 WS0 WD8 WD0

(1)载波频率设定。 载波频率(三角波频率)设定字由 CFS0~CFS2 这 3 位组成。 理论上,载波频率越高越好,但频率越高损耗会越大,另外,还受开关管最高频 率的限制,因此要合理设定。载波频率 f CARR 的计算式为:
f CARR ? f CLK 512 ? 2 n ?1

(5-1)

式中: f CLK 为时钟频率, n 的二进制数即为载波频率设定字。 (2)调制波频率范围设定。调制波频率范围设定字是由 FRS0~FRS2 这三位组 成。调制波频率决定了电动机的转速,因此应先根据电动机的调速范围,计算调 制波频率范围。调制波频率范围为:
f RANGE ? fCARR ? 2m 384

(5-2)

异步电动机变频调速控制系统设计

第 38 页

式中:m 值的二进制数即为调制波频率范围设定字。 (3)最小删除脉宽设定。该设定字由 PDT0~PDT6 这 7 位组成。最小删除脉宽 为:
t PDT ? 127 ? nPDT fCARR ? 512

(5-3)

式中: n PDT 的二进制数即是最小删除脉宽设定字。 考虑到延迟(死区)的因素,在延迟时,通常的做法是在保持原频率不变的基础 上,使开关管延迟导通,如图 5.2 所示,
实际输出脉宽

延迟 (死区)

延迟前的脉宽

图 5.2 延迟前后的脉宽关系

实际输出的脉宽=延迟前的脉宽-延迟时间。SA4828 的工作顺序是先删除最 窄脉冲,然后在延迟, t PDT 应是延迟前的最小删除脉宽。它等于实际输出的最小 脉宽加上延迟时间,即: t PDT =实际输出的最小脉宽+ t PDY 。 (4)脉冲延迟时间设定。 该设定字由 PDY0~PDY5 这 6 位组成。 脉冲延时为:
t PDY ? 63 ? nPDY fCARR ? 512

(5-4)

式中: nPDY 的二进制数即是脉冲延迟时间设定字。 (5)调制波形选择。调制波形选择是通过波形选择字 WS0、WS1 这 2 位来完 成的。根据 WS0、WS1 可选择纯正弦波、增强型波、高效波三种调制波形。其 波形的选择如表 5.2 所示:
表 5.2 波形选择对应波形

WS1

WS2

波形

第 39 页

0 0 纯正弦波 0 1 增强型 1 0 高效型 (6)幅值控制。幅值控制通过对 AC 位的设定来选择控制寄存器中的幅值,以 适应平衡负载或不平衡负载。 (7)看门狗时间常数设定。时间常数由 WD0~WD15 这 16 位组成,根据下式:

t?

nTIM ? 1024 f CLK

(5-5)

计算出 nTIM 值,它的二进制数即为时间常数。当每次向控制寄存器写入数据 时,自动用这个常数重置看门狗,即叫醒一次。如果单片机失去了控制,在指定 时间内没有叫醒看门狗,则看门狗会立即封锁输出。

5.2.2 控制寄存器编程 控制寄存器的作用主要是对调制波频率(调速)、调制波幅值选择(调压)、正 反转选择、输出禁止位控制等进行控制。其方法是通过对 R0~R5 寄存器输入并 暂存, 当向 R15 虚拟寄存器进行写操作时, 才将这些数据送人控制寄存器。 R0~ R5 各寄存器的内容见下表。
表 5.3 控制寄存器编程时 R0—R5 各寄存器内容

R0 R1 R2

7 6 PFS7 PFS6 PFS15 PFS14 RST ×

5 PFS5 PFS13 ×

4 PFS4 PFS12 × Ramp4 Bamp4 Yamp4

3 PFS3 PFS11 WTE Ramp3 Bamp3 Yamp3

2 PFS2 PFS10
CR

1 PFS1 PFS9
INT 0

0 PFS0 PFS8 F /R Ramp0 Bamp0 Yamp0

R3 Ramp7 Ramp6 Ramp5 R4 Bamp7 Bamp6 Bamp5 R5 Yamp7 Yamp6 Yamp5 (1)调制波频率选择

Ramp2 Bamp2 Yamp2

Ramp1 Bamp1 Yamp1

调制波频率选择由 PFS0~PFS15 这 16 位组成,通过下式求得:
f POWER ? f RANGE ? n PFS 65536

(5-6)

式中, nPFS 值的二进制数即为调制波频率选择字。 (2)调制波幅值选择

异步电动机变频调速控制系统设计

第 40 页

改变调制波幅值是用来改变输出电压,以达到变频同时变压的目的。调制波 幅值是借助于 8 位幅值选择字(Ramp、Yamp、Bamp)来实现的,其每一相都可以 通过下式来计算:
APOWER ? n A ? 100 255

(5-7)

式中 n A 值的二进制数即为调制波幅值选择字。 (3)正反转选择 正反转选择位 F /R 控制三相 PWM 输出的相序。 F /R =0 时正转,相序是 R-Y-B; F /R =1 时反转,相序是 B-Y-R。正反转期间输出波形连续。 (4)输出禁止位控制。 输出禁止位 INH 。当 INH =0 时,关断所有的 SPWM 信号输出。 (5)计数器复位控制 计数器复位 CR 。当 CR =0 时,使内部的相计数器置为 0 (R 相)。 (6)看门狗选择 看门狗选择位 WTE。当 WTE=1 时,使用看门狗功能。 (7)软复位控制 RST 是软复位位,它与硬复位 RESET有相同的功能,高电平有效。
0

5.3 程序设计
60 f (1 ? s ) p 由 可算出调制波频率范围为

0~50Hz,时钟频率为 12MHz,设计载

波频率为 5kHz,实际脉冲删除时间为 12?s,死区延迟时间为 6?s,系统采用高 效波形,不使用看门狗功能。我们采用 Intel 公司的 8051 单片机,对 SA4828 进 行设置,进而实现对三相交流电动机进行调速控制。 将程序分成三部分,分别介绍如下 (1)初始化程序设计: 根据上面介绍的公式,计算出 SA4828 各个初始化参数字。 为了显示调试波频率,必须测量 ZPPR 引脚的输出脉冲周期,其周期的倒数

第 41 页

就是调制波频率。测量 ZPPR 输出脉冲周期的方法是:利用 ZPPR 输出脉冲的下 降沿触发 INT 0 中断,这时计算两个 ZPPR 输出脉冲下降沿的时间间隔。时间间 隔可用定时器 T0 求得(初始值为 00H)。但是因为调制波的频率较低,周期比 较长。可能会出现周期大于 16 位的 T0 所能定时的最长时间。因此,还要利用定 时器 T0 的溢出中断。在 T0 每次中断时,给一个指示器加 1,加 1 的结果存入 RAM 某个单元中,所以,本程序要用两个中断,程序如下: ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP WZD ORG 000BH LJMP JA1 START :… SETB IT0;脉冲下降沿触发外中断 MOV TMOD,#10H;T0 工作在定时。方式 1 SETB EX0;开外中断 SETB ET0;开定时中断 SETB EA;开总控制中断 … 下面计算 SA4828 初始化参数字。 载波频率设定字 由式(5-1)可得:

2 n?1 ?
取2
n ?1

f CLK 12 ? 106 Hz ? ? 4.69 f CARR ? 512 5 ? 103 Hz ? 512

=4,所以 n =3。载波频率设定字为 001。

反算载波频率为:
f CARR ? f CLK 12 ? 106 Hz ? ? 5.86K H z 512? 2 n ?1 512? 2 2

②调制波频率范围设定字 由式(5-2)可得:

异步电动机变频调速控制系统设计

第 42 页

2m ?

384? f RANGE 384? 50Hz ? ? 3.28 f CARR 5860Hz

m 取 2 ? 4 ,所以 m=2。调制波频率范围设定字为 010。

反算调制波频率范围为:
f CARR ? 2 m 5860Hz ? 2 2 ? ? 61Hz f RANGE = 384 384

所以寄存器 R0 的值应为 010XXO11B,即 43H。 ③最小删除脉宽设定字 最小删除脉宽等于实际最小删除脉宽加上延迟时间,所以

t PDT ? 12us ? 6us ? 18us 。
由式(5-3)得:
?6 tP D T =127-512 ? t PDT ? f CARR ? 127? 512?18?10 s ? 5860Hz ? 73 ? 49H

所以最小删除脉冲设定字为 49H,R1 寄存器的值为 49H。 ④脉冲延迟时间的设定字 由式(5-4)得:

nPDY ? 63 ? 512? t PDY ? f CARR ? 63 ? 512? 6 ?10?6 s ? 5860Hz ? 45 ? 2DH
所以,脉冲延迟时间设定字为 2DH,即寄存器 R2 中的值是 2DH。 ⑤波形选择字和 AC 设定 选用高效波形,选择字是 10;红相控制幅值,AC=0。所以,寄存器 R3 中的 值为 02H。 ⑥看门狗设定 不用看门狗,所以寄存器 R4,R5 的值均为 00H。 SA4828 初始化子程序: MOV A,#43H;R0=43H MOV DPTR ,#0000H;指向 R0 的地址 MOVX @DPTR,A;43H 装入 R0 INC DPTR;指向 R1 的地址 MOV A,#49H MOVX @DPTR,A;49H 装入 R1

第 43 页

INC DPTR;指向 R2 的地址 MOV A,#2DH MOVX @DPTR,A;2DH 装入 R2 INC DPTR;指向 R2 的地址 MOV A,#02H MOVX @DPTR,A;02H 装入 R3 INC DPTR;指向 R4 的地址 MOV A,#00H MOVX @DPTR,A;00H 装入 R4 INC DPTR;指向 R5 的地址 MOVX @DPTR,A;00H 装入 R5 MOV DPTR,#000EH;指向 R14 的地址 MOVX @DPTR,A;将六个寄存器的值写入 SA4828 初始化寄存器 (2)调速子程序计算: 假定用户由键盘输入的电动机转速,通过键处理程序进行转换,变成调制波频率 值

f

POWER

,并将它存入内部 RAM30H;通过查 U/F 曲线表,可以得到与调制波

频率比相对应的调压比 APOWER ,并将它存入 31H 中;其他控制参数如:正反转, 输出锁存,看门狗,相计数器复位,软复位,这些变量存入位操作区 20H,以便 通过位操作来改变它们的值。 调制波频率字计算可由(5-6)式得:

65536?
nPES =

f

POWER

f

RANGE

65536? f POWER 61 = =1074 f POWER

式中 f POWER 和 f RANGE 的点位相同,因此, nPPS 是无因次量。1074 f POWER 可 以看成一个双字节的无符号数于一个单字节无符号数的相乘, 其积是一个双字节 的无符号数。 调制波幅值控制字计算可由(5-7)式得:

异步电动机变频调速控制系统设计

第 44 页

nA =

255? APOWER 100

这是 2 个单字节数相乘,再除以一个单字节的数,其结果是一个单字节数。 调速子程序就是要计算出 n A 和 nPFS 字,并将它送入 SA4828 的控制寄存器。 SPEED: MOV R2,#04H;做乘法准备,求 nPFS 字

MOV R3,#32H;将 1074(0432H)作为被乘数 MOV R6,#00H MOV R7,#30H;乘数为 f POWER LCALL QMUL;调用乘法子程序 MOV A,R7;积的低 8 位送入 SA4828 寄存器 R0 MOV DPTR,#0000H;指向 R0 MOVX @DPTR, A MOV A,R6 ;积的次低 8 位送入 SA4828 寄存器 R1 INC DPTR ;指向 R1 MOVX @DPTR, A INC DPTR;指向 R2 MOV A,20H;将 20H 中存放的位控制参数送寄存器 R2 MOVX @DPTR, A MOV A,#0FFH;求调制波幅值控制字 n A MOV B,31H; APOWER 送 B MUL AB;255 ? APOWER MOV R2, #00H;准备做除法 MOV R3, #00H MOV R4,B;将积作为被除数 MOV R5, A MOV R6, #64H MOV R7,#64H;除以 100 LCALL NDIV;调除法子程序

第 45 页

MOV A,R5;商送入 SA4628 的寄存器 R3 INC DPTR;指向 R3 MOVX @DPTR, A MOV DPTR,#000FH;指向 R15 MOVX @DOTR,A;将寄存器中的值写入 SA4828 控制 寄存器 SETB TR0;开始定时 RET (3)中断子程序设计 本例中选用的中断源有 2 个:T0 中断和 INT 0 中断。 INT 0 中断的功能是计算 ZPPR 输出的调制波频率。由于调制波频率可能比较低,因此用 T0 溢出中断来 记录一个 ZPPR 周期中 T0 溢出的次数,这个溢出次数保存到 10H 中。这样,在 一个 INT 0 中断间隔里,所有的时间(即 ZPPR 周期)是 3 个字节的数(1 个字 节的 T0 溢出,2 个字节的 T0 值)。 因为 8051 使用 12MHz 的时钟频率,一个机器周期是 1us,所以调制波频率 的计算公式为:

f POWER

106 ? TZPPR

106 =0F4240H,也是一个 3 字节的数,因此,上式是一个 3 字节的除法运

算。如果对精度要求较高,上式的分子和分母可以舍掉最低字节来简化计算,这 样就成为双字节除法运算。所以,当 INT 0 中断时,只取 TH0,将七寸放到 11H 中,除法运算的整数商存在 12H,小数商存放到 13H 中。各中断程序如下: T0 中断子程序 JA1: INC 10H;T0 溢出次数加一 RT1 ② INT 0 中断子程序 WDZ: MOV TL0 ,#00H;TL0 清 0 MOV 11H ,TH0;取 TH0 MOV TH0 ,#00H;TH0 清 0

异步电动机变频调速控制系统设计

第 46 页

PUSH ACC;保持现场 PUSH B PUSH PSW SETB PSW.3;使用第一工作寄存器区 MOV A ,11H;检查除数是否为 0 ORL A, 10H JZ ABC;除数为 0 则退出 MOV R2, #00H MOV R3, #00H MOV R4, #0FH MOV R5, #42H MOV R6 ,#10H;输入除数 MOV R7, #11H LCALL NDIV;调用双字节除法子程序 MOV 12H ,R5; 调制波频率整数部分存入 12H MOV R6 ,#00H;对余数(R2R3)乘 100 MOV R7, #64H LCALL QMUL;双字节乘法,乘 100 MOV R2 ,0CH;将积作为被除数,(R4)→R2 MOV R3 ,0DH ;(R5)→R3 MOV R4 ,0EH;(R6)→R4 MOV R5 ,0FH ;(R7)→R5 MOV R6 ,10H;除数 MOV R7, 11H LCALL NDIV;调用双字节除法子程序 MOV 13H ,R5;将调制波频率小数部分(小于 100)存入 13H MOV 10H ,#00H;10H 清 0 ABC: POP PSW;恢复现场 POP B POP ACC RET1

第 47 页

(4) 双字节乘除法子程序 双字节乘除法子程序采用标准的 MCS-51 子程序库中的程序。 双字节无符号数乘法子程序 (R2R3)×(R6R7)=(R4R5R6R7) QMUL: MOV A, R3

MOV B, R7 MUL AB XCH A, R7 MOV R5, B MOV B, R2 MUL AB ADD A, R5 MOV R4, A CLR A ADDC A, B MOV R5, A MOV A, R6 MOV B, R3 MUL AB ADD A, R4 XCH A, R6 XCH A, B ADDC A, R5 MOV R5, A MOV F0, C MOV A, R2 MUL AB ADD A, R5 MOV R5, A

异步电动机变频调速控制系统设计

第 48 页

CLR A MOV ACC.0, C MOV C, F0 ADDC A, B MOV R4, A RET 双字节无符号数除法子程序 当满足(R2R3)<(R6R7)时, (R2R3R4R5)÷(R6R7)=(R4R5),余数在(R2R3)。 NDIV: MOV B, #16

NDIVL1: CLK C MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R3 RLC A MOV R3, A XCH A, R2 RLC A XCH A, R2 MOV F0, C CLR C SUBB A, R7 MOV R1, A MOV A, R2 SUBB A, R6 JB F0, NDVM1 JC NDVD1

第 49 页

NDVM1: MOV R2, A MOV A, R1 MOV R3, A INC R5 NDVD1: DJNZ B, NDVL1 CLR F0 RET

第六章 结论

本文以 SPWM 方法为理论基础,以 8051,SA4828 为核心器件,在分别讨论 了它们的原理和特点后,设计了一种电压型交直交变频器,本设计有以下特点:

V
(1) 选用的变频调速控制方式是 即恒转矩调速。

f 比恒定控制, 从而实现了恒磁通变频调速

(2) 选用了芯片生成 SPWM 方法,此法不仅思想先进、实现方法简便易行, 而且减轻了单片机的负担,直流电压利用率高、输出电流谐波成分小。 (3) 主回路采用交—直—交电压型结构,非常适用于中、小容量的交流调速 系统。 (4) 选用 6 只 IGBT 构成三相桥式逆变器,IGBT 开关速度快、耐压高、承受 电流大、驱动简单。 (5) 采用 SA4828 作为 IGBT 的驱动芯片,它不仅可以产生可靠的驱动信号, 而且可以在发生故障时对被驱动的 IGBT 进行快速有效的保护。 (6) 变频器可以控制电机时启动和正反转并显示其运行状态。 (7) 变频器具有过流保护、泵升电压保护和过压保护三种保护功能。 本文对以上电路进行了全面的设计,实现了变频器的基本功能。但是真正使 本设计产品化是不可能通过一次的研究就能够完成的, 因此本次研究仅仅是交直 交变频器的基本原理,还有许多向题有待进一步研究。如:进一步完善变频器的

异步电动机变频调速控制系统设计

第 50 页

控制功能和保护功能,提高整个系统的工作稳定性,采用 IPM 智能功率模块等。 虽然本次设计已经结束,但以此为基础将会研制出性能更加完善的。

致谢

本课题是在胡艳丽老师的悉心指导和亲切关怀下完成的。 从最初论文的选题 到最终的审阅定稿都凝聚了胡老师大量的心血。指导老师严谨的治学态度、高深 的学术水平、科学的思维方法永远是我学习的榜样,在此向他致以衷心的感谢。 感谢电气教研室各位老师在四年的学习和生活中对我的关心和帮助。 感谢我的家人,给予了我物质上的资助和精神上的鼓励,使我得以顺利完成 学业。 感谢在百忙之中评阅论文及参加答辩的专家和评委。 再次真诚地感谢所有在我读书期间帮助过我的老师、同学、家人和朋友们!

参考文献

[1] 梅丽凤. 单片机原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社, 2004 年. [2] 张迎新. 单片微型记数机原理,应用接口技术[M].北京:国防工业出版社, 1993 年 [3] 王兆安,黄俊. 电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2007 年[4] 何超. 交流变频调速 技术[M].北京:北京航空航天出版社, 2006 年. [5] 李发海,朱东起. 电机学(第三版)[M]. 北京:科学出版社,2001 年. [6] 杜金城. 电气变频调速设计技术[M]. 北京:中国电力出版社,2001 年. [7] 李敬梅. 电力拖动控制与技术训练(第三版)[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2001 年. [8] 张兆东. 新型高频变频调速系统的研究[J].黑龙江纺织,2003(03). [9] 孙立志. PWM 与数字电动机控制技术应用[M].北京:中国电力出版社,2008 年. [11] 王占奎. 交流电机变频调速的应用[J].电工技术杂志,2004(03). [12] 胡志文. 应用交流电机智能变频调速系统[J].电子世界,2005 年. [13] 吴玉香,李艳. 电机及拖动[M].北京:化学工业出版社,2008 年. [14] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统 —运动控制系统(第三版) [M].北京:机械工业出版 社,2004 年. [15] 李华德. 交流调速控制系统[M].北京:电子工业出版社,2003 年.

第 51 页

[16] 朱耀忠. 电机与拖动基础(第二版)[M].北京:航空航天大学出版社,2005 年. [17] A.E. Fitzgerald,Charles Kingsley Jr.,Stephen Umans.电机学(第六版)[M].刘新正等译.北 京:电子工业出版社,2004 年. [18] B.K 博斯. 电力电子学与变频传动[M].姜建国等译.徐州: 中国矿业大学出版社, 1999 年. [19] 林辉,王辉. 电力电子技术[M].武汉:武汉理工大学出版社,2002 年. [20] Paul C. Krause. Analysis of Electrid Machinery.IEEE Press.1995. [21] Wde j. D. Pollock C.. Hybrid stepping motors and drives. Power Engineering Journal.2001,15(1):5-12.


相关文章:
异步电动机变频调速控制系统设计
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: 学生学号: 系专届别: 业: 别: xxx xxxxxxxxx 电气信息工程学院 自动化 2012 届 xxx ...
课程设计-异步电动机变频调速控制系统设计与实践
自动控制系统 综合课程设计报告 题 目:异步电动机变频调速控制系统设计与实践 机电与自动化学院 自动化 1 05 院 (系) : 专业班级: 学生姓名: 学号: 指导教师...
三相异步电动机变频调速系统设计及仿真
三相异步电动机变频调速系统设计及仿真_电力/水利_工程科技_专业资料。天津职业...所谓转速开环变频调速就是采用开环、恒压频比,并且带低 频电压补偿的控制方式...
交流异步电动机变频调速系统设计完美版
安徽理工大学毕业设计(论文) 交流异步电动机变频调速系统设计 摘要 近年来,交流电机...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...
交流异步电动机变频调速系统设计
设计(论文) 诚信承诺书 本人慎重承诺和声明:所撰写的《交流异步电动机变频调速...专业 职称 交流异步电机的调速控制系统设计 班级 教研室主任 学号 二、进度安排...
异步电动机变频调速系统的设计与仿真
异步电动机变频调速系统设计与仿真 1. 异步电动机概述交流电动机, 主要指笼式...目前异步电机变频调速控制己经成为一 门集电机、电力电子、自动化、计算机控制和...
异步电动机变频调速设计 开题报告
异步电动机变频调速设计 开题报告_电力/水利_工程科技_专业资料。15 届毕业设计...电路的设计,完善保护电路设计,从而实现控制系统的 正常运行; 4.完成变频器的...
交流异步电动机变频调速系统设计
交流异步电动机变频调速系统设计_电力/水利_工程科技_专业资料。安徽理工大学毕业...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...
异步电动机变频调速系统
异步电动机变频调速系统_电子/电路_工程科技_专业资料。《自动控制元件及线路》 课程实习报告异步电动机变频调速系统 1.4.1 系统原理框图及各部分简介 本文设计的交...
更多相关标签:
变频调速控制系统实验 | 北航变频调速控制系统 | 变频调速控制系统 | 异步电动机变频调速 | 变频器控制异步电动机 | 变频调速系统 | 变频调速恒压供水系统 | 异步电机变频调速系统 |