（通信与信息系统专业论文）基于80c196mc控制的交交变频器.pdf

哈尔滨工程大学硕士学1 1 ：7 = 论文 摘要 论文分析了交一交变频器的工作原理，在此基础上对系统的主电路进行了 设计和计算。 该装置主要包括主电路、控制回路、进线电源变压器等，能够为电机提 供低频正弦波的电压( 电流) 输出。主电路采用电压型三相半桥零式结构， 由1 8 个晶闸管构成，并辅以晶闸管的保护电路。控制部分由给定积分器，速 度调节器，低频信号发生器，换组选相逻辑单元，零电流检测单元及触发电 路等组成。运用8 0 c 1 9 6 m c 单片机作为低频信号发生器的核心部件，产生的三 相低频正弦波对称度好，波形质量和稳定性较高：采用灵敏的零电流检测电 路，减小了正组桥和反组桥的切换时间，与设计的同步信号为正弦波的触发 电路相结合，提高了输出低频电流的波形质量，提高了系统的功率因数。 本文中所研制的三相交一交变频装置与传统的低频发电机组相比，具有体 积小、效率高、维护方便、噪音低等特点。三相交一交变频器在工业生产上有 非常好的应用价值，特别是在矿井提升机的应用中，可以大大提高矿井提升 机的控制性能，使其减速平稳，停车准确，减少对电机及减速器的冲击。 关键词：交一交变频器：晶闸管；低频制动；低频电源 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ra n a l y s e sh o wt h ea c a cf r e q u e n c yc o n v e r t e rw o r k s ，m o r e o v e r , i t g i v e st h ec o n c l u s i o no ft h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fa cm o t o r a l s ot h e l o w - f r e q u e n c yp o w e rd r a g g i n gp r i n c i p l eh a sb e e ne x p o u n d e da n dt h es y s t e mm a i n c i r c u i th a sb e e nd e s i g n e da n dc a l c u l a t e d t h ed e v i c e m a i n l y i n c l u d e st h em a i nc i r c u i t ，c o n t r o l l o o pc i r c u i t ， p o w e r - i n p u t t r a n s f o r me r e t h e m a i nc k c u i to ft h ed e v i c e a d o p t s v o l t a g e - t h r e e - p h a s eh a l f - b f i d g ez e r ot y p es t r u c t u r e ，w h i c hm a k e su po f18s c r s w i mt h e i rp r o t e c t i o nc i r c u i t w i t ht h ec o n t r o lw ec a r lg e tt h eo u t p u to ft h e l o w - f r e q u e n c ys i n ev o l t a g e ( c u r r e n t ) t h ec o n t r o lu n i ti sc o m p o s e db yp r e s e t i n t e g r a t i n gu n i t ，s p e e da d j u s t e r , l o w - f r e q u e n c ys i g 砌g e n e r a t o r g r o u p - e x c h a n g i n g a n dp h a s e - s e l e c t i o nl o g i c a lu n i t ，z e r o - c u r r e n tc h e c k o u tu n i t t h ec o r ep a r to ft h e l o w - f r e q u e n c ys i g n a lg e n e r a t o ri st h e8 0 c 19 6 m cs i n g l ec h i p ，w h i c hi su s e dt o p r o d u c et h eg o o dq u a l i t ya n ds t e a d ys i n es i g n a l i no r d e rt or e d u c et h ee x c h a n g i n g t i m eo ft h er i m sb e t w e e nt h es t r a i g h t b r i d g ea n dc o n t r a r y b r i d g e ，z e r o c u r r e n t c h e c k o u tu n i th a sb e e nu s e d b e c a u s et h es i n es i g n a lt r i g g e rc i r c u i ti sc o m b i n e d 、v i mt h ei n - p h a s es i g n a lt h a tw ed e s i g n t h ep o w e rf a c t o ro ft h es y s t e mh a sb e e n r a i s e da n dt h eo u t p u tc u r r e n tw a v e f o r mh a sb e e ni m p r o v e d t h et h r e e p h r a s ea c - a cf r e q u e n c yc o n v e r t e rt h a tw eh a v ed e s i g n e d c o m p a r e sw i t ht h et r a d i t i o n a ll o w - f r e q u e n c yp o w e r , a n dt h em a i na d v a n t a g ei si t s s m a l l v o l u m e ，h i 曲e f f i c i e n c y , c o n v e n i e n t m a i n t e n a n c ea n dl o w - n o i s e t h e r e - p h a s ea c - a cf r e q u e n c yc o n v e r t e rh a st h ev a l u ei n t h ea p p l i c a t i o no f i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o ni nn l i n ee l e v a t o r , i tc a l li m p r o v e t h ee l e v a t o r sp e r f o r m a n c e ，s l o w i n gd o w nt h es p e e ds m o o t h l ya n ds t e a d i l y , s t o p p i n ga c c u r a t e l ya n dr e d u c i n gt h es h o c kt ot h em o t o ra n dr e t a r d e r k e yw o r d s ：a c - a cf r e q u e n c y ；c o n v e r t e rs c r ；l o wf r e q u e n c yb r a k i n g ； l o wf r e q u e n c yp o w e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：彳叛 日期：】眸7 月j 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：、彳殁导师( 签字) 3 纱 日期：p 一阵7 月j 日秒刁年7 月j 日 j| 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 交流矿井提升机调速控制发展 矿井提升机所使用的交流绕线式电动机通常是靠切换其转子电阻来进行 调速的。但电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。当提升容器 通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到 稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。通过操作人员 同时施用机械闸，利用闸制动和电机拖动的合成特性来得到要求的减速度及 低速爬行。这样做，不仅耗电量大，闸瓦磨损大，而且操作人员工作非常紧 张，安全性、可靠性差。 当交流提升机只采用动力制动时，减速爬行阶段就要出现制动一电动、 电动一制动的多次转换，才能获得平均的、而非平稳的爬行速度，能满足爬 行距离较长的提升机。这种方法要求主减速器有两个主轴，并增加气囊离合 器，增加了机械结构和制造过程的复杂性。动力制动的最大弱点是不能提供 正力矩。当系统需要低速正力爬行时，要从动力制动转换到高压状态工作， 实行爬行阶段二次给电的脉冲爬行。这种方法机械特性较软，不易控制。 采用低频制动，即将电动机定子绕组从三相电网( 6 k y ，5 0 h z ) 上断开后， 接至电压相序相同的低频电源上。提升机低频拖动在减速阶段使电动机运行 在再生发电制动区内，在爬行阶段运行电动区内。并且，提升电动机由制动 状态到电动状态是自然过渡的。交一交变频器作为一种在大功率、低速范围内 得到很好应用的交流调速方案，其频率范围容易调节，作为低频电源适用于 各种作业的交流提升机。 1 2 解决的问题 对交流电动机供电的交一交变频器，为了减小谐波的影响和提高变频器的 功率因数，输出波形通常采用正弦波、梯形波或方波。对于煤矿交流提升机的 减速和爬行段一般采用输出为正弦波的晶闸管低频电源。但目前大多数交一 交变频器存在输出力矩不够，输出谐波较大，低频振荡较大的缺点。这与零 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电流的检测灵敏度，触发电路的q 角调制方式有关。零电流检测灵敏度不够 时，输出力矩小，同步电压采用锯齿波的输出电压正弦度不好，使输出谐波 大。 对于大容量的交流电动机，要想获得较好的拖动性能，则要求变流设备 能提供正弦度较高的电流，而对于能提供频率为2 - - 5 h z 低频正弦电流的交一 交变频器来说，除满足正弦度的要求外，还要求三相低频电流有较好的对称 度，防止因电机出现的磁通不对称而导致的电机运行质量下降。采用本论文 所设计的交一交变频器可以很好地解决输出力矩不够，输出谐波较大，低频振 荡较大的问题。 1 3 交一交变频器概述 1 3 1 交一交变频器的类型与特点 变频器是将频率固定( 通常为5 0 h z ) 的交流电( 三相或单相) 变换成频 率连续可调( 多数为0 - - - 4 0 0 h z ) 的三相交流电源。 变频器主要分为两大类：即交一交变频器和交一直一交变频器。两类变频器 ( 见图1 1 和图1 2 ) 。 陌习 1 * lu 冈剀。 剀 1 图1 1 交一交变频器图1 2 交一直一交变频器 交一交变频器由三组可逆整流器( 桥式或零式电路) 组成，若三个移相信号 是一组频率和幅值可调的三相正弦信号，则变频器输出相应的三相交流电压， 实现变频。 t 还一直一交间接变频器由整流器( 交一直变流器) 、逆变器( 直一交变流器) 及中间直流环节( 电抗器) 三部分组成。整流器中的晶闸管用电源的交流电 压关断，逆变器的晶闸管用负载同步电动机的定子交流电压关断。变频器输 出电流幅值由整流器控制，输出频率由逆变器控制。 二者主要区别为：前者是把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的交流电；后者是把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频 率可调的交流电。前者流过电动机的电流近似于三相正弦，附加损耗小，转 矩脉动小，当电源频率为5 0 h z 时最大输出频率不超过2 0 h z ，主电路器件较 多，由于无中间环节，效率较高；后者定子电流为1 2 0 0 方波，电动机损耗大， 转矩脉动，无输出频率限制。 从两者区别可以清楚的看出，电源自然换相的交一交变频调速和负载自然 换相的交一直一交变频调速各自的应用范围： 交一交变频调速用于大功率( 5 0 0 k w 以上或1 0 0 0 k w 以上) 、低速( 6 0 0 r m i n 以下) 场合。 交一直一交变频调速用于大功率、6 0 0 r m i n 以上、负载较平稳的场合 1 。 1 3 2 交一交变频调速传动发展概况 交一交变频调速传动技术由德国s i e m e n s 公司率先开发，现以s i e m e n s 公 司的开发过程说明交一交变频调速传动的发展概况： 1 9 6 5 年，交一交变频器在牵引站投入运行； 1 9 6 9 年，高性能交流调速矢量控制系统用于轧机传动； 1 9 7 2 年，4 9 0 0 k w 水泥球磨机交一交变频装置投产； 1 9 7 6 1 9 8 0 年，1 0 0 0 k w 交一交变频传动和直流传动性能对比试验； 1 9 8 1 年，8 1 0 0 k w 矿石破碎机交一交变频装置投产； 1 9 8 1 年，两套( 2 4 2 0 0 k w 和2 6 5 0 k w ) 矿井卷扬机交一交变频装置投产； 1 9 8 1 年，4 0 0 0 k w 初轧机交一交变频主传动装置投产，标志交一交变频调 速技术已成熟： 1 9 8 5 年，d i l l i n g e n 钢厂2 x 1 0 9 2 0 k w 单辊传动可逆轧板机交一交变频主传 动装置投产； 1 9 8 7 年，全数字交一交变频主传动装置投产。 在上世纪8 0 年代，德国、日本、法国、美国的主要电气公司都相继开发 了交一交变频调速装置，其中法国的2 x 5 6 0 0 0 k w 交一交变频船舶推进装置容量 最大，日本m i z u s h i m a 二号冷轧机采用的交一交变频主传动装置的性能最高。 我国从1 9 8 5 年起引进交一交变频设备，5 套交一交变频轧机主传动装置已 投产，单机容量为9 0 0 0 k w ，运行效果良好。目前正在引进数字交一交变频矿 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一- r i i ；i i ；暑宣i 井卷扬机传动装置。我国许多单位也在开发交一交变频技术，现已具有提供 3 0 0 0 - 一4 0 0 0 k w 带矢量控制的高性能交一交变频调速装置的能力交一交变频器 的理论基础口1 。 1 4 论文研究的主要内容 设计一台由电力电子器件构成的交交变频装置，采用i n t e l 公司生产的 8 0 c 1 9 6 m c 单片机为低频信号发生器核心部件，生成三相s p w m 信号来实现 交一交变频器对大功率交流电动机的调速。整套装置具有设备成本低、占地面 积小、维修和维护方便、噪声低、节能、长期运行安全可靠、故障率低等特 点。低频电源装置的参数如下： 输出额定电压为6 0 0 v ； 输出额定电流为3 0 0 a ； 输出的额定频率为2 - - - 5 h z 。 针对上述要求，本论文研究的主要内容包括： ( 1 ) 对交交变频器的基础理论进行深入研究，对感应电机的低频特性 进行精确计算； ( 2 ) 设计交一交变频器的主回路，并对主电路的参数进行计算，计算整 流变压器的参数，对电力电子器件进行选择； ( 3 ) 用8 0 c 1 9 6 m c 单片机作为低频信号发生器的核心部件，产生三相 s p w m 波； ( 4 ) 对控制电路中的各单元电路进行设计，实现对主回路的控制。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章交一交变频器的理论基础 2 1 交一交变频器的工作原理 以单相输出的交一交变频器为例( 见图2 1 ) ，它实质上是一套三相桥式 无环流反并联的可逆整流装置。装置中工作晶闸管的关断通过电源交流电压 的自然换相实现，如果触发装置的控制信号地，是直流信号，即触发角不变， 变频器的输出电压也是直流；若妇是交流信号，即触发角是变化的，相应变 频器的输出电压也是交流，实现变频。由于这种变频器无中间直流环节，故 称为交一交变频器。 一f 一l d - j 7 弋7 弋 n zz z - 歹一j 一 j 0 , 4 一 二j zq - f j 7 弋7 弋 z _ 歹一j 止组及组 图2 1 单相输出交一交变频器 交流输出的正半周电流由正组整流器提供，负半周电流则由负组整流器 提供。为了使输出电压的谐波减到最小，正、负两组整流器的触发延时角可 按余弦规律进行控制。输出电压是由输入电压波形上截取的片段组成。显然， 交一交变频器完成变频过程必须有两种换流形式：换流过程和换组( 桥) 过程。 换流过程是利用电网换相进行，换组( 桥) 是利用输出电流过零信号进行。 对于桥式整流电路，如果负载为感性，并且电流连续，输出电压可表示 为 材d = “d oc o s o f _ ( 2 1 ) 式中w 输出电压平均值，v u d o = 1 1 7 u 2 ( 三相半桥) 或2 3 4 u 2 ( 三相全桥) ，v u 厂为输入交流线电压，v 口一晶闸管的触发角，t a d 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对交一交变频电路，每次的触发角口都是不同的， 次触发间隔内输出电压的平均值。 设要得到的正弦波输出电压为 甜。= u o ms i n 缈o t 式中u 鲫一交流电压的最大值，v 厂交流电压的角频率，r a d s 式( 2 - 1 ) 中的u d 表示每 ( 2 2 ) 则由式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可得 c o s = 鳖s i i l 甜= y s i n c o o t ( 2 - 3 ) “面 式中，y = “鲫u d 。称为输出电压比。 从上式可以看出，改变输出电压的频率，只需按要求改变正、负组整流 器触发角变化的调制频率即可。而改变输出电压值，只需改变输出电压比y 值 即可实现。当，= 1 时，输出电压最大；当) ，= o 时，输出电压为零。 为了说明正、负两组整流器在交流输出的一个周期内的工作状态，可用 忽略输出电压谐波后的理想化电压和电流的关系来表示( 见图2 2 ) ，图中u o 表示理想的低频输出电压，i 。表示理想的低频电流。一个周期的波形可以分 为六段： ui l o 7 弋。 、 1 7 趸、 3、47 s 、6 7 l 图2 2 单相输出交交变频器正、反组输出状态 ( 1 ) u o o ，水0 ，变流器工作于第二象限，反组逆变。 ( 2 ) 电流过零，无环流“死时 。 ( 3 ) u o o ，i o o ，变流器工作于第一象限，正组整流。 ( 4 ) u o o ，变流器工作于第四象限，正组逆变。 ( 5 ) 电流过零，无环流“死时”。 ( 6 ) u o o ，i o o ，变流器工作于第三象限，反组整流。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如果输出电压与输出电流之间的相位差痧 9 0 。，能量从负载流向电网，负载电动机可以四象限工作；如果= 0 负载功率因数c o s 0 = 1 ，输出电压、电流同向，第1 区域及第4 个区域不存 在：如果口= ，r ，c o s 0 = 一1 ，输出电压电流反向，第3 及第6 个区域不存在 由于现代控制技术的进步以及在直流电动机上采用无环流反并联所取得大量 经验，无环流反并联交一交变频器得到了广泛应用，采用这种运行方式的优点 是系统简单，成本较低，但绝不允许两组整流器同时获得触发脉冲而形成环 流，因为环流的出现会造成电源短路。为此必须等到一组整流器的电流完全 消失后，另一组整流器才允许导通，切换延时是必不可少的。在进行换桥时， 由于普通晶闸管在触发脉冲消失且正向电流完全停止后，还需要1 0 - 5 0l as 的时间才能恢复正向阻断能力，所以在测得某组的电流真正等于零后，还需 要延时5 0 0 1 5 0 0 舻才允许另一组晶闸管触发导通。因此，这种变频器提供的 交流电流在过零时必然存在一小段死区，延时时间愈长，产生环流的可能性 愈小，系统愈可靠。在死区期间电流等于零，这段时间是无效时间。 无环流控制的重要条件是准确而且迅速地检测出电流过零信号。不管主 回路的工作电流是大是小，零电流检测环节都必须能对主回路的电流作出正 确的响应。 三相输出的交一交变频器由三套输出电压彼此差1 2 0 0 的单相输出交一交变 频器组成。主回路有两种联结方法：公共交流母线进线方式( 见图2 3 ) 和输 出y 联结方式( 见图2 4 ) 。 公共交流母线进线方式( 见图2 3 ) 的三套单相输出交一交变频器的电源 进线通过进线电抗器接在5 0 h z 公共母线上，但三个输出端必须相互隔离， 为此电动机的三个绕组需拆开，引出六根线。输出y 联结方式( 见图2 4 ) 的三套单相输出端y 联结，电动机绕组不必拆开，引出三根线，变频器的中 点不与电动机的中点接在一起，这时变频器的5 0 h z 电源进线必须相互隔离。 前一种接线方式主要应用于中容量，后一种接线方式主要用于大容量p 一。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3 公共交流母线的三相 交一交交频器 图2 4 输出y 联结的三相输出 交一交变频器 2 2 交一交变频器控制角口角的调制方式与方法 对于交流电动机供电的交一交变频器，为了减小谐波的影响和提高变频器 的功率因数，输出波形通常采用正弦波。 2 2 1 输出信号为正弦波的调制 若使交一交变频器输出电压为正弦波，控制角口的调制必须满足式( 2 3 ) 所示关系。 变频器中的控制角口与同步信号移相控制信号l l k 有关。在同步信号 为正弦波或锯齿波的触发电路中，采用何种形式的移相控制信号方能获得正 弦输出，这是口角调制的关键所在。 ( 1 ) 同步信号为正弦波同步信号为正弦波的触发电路中，1 1 s 、u k 、口间 的关系( 见图2 5 ) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 “s g g n 0 吩 nr 严r 图2 5 正弦波移相控制特性 可求得 “。= 材跚s m l c o t - 詈) c 2 4 ， 式中l l s 。广正弦波同步信号的最大值。 当2 口时，酽一u l 【 f ，万、 - - - - d s m8 m l 仆刊列册c 0 8 口 得 锨2 云 ( 2 - 5 ) 比较式( 2 5 ) 和式( 2 - 3 ) 得 一 u k = i ，g o mu n n s i n c o o t i 2 - 6 ) 由式( 2 6 ) 可见，同步信号为正弦波的触发电路中，移相控制电压采用和 交一交变频器输出电压同频的正弦信号，便可获得正弦波输出。这种口角的调 制方法通常被称为余弦交截法或余弦控制余弦调制陋1 。 ( 2 ) 同步信号为锯齿波同步信号为锯齿波的触发电路中，锯齿波电压 蝴、偏移电压坳、移相控制电压u k 的关系如图2 6 所示。可以看出，锯齿波 的斜率七为 k ：土 兰一口 ( 2 - 7 ) 2 、 得 c o s 弘s 杖警) q 剐 比较式( 2 8 ) 和式( 2 3 ) 得 铲k s i n 。1 fu 。 s i n c o o tl q - 9 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当u o i i i = u d o ，即) ，= 1 时，u k = k 0 d 0 t ，表明移相控制电压辄是以k o 为斜率的 关于时间的一次函数。考虑约束条件后，即u s 为三角波，一般情况下，】，小 于1 ，此时u i ( 与t 之间的线性关系不复存在。y 取不同值时的锹的变化如图 2 7 所示。图中，的值从大到小依次为1 、0 8 、0 6 、0 4 、0 2 、0 1 。由上述 所见，同步信号为锯齿的触发电路，移相控制信号满足式( 2 9 ) 关系时，交一 交变频器也可获得正弦输出电压，而再采用余弦交截法时不能得到好的正弦 波输出。 a 。一一 一3 v v 图2 6 锯齿波移相控制特性 图2 7 鲰与t o o t 关系示意图 2 2 2 两种调制方案的比较 同步信号为正弦波和锯齿波的触发电路，采用不同移相控制电压调制口 角时，均可得到所需的目标电压。同步信号为正弦波的触发电路中的u 。与u 。 是比例关系，移相控制电压u 。的构造简单，所以本设计中采用该调制方案阎。 2 3 交一交变频器的最高输出频率 交一交变频器基于可控整流，可近似的看作采样环节，采样频率约为 3 0 0 h z ，按照采样定理，变频器最大输出频率达1 5 0 h z ，实际变频器最大输 出频率远远低于该值，被输出电流谐波及转矩脉动所限制。 交一交变频器的输出电流，除基波外还有许多谐波，产生这些谐波的原因 是： ( 1 ) 交流变频器的输出电压波形是整流电压波形，含有较大谐波，其频 率为无l = 碱( - 1 ) f o( 2 1 0 ) 式中旷可控整流脉波数，p = 6 或1 2 ： 1 0 5 l 5 s l 5 l 也 吨 一 叱 哈尔滨下程大学硕士学位论文 肛l ，2 ，正整数； 力一电网频率，f = 5 0 h z 乃一变频器输出频率，h z 经负载电感滤波后，大部分高次谐波被滤掉，但低次谐波仍存在。 ( 2 ) 无环流“死时使电流过零不平滑，带来一系列低次谐波，频率为： 工2 = ( 5 ，7 一) f o ( 2 - 1 1 ) 这些谐波的幅值随输出频率 的增大而增大，导致变频器出力降低，负载电 动机脉动转矩加大，损耗增加，从而限制了交一交变频器的最大输出频率 m 缸。 理论上，对三相输入与输出的变频器，要实现输入与输出电流、电压的 全波对称，最高极限为： l f , = p 6 ( 2 1 2 ) 定量的研究表明，在输出最高电压且负载功率因数c o s 6 = 1 ，输出谐波 不超过2 5 的条件下，其允许的最高输出频率与输入频率之比为： 伉z ) = 0 3 30 = 3 ) ( s o z ) = o 50 = 6 )( 2 1 3 ) 饥肠) = 0 7 5 ( p = 1 2 ) 对于三相半波整流电路来说，输入的工频电压为5 0 h z ，则输出低频电压的最 高频率为1 6 6 h z 。 2 4 本章小结 本章分析了交交变频器的工作原理，深入研究了在低频低压工作下的变 频调速的机械特性，分析了电动机的制动和拖动方式现状，进一步论证了低 频制动及拖动的理论。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章晶闸管交一交变频器主回路设计 3 1 晶闸管逻辑无环流交一交变频器的实现原理 交一交变频器在变频器中属于降低频率的变频器，其输出频率一般在工频 的1 3 - - 1 2 之间。交一交变频器利用电网电压实现换相，无需附加换流回路， 因而效率很高。变频器一次性换能，换能损耗小。在主回路不增加任何元件 的情况下可实现四象限运行，并且低频输出波形接近正弦，因而电动机谐波 损耗少，转矩脉动很轻，其输出频率虽然受电网频率的限制，但对于矿井提 升机来说，其低频电压的频率最多不超过5 h z ，这一点正适合于矿井的低频 拖动系统。 晶闸管无环流交一交变频器的主电路选用电压型三相零式半桥电路( 见图 3 1 ) 。 图3 1 晶闸管无环流交一交变频器主电路 其特点是比全桥元件少，由1 8 只晶闸管构成，成本低，控制线路简单， 故障率低，运行安全可靠；缺点是输出波形比全桥差。选用半桥主电路完全 能够满足提升机制动、爬行段的特性，主电路是由三个三相半波无环流可逆 整流电路构成一个输出三相低频的电路，也称三相半波“循环变流器 。所有 共阴极的三只晶闸管整流元件称为正组，用p 表示；所有共阳极的三只晶闸 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 管整流元件称为负组，用n 表示。每个低频输出相实际上就是一个三相半波 无换流可逆整流电路( 见图3 2 ) 。因为正、反组不能同时有电流流过，。故称 之为无环流交一交变频器。 0 图3 2 三相半波无换流可逆整流电路 逻辑无环流系统方框图( 见图3 3 ) ，其运行过程就是控制正、反两组整 流组的触发脉冲，使其中一组工作时， 不会产生环流。在电流连续的情况下， 另一组封锁，这样两组整流器之间就 通过对负载电流的进行过零检测，从 而实现正、反组的切换。当负载电流过零，两组整流器进行切换之际，应有 一段两组桥全部封锁的时间，以保证可靠换流，否则由于晶闸管的关断时间 大于导通时间会造成电源短路事故。 图3 3 逻辑无环流系统方框图 1 3 哈尔滨_ 丁程大学硕士学位论文 交一交变频器的每一相都是由两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路构 成。正反组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压，输出电 压的幅值决定于各组整流装置的控制口，输出电压的频率决定于两组整流装 置的切换频率。如果控制角口恒定不变，则输出平均电压为方波。如果希望 得到正弦波输出，就必须在每一组整流器导通期间，不断地改变控制角。例 如，在正组导通的半个周期中，使控制角口由7 2 ( 对应于平均电压u o = 0 ) 逐渐减少到0 ( 对应于平均电压砺最大) ，然后在逐渐增加到7 r 2 ，也就是使 口角在r t 2 - 0 - - n , 2 之间变化，则整流的平均输出电压u o 就由零变到最大 值，再由最大值变到零，呈正弦规律变化( 见图3 4 ) 。平均输出电压为图中 细线所示的低频正弦波，对反组导通的半个周期的控制也是相同的。 每相两组晶闸管整流器的工作状态取决于电压方向和电流方向的关系。 当电压与电流同方向时，该组晶闸管整流器工作在整流状态；两者反向时， 该组晶闸管工作在逆变状态，两组整流器按电流方向正负进行交替工作。图 3 5 显示了对于不同性质负载时的输出电压、电流及两组晶闸管整流器的工 作状态。 a ) 理想电压波形 j h i 碰l 目由谛姑形 图3 4 系统输出低频电压和低频电流示意图 1 4 哈尔滨 二程大学硕十学位论文 p n 7 v 整流 阻断 n 匝亟工亘口 a ) 电阻性负载 图3 5 两组晶闸管整流器的不同工作状态 臣匮固 口堕工至口 d ) 全逆变 3 2 主电路器件选择 本设计的晶闸管整流主电路为三相零式电路，在输出电压的最大值和主 电路形式一定的情况下，变压器二次侧相电压有效值u 2 只能在一个较小的范 围内变化。因为u 2 选择过高，则用晶闸管进行调制时控制角口过大，造成功 率因数变坏，无功功率增加，并在电源回路的电感上产生很大的压降；若u 2 选择过低，则有可能在晶闸管的控制角口= o 时仍达不到负载要求的电压额定 值，装置就不能输出额定功率。在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供 电电压与电网电压往往不一致，同时考虑电力电子设备的谐波对电网的干扰 等问题，通常要配制整流变压器。 3 2 1 整流变压器的确定 ( 1 ) 低频电源输出频率： 兀：乒：_ 5 0 x 0 5 _ 3 5 7 h z y 嗽 ， 式中乃输出频率，h z 脚入( 电源) 频率，h z 玩一提升机爬行速度，m s 【_ 提升机最大速度，m s 考虑低频电源特性较软，所以取3 6h z 。 ( 2 ) 低频电源电压计算：为保证电动机有一定的过载能力，需要对电源 电压进行适当的补偿，补偿系数l ( c 取1 2 ， 舞 圜 载负性感电 、jb 哈尔滨工程大学硕士学位论文 则： u t ：u _ , f d c c ：6 0 0 0 x3 6 x 1 2 = 4 6 8 v ，：5 0 u l 电源线电压 ( 3 ) 整流变压器副边线电压： “= 告格= 豁垅6 钾 考虑电网电压波动为1 0 ，各环节电压降为5 ， 。u 2 = 1 1 5 u 2 = 3 7 5 6 v 以，= 3 u 产6 5 0 5 v 觇，整流变压器副边线电压： 觇一整流变压器副边相电压。 ( 4 ) 变压器二次侧电流： 由于本设计为交一交变频器，不经过中间直流环节，所以二次侧电流取电 动机额定电流，并且由于变压器的二次侧接线方法为星形，线电流等于相电 流，所以取 厶，= “= l 1 6a ( 5 ) 变压器容量： 电动机的最大负载电流为： 厶= 1 3 0 1 1 6 = 1 5 0 8 a + s = 1 5 4 3 厶吼= 1 5 x 3x 1 5 0 8 4 6 8 = 1 8 3 4 k v a 考虑留有一定裕量取变压器容量为2 0 0 k v a 嘲 3 2 2 整流器件选择 确定可控硅电压： u 2 加= 4 2 u 2 ，= 4 2 6 5 0 5 = 9 2 0v 2 u _ 3 u 2 胁 1 8 4 0 u 2 7 6 0 u = 2 0 0 0 v 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 确定可控硅电流：晶闸管额定电流按最大负载时的情况来选择可控硅。 7 = 学 r = 7 8 4 a 考虑允许最大冲击电流为最大负载电流的4 倍 i - = 4 i t = 4 x 7 8 4 = 3 1 3 6 a 。1 5 l k 2 1 4 7 0 4 墨i r rs 6 2 7 2 取i r r = 5 0 0 a 综上所述，选取1 8 个电压2 0 0 0 v ，电流5 0 0 a 的可控硅限蜘。 3 2 3 电流互感器及其并联电阻的选择 由于电动机额定电流为1 1 6 a ，故电流互感器变比为5 0 0 ：1 ， 最= 凡5 0 0 = 1 1 6 5 0 0 = 0 2 3 2 a 耻取样电流 取样电压甜= 1 0 v 尺：旦：j 生：4 3 1 q i ? n 0 2 3 2 取r = 4 0 q p = 甜b = 1 0 x 0 2 3 2 = 2 3 2w 考虑到电流裕量，功率p 取2 5 w 。 综上所述，选取三个变比为5 0 0 ：l 的电流互感器，和三个4 0 f 2 2 5 w 的 取样电阻。 计算中，三相异步电动机参数： 型号：y r l l 8 5 4 _ - 8联结方式：y 接 转子电压：1 0 4 5 v转子电流：5 9 4 a 额定功率：1 0 0 0 k w额定电流：1 1 6 a 提升机参数：爬行速度：0 5 r n s 1 7 频率：5 0 h z 转速：7 4 1 r r a i n 额定电压：6 0 0 0 v 最大速度：7 8 m s 哈尔滨工程大学硕十学位论文 3 3 本章小结 本章分析了晶闸管逻辑无环流交一交变频器的实现原理及各种工作状态， 据此设计了主电路的结构及系统的控制方法，并对整流变压器，整流器件的 参数进行了计算。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章控制电路设计 4 1 低频信号发生器的选择 随着电力电子技术和微电子技术的发展以及计算机控制技术的应用，交 流电机变频调速技术日益成熟，交流调速正逐步取代原有的直流调速。在变 频调速系统中，正弦脉冲宽度调制s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 信号的生成方法及实现技术至关重要。 m c s 9 6 系列16 位单片机特别适用于各类自动控制系统，如工业过程 控制系统、伺服系统( 随动) 系统、分布式控制系统、变频调速电机控制系 统等。还适用于一般的信号处理系统和高级智能仪器，以及高性能的计算机 外部设备控制器和办公自动化设备控制器。这些系统通常要求实时处理、实 时控制。和m c s _ 巧1 系列相比，m c s 9 6 系列单片机至少在以下几个方面 提高了系统的实时性： ( 1 ) c p u 中的算术逻辑单元不采用常规的累加器结构，改用寄存器一 寄存器结构，c p u 的操作直接面向2 5 6 字节寄存器，消除了一般c p u 结构 中存在的累加器的瓶颈效应，提高了操作速度和数据存储能力。 ( 2 ) 2 5 6 字节寄存器中，2 4 字节是专用寄存器，其余2 3 2 字节均为通用 寄存器。其通用寄存器的数量远比一般c p u 的寄存器的数量多。这样就有可 能为各中断服务程序中的局部变量指定专门的寄存器，免除了中断服务过程 中保护寄存器现场和恢复寄存器现场所支付的软件开销，并大大方便了程序 设计。 ( 3 ) 有一套效率更高、执行速度更快的指令系统，可以对带符号数进行 操作；1 6 位乘1 6 位指令的执行时间为1 4 峪 - - 6 2 5 螂( 对不同型号的芯片) ， 3 2 位除1 6 位指令的执行时间为2 4 9 s - - 6 2 5 邮：还有符号扩展、数据格式化 ( 用于浮点计算中) 等指令。此外，操作数指令大大提高了指令效率。 ( 4 ) 在8 0 c 1 9 6 k c 以后的芯片中，增加了一个外设事务服务器p t s ，专 门用于处理外设中断事物，和普通中断服务过程相比，p t s 服务大大减少了 c p u 的软件开销。 除上述几点外，m c s - - 9 6 系列单片机还集成了更加丰富的外设装置： 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 振荡器和时钟发生器。 ( 2 ) 定时器计数器。 ( 3 ) 标准输入输出端口。 ( 4 ) 全双工异步和同步串行输入输出端口。 ( 5 ) 监视定时器( w a t c h d o g ) ，用于提高系统抗干扰能力。 ( 6 ) 模拟数字转换器。 ( 7 ) 高速输入输出器( h s i o ) 或事件处理器阵列( e p a ) 。用于记载 引脚上输入时间( 信号电平的跳变) 的发生时刻和按预定时间进行操作。 ( 8 ) 调制输出。可用于直接驱动电机类的执行元件，或滤波后获得直流 输出。 ( 9 ) 波形发生器。可直接输出三相脉宽调制波形。特别适用于变频调速 电机控制系统。可用于驱动三相交流感应电机、直流无刷电机、步进电机等 多种类型的电机。 ( 1 0 ) 事务服务器( p t s ) 。是一种微代码硬件中断处理器，提高了中断 事务的实时处理能力。 ( 1 1 ) 从口( s l a v ep o r t ) 。是单片机( 从机) 与其他微处理器或单片机 ( 主机) 的一个并行通信接口，具有简单的通信握手功能。 ( 1 2 ) 频率发生器。能产生一定范围的频率信号，其典型用途之一是形 成频率调制的编码信号。 ( 1 3 ) 片选输出单元。可直接对外提供片选信号，对应的地址范围可由 软件确定。 综上所述，m c s _ 9 6 系列1 6 位单片机具有更丰富的软硬件资源，具有 更高的性能，它比8 位单片机更适用于一些比较复杂的系统中。 但就一般单片机而言，s p w m 信号的输出占用了很多的c p u 时间，当 加减速时间很短时，不利于信号脉宽计算。 8 0 c 1 9 6 m c 单片机是i n t e l 公司专为三相电机变频调速设计的，由一个 c 1 9 6 核心、一个三相波形发生器w f g 和若干个其他片内外设构成。其他外 设装置包括一个a d 转换器、一个时间处理阵列e p a 、两个定时器和一个脉 宽调制单元p w m ( 两个p w m 输出) 。其中，波形发生器w f g 使用硬件生 成三相s p w m 波形，直接控制驱动变频器的开关管，不仅编程简单，而且 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 c p u 可腾出大量时间进行各种运算，从而提高系统的调速性能。 4 2 零电流检测电路设计 零电流检测环节用于向无环流换相逻辑提供零电流信号，为实现无环流 切换，引入无环流“死时 ，对于交一交变频器来说，要求无环流“死时”小 于2 m s 。 无环流“死时”由两级延时造成。 第一级延时用于可靠的检测零电流，在直流传动系统中，零电流信号大 多通过电流实际值信号i o 与一个基准值相比较而获得( 见图4 1 ) 。基准值不 能取的太小，否则会引起误动作，因此在零电流信号出现时主回路电流不一 定断续，例如图中第一个零电流信号出现时电流没断续，如果封锁脉冲，晶 闸管无法阻断。为避免发生这种情况而引入第一级延时，只有零电流信号延 时持续时间大于t 2 ( 图中第二个零电流脉冲宽度，对应与临界断续情况) 时， 才封锁工作组脉冲。第一级延时一般整定为1 1 5 m s 。 图4 1 主电路电流及零电流信号 经第一级延时，无环流换相逻辑发出封锁指令，但有可能在指令发出瞬 间下一个晶闸管已被触发( 见图4 1 中口点) ，虽然脉冲已被封锁，但晶闸管 仍导通，要持续到b 点才阻断。如果在a 点( 第一级延时结束时刻) 发送待 工作组脉冲，会导致电源短路，换向失败，为此需要二次延时，待工作组脉 冲在第二级延时结束后才发送。第二级延时时间大于3 3 m s ，因为在电流断 续时每个电流波持续时间小于