交流异步电动机变频调速控制系统设计

1、摘要：本文对变频调速理论、逆变技术、spwM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 Vf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

2、调制；V f控制；SA4828波形发生器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第一章绪论 21课题的研究现状和意义 22变频器的动态发展趋势 4第二章方案设计 52.1变频器的主电路方案 2.2系统的原理框图 62.3电动机原始参数 72.4异步电机的工作原理 72.4.1 异步电机的等效电路 72.4.2 异步电机的转矩 92.4.3 异步电机的机械特性 92.4.4 异步电机变频调速原理

7、112.5变频调速的控制方式 122.5.1 V f比恒定控制12第三章变频器主电路173.1主电路的工作原理 173.2主电路各部分设计 173.2.1 交直电路设计 173.2.2 直交电路设计 183.2.3主电路工作原理 193.2.4 主电路参数计算 213.3 IGBT及驱动模块介绍 223.3.1 IGBT 简介及驱动 223.3.2 EXB840的内部结构 233.3.2 IGBT 驱 7 动电 u第四章控制回路 244.1驱动电路 254.1.1 SPWM调制技术 254.1.2 SPWM波生成芯片特点和引脚 264.1.3 SA4828结构及工作原理 284.2保护电路 3

8、04.2.1 过、欠压保护电路设计 304.2.2 过流保护设计 324.3控制系统的实现 33第五章变频器软件设计 355.1流程图 355.2 SA4828 的编程 365.2.1 初始化寄存器编程 365.2.2 控制寄存器编程 385.3程序设计 40第六章结论 48致谢 49参考文献 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

9、。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， 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

10、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

11、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，变频装置有交一直一交系统和交一交系统两大类。 交 直一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，而交一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

12、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

13、领域，以体现出不同的功能，达到不同的目的，收到相应的效益。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SPW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

14、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

15、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。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

16、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1/31/2,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

17、流 型两种： 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。 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

18、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所示供电电源逆变电路Bb整流电路k滤波电路1 电机L4 I主电路电流隔离驱动图1.1系统原理框图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。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SPW波生成芯片SA4828控制电路的主要 功能是