电压型三相交流变频调速系统的设计

1、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（P

2、WM）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；Design of thr

3、ee-phase Voltage-type Inverter Control System 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 princ

4、iples 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 asynchr

5、onous speed machine, its complicated control circuits, the systems 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

6、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

7、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, equi

8、pment 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

9、 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

10、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

11、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

12、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18kV08kA2kHZ，06kV0003kA100kHZ，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

13、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，di1dt4kAms，dudtl020KVms，交流阻断电压6kV，直流阻断电压39kV，开关时间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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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。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

20、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

21、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，

22、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。2.1.2 交流变频调速技术的发展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

23、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

24、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

25、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。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

26、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

27、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

28、器1V和CC端口420MA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：单片机控制系统变频器变频器压力传感器AD放大器图2.1 系统的控制原理图2.2.3 变频调速的性能比较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：比较项目变频调速电磁调速保护功能有电机过热，过流，过载，过压，欠压，缺相，接地等保护，使电机运行更安全可靠无保护，需另加电机保护装置。节电功能根据负载调整输出电压的高低，最大限度地提高电机的功率因数和效率，在减速时能自动将电动机的再生能量反馈到供电电网，实现再生反馈制动，节电效果明显。无节电功能，需另

29、加节电控制装置。软启动功能启动时电压，电流，转矩距随加速时间逐渐增大，使电机非常平稳地加速无任何冲击。无软启动功能，对较大功率的 电机需另加控制器。控制功能多段转速，正，反转，同步，比例运行，PID控制，PLC控制，PC闭环控制，计算机控制等。无控制功能，需另加控制装置。制动功能制动过程可随意控制无制动功能，需另加制动装置。调速范围050Hz连续可调只能接近而不能超过额定转速，且不能长时间运行。效率COS95%,且与转速无关，输入功率随转速的 下降而降低，节电效果明显。随转速的下降而降低，不管转速高低输入功率基本不变，电源浪费较大。转速变化率机械特性硬，转速与负载大小几乎无关。机械特性软，尤其

30、在低速时受负载影响较大。表1 变频调速的性能比较以上比较可看出变频调速无论是调速性能还是控制性能都远远超过电磁调速，而且其重要特点是能自动将电动机的再生能量反馈到供电电网，实现再生反馈制动，节电效果明显 ，较之电磁调速相比，可节省电能在35以上。由此可以看出变频涮速系统有很大的发展空间，是未来自动化调速系统发展的方向。2.3 变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一

31、般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 2.3.1 变频器的选型变频器选型时要确定以下几点：(1)采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。(2)变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。(3)变频器与负载的匹配问题； 电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能

32、力。 转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。(4)在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。(5)变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。(6)对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。 2.3.2 变频器的工作原理变频器是一种将电网电源整流后再逆变成频率、电压可变的交流电，供三相交流电动机专用的。电源装置变频

33、调速的主装置的主回路由充电接触器、进线电抗器、充电电容、平波电容绢和6组SKIIP模块组成。而6个SKIIP模块组成二组,三相桥式交流电路，其中一组为变频器输出逆变器；另一组为向发电电网反馈的逆变桥。在变频调速时，电动机的转矩Tmax =Cm (uf)2 式中：Cm-电动机常数；u-电源电压；f-电源频率。如果在改变f的同时同步改变电源电压u即可实现转矩T不变的调速性能其原理图如图2.2所示。图2.2 变频器原理图2.3.3 频器的运行和相关参数的设置 变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。控制方式：即速度控制、转矩控制

34、、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。 最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。最高运行频率：一般的变频器最大频率到60Hz，有的甚至到400Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。 载波频率：载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。 电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、

35、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。 跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。 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(1)变频调速实行工艺过程控制，由于生产流程和工艺条件的复杂性；不通过实践有些问题不被人们认识，只有通过实践才能找出解决这此问题方法和途径。 闭环控制回路中，变频器作用类似风开式调节阀，对于实用风关式调节阀控制回路需在变频器上设定最低下降频率，当仪表装置故障时变频器输出最低频率，保证电机运转，维持工艺流程最低安全量，不至于生产中断。(2)机泵有多条支路情况是变频调速闭环控制难点

36、。这里考虑因素很多，情况也千差万别，选定控制方案要进行缜密分析和细致比较，否则会造成项目失败。一般情况下多条支路流量压力差别较大时，选择流量大或压力高的支路作为调节参数，控制变频器，其它支路采用调节阀，当量上的支路控制参数发生变化或扰动所需调节量很小，不致于对量的支路造成影响，而量大的支路，控制参数变化所需的调节量，能满足小支路的调节，最终达到平衡。(3)所有变频器均安装在配电柜机，安全起见，均加有旁路接触器KM2，当变频调速装置出现故障时，电机可以自动切换到旁路正常运行，这一点是很重要的，因为变频器的许多操作情况我们不很熟悉一旦出故障便失去调节手段。2.4.2 我国变频调速技术的应用纵观我国

37、变频调速技术的应用，总的说来走的是一个由试验到实用，由零星到大范围，由辅助系统到生产装置，由单纯考虑节能到全民改善工艺水平，由手动控制到自动控制，由于低压中小容量到高压大容量，一句话，由低级到高级的过程。多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频调速技术的开发及推广应用，在技术开发、技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向，同时鼓励单位开展统贷统还方式，抓开发、抓示范工程、抓推广应用。据有关资料表明，我国变频调速技术已经取得了如下成绩。(1)变频调速技术的应用范围已发展到新阶段。石油、石化、机械、冶金等

38、行业都经过了单系统试用、大量使用和整套装置系统使用3个发展阶段。(2)变频调速技术已成为节约能源及提高产品质量的有效措施。很多用户实践的结果证明，节电率一般在10% 30%，更重要的是生产中一些技术难点也得到解决。变频调速技术作为高新技术、基础技术、和节能技术，已经渗透到经济领域的所有技术部门中。我国以后在变频调速技术方面应积极做的工作如下：(1)应用变频调速技术来改造传统的产业，节约能源及提高产品质量，获得较好的经济效益和社会效益。(2)大力发展变频调速技术，必需把我国变频调速技术提高到一个新水平，缩小与世界先进水平的差距，提高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场的需求。(3)规范我

39、国变频调速技术方面的标准，提高产品可靠性工艺水平，实现规模化、标准化生产。第3章 脉宽调制技术脉宽调制(PWM的全称是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制）)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可

40、改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8类方法。 3.1 相电压控制PWM 3.1.1 等脉宽PWM法VVVF(Variable Voltage Variable

41、 Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的，是PWM法中最为简单的一种。它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。 3.1.2 随机PWM 其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的)，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱

42、。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值；另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，随机PWM技术正是提供了一个分析、解决这种问题的全新思路。 3.1.3 SPWM法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉

43、冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。该方法的实现有以下几种方案。 等面积法 硬件调制法 软件生成法 低次谐波消去法 3.1.4 梯形波与三角波比较法前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的，从而忽视了直流电压的利用率，如SPWM法，其直流电压利用率仅为86.6%。因此，为了提高直流电压利用率，提出了一种新的方法梯形波与三角波比较法。该方法是采用梯形波作为调制信号，三角波为载波，且使两波幅值相等，以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制。 由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时，其所含的基波分

44、量幅值已超过了三角波幅值，从而可以有效地提高直流电压利用率。但由于梯形波本身含有低次谐波，所以输出波形中含有5次、7次等低次谐波。 3.2 线电压控制PWM 前面所介绍的各种PWM控制方法用于三相逆变电路时，都是对三相输出相电压分别进行控制的，使其输出接近正弦波，但是，对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载，逆变器输出不必追求相电压接近正弦，而可着眼于使线电压趋于正弦。因此，提出了线电压控制PWM，主要有以下两种方法。 3.2.1 马鞍形波与三角波比较法马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入PWM方式(HIPWM)，其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波，调制信号便呈现出马鞍形，而且幅值

45、明显降低，于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下，可以使基波幅值超过三角波幅值，提高了直流电压利用率。在三相无中线系统中，由于三次谐波电流无通路，所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波。除了可以注入三次谐波以外，还可以注入其他3倍频于正弦波信号的其他波形，这些信号都不会影响线电压。这是因为，经过PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的3倍频于正弦波信号的谐波，但在合成线电压时，各相电压中的这些谐波将互相抵消，从而使线电压仍为正弦波。 3.2.2 单元脉宽调制法因为，三相对称线电压有Uuv+Uvw+Uwu=0的关系，所以，某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和。现在把一个周期

46、等分为6个区间，每区间60，对于某一线电压例如Uuv，半个周期两边60区间用Uuv本身表示，中间60区间用-(Uvw+Uwu)表示，当将Uvw和Uwu作同样处理时，就可以得到三相线电压波形只有半周内两边60区间的两种波形形状，并且有正有负。把这样的电压波形作为脉宽调制的参考信号，载波仍用三角波，并把各区间的曲线用直线近似(实践表明，这样做引起的误差不大，完全可行)，就可以得到线电压的脉冲波形，该波形是完全对称，且规律性很强，负半周是正半周相应脉冲列的反相，因此，只要半个周期两边60区间的脉冲列一经确定，线电压的调制脉冲波形就唯一的确定了。这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号，但由于已知三相线电

47、压的脉冲工作模式，就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了。 该方法不仅能抑制较多的低次谐波，还可减小开关损耗和加宽线性控制区，同时还能带来用微机控制的方便，但该方法只适用于异步电动机，应用范围较小。 3.3 电流控制PWM 电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变。其实现方案主要有以下3种。 3.3.1 滞环比较法这是一种带反馈的PWM控制方式，即每相电流反馈回来与电流给定值经过滞环比较器，得出的相应桥臂开关器件的开关状态，使得实际电流跟踪给定电流的变化。该方法的优点是电路

48、简单，动态性能好，输出电压不含特定频率的谐波分量。其缺点是开关频率不固定造成较为严重的噪音，和其他方法相比，在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多。 3.3.2 三角波比较法 该方法与SPWM法中的三角波比较方式不同，这里是把指令电流与实际输出电流进行比较，求出偏差电流，通过放大器放大后再和三角波进行比较，产生PWM波。此时开关频率一定，因而克服了滞环比较法频率不固定的缺点。但是，这种方式电流响应不如滞环比较法快。 3.3.3 预测电流控制法预测电流控制是在每个调节周期开始时，根据实际电流误差，负载参数及其它负载变量，来预测电流误差矢量趋势，因此，下一个调节周期由PWM产生的电压矢量必将减小

49、所预测的误差。该方法的优点是，若给调节器除误差外更多的信息，则可获得比较快速、准确的响应。目前，这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性。 3.4 空间电压矢量控制PWM空间电压矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成PWM波形。此法从电动机的角度出发，把逆变器和电机看作一个整体，以内切多边形逼近圆的方式进行控制，使电机获得幅值恒定的圆形磁场(正弦磁通)。 具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式。磁通开环

50、法用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量，若采样时间足够小，可合成任意电压矢量。此法输出电压比正弦波调制时提高15%，谐波电流有效值之和接近最小。磁通闭环式引入磁通反馈，控制磁通的大小和变化的速度。在比较估算磁通和给定磁通后，根据误差决定产生下一个电压矢量，形成PWM波形。这种方法克服了磁通开环法的不足，解决了电机低速时，定子电阻影响大的问题，减小了电机的脉动和噪音。但由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。 3.5 矢量控制PWM 矢量控制也称磁场定向控制，其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia，Ib及Ic，通过三相/二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流

51、Ia1及Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1及It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿对直流电动机的控制方法，实现对交流电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。 但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在

52、这种矢量控制系统中需要配置转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。 3.6 直接转矩控制PWM直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制，它也不需要解耦电机模型，而是在静止的坐标系中计算电机磁通和转矩的实际值，然后，经磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行最佳控制，从而在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，能方便地实现无速度传感器化，有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。但直接转矩控制也存在缺点，如逆变器开关频

53、率的提高有限制。 3.7 非线性控制PWM 单周控制法又称积分复位控制(Integration Reset Control，简称IRC)，是一种新型非线性控制技术，其基本思想是控制开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例。该技术同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。单周控制器由控制器、比较器、积分器及时钟组成，其中控制器可以是RS触发器。单周控制在控制电路中不需要误差综合,它能在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，使前一周期的误差不会带到下一周期。虽然硬件电路较复杂，但其克服了传统的PWM控制方法的不足，适用于各种

54、脉宽调制软开关逆变器，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强等优点。 第4章 系统的硬件设计变频调速技术是近20年内发展起来的一门新技术。随着电力电子技术的日益发展和PWM控制技术的成熟, 利用电机的转速和输入电源的频率是线性关系这一原理, 将50Hz 的交流电通过整流和逆变转换为频率可调的电源, 供给异步电动机,实现调速的目的。利用单片机组成的变频调速控制器可以实现从低频(12Hz) 起动到50Hz ,可以消除以往工频50Hz 直接起动对电机的冲击, 延长电机的使用寿命,同时由于变频器的输出电压可以自适应调节, 使负载电机可以工作在额定电压以下,不仅节能且可延长电机的使用寿命。4.1 系统工作原

55、理交流变频调速系统原理框图如图4.1所示，从结构上主要分为控制部分和执行部分。单片机、时钟电路、通讯接口、键盘与显示电路、光电耦合、IPM逆变器、整流模块、转速检测和故障检测、报警电路等组成。执行部分为三相异步交流电动机。逆变及驱动电路检测电路整流电路M滤 波电 路 人机接口电路光电隔离相电流检测测转速检测计算机8051图4.1 基于8051的变频调速系统原理方框图系统的工作原理为：电机的转速由转速传感器转换成矩形脉冲信号，经光电隔离后进入单片机计数器，由计数器值获得电机的实际转速，与设定转速比较，经Fuzzy-PID控制器调节后，单片机产生的PWM波经6N137线性光耦进行电气隔离后作用于逆

56、变模块IPM（intelligent power module），实现电机的闭环变频调速。霍尔电流、电压传感器将检测到的逆变模块的三相输出电流、电压信号，经采样保持后进入单片机，完成A/D转换后，由CPU进行处理。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。 基于8051的变频调速系统的总体设计方案方框图如图4.1所示。本系统采用TI公司的TMS320LF2407A为控制核心，逆变驱动电路芯片采用美国国际整流公司的IR2I32。主要由主电路（整流电路、逆变和逆变驱动电路、检测电路、滤波电路）、光电隔离电路、过压保护电路、8051控制电路和人机接口电路组成。4.1

57、.1 SPWM技术原理SPWM技术的基本原理是利用一个三角波载波和一个正弦波进行比较，得到一个宽度按正弦规律变化的脉冲序列，用它们来驱动逆变器开关管的开关转换。由微控制器来实现SPWM波形的方法有表格法、随时计算法和实时计算法，但前两种无实时处理能力。采用实时计算法要有数学模型，其中一种较为常用的是采样型SPWM法，它分为自然采样法、对称规则采样法和不对称规则采样法。图4.1是典型的单极性对称规则采样法，它只在三角波的峰值时刻采样正弦调制波并将采样值保持，分别取保持值和三角波交点作为脉冲宽度时间。图中Ts为三角波的周期，同时也是采样周期；Ur为三角波的高，正弦波为Ucsint。根据三角形相似关

58、系，得到所以，其中，M=Uc/Ur为调制比，t为采样点（这里为顶点采样）的时刻。则脉冲宽度为，采样点时刻t只与载波比N有关。对于图4.2情况有t=kTS+，其中k=0，1，2，N-1，=180/N度。图4.2 对称规则采样法在对称规则采样情况下，只要知道采样点时刻t就可以确定这个采样周期内的脉冲宽度Tpw和时间间隔Toff，从而可以计算出SPWM波形高、低脉冲的宽度。4.1.2 C8051实现SPWM波形的原理及算法(1) C8051F系列单片机PCA简介C8051F系列单片机都具有一个可编程计数器阵列PCA，以C8051F040为例，PCA包含1个专用的16位计数器/定时器和6个16位捕捉/比较模块，可以输出6路PWM波形。如图2所示，16位P