交流电机变频调速系统及其通信控制研究

交流电机变频调速系统及其通信控制研究江苏永钢集团有限公司梁柏林摘要本文从该科题的研讨布景和含义下手，首要剖析了交流变频调速技能的发展，然后详细介绍了交流电机变频调速原理及其操控战略。关键字：交流电机、变频调速、通讯操控一、引言跟着社会发展的不断进步，各行各业对电能的需求不断添加。电能作为首要的动力在工业、农业中起着重要的效果。我国是一个能耗大国，电机作为动力耗费大户，应当采纳办法进步电机功率，从而进步动力利用功率和添加效益。作为节能的一个有用办法，变频调速技能显现出重要性。变频调速术的发展与推行有着无穷的社会含义和经济价值。交流感应电动机根据其转子构造，可分为鼠笼式和绕线式两种。早在1885年，就己经发明晰交流鼠笼型异步电机。交流鼠笼型异步电机的构造巩固简略，运转牢靠便利，适应环境能力强，原材料耗费的很少，并且它的制作成本低，简单向大电压，高速度和大容量方向发展，所以它很快获得了广泛的使用。但是在高要求宽规模的电气变速传动领域中，直流调速体系却一直占有着首要方位。这是因为交流电机难于完成转速的调理，并且转矩的操控也很艰难。对直流电机来说，要实现电机的无极调速，通过改变给定电机的电压或者是励磁电流就可以实现，而且电机的转矩也很容易得到控制，动态性能良好。然而对直流电动机本身来说也有其固有的缺点:比如它具有复杂的结构，重量大，相对较高的价格;电刷很容易磨损，维修起来很不方便;并且对周围环境要求较高，在一些易燃、易爆、腐蚀性气体的场合是不适合应用的;所以直流电动机已经很难适应于现代化电气传动中了，因为上述的一些缺点弊端都是与现代调速系统应该具有的可靠性、方便的使用性、易于维护性相矛盾的[1]。从20世纪30年代开始，大家就开始潜心研究交流调速技能，但是进程相对的缓慢。在很长的时间内，直流调速技能一向凭仗优秀的功能而领先于交流调速技能。自20世纪70年代以来，跟着计算机技能，现代电子技能以及操控理论的开展，交流电机调速技能的开展也得到了极大的推进，开展最快的当属变频调速技能。变频调速体系是由交直交变频器与交流电动机构成的交流调速传动体系，现己广泛使用于交通运输业、工业建设、家用电器等各个领域。交直交变频器的疾速开展，使得交流调速传动体系在十多年间取得了十足的开展，其功能得到不断的进步，并且较好地克服了直流传动体系的缺陷，所以在其使用规划己逐渐取代了传统的直流传动体系。二、交流电机变频调速原理及其控制策略电机变频调速体系跟着电力电子技能的开展而疾速开展，其使用领域不断拓展。国际上已构成必定规划的使用工业，中国也正在把它作为电机职业新的生长点，变频调速具有节约能源、进步自动化、进步商品的质量和产值之成效。交流异步电机变频调速的办法有许多，当前对比有用的异步电机变频调速体系主要有四种操控类型：恒压频比（U/F）操控、转差频率操控、矢量操控以及直接转矩操控。2.1交流异步电动机调速原理根据电机学原理可知，交流异步电机转速是由供电电源频率和电机的极对数决议的，所以能够得到异步电动机的转速n的表达式为：(2-1)式中：为交流异步电机同步转速为交流异步电机定子供电频率为电机极对数s为异步电动机的转差率：由式(2-1)可知，能够从下列三个方面来调理异步电动机的转速：其一是当电动机旋转磁场的同步转速恒守时，调理异步电机的转差率s，称为变转差率调速；其二是改动电动机定子绕组的极对数，称为变极调速；其三是改动电机定子供电电源频率，就能够滑润的调理电机的转速称为变频调速。

2.1.1改变转差率s调速依照交流异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率可分为两有些：一有些是拖动负载的有用功率：；另一有些是转差功率：，与转差率s成正比。改动转差率以后，转差功率相应改动，耗费型调速体系将全转差功率都转换成热能耗费掉。可见，这是一种以添加无用耗费功率来交换转速下降的调速办法，速度越低，机械效率越低。常见的降电压调速、电磁转差离合器调速、绕线转子回路串电阻调速都是经过添加转差功率的耗费来交换转速的下降。这关于需求节能、环保、高效的调速体系是不适合的。

2.1.2变极对数调速由式（2-1）可知异步电机旋转磁通势同步转速与电机的极对数成反比，改动笼式三相异步机的定子绕组极对数，就改动了同步转速然后来完结调速的意图。变极对数是经过改动定子绕组的接线办法来完结的。所以变极调速办法只能适用于笼式异步电动机，这是因为绕线式转子的变极费事，而笼式转子能自动盯梢定子的极对数改动，经过改动定子绕组的衔接以完结电机的变极[2]。通常电机的极对数值是有限的，故变极对数调速归于有极调速，而且调速规模也有限，不适用于需求滑润调场合。所以在一些只需求两级调速的场合如纺织车间的风机得到广泛的使用。2.1.3变频率调速当电机极对数不变时，电机转速n与异步电动机的定子供电电源频率成正比，同步转速随之改动，即可滑润地改动转速n，然后完结异步电机的无级调速，这种调速办法称为变频调速。由式（2-1）可得只要改动定子供电频率就能够调理转速，可是事实上在改动供电频率时电机的供电电压也会出现改动。由电机学可知，三相异步电机定子每相感应电动势的有用值为：(2-2)式中1N为定子每相绕组串联匝数，为基波绕组系数，每极气隙磁通。由式(2-2)可得:（2-3）所以若感应电动势不变，调速时只改变定子频率使其升高，则由式(2-3可知磁通将减小，在额外转速以下时将失掉调速体系的恒转矩机械特性，并能够形成电机的堵转;若下降频率而不变，则由(2-3)可知，将增大，磁通上升，则又会形成电机的磁路饱满，励磁电流迅速上升，然后致使电机铁损加大，电机铁芯严峻过热，其输出功率下降，甚至有烧毁电机的能够。由此可见，为了取得较优良机械特性的变频调速体系，在调速时需坚持磁通稳定，当前常用的恒磁通变频调速体系，首要有恒压频比操控法和转差频率操控法[3]。所以只改变定子频率实际上并不能到达坚持磁通稳定，而需要经过电压和频率进行和谐操控，以便完成各种不同类型的变频调速。在转矩稳守时，s根本不变，异步电动机的输出功率，与输入电磁功率成比例改变，损耗根本没有增加，是高功率的调速办法。从以上能够看出，与变转差率调速和变极调速比较，变频调速可在广大的范围内完成无级调速，并可取得极好的起动和运转特性，是一种功率比较高的调速办法。当前，交流异步电动机所选用的变频调速操控方法有:恒压频比操控以及转差频率操控矢量操控以及直接转矩操控等方法。本章首要介绍恒压频比操控以及转差频率操控。三、交流电机变频调速系统控制电路的设计在交流调速体系的规划中，操控电路则是体系的中心有些。变频调速体系的操控电路有些是由中心操控芯片加上一些外围拓展电路所组成。外围拓展电路包含：电流检查电路，转速检查电路以及通讯电路等。这些电路将检查到的模拟信号经过数模变换，变换成操控芯片能够辨认的信号，操控芯片再经过相应的操控算法去处置这些数据完成对电机调速体系的操控。3.1电流检查电路在很多交流电机操控算法中，都需要采样两路的相电流值进行相关闭环运算以进步操控功能，比如在矢量操控体系中，采样到的电流值越精确就越有利于操控功能的进步。电流检查即是把检查到的电机三相定子电流模拟信号经过A/D变换，变换为DSP芯片能够辨认的数字信号，然后输入给DSP芯片的A心接口，以完成电流环的闭环操控。在本课题中尽管没有太多时间做电流环的闭环操控，但为了熟练掌握操控电路的外围拓展电路，还是使用了电流检查电路在DSP中观测电机运转时的定子电流情况。本体系选用ACS706型电流传感器，它常用于电动机操控、载荷检查和办理、开关电源和过流保护等。电流检查电路如图3-1所示。图3-1电流检测电路3.2电机速度检测电路在本体系的速度检查环节是通过增量式光电编码器来完成的，效果是完成体系转速的闭环操控，以及体系开环操控时反馈回来的速度值在上位机界面中的显现功用。在增量式编码器的码盘上有必定数量的被均匀刻制的光栅，码盘跟着电机的旋转而一同滚动。在光栅的效果下，光通路接连不断地被敞开或封闭，因此，在接纳设备的输出端能够得到方波脉冲序列而且其频率与转速是成正比的，进而转速就能够被核算出来。此外，为判别旋转方向，码盘还供给相位相差900的2个通道的光码输出，根据双通道光码的状况改变断定电机的转向。本体系选用光洋电子公司的增量式旋转编码器TRD-2T，编码器需求10.8w26.4V供电，旋转一周可产生1024个脉冲信号，输出信号有A，B，Z三种，A和B的相位相差900，根据A，B信号可判别出电机滚动方向，正转时A相超前B相；反转时B相超前A相。Z信号为周期信号。由光电编码器输出脉冲信号通过调度电路输入到DSP2812片上的正交编码电路（QEP）。使能QEP电路能够对引脚CAPI和CAP2(事情管理器A）或CAP3和CAP4（事情管理器B）输入的正交编码脉冲进行编码和计数，然后到达核算电机转速的意图。3.3通讯电路本体系的通讯指的是TMS320F2812的通讯接口SCI与上位机PC之间的串行通讯。SCI通讯接口有SCITXD（发送输出引脚）和SCIRXD（接纳输入引脚）两个外部引脚，这两个引脚为多功用复用I/O（GPIO）引脚，需对其进行装备，使其输出SCITXD和SCIRXD信号，本电路运用的是G端口的4脚和5脚，它们别离对应SCI模块内部的SCIBTXD和SCIBRXD引脚，GPIO引脚的输出信号电平为TTL类型。本硬件体系的操控电路板和上位PC机之间通过RS232串行总线进行通讯，RS232总线是在异步串行通讯中应用最广泛的总线。由于它具有较高的性价比和传输的可靠性。在传输速率要求不是很高的情况下，串口通讯依然有其自身的优势。其逻辑电平对地是对称的，与TTL，CMOS逻辑电平完全不一样，逻辑0电平是规定为+5v到++15v之间，而逻辑1电平规定为一5v到一15V之间。所以RS232驱动器与TTL电平必须通过电平变换。这儿运用MAX3221ECAE芯片进行电平变换，该芯片是3.3v供电，输入输出的TTL信号高电平是3.3v，便利与DSP连接。串行通讯接口电路如图3-2所示。图3-2串行通信接口电路结论伴随着电力电子技能和微电子技能带动了交流调速体系的兴起和进步，交流电机调速体系在电力传动商场中占有的份额越来越高，可以说变频调速体系已广泛应用于各个领域。开环恒压频比操控仍是迄今为止一种最盛行且最简略的异步电机变频调速办法，由于时刻的联系本课题仅仅完成了体系的恒磁通变频调速，完成了体系的开环以及速度闭环的转差频率操控。本论文只完成了体系的恒磁通变频调速，运用了恒压频比开环以及速度闭环的转差频率操控，所以领先操控办法如矢量操控、直接转矩操控、智能操控和无速度传感器操控技能等闭环操控技能的研讨和完成是下一步研讨的首要方向。参考文献[1]徐科军,陶维青,汪海宁.DSP及其电气与自动化工程应用[M].北京: