交流异步电动机变频调速系统设计.doc
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1、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,交流电机变频调速及其相关技术的研究己成为现代电气传动领域的一个重 要课题,并且随着新的电力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取得巨大进步。 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控制
2、,同时,软件程序使得参数的输入和变频器运行方 f V 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。 另外,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。 关键字关键字: :变频调速,正弦脉宽调制,变频调速,正弦脉宽调制,控制,控制,SA4828波形发生器波形发生器 f V 毕业设计(论文) i AC INDUCTION MOTOR SPEED-ADJUSTED SYSTEM DESIGN ABSTRACT Recently, the research of variable frequency speed variatio
3、n of AC motor and relevant technology has become an important issue in electrical drive field, with the appearance of new power electron apparatus and microprocessor and the development of the control theory, the technology of variable frequency speed variation will improve more rapidly. This thesis
4、 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 controll
5、ing 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 operation. At the same time, it is very convenient
6、to f V input parameters or change the drives 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 phase
7、s 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), operation; SA4828 Wave Generator f V 毕业设计(论文) 0 目录目录 摘 要.i Abstract.ii 1 绪 论 1 1.1 变频调速技术简介 1 1.2 变频器的发展现状和趋势
8、.2 1.2.1 变频器的发展现状2 1.2.2 变频器技术的发展趋势2 1.3 研究的目的与意义3 1.4 本次设计方案简介 4 1.4.1 变频器主电路方案的选定.4 1.4.2 系统原理框图及各部分简介.5 1.4.3 选用电动机原始参数.6 2 交流异步电动机变频调速原理及方法 8 2.1 三相异步电机工作的基本原理.8 2.1.1 异步电机的等效电路.8 2.1.2 异步电动机的转矩.9 2.1.3 异步电动机的机械特性10 2.1.4 异步电机变频调速原理12 2.2 变频调速的控制方式及选定13 2.2.1 比恒定控制 13 f V 2.2.2 其它控制方式18 3 变频器主电路
9、设计 .20 3.1 主电路的工作原理20 3.1.1 主电路各部分的设计20 3.1.2 变频器主电路设计的基本工作原理21 3.2 主电路参数计算24 3.3 IGBT 及驱动模块介绍 .25 3.3.1 IGBT 简介及驱动要求 .25 3.3.2 EXB840 的内部结构 .27 3.3.2 采用 EXB840 的 IGBT 驱动电路28 4 控制回路设计 .30 4.1 驱动电路设计.30 毕业设计(论文) 1 4.1.1 SPWM 调制技术简介 .30 4.1.2 SPWM 波生成芯片特点和引脚功能 .32 4.1.3 SA4828 内部结构及工作原理 .33 4.2 保护电路.3
10、6 4.2.1 过、欠压保护电路设计36 4.2.2 过流保护设计38 4.3 控制系统的实现39 5 变频器软件设计 .42 5.1 流程图42 5.2 SA4828 的编程 .42 5.2.1 初始化寄存器编程.42 5.2.2 控制寄存器编程.45 5.3 程序设计.46 总结.56 参 考 文 献57 致谢.58 毕业设计(论文) 0 1 绪论 1.1 变频调速技术简介 变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速 目的的技术。大家都知道,目前,无论哪种机械调速,都是通过电机来实现的。 从大的范围来分,电机有直流电机和交流电机。由于直流机调速容易实现,性 能好,因此
11、过去生产机械的调速多用直流电动机。但直流机固有的缺点:由于 采用直流电源,它的滑环和碳刷要经常拆换,故费时费工,成本高,给人们带 来太大的麻烦。因此人们希望,让简单可靠廉价的笼式交流电机也像直流电动 机那样调速。这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、 串极调速等交流调速方式。当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流 电机。随着电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展,出现了变频调速技 术,它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式,乃至直流电 机调速,而成为电气传动的中枢1。 变频调速被认为是一种理想的交流调速方法。但如何得到一个单独向异步 电动机供电的经济可
12、靠的变频电源,一直是交流变频调速的主要课题。20世纪 60年代中期,随着普通的晶闸管、小功率管的实用化,出现了静止变频装置, 它是将三相的工频电源经变换后,得到频率可调的交流电。这个时期的变频装 置,多为分立元件,它体积大、造价高,大多是为特定的控制对象而研制的, 容量普遍偏小,控制方式也很不完善,调速后电动机的静、动态性能还有待提 高,特别是低速的性能不理想,因此仅用于纺织、磨床等特定场合。 20世纪70年代以后,电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展, 变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步,开始出现了通用变频器。它 功能丰富,可以适用于不同的负载和场合,特别是进入20世纪90年
13、代,随着半 导体开关器件IGBT、矢量控制技术的成熟,微机控制的变频调速成为主流,调 速后异步电动机的静、动态特性已经可以和直流调速相媲美。随着变频器的专 用大规模集成电路、半导体开关器件、传感器的性能越来越高,进一步提高变 频器的性能和功能已成为可能。现在的变频器功能很多,操作也很方便,其寿 命和可靠性也较以前有了很大的进步。 所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管 GTR、绝缘栅双极型晶体管 IGBT)将 50Hz 的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频 毕业设计(论文) 1 (又称交-交变频),即把市电直接变成比它频率低的交流电,大量用在大功率的 交流调速中;间接变
14、频(又称交-直-交变频),即先将市电整流成直流,再变换为 要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热,方 波变频又分为等幅等宽和 SPWM 变频。常用的方法有正弦波(调制波)与三角波 (载波)比较的 SPWM 法、磁场跟踪式 SPWM 法和等面积 SPWM 法等。 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。 1.2 变频器的发展现状和趋势 1.2.1 变频器的发展现状 进入 90 年代,通用变频器以其优异的控制性能,在调速领域独树一帜,并 在工业领域及家电产品中得到迅速推广。此外,变频
15、技术和变频器制造己经从 一般意义的拖动技术中分离出来,成为世界各国在工业自动化和机电一体化领 域中争强占先的阵地,各发达国家更是在该技术领域注入了极大的人力、物力、 财力,使之目前己经进入了高新技术行业。就变频技术而言,目前日本、美国 及法国、荷兰、丹麦等国家可以说是齐头并进,不分伯仲。在这一领域的研制、 生产方面,220KW 功率以上的变频器基本被欧、美等国家垄断,如德国的西门 子(SIEMEN)、丹佛斯( DANFOSS),美国的 AB.OE 公司、欧洲的 ABB 等。中小容 量的变频器 85%为日本产品和台湾产品所占领,如富士(FUJI),三垦( SAMCO )、 东芝(TOSHIBA)
16、、松下(PANASONIC)、三菱( MITSUBISHI)、安川以及台湾的台达。 由于这些国家、地区的工业基础好、制造业发达、开发生产能力强,所以他们 生产的变频器适应范围广,生产己经初具规模变频器应用普及率在 85%以上。 我国的变频器深圳华为电气(现己经改名安圣电气)、伴灵电气、成都森兰、大 连普传科技都是变频器研究、开发、生产的高新技术企业,拥有雄厚的技术实 力,相信不久的将来可以取代国外品牌,创建我们自己的国产名牌。 1.2.2 变频器技术的发展趋势 在进入21世纪的今天,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
17、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 毕业设计(论文) 2 下几个方面发展2: 1.网络智能化 智能化的变频器买来就可以用,不必进行那么多的设定,而且可以进行故 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,甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。 2.专门化和一体化 变频器的制造专门化,可以使变频器在某一领域的性能更强,如风机、水 泵用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。 除此以外,变频器有与
18、电动机一体化的趋势,使变频器成为电动机的一部分, 可以使体积更小,控制更方便。 3.环保无公害 保护环境,制造“绿色”产品是人类的新理念。21世纪的电力拖动装置应 着重考虑:节能,变频器能量转换过程的低公害,使变频器在使用过程中的噪 声、电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。 4.适应新能源 现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角,有后来 居上之势。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。现在电力电子技术、微电子技术和现代 控制技术以惊人的速度向前发展,变频调速传动技术也随之取得了日新月异的 进步。这种进步集中体现在交
19、流调速装置的大容量化,变频器的高性能化和多 功能化,结构的小型化一些方面。 1.3 研究的目的与意义 在工业发展的初级阶段,人们主要使用集中传动。作为动力的鼠笼电动机, 是不需要调速的。它只需要满足各种生产条件对它提出的起动和稳速运行的要 求就可以,调速的任务是由皮带和齿轮来完成。随着生产规模的不断扩大,对 生产的连续性和流程化的要求愈来愈高,发展电机的调速技术已经是势在必行 了。直流调速系统,由于其良好的调速性能,很长的时期内在调速领域内占据 首位。但是由于直流电动机本身有机械换向器,给直流调速系统造成一些固有 的、难于解决的问题。 毕业设计(论文) 3 随着交流传动电动机调速的理论问题的突
20、破和调速装置(主要指变频器)性 能的完善,交流电动机调速系统的性能差的缺点已经得到了克服,目前,交流 调速系统的性能已经可以和直流系统相媲美,甚至可以超过直流系统。由于交 流调速不断显示其本身的优越性和巨大的社会效益,使变频器具有越来越旺盛 的生命力。各种性能优越的新型电力半导体器件的出现,如既能控制导通又能 控制关断的门极可关断晶闸管 GTO;具有良好功率转换效率和适于在高频大功 率情况下工作的 MOSFET;既有 MOS 管栅极驱动电压功率小和驱动线路简单,又 有双极性功率晶体管导通饱和压降小优点的绝缘栅双极性大功率管 IGBT;以及 内部既有大功率开关器件,又有各种驱动电路和过压、过流等
21、保护电路的智能 型功率模块 IPM 等器件的应用,不仅使交流调速系统控制装置体积小,效率高, 而且还更容易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案,更加充实和推动 了变频器理论的进一步发展。 能完成各种复杂信号和信息处理的集成芯片的出现,如能产生脉宽调制信 号的专用集成电路以及各种单片机和计算机系统用的微处理器和接口芯片的大 量问世,为高质量的控制创造了良好的条件。建立在电机统一理论和机电一体 化理论基础上的各种先进控制方案,通过快速检测电流实现 PWM 控制的变频技 术,通过直接控制转矩来快速控制转速的转速自调整技术,以及具有很强抗干 扰能力的变结构控制系统等等,都极大地丰富了电机调速领域的
22、内容。 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。 1.4 本次设计方案简介 1.4.1 变频器主电路方案的选定 变频器最早的形式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:它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率 可调
23、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 毕业设计(论文) 4 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:交-直-交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 电流型变频器的特点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
24、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 电压型变频器的特点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。 由于电压型变频器是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。与之相比,电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变, 其特性类似于电流源,它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、 泵类节能调速中。 由于交-直-交型变频器是目前广泛应用的
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