安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) i 交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 近年來,交流電機變頻調(diào)速及其相關(guān)技術(shù)的研究己成為現(xiàn)代電氣傳動領(lǐng)域的一個重 要課題,并且隨著新的電力電子器件和微處理器的推出以及交流電機控制理論的發(fā)展， 交流變頻調(diào)速技術(shù)還將會取得巨大進步。 本文對變頻調(diào)速理論，逆變技術(shù)，SPWM產(chǎn)生原理進行了研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了 一種新型數(shù)字化三相SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)，以8051控制專用集成芯片 SA4828為控制核心， 采用IGBT作為主功率器件，同時采用EXB840構(gòu)成IGBT的驅(qū)動電路，整流電路采用二極 管，可使功率因數(shù)接近1，并且只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)比較簡單。 本文在控制上采用恒 f V 控制，同時，軟件程序使得參數(shù)的輸入和變頻器運行方 式的改變極為方便，新型集成元件的采用也使得它的開發(fā)周期短。 另外，本文對SA4828三相SPWM波發(fā)生器的使用和編程進行了詳細介紹，完成了整 個系統(tǒng)控制部分的軟硬件設(shè)計。 關(guān)鍵字關(guān)鍵字: :變頻調(diào)速，正弦脈寬調(diào)制，變頻調(diào)速，正弦脈寬調(diào)制， f V 控制，控制，SA4828波形發(fā)生器波形發(fā)生器 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) ii AC INDUCTION MOTOR SPEED-ADJUSTED SYSTEM DESIGN ABSTRACT Recently, the research of variable frequency speed variation 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 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 controlling 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 f V operation. At the same time, it is very convenient to 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 phases 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)， f V operation; SA4828 Wave Generator 華北科技學院畢業(yè)設(shè)計(論文) 1 目錄目錄 摘 要.i Abstract.ii 1 緒 論 .1 1.1 變頻調(diào)速技術(shù)簡介 .1 1.2 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢.2 1.2.1 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀.2 1.2.2 變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢.2 1.3 研究的目的與意義.3 1.4 本次設(shè)計方案簡介 .4 1.4.1 變頻器主電路方案的選定.4 1.4.2 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介.5 1.4.3 選用電動機原始參數(shù).6 2 交流異步電動機變頻調(diào)速原理及方法 .8 2.1 三相異步電機工作的基本原理.8 2.1.1 異步電機的等效電路.8 2.1.2 異步電動機的轉(zhuǎn)矩.9 2.1.3 異步電動機的機械特性.10 2.1.4 異步電機變頻調(diào)速原理.12 2.2 變頻調(diào)速的控制方式及選定.13 2.2.1 f V 比恒定控制 .13 2.2.2 其它控制方式.18 3 變頻器主電路設(shè)計 .20 3.1 主電路的工作原理.20 3.1.1 主電路各部分的設(shè)計.20 3.1.2 變頻器主電路設(shè)計的基本工作原理.21 3.2 主電路參數(shù)計算.24 3.3 IGBT 及驅(qū)動模塊介紹 .25 3.3.1 IGBT 簡介及驅(qū)動要求 .25 3.3.2 EXB840 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) .27 3.3.2 采用 EXB840 的 IGBT 驅(qū)動電路.28 4 控制回路設(shè)計 .30 4.1 驅(qū)動電路設(shè)計.30 華北科技學院畢業(yè)設(shè)計(論文) 2 4.1.1 SPWM 調(diào)制技術(shù)簡介 .30 4.1.2 SPWM 波生成芯片特點和引腳功能 .32 4.1.3 SA4828 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 .33 4.2 保護電路.36 4.2.1 過、欠壓保護電路設(shè)計.36 4.2.2 過流保護設(shè)計.38 4.3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn).39 5 變頻器軟件設(shè)計 .42 5.1 流程圖.42 5.2 SA4828 的編程 .42 5.2.1 初始化寄存器編程.42 5.2.2 控制寄存器編程.45 5.3 程序設(shè)計.46 總結(jié).56 參 考 文 獻.57 致謝.58 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 1 1 緒論 1.1 變頻調(diào)速技術(shù)簡介 變頻調(diào)速技術(shù)是一種以改變交流電動機的供電頻率來達到交流電動機調(diào)速 目的的技術(shù)。大家都知道，目前，無論哪種機械調(diào)速，都是通過電機來實現(xiàn)的。 從大的范圍來分，電機有直流電機和交流電機。由于直流機調(diào)速容易實現(xiàn)，性 能好，因此過去生產(chǎn)機械的調(diào)速多用直流電動機。但直流機固有的缺點：由于 采用直流電源，它的滑環(huán)和碳刷要經(jīng)常拆換，故費時費工，成本高，給人們帶 來太大的麻煩。因此人們希望，讓簡單可靠廉價的籠式交流電機也像直流電動 機那樣調(diào)速。這樣就出現(xiàn)了定子調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、 串極調(diào)速等交流調(diào)速方式。當然也出現(xiàn)了滑差電機、繞線式電機、同步式交流 電機。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了變頻調(diào)速技 術(shù)，它一出現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機調(diào)速方式，乃至直流電 機調(diào)速，而成為電氣傳動的中樞1。 變頻調(diào)速被認為是一種理想的交流調(diào)速方法。但如何得到一個單獨向異步 電動機供電的經(jīng)濟可靠的變頻電源，一直是交流變頻調(diào)速的主要課題。20世紀 60年代中期，隨著普通的晶閘管、小功率管的實用化，出現(xiàn)了靜止變頻裝置， 它是將三相的工頻電源經(jīng)變換后，得到頻率可調(diào)的交流電。這個時期的變頻裝 置，多為分立元件，它體積大、造價高，大多是為特定的控制對象而研制的， 容量普遍偏小，控制方式也很不完善，調(diào)速后電動機的靜、動態(tài)性能還有待提 高，特別是低速的性能不理想，因此僅用于紡織、磨床等特定場合。 20世紀70年代以后，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展， 變頻調(diào)速傳動技術(shù)也隨之取得了日新月異的進步，開始出現(xiàn)了通用變頻器。它 功能豐富，可以適用于不同的負載和場合，特別是進入20世紀90年代，隨著半 導體開關(guān)器件IGBT、矢量控制技術(shù)的成熟，微機控制的變頻調(diào)速成為主流，調(diào) 速后異步電動機的靜、動態(tài)特性已經(jīng)可以和直流調(diào)速相媲美。隨著變頻器的專 用大規(guī)模集成電路、半導體開關(guān)器件、傳感器的性能越來越高，進一步提高變 頻器的性能和功能已成為可能。現(xiàn)在的變頻器功能很多，操作也很方便，其壽 命和可靠性也較以前有了很大的進步。 所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管 GTR、絕緣柵雙極型晶體管 IGBT)將 50Hz 的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 2 (又稱交-交變頻)，即把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的 交流調(diào)速中;間接變頻(又稱交-直-交變頻)，即先將市電整流成直流，再變換為 要求頻率的交流。它又分為諧振變頻和方波變頻。前者主要用于中頻加熱，方 波變頻又分為等幅等寬和 SPWM 變頻。常用的方法有正弦波(調(diào)制波)與三角波 (載波)比較的 SPWM 法、磁場跟蹤式 SPWM 法和等面積 SPWM 法等。 本設(shè)計所設(shè)計的題目屬于間接變頻調(diào)速技術(shù)。它主要包括整流部分、逆變 部分、控制部分及保護部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相 SPWM 逆變方式。 1.2 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 1.2.1 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀 進入 90 年代，通用變頻器以其優(yōu)異的控制性能，在調(diào)速領(lǐng)域獨樹一幟，并 在工業(yè)領(lǐng)域及家電產(chǎn)品中得到迅速推廣。此外，變頻技術(shù)和變頻器制造己經(jīng)從 一般意義的拖動技術(shù)中分離出來，成為世界各國在工業(yè)自動化和機電一體化領(lǐng) 域中爭強占先的陣地，各發(fā)達國家更是在該技術(shù)領(lǐng)域注入了極大的人力、物力、 財力，使之目前己經(jīng)進入了高新技術(shù)行業(yè)。就變頻技術(shù)而言，目前日本、美國 及法國、荷蘭、丹麥等國家可以說是齊頭并進，不分伯仲。在這一領(lǐng)域的研制、 生產(chǎn)方面，220KW 功率以上的變頻器基本被歐、美等國家壟斷，如德國的西門 子(SIEMEN)、丹佛斯( DANFOSS)，美國的 AB.OE 公司、歐洲的 ABB 等。中小容 量的變頻器 85%為日本產(chǎn)品和臺灣產(chǎn)品所占領(lǐng)，如富士(FUJI),三墾( SAMCO )、 東芝(TOSHIBA)、松下(PANASONIC)、三菱( MITSUBISHI)、安川以及臺灣的臺達。 由于這些國家、地區(qū)的工業(yè)基礎(chǔ)好、制造業(yè)發(fā)達、開發(fā)生產(chǎn)能力強，所以他們 生產(chǎn)的變頻器適應范圍廣，生產(chǎn)己經(jīng)初具規(guī)模變頻器應用普及率在 85%以上。 我國的變頻器深圳華為電氣(現(xiàn)己經(jīng)改名安圣電氣)、伴靈電氣、成都森蘭、大 連普傳科技都是變頻器研究、開發(fā)、生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，擁有雄厚的技術(shù)實 力，相信不久的將來可以取代國外品牌，創(chuàng)建我們自己的國產(chǎn)名牌。 1.2.2 變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢 在進入21世紀的今天，電力電子器件的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化 硅）,使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優(yōu)點；并制造出體積小、 容量大的驅(qū)動裝置；永久磁鐵電動機也正在開發(fā)研制之中。隨著IT技術(shù)的迅速 普及，以及人類思維理念的改變，變頻器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展迅速，未來主要朝以 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 3 下幾個方面發(fā)展2： 1.網(wǎng)絡(luò)智能化 智能化的變頻器買來就可以用，不必進行那么多的設(shè)定，而且可以進行故 障自診斷、遙控診斷以及部件自動置換，從而保證變頻器的長壽命。利用互聯(lián) 網(wǎng)可以實現(xiàn)多臺變頻器聯(lián)動，甚至是以工廠為單位的變頻器綜合管理控制系統(tǒng)。 2.專門化和一體化 變頻器的制造專門化，可以使變頻器在某一領(lǐng)域的性能更強，如風機、水 泵用變頻器、電梯專用變頻器、起重機械專用變頻器、張力控制專用變頻器等。 除此以外，變頻器有與電動機一體化的趨勢，使變頻器成為電動機的一部分， 可以使體積更小，控制更方便。 3.環(huán)保無公害 保護環(huán)境，制造“綠色”產(chǎn)品是人類的新理念。21世紀的電力拖動裝置應 著重考慮：節(jié)能，變頻器能量轉(zhuǎn)換過程的低公害，使變頻器在使用過程中的噪 聲、電源諧波對電網(wǎng)的污染等問題減少到最小程度。 4.適應新能源 現(xiàn)在以太陽能和風力為能源的燃料電池以其低廉的價格嶄露頭角，有后來 居上之勢。這些發(fā)電設(shè)備的最大特點是容量小而分散，將來的變頻器就要適應 這樣的新能源，既要高效，又要低耗?，F(xiàn)在電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代 控制技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動技術(shù)也隨之取得了日新月異的 進步。這種進步集中體現(xiàn)在交流調(diào)速裝置的大容量化，變頻器的高性能化和多 功能化，結(jié)構(gòu)的小型化一些方面。 1.3 研究的目的與意義 在工業(yè)發(fā)展的初級階段，人們主要使用集中傳動。作為動力的鼠籠電動機， 是不需要調(diào)速的。它只需要滿足各種生產(chǎn)條件對它提出的起動和穩(wěn)速運行的要 求就可以，調(diào)速的任務(wù)是由皮帶和齒輪來完成。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，對 生產(chǎn)的連續(xù)性和流程化的要求愈來愈高，發(fā)展電機的調(diào)速技術(shù)已經(jīng)是勢在必行 了。直流調(diào)速系統(tǒng)，由于其良好的調(diào)速性能，很長的時期內(nèi)在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)占據(jù) 首位。但是由于直流電動機本身有機械換向器，給直流調(diào)速系統(tǒng)造成一些固有 的、難于解決的問題。 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 4 隨著交流傳動電動機調(diào)速的理論問題的突破和調(diào)速裝置(主要指變頻器)性 能的完善，交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的性能差的缺點已經(jīng)得到了克服，目前，交流 調(diào)速系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以和直流系統(tǒng)相媲美，甚至可以超過直流系統(tǒng)。由于交 流調(diào)速不斷顯示其本身的優(yōu)越性和巨大的社會效益，使變頻器具有越來越旺盛 的生命力。各種性能優(yōu)越的新型電力半導體器件的出現(xiàn)，如既能控制導通又能 控制關(guān)斷的門極可關(guān)斷晶閘管 GTO；具有良好功率轉(zhuǎn)換效率和適于在高頻大功 率情況下工作的 MOSFET；既有 MOS 管柵極驅(qū)動電壓功率小和驅(qū)動線路簡單，又 有雙極性功率晶體管導通飽和壓降小優(yōu)點的絕緣柵雙極性大功率管 IGBT；以及 內(nèi)部既有大功率開關(guān)器件，又有各種驅(qū)動電路和過壓、過流等保護電路的智能 型功率模塊 IPM 等器件的應用，不僅使交流調(diào)速系統(tǒng)控制裝置體積小，效率高， 而且還更容易實現(xiàn)各種功能復雜但在結(jié)構(gòu)上簡單的控制方案，更加充實和推動 了變頻器理論的進一步發(fā)展。 能完成各種復雜信號和信息處理的集成芯片的出現(xiàn)，如能產(chǎn)生脈寬調(diào)制信 號的專用集成電路以及各種單片機和計算機系統(tǒng)用的微處理器和接口芯片的大 量問世，為高質(zhì)量的控制創(chuàng)造了良好的條件。建立在電機統(tǒng)一理論和機電一體 化理論基礎(chǔ)上的各種先進控制方案，通過快速檢測電流實現(xiàn) PWM 控制的變頻技 術(shù)，通過直接控制轉(zhuǎn)矩來快速控制轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速自調(diào)整技術(shù)，以及具有很強抗干 擾能力的變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)等等，都極大地豐富了電機調(diào)速領(lǐng)域的內(nèi)容。 總之，交流電機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，特別是變頻器傳動本身固有的優(yōu)勢，必 將使之應用于社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，以體現(xiàn)出不同的功能，達到不同的目的， 收到相應的效益。因此，本論文通過對變頻器的研究，對于交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 理論的應用，有著實際的意義和一定的應用價值。 1.4 本次設(shè)計方案簡介 1.4.1 變頻器主電路方案的選定 變頻器最早的形式是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機組作為可變頻率電源，供給交流電動機。 隨著電力半導體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。靜 止式變頻器從變換環(huán)節(jié)分為兩大類：交-直-交變頻器和交-交變頻器。 1.交-交型變頻器：它的功能是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率 可調(diào)電壓的交流電（轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同） ，又稱直接式變頻器。由于中間不經(jīng) 過直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn) 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 5 窯、軋鋼機等。但這種控制方式?jīng)Q定了最高輸出頻率只能達到電源頻率的 1/31/2,所以不能高速運行。 2.交-直-交型變頻器：交-直-交變頻器是先把工頻交流通過整流器變成直 流，然后再直流變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱間接變頻器，交-直-交變頻 器是目前廣泛應用的通用變頻器。它根據(jù)直流部分電流、電壓的不同形式，又 可分為電壓型和電流型兩種： （1）電流型變頻器 電流型變頻器的特點是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無 功功率，即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較 大，故稱電流源型變頻器。 （2）電壓型變頻器 電壓型變頻器的特點是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容器作為儲能環(huán) 節(jié)來緩沖無功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當于電壓 源，故稱電壓型變頻器。 由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動機提供交流電功率，所以其主 要優(yōu)點是運行幾乎不受負載的功率因數(shù)或換流的影響，它主要適用于中、小容 量的交流傳動系統(tǒng)。與之相比，電流型變頻器施加于負載上的電流值穩(wěn)定不變， 其特性類似于電流源，它主要應用在大容量的電機傳動系統(tǒng)以及大容量風機、 泵類節(jié)能調(diào)速中。 由于交-直-交型變頻器是目前廣泛應用的通用變頻器，所以本次設(shè)計中選 用此種間接變頻器，在交-直-交變頻器的設(shè)計中，雖然電流型變頻器可以彌補 電壓型變頻器在再生制動時必須加入附加電阻的缺點，并有著無須附加任何設(shè) 備即可以實現(xiàn)負載的四象限運行的優(yōu)點，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及 其優(yōu)點，在本次設(shè)計中采用電壓型變頻器。 1.4.2 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介 本文設(shè)計的交直交變頻器由以下幾部分組成，如圖 1.1 所示。 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 6 主主 主主 主主 主主 主主主主主 8051SPWM主 主主 主主主主 主主主 主主主主 主主 主主 主主主主主主主主 主主 主主主主主主主 主主主主 圖 1.1 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)各組成部分簡介： 供電電源：電源部分因變頻器輸出功率的大小不同而異，小功率的多用單 相 220V，中大功率的采用三相 380V 電源。因為本設(shè)計中采用中等容量的電動 機，所以采用三相 380V 電源。 整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動的直流電，必須加以濾波。在本設(shè) 計中采用三相不可控整流。它可以使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近 1。 濾波電路：因在本設(shè)計中采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的 電容除了起濾波作用外，還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾。 逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。在設(shè)計中采用三 相橋逆變，開關(guān)器件選用全控型開關(guān)管 IGBT。 電流電壓檢測：一般在中間直流端采集信號，作為過壓，欠壓，過流保護 信號。 控制電路：采用 8051 單片機和 SPWM 波生成芯片 SA4828，控制電路的主要 功能是接受各種設(shè)定信息和指令，根據(jù)這些指令和設(shè)定信息形成驅(qū)動逆變器工 作的信號。這些信號經(jīng)過光電隔離后去驅(qū)動開關(guān)管的關(guān)斷。 1.4.3 選用電動機原始參數(shù) 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 7 在這次設(shè)計中，采用中等容量的電動機，具體數(shù)據(jù)如下： 額定功率：；7.5 N PKW 額定電壓：；380 N UV 額定電流：；15.6 N IA 額定轉(zhuǎn)速：；1450 /min N nr 效 率：；%86 功率因數(shù)：cos=0.85； 過載系數(shù)：=2.2； 電壓波動：10%； 極 對 數(shù)：P=2。 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 8 2 交流異步電動機變頻調(diào)速原理及方法 2.1 三相異步電機工作的基本原理 2.1.1 異步電機的等效電路 異步電動機的轉(zhuǎn)子能量是通過電磁感應而得來的。定子和轉(zhuǎn)子之間在電路 上沒有任何聯(lián)系，其電路可用圖2.1來表示3。 圖2.1異步電動機的定、轉(zhuǎn)子圖 圖 2.1 中： 定子的相電壓； 1 . U 定子的相電流； . 定子每相繞組的電阻和漏抗； 、 x r 、分別是轉(zhuǎn)子電路產(chǎn)生的電動勢、電流、漏電抗； s E2 S I2 S X2 每相定子繞組反電動勢，它是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生的。其 1 . E 有效值可計算如下： （2-1） 1111 4.44 Nm Ef N K 式中: 氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值； 1 E 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 9 定子頻率； 1 f 定子每相繞組中串聯(lián)匝數(shù)； 1 N 基波繞組系數(shù)； 1N K 極氣隙磁通。 m 由電動機的基礎(chǔ)知識可知：轉(zhuǎn)子回路的頻率 ，與轉(zhuǎn)差率成正比， 12 sff 所以轉(zhuǎn)子回路中的各電量也都與轉(zhuǎn)差率成正比。 為了方便定量分析定、轉(zhuǎn)子之間的各種數(shù)量關(guān)系，應將定子、轉(zhuǎn)子放在一 個電路中。由于定子、轉(zhuǎn)子回路的頻率、繞組、匝數(shù)不同，故必須進行折算。 根據(jù)電機學原理，在下列假定條件下： a.忽略空間和時間諧波，各繞組的自感和互感都是線性的； b.忽略磁飽和； c.忽略鐵損。 可以得到電動機的T形等效電路圖，由于交流異步電動機三相對稱，所以現(xiàn) 只取A相進行計算分析。A相的T形等效電路如圖2.2所示。 圖2.2 電動機的T形等效電路圖 圖2.2中： 勵磁電阻，是表征異步電動機鐵心損耗的等效電阻； m r 勵磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個參數(shù)； m x 勵磁電流； 0 . 機械負載的等效電阻，在 L R =,在上消耗的功率就 L R L R 相當于異步電動機輸出的機械功率； 2 s s1 r 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 10 等參數(shù)經(jīng)過折算后的轉(zhuǎn)子參數(shù)。 2222 、 、 I 2.1.2 異步電動機的轉(zhuǎn)矩 （1）電磁轉(zhuǎn)矩的表達式 （2-2） n mm 9550 式中 的單位為 KW；的單位是；的單位是。 m nmin r mN （2）電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式 = （2- e 2 , 2cos M T C 3） 式中 轉(zhuǎn)矩常數(shù)； T C 主磁通。 m （3）電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達式 = （2- e )()(2 2 2 21 22 211 2 2 1 xxsrsrf rpsU 4） 式中 磁極對數(shù)； p 電源的相電壓； 1 U 電源頻率。 1 f 2.1.3 異步電動機的機械特性 機械特性是指電動機在運行時，其轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即= n 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 11 ，它可由（2-3）所決定的曲線變換而來。異步電動機工作在額定)(Tf)(sfT 電壓、額定頻率下，由電動機本身固有的參數(shù)所決定的曲線，叫做電)(Tfn 動機的自然機械特性。 圖2.3 異步電動機機械特性曲線 只要確定曲線上的幾個特殊點，就能畫出電動機的機械特性。 1.理想空載點 圖2.3中的E點，在這點上，電動機以同步轉(zhuǎn)速運行（ =0），其電磁轉(zhuǎn) 0 n s 矩T=0。 2.起動點 圖2.3中的S點，在起動點上，電動機已接通電源，但尚未起動。對應這一 點的轉(zhuǎn)速0（1），電磁轉(zhuǎn)矩稱起動轉(zhuǎn)矩，起動是帶負載的能力一般n st 用起動倍數(shù)來表示，即。式中,為額定轉(zhuǎn)矩。 N st st T T K N T 3.臨界點 臨界點是一個非常重要的點，它是機械特性穩(wěn)定運行區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的分 界點。電動機運行在點時，電磁轉(zhuǎn)矩為臨界轉(zhuǎn)矩，它表示了電動機所有能 K T 產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩，此時的轉(zhuǎn)差率叫臨界轉(zhuǎn)差率，用表示。、根據(jù)式 K s K T K s （23）用求極值的辦法求出，即：由0，可得：dsdT 21 2 2 21 2 1 2 )( xx r xxr r sK （24） 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 12 （25） )(4 3 )(4 3 211 2 1 2 21 2 111 2 1 xxf pU xxrrf pU TK 電動機正常運行時，需要有一定的過載能力，一般用表示，即 m （26） m N K T T 普通電動機的2.02.2之間，而對某些特殊用電動機，其過負載能力 m 可以更高一些。 上述分析說明：的大小影響著電動機的過載能力，越小，為了保證過 K K 載能力不變，電動機所帶的負載就越小。由知：越小，越)1 ( 0KK snn K s K n 大，機械特性就越硬。因此在調(diào)速過程中，、的變化規(guī)律常常是關(guān)注的重 K K s 點。特別是研究變頻后的電動機機械特性，、就顯得尤其重要。變頻后的 K K s 機械特性將會在下一小節(jié)中介紹。 2.1.4 異步電機變頻調(diào)速原理 交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。根據(jù)統(tǒng)計，我 國異步電動機的使用容量約占拖動總?cè)萘康陌顺梢陨?，因此了解異步電動機的 調(diào)速原理十分重要。 交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。根據(jù)統(tǒng)計，我 國異步電動機的使用容量約占拖動總?cè)萘康陌顺梢陨?，因此了解異步電動機的 調(diào)速原理十分重要。 交流調(diào)速是通過改變電定子繞組的供電的頻率來達到調(diào)速的目的的，但定 子繞組上接入三相交流電時，定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場， 它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應電動勢，出現(xiàn)感應電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用， 產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。使電動機轉(zhuǎn)起來。電機磁場轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用表示： 0 n （2-7） p f n 60 0 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 13 式中：為三相交流電源頻率，一般是 50Hz；為磁極對數(shù)。當=1 是，fpp =3000rmin；=2 時，=1500rmin。 0 np 0 n 由上式可知磁極對數(shù)越多，轉(zhuǎn)速就越慢，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速比磁場的同p 0 nn 步轉(zhuǎn)速要慢一點，所以稱為異步電動機，這個差別用轉(zhuǎn)差率 表示： 0 n s （2-8） %100 0 0 n nn s 在加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動瞬間，=0，這時 =1；啟動后的極端情況ns =，則 =0，即 在 01 之間變化，一般異步電動機在額定負載下的 n 0 nss =1%6%。綜合（2-7）和（2-8）式可以得出：s （2- 0 60 (1) (1) fs nns p 9） 由式（2-9）可以看出，對于成品電機，其極對數(shù)已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率 的ps 變化不大，則電機的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，因此改變輸入電源的頻率就nf 可以改變電機的同步轉(zhuǎn)速，進而達到異步電機調(diào)速的目的。 2.2 變頻調(diào)速的控制方式及選定 2.2.1 比恒定控制 f V 比恒定控制是異步電動機變頻調(diào)速中最基本的控制方式。它是在改變變 f V 頻器輸出電壓頻率的同時改變輸出電壓的幅值，以維護電機磁通基本恒定，從 而在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，使電動機的效率、功率因數(shù)不下降?？刂剖悄壳?f V 通用變頻器中廣泛采用的控制方式。 三相交流異步電動機在工作過程中鐵心磁通接近飽和狀態(tài)，從而使鐵心材 料得到充分的利用。在變頻調(diào)速的過程中，當電動機電源的頻率發(fā)生變化時， 電動機的阻抗將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現(xiàn)勵磁不足 或勵磁過強。在勵磁不足時電動機的輸出轉(zhuǎn)矩將降低，而勵磁過強時又會使鐵 心中的磁通處于飽和狀態(tài)，是電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的功 率損耗，降低電動機的效率和功率因數(shù)。因此在改變頻率進行調(diào)速時，必須采 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 14 取措施保持磁通恒定為額定值。 由電機理論知道，電機定子的感應電勢有效值是： 1111 4.44 Nm Ef N K 則 即 （2- 111 1 44 . 4 NKf E N m 1 1 m f E 10） 另外，電機的電磁轉(zhuǎn)矩為: （2- 22mTe cosC 11） 其中 與電動機有關(guān)的常數(shù)； T C Cos轉(zhuǎn)子每相電路功率因數(shù)； 2 轉(zhuǎn)子電壓與電流的相位差； 2 電機的電磁轉(zhuǎn)矩。 e 由式(2-10)推斷，若不變，當定子電源頻率增加，將引起氣隙磁通 1 E 1 f 減??；而由式(2-11)可知，減小又引起電動機電磁轉(zhuǎn)矩減小，這就出 m m e 現(xiàn)了頻率增加，而負載能力下降的情況。在不變時，而定子電源頻率減小， 1 E 1 f 又將引起增加,增加將導致磁路飽和，勵磁電流升高，從而導致電動機 m m 發(fā)熱，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。由以上情況可知:變頻調(diào)速時，必須 使氣隙磁通不變。因此，在調(diào)節(jié)頻率的同時，必須對定子電壓進行協(xié)調(diào)控制， 但控制方式隨運行頻率在基頻以下和基頻以上而不同。 1.基頻以下調(diào)速 由式(2-10)可知，要保持不變，當頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時，必 m 1 f N f 須同時降低,使 1 E =常值 1 1 f E 只要保持為常數(shù)，就可以達到維持磁通恒定的目的。因此這種控制又 1 1 f E 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 15 稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。 根據(jù)電機端電壓和感應電勢的關(guān)系式： (2-12) 11111 ()UErjx I 式中: -定子相電壓； 1 U -定子電阻； 1 r -定子阻抗； 1 x -定子電流。 1 I 當電機在額定運行情況下，電機定子電阻和漏阻抗的壓降較小，和可 1 U 1 E 以看成近似相等，所以保持=常數(shù)即可。 f V 由于比恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當頻率較低時，與 都 f V1 U 1 E 變小，定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能再忽略。這種情況下，可以 人為地適當提高定子電壓以補償電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。 變頻后的機械特性如圖 2.4 所示。 圖2.4 電動機低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性 從圖 2.4 中可以看出，當電動機向低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時,曲線近似 0 n 平行地下降，減速后的電動機仍然保持原來較硬的機械特性；但是臨界轉(zhuǎn)矩卻 隨著電動機轉(zhuǎn)速的下降而逐漸減小，這就是造成了電動機負載能力的下降。 臨界轉(zhuǎn)矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動機定子的磁通量保持恒 m 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 16 定，調(diào)速時就要求感應電動勢與電源頻率的比值不變，為了使控制容易實 1 E 1 f 現(xiàn)，采用電源電壓來近似代替，這是以忽略定子阻抗壓降作為代價，當U 1 E 然存在一定的誤差。顯然，被忽略的定子阻抗壓降在電壓中所占的比例大小U 決定了它的影響。當?shù)臄?shù)值相對較高時，定子阻抗壓降在電壓中所占的比 1 fU 例相對較小，所產(chǎn)生的誤差較少；當?shù)臄?shù)值較低時，定子阻抗壓降在U 1 E 1 f 電壓中所占的比例下降，而定子阻抗的壓降并不按同比例下井，使得定子阻U 抗壓降在電壓中的比例增大，已經(jīng)不能再滿足。此時如果仍以代替UU 1 EU ，將帶來很大的誤差。因為定子阻抗壓降所占的比例增大，使得實際上產(chǎn)生 1 E 的感應電動勢減小，的比值減小，造成磁通量減小，因而導致電動 1 E 1 1 f E m 機的臨界轉(zhuǎn)矩的下降。 變頻后機械特性的降低將是電動機帶負載能力減弱，影響交流電動機變頻 調(diào)速的使用。一種簡單的解決方法就是所示的 f V 轉(zhuǎn)矩補償法。 f V 轉(zhuǎn)矩補償法的原理是：針對頻率降低時，電源電壓成比例地降低fU 引起的的下降過低，采用適當?shù)奶岣唠妷旱姆椒▉肀３执磐亢愣?，UU m 使電動機轉(zhuǎn)矩回升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉(zhuǎn)矩提升（Torque Boost） 。 帶定子壓降補償?shù)膲侯l比控制特性示于圖 2.5 中的 b 線，無補償?shù)目刂铺?性則為 a 線。 定子降壓補償只能補償于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性，而對向高于額 定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性不能補償。 圖2.5 壓頻比控制特性曲線 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 17 補償后的機械特性曲線如圖 2.6 所示。 圖2.6 補償后的機械特性曲線 2.在基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從額定頻率向上增高，但是電壓卻不能超 N f 出額定電壓，由式（2-10）可知，這將迫使磁通與頻率成反比例降低。這種 N U 調(diào)速方式下，轉(zhuǎn)子升高時轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。 變頻后的機械特性如圖 2.7 所示。 圖2.7 電動機高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性 當電動機向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時，曲線不僅臨界轉(zhuǎn)矩下降，而且曲 0 n 線工作段的斜率開始增大，使得機械特性變軟。 造成這種現(xiàn)象的原因是：當頻率升高時，電源電壓不可能相應升高。這 1 f 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 18 是因為電動機繞組的絕緣強度限制了電源電壓不能超過電動機的額定電壓，所 以，磁通量將隨著頻率的升高反比例下降。磁通量的下將使電動機的轉(zhuǎn) m 1 f 矩下降，造成電動機的機械特性變軟。 以上調(diào)速方式相應的特性曲線如圖 2.8 所示。 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 恒功率調(diào)速 圖2.8整個頻率調(diào)速的特性曲線 注：圖中曲線 1在低頻時沒有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線 圖中曲線 2在低頻時有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線 比恒定控制存在的主要問題是低速性能差。其原因一方面是低速時定 f V 子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿足，所以仍按比恒定控制就不能保 f V 持電機磁通恒定，而電機磁通的減小勢必會造成電機的電磁轉(zhuǎn)矩減小。另一方 面原因是低速時逆變器橋臂上、下開關(guān)元件的導通時間相對較短，電壓下降， 而且它們的互鎖時間也造成了電壓降低，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動，在一定條件下這 將會引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴重時會導致變頻器不能運行。 2.2.2 其它控制方式 1.轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速 轉(zhuǎn)差率控制方式是控制的一種改進，這種控制需要由安裝在電動機上 f V 的速度傳感器檢測出電動機的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出時轉(zhuǎn)差 率，而變頻器的輸出頻率則有電動機實際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率之和決定。它是 解決控制靜態(tài)性能較差的一種有效方法。雖然這種方法可以提高調(diào)速精度， f V 但是它需要使用速度傳感器來求取轉(zhuǎn)差角頻率，還要針對具體電機的機械特性 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 19 調(diào)整控制參數(shù)，因而此方法的通用性較差。 2.矢量控制變頻調(diào)速 矢量控制變頻調(diào)速的做法是：將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電 流、通過三相兩相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流、 a I b I c I 1 ，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流 1 、（相當于直流電動機的勵磁電流；相當于與轉(zhuǎn)矩成比例的電樞電 1m 1t 1m 1t 流） ，然后仿效直流電動機的控制方法，求得直流電動機控制量，經(jīng)過相應的坐 標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。在高性能的異步電機控制系統(tǒng)中多采用 交叉閉環(huán)控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是為了提高變頻調(diào) 速的動態(tài)性能。雖然這一理論的提出是交流傳動理論上的一個飛躍，但是由于 它既要確定轉(zhuǎn)子的磁鏈，又要進行坐標變換，還要考慮轉(zhuǎn)子參數(shù)變動帶來的影 響，所以系統(tǒng)非常復雜。矢量控制變頻器通常應用于軋鋼、造紙設(shè)備等對動態(tài) 性能要求較高的場合。 3.直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速 1985 年，德國魯爾大學的 DePenbrock 教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻 技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、 簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成 功應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系 下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電 動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復雜計算；它不 需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。 日前市場銷售的通用變頻器的控制多半為比恒定控制，它的應用比較 f V 廣泛，特別是在風機，泵及土木機械等方面應用較多，比恒定控制的突出 f V 優(yōu)點是可以進行電機的開環(huán)速度控制。 從以上的分析可看出，控制常用于速度精度要求不十分嚴格或負載變 f V 動較小的場合。由于控制是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡 f V 單，負載可以是通用標準異步電機，所以這種控制方法通用性強、經(jīng)濟性好， 是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。由此，在本設(shè)計中采用 控制。 f V 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 20 3 變頻器主電路設(shè)計 3.1 主電路的工作原理 變頻調(diào)速實際上是向交流異步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現(xiàn)這 個功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主 電路通常采用交-直-交方式，先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直 流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變） 。 在本設(shè)計中采用圖 3.1 的主電路，這也是變頻器常用的格式4。 圖3.1 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路 3.1.1 主電路各部分的設(shè)計 1.交直電路設(shè)計 選用整流管組成三相整流橋，對三相交流電進行全波整流。整流 61 VDVD 后的電壓為=1.35=1.35380V=513V。 d U L U 濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持電壓平穩(wěn)。 F C 當變頻器通電時，濾波電容的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會損 F C 壞三相整流橋中的二極管，為了保護二極管，在電路中串入限流電阻，從而 L R 使電容的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當充電到一定程度，使閉合， F C F C L S 將限流電阻短路。 安徽理工大學畢業(yè)設(shè)計(論文) 21 在許多下新型的變頻器中，已有晶閘管替代。 L S 電源指示燈 HL 除了指示電源通電外，