1、 i 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 fV 控制，同时，软件程序使得参数
2、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。 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 :变频调速 ， 正弦脉宽调制 ， fV 控制 ， SA4828波形发生器 ii ABSTRACT Recently, the research of variable frequency speed variation of AC motor and relevant technology has become an important issue in electrical drive fie
3、ld, 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, inv
4、erter, 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 converti
5、ng 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 fV operation. At the same time, it is very convenient to input parameters or change the drives operating mode due to the software procedure. Mo
6、reover, 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 hav
7、e been completed. Keywords: variable frequency speed control， Sine Pulse Width Modulation (SPWM)， fV operation; SA4828 Wave Generator 1 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 .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
8、 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 .7 2.1 三相异步电机工作的基本原理 .7 2.1.1 异步电机的等效电路 .7 2.1.2 异步电动机的转矩 .8 2.1.3 异步电动机的机械特性 .9 2.1.4 异步电机变频调速原理 .11 3 变频器主电路设计 .12 3.1 主电路的工作原理 .12 3.1.1 主电路各部分的设计 .12 3.1.2 变频器主电路设计的基本工作原理 .13 3.2 主电路参数计算 .16 3.3 IGBT 及驱动模块介绍 .17 3.3.1 IGBT 简介及驱动要求 .17 3.3.2 EX
9、B840 的内部结构 .19 3.3.2 采用 EXB840 的 IGBT 驱动电路 .20 4 控制回路设计 .21 2 4.1 驱动电路设计 .21 4.1.1 SPWM 调制技术简介 .21 4.1.2 SPWM 波生成芯片特点和引脚功能 .23 4.2 保护电路 .24 4.2.1 过、欠压保护电路设计 .24 4.2.2 过流保护设计 .26 4.3 控制系统的实现 .27 5 变频器软件设计 .29 5.1 流程图 .29 5.2 SA4828 的编程 .29 5.2.1 初始化寄存器编程 .29 5.2.2 控制寄存器编程 .32 5.3 程序设计 .33 6 变频器用 MATL
10、AB/SIMULINK 仿真 .29 6.1 MATLAB/SIMULINK 简介 .29 6.2 基于 SPWM 变频调速系统的仿真 .29 总结 .48 参 考 文 献 .49 致谢 .50 1 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
11、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
12、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。 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(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
13、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。 2 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，
14、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)、松下 (PANASONIC)、三菱 ( MI
15、TSUBISHI)、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； 并制造出体积小、容
16、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 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3 此以外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电
17、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流调速装置的大容量化 ， 变频器的高性能
18、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 随着交流传动电动机调速的理论问题的突破和调速装置 (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
19、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4 术，通过直接控制转矩来快
20、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
21、-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 ： 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
22、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5 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
23、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 是目前广泛应用的通用变频器，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。 1.4.2 系统原理框图及各部分简介 本文设计的交直交变频器由以下几部分组成，如图 1.1 所示。 供电 整流 滤波 逆变 主电路电流8 05 1 S P W M 波隔离 电压检测主电路控制
24、电路保护 电机电源 电路 电路 电路驱动生成芯片单片机吸收电路图 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6 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我们需要的交流电
25、。在设计中采用三相桥逆变，开关器件选用 全控型开关管 IGBT。 电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。 控制电路：采用 8051 单片机和 SPWM 波生成芯片 SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。 1.4.3 选用电动机原始参数 在这次设计中，采用中等容量的电动机，具体数据如下： 额定功率： 7.5NP KW ； 额定电压： 380NUV ； 额定电流： 15.6NIA ； 额定转速： 1450 / minNnr ； 效 率： %86 ； 功率因数： cos=0.85 ； 过载系数： =2.2 ； 电压波动 ： 10% ； 极 对 数： P=2。
