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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除。中南大学工程训练设计报告设计题目: 异步电机的变频调速指导老师: 黎群辉设 计 人: 冯露学 号: 专业班级: 自动化0906班设计日期: 9月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,而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
2、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, 而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, 同时, 软件程序使得参数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, 控制, SA4828波形发生器目录摘 要i1.1 研究的目的与意义11.2本次设计方案简介21.2.1 变频器主电路方案的选定21.2.2 系统原理框图及各
3、部分简介31.2.3 选用电动机原始参数42交流异步电动机变频调速原理及方法52.1 异步电机变频调速原理52.2 变频调速的控制方式及选定62.2.1 比恒定控制62.2.2 其它控制方式113变频器主电路设计13 3.1 主电路的工作原理13 3.2 主电路各部分的设计13 3.3. 采用EXB840的IGBT驱动电路154控制回路设计164.1 驱动电路设计164.2 保护电路164.2.1 过、 欠压保护电路设计164.2.2 过流保护设计184.3 控制系统的实现195变频器软件设计225.1 流程图225.2 程序设计23总结33参 考 文 献34所谓变频就是利用电力电子器件(如功
4、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它电源。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。常见的方法有正弦波(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
5、变方式。 1.1 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能够, 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。可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。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
6、服, 当前, 交流调速系统的性能已经能够和直流系统相媲美, 甚至能够超过直流系统。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、 过流等保护电路的智能型功率模块IPM等器件的应用, 不但使交流调速系统控制装置体积小, 效率高
7、, 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, 经过快速检测电流实现PWM控制的变频技术, 经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
8、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, 本论文经过对变频器的研究, 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。1.2 本次设计方案简介1.2.1 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
9、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,因此不能高速运行。2.交-直-交型变频器: 交-直-交变频器是先把工频交流经过整流器变成直流, 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-交变频器是当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
10、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, 因此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-交型变频器是当前广泛应用的通用变频器, 因此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
11、变频器能够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能够实现负载的四象限运行的优点, 可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。1.2.2 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。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, 因此采用三相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。
12、它能够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, 因此采用电容滤波, 中间的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。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。1.2.3 选用电动机原始参数在这
13、次设计中, 采用中等容量的电动机, 具体数据如下: 额定功率Pe=3KW, 额定电压Ue=380V; 额定电流Ie=6.1A, 转速ne=2880/min; Y接法, fe=50Hz.2交流异步电动机变频调速原理及方法2.1 异步电机变频调速原理交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计, 中国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上, 因此了解异步电动机的调速原理十分重要。交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计, 中国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上, 因此了解异步电动机的调速原理十分重要。交流调速是经过改变电定子绕组的供电的频率来达到
14、调速的目的的, 但定子绕组上接入三相交流电时, 定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场, 它与转子绕组产生感应电动势, 出现感应电流, 此电流与旋转磁场相互作用, 产生电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速, 用表示: ( 2-7) 式中: 为三相交流电源频率, 一般是50Hz; 为磁极对数。当=1是, =3000rmin; =2时, =1500rmin。由上式可知磁极对数越多, 转速就越慢, 转子的实际转速比磁场的同步转速要慢一点, 因此称为异步电动机, 这个差别用转差率表示: ( 2-8) 在加上电源转子尚未转动瞬间, =0, 这时=1; 启动后的极端情况=, 则=0, 即
15、在01之间变化, 一般异步电动机在额定负载下的 =1%6%。综合( 2-7) 和( 2-8) 式能够得出: ( 2-9) 由式( 2-9) 能够看出, 对于成品电机, 其极对数已经确定, 转差率的变化不大, 则电机的转速与电源频率成正比, 因此改变输入电源的频率就能够改变电机的同步转速, 进而达到异步电机调速的目的。2.2 变频调速的控制方式及选定2.2.1 比恒定控制比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值, 以维护电机磁通基本恒定, 从而在较宽的调速范围内, 使电动机的效率、 功率因数不下降。控制是当前通用变频器中广泛采用的控制方式。三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态, 从而使铁心材料得到充分的利用。在变频调速的过程中, 当电动机电源的频率发生变化时, 电动机的阻抗将随之变化, 从而引起励磁电流的
