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1、 .wd.单相异步电机变频调速器的设计姓 名: 陈焰 学 院: 工学院 专 业: 12级电气工程及其自动化 班 级: 电气3班 学 号: 12100515 日 期 2015年1月17日2015年1月23日 指导教师: 刘权、孙磊 安徽农业大学工学院电气工程系摘要近年来,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开展，交流变频调速技术还将会取得巨大进步。现在流行的异步电动机的调速方法可分为两种：变频调速和变压调速，其中异步电动机的变频调速应用较多，它的调速方法可分为两种：变频变压调速和矢量控制法，前者的控
2、制方法相对简单，有二十多年的开展经历。因此应用的比拟多，目前市场上出售的变频器多数都是采用这种控制方法。本文对变频调速理论，逆变技术，SPWM产生原理进展了研究，在此根基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，电路构造比拟简单。一、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到达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
3、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，本钱高，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开展，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
4、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开展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步，开场出现了通用变频器。它功能丰富，可以适用于不同的
5、负载和场合，特别是进入20世纪90年代，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(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
6、-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)比拟的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。它主要包括整流局部、逆变局部、控制局部及保护局部等。逆变环节为三相SPWM逆变方式。 1.2 变频器的开展现状和趋势1.2.1 变频器的开展现状进入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别离出
7、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，各兴旺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 根本被欧、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( MITSUBISHI)、安川以及台湾
8、的台达。由于这些国家、地区的工业根基好、制造业兴旺、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，创立我们自己的国产名牌。1.2.2 变频器技术的开展趋势在进入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
9、理念的改变，变频器相关技术的开展迅速，未来主要朝以下几个方面开展2：1.网络智能化智能化的变频器买来就可以用，不必进展那么多的设定，而且可以进展故障自诊断、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，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一局部，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
10、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开展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。这种进步集中表达在交流调速装置的大容量化，变频器的高性能化和多功能化，构造的小型化一些方面。1.3 研究的目的与意义在工业开展的初级阶段，人们主要使用集中传动。作为动力的鼠笼电动机，是不需
11、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，开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。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抑制，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
12、，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构造上简单的控制方案，更加充实和推动了变频器理论的进一步开展。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
13、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。建设在电机统一理论和机电一体化理论根基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构造控制系统等等，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开展，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，以表达出不同的功能，到达不同的目的，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 系统
14、原理框图及各局部简介本文设计的变频器由以下几局部组成，如图1.1所示。市电整流滤波三相桥参考波形设定滤波异步交流电机PWM控制系统各组成局部简介：供电电源：电源局部因变频器输出功率的大小不同而异。因为本设计中采用市电，即220V电源。整流电路：整流局部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。三相逆变电路：逆变局部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。PWM控制：调制脉冲宽度，控制我们所需要的频率。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，中间的电容除了起滤波作用外，还
15、在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。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承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。2交流异步电动机变频调速原理及方法2.1 三相异步电机工作的 根本原理2.1.1 异步电机的等效电路异步电动机的转子能量是通过电磁感应而得来的。定子和转子之间在电路上没有任何联系，其电路可用图2.1来表示3。图2.1异步电动机的定、转子图图2.1中：定子的相电压；定子的相电流；定子每相绕组的电阻和漏抗；、分别是转子电路产生的电动势、电流、漏电抗；每相定子绕组反电动势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的。其有效值可计算如下： 2-1式中:气隙磁通在定
