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1、SPWM变频调速系统摘要：变频调速是交流调速中的发展方向。变频调速也有多种方法，本 文对目前研究领域相当活跃的正弦波脉宽调制技术(SPWM)的变频调速作了一 定的研究，并进行了实践。异步电动机的调速原理是研究控制算法的基石， 因文首先介绍了异步电动机的调速特性，从而展开介绍SPWM变频调速的理论 基础包括变频调速控制思想的由来，控制方法的可行性。变频调速的控制算 法也有许多，本文对目前大部分通用变频器所采用的控制算法恒压频比 控制，给出了完整的硬件电路设计和软件程序流程设计。本文采用了 Intel80C196MC十六位单片机作为控制电路的CPU,采用该单片机的控制系统 是本设计的硬件核心部分。
2、因此本文先简单的介绍此单片机与该设计相关的 特性，继而介绍本系统的硬件设计和软件设计。关键词:变频器;恒压频比控制;正弦波脉宽调制:8OC196MC单片机。一绪论31.1研究的现状31.1.1 引言31.1.2变频调速发展的条件31.1.3变频器的发展方向错误！未定义书签。1.2论文研究的目的和意义31.3本文主要内容和结构安排错误！未定义书签。二 恒压频比控制的SPWM变频系统的分析42.1变频调速基本原理42.2变频调速控制方式分析42.3 SPWM逆变技术52.3.1静止式SPWM间接变压变频装置52.3.2 SPWM调制变频技术52.3.4双极性SPWM法72.4.SPWM控制信号的产
3、生方法9三变频调速系统的硬件实现 113.1变频调系统的整体硬件电路设计113.2主电路的设计113.2.1主电路硬件结构123.2.2三相电压型逆变电路123.3控制路的设计143.3.1控制器的选择143.3.2存储器扩展电路错误！未定义书签。3.3.3 80C196MC单片机的波形发生器143.3.4.1键盘显示电路153.3.5控制反馈检测电路163.4驱动和保护电路的设计173.4.1驱动芯片IR2110的介绍错误！未定义书签。3.4.2保护电路的设计错误！未定义书签。3.4.2.1过电压保护173.4.2.2电流检测电路18四主程序设计20五总结21参考文献22绪论本章作为引言，主
4、要介绍了变频调速控制技术的发展和现状，SPWM变 频技术的应用以及该课题的研究意义与价值，最后简要归纳了本课题的研究 任务并对文章安排做了简要介绍。1.1研究的现状1.1.1引言经过大约30多年的发展，交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的 主流。在电气调速领域内，可以相信在不久的将来交流调速将会完全取代直 流调速传动。现在要求性能较高的中、小容量的交流调速传动，主要使用电子式电力 变换器对交流电动机进行变频调速。除变频以外的另一些简单的调速方案， 如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，它们只有在特定场合有一 定的应用。1.1.2变频器的发展方向变频器(主要指通用变频器)从80年代到现
5、在己经开始商品化，应用的 领域也在不断的扩大，主要有以下几个方面：(1 )变频器容量不断扩大。变频器的容量主要和它的开关器件的容量 有直接影响，70年代中期，功率晶体管开始开发，到80年代采用功率晶体管 的SPWM变频器的投产，随着元件容量的提高，变频器的容量不断提高，目前 变频器的容量已经达到600KVA,400KVA以下的己经系列化。(2 )变频器结构的小型化。变频器主电路中功率电路的模块化、控制 电路采用大规模集成电路(LSI)和全数字化技术等一系列措施促进了变频电 源的小型化。(3 )变频器的多功能化和高性能化。电力电子器件和控制技术的不断 进步，使变频器向多功能化和高性能化的方向发展
6、，特别是微处理器的应用， 以其精练的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器的多功能化和高性能化提 供了可靠的保证。日益丰富的软件功能使通用变频器的适应性不断加强。1.2论文研究的目的和意义在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义, 电机调速性能的提咼可以大大提咼工农业生产设备的加工精度、工艺水平以 及工作效率，从而提高产品的质量和数量;对于风机、水泵负载，如果采用调 速的方法改变其流量，节电效率可达20%-60%。众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长 的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电机调速所垄断，这是和实 际中交流电机的广泛使用是一对存在的矛
7、盾，许多应用交流电机的设备为了 达到调节被控对象的目的，只能采用物理的方法，例如采用风门，阀门控制 流量等，这样浪费能源的问题就很突出，费用就大。而且在采用直流调速的 方面由于直流电机固有的缺点一换相器和电刷的存在，使得维修工作量大， 事故率高，电机的大容量使用受到限制，在易燃易爆的场合无法使用，因此 开发交流调速势在必行。二 恒压频比控制的SPWM变频系统的分析本章是整个课题研究的技术理论基础。主要分析了变频调速的基础知识, 逆变的基本原理以及SPWM正弦脉宽调制波形发生原理等相关理论。2.1变频调速基本原理异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为n = 60 f / n（2 -1）11p其
8、中n为同步转速（r/min）1f为定子频率，也就是电源频率（Hz）;1n为磁极对数。P异步电机的轴转速为n = n （1 一 s） = 60 f （1 一 s） / n（ 2 -2 ）11p其中S为异步电机的转差率，s = （n - n）/n1 1由上面的公式可以看出，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。2.2变频调速控制方式分析在基频（额定频率）以下调速时，由于E1的大小不易从外部加以控制，而定子绕组的阻抗压降（A U= I z，Z为定子绕组的阻抗压降，包括电阻和漏1 1 1磁电抗）在电压较高时可以忽略，所以可以认为电动势和电源相电压近似相等 即有Ule El，因此作为一种可行的方案是在电
9、源电压较高时用电源相电压U1 代替电动势E1，当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降所占比重加 大，不可以忽略，所以要人为的补偿，这是一种近似的恒磁通控制，这种控 制方式常用于恒转矩控制，如下图2-1.在基频以上调速时由于电压U,受额定电压的限制不能升，因此在频率 升高时，迫使主磁通变小，进入弱磁变频调速，属于近似恒功率控制，如图 2-1.但是用恒压频比代替恒电动势频率比的一个重要缺点是在速度降低时， 电动机的带载能力也同时下降转矩利用率下降，从图2-2的a,b可以看出a 图的临界转矩点随着速度的降低也减小，而b图则没有变化，然而要达到b 图的效果就要保持El/fl的比值为恒值而不仅是
10、保持Ul/fl比值为恒值了。基于上述原因，在变频调速的基本控制方式下，改变频率的同必须改变 电压，所以称之为VVVF(Variable voltage Variable Frequency)控制。1 n图2-1异步电机变频调速的控制特2.3 SPWM逆变技术2.3.1静止式SPWM间接变压变频装置SPWM间接变压变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过 逆变器将直流电变换成可控频率和幅值的交流电，故又称为交一直一交变压 变频装置。其系统原理框图如图2-3所示在这类装置中，用不控器件整流，而 逆变部分用SPWM变频器调压调频一次完成，整流器无需控制，简化了电路结 构;而且由于以全波整流
11、代替了相控整流，所以提高了输入端的功率因数，减 小了谐波对电网的影响。此外，因输出波形由方波改进为SPWM 波,减少了谐 波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损 耗和噪声。2.3.2 SPWM调制变频技术SPWM调制技术是PWM多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉 宽调制其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等份，然后把每 一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来 代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合, 这样，由n个等幅不等宽
12、的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。同 样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。如图2-4所示。设由整流器提供的直流恒值电压为Us,并设电机绕组中点与直流电压中 点相连，则SPWM脉冲序列波的幅值为u /2。令第i个矩形脉冲的宽度为5，si其中心点相位角为0 ,则根据面积相等的等效原则，可写成：i5iU r U2 m0-Hj 1 + 2 n sin ro td ro t = u oH11U0 m12 n_Hcos( 0 ) 一 cos k (0i 2 niH+ )2 n二2U sin兀sin 0(23)m2 n当n的数值较大时，近似的认为sin冗/(2n)二冗/(2n)
13、，于是(24)2冗U5 H mi nUs相比于其它各种变频变压调制方式，这样的脉冲系列可获得比常规六拍阶梯波更接近于正弦波的 输出电压波形，可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，因而转矩脉动 小。由于电网的功率因数接近于1,大大提高了系统的整体性能。一般的，SPWM 分单极性和双极性两种调制方式。图22 SPWM的输出波形2.3.3单极性SPWM法单极性SPWM法输出的每半个周期中，被调制成的脉冲电压只有一种极性, 正半周为十U和零，负半周为一 U和零，其调制波形如图2-5a）所示。曲线1是 正弦调制波um,其周期决定于所需要的调制比kf。曲线2是采用等腰三角波的载波uc,其周期决定于载波频
14、率，振幅不变，等于k 1时正弦调制波的振幅 u值每半周期内所有三角波的极性均相同，都是单极性。调制波和载波的交点，决定了 SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度, 所得的脉冲系列如图2-5a）中的uc所示.由图知，每半周期内的脉冲系列也是 单极性的。单极性调制的工作特点是:每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器 件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断的工作，另一个完全截至； 而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反。流经负载的便是正、负交替 的交变电流（如图25b）所示。uc图2-3a单极性SPWM调制图图2-3b单极性调制的工作特点图2.3.4双极性SPWM法上述的单极性SPWM逆变
15、器主电路每相只有一个开关器件反复通断。如果 让同一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和 “负”之间变化，就得到了双极性的SPWM波形。双极性SPWM法的调制波u-仍为正弦波，其周期决定于今，振幅决定于气, 如图2-4a）中的曲线1.曲线2载波uc为双极性的等腰三角形，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于k=l时正弦调制波振幅值。调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列 也是双极性的，如图2-4b）所示。但是，由相电压合成为线电压时，所得到的 线电压脉冲系列却是单极性的，如图2-4c）所示。双极性调制的工作特点是:逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总 是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息。而流过负载凡的 是按线电压规律变化的交变电流，如图2-4 d）所示。wtC)wtuIAB
