基于单片机控制的交流调速系统(2)

图1-1三相异步电动机结构示意图

1—机座；2—定子铁心；3—定子绕组；

4—转子铁心；5—转子绕组;

变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图1所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型（见图1-2），俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与

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旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用n1表示

(1-1)

式中：f——三相交流电源频率，一般为50Hz。

p——磁极对数。

当p=1时，n1=3000r/min；p=2时，n1=1500r/min。可见磁极对数p

越多，转速n1越慢。

转子的实际转速n比磁场的同步转速n1要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表示：

（1-2）

当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=n1，则s=0，即s在0～1之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（1～6）％。

综合式（1-1）和式（1-2）可以得出

图1-2笼型电动机的转子绕组

1—铜环 2—铜条

由式（1-3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。

但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率

（1-3）

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（Variable Frequency）的同时还要调整电压（Variable Voltage），故简称VVVF（装置）。通过电工理论分析可知，转矩与磁通量（最大值）成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。

变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为AC－DC－AC（交－直－交）变频方式。 利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于水泵，风机等设备是很适用的。

我国应用的变频器，国外产品以日本富士、三菱牌号较多，台湾普传

产品也不少，国内有西普（西安）、艾伦（上海）、华为（深圳）、艾普斯（天津）等厂家的产品均在推广应用。

1.2 交流调速的分类

1.2. 1 全数字化控制系统

随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活这中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。

单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。例如由Intel公司1983年开发生产的MCS-96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。其高档型：8×196KB、8×196KC、8×196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。

由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。

扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此，DSP芯片在

介绍了基于单片机调速系统的设计

全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。如TI公司的MCS320F240等DSP芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。最近TI公司推出的MCS320F240X系列产品更将价格降低到了单片机的水平。

在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角

色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用.

1.2.2 PWM技术

PWM控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎

都是以各种PWM控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不下十几种，关于PWM控制技术的文章在很多著名的电力电力国际会议上，如PESC，IECON，EPE年会上已形成专题。尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。

1.2.3 高压大容量交流调速系统

在小功率交流调速方面，由于国外产品的规模效应，使得国内厂

家在价格上、工艺上和技术上均无法与之抗衡。而在高压大功率方面，国外公司又为我们留下了赶超的空间。首先，国外的电网电压等级一般为3000V，而我国的电网电压等级为6000V和10000V；其次，高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产，而国外的劳动力成本，特别是具有一定专业知识的劳动力成本较高。

目前，研究较多的大功率逆变电路有：（1）多电平电压型逆变器，

（2）变压器耦合的多脉冲逆变器，（3）交交变频器，（4）双馈交流变频调速系统。

1. 多电平电压型逆变器

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日本长冈科技大学的Anabas等人于1980年在IAS年会上首次提出三

电平逆变器，又称中点箝位式（NeutralPointClamped）逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。

多电平电压型逆变器与普通双电平逆变器相比具有以下优点：

（1）更适合大容量、高电压的场合。

（2）可产生M层梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小。

（3）电磁干扰（EMI）问题大大减轻，因为开关元件一次动作的dv/dt通常只有传统双电平的1/（M-1）。

（4）效率高，消除同样谐波，双电平采用PWM控制法开关频率高、损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作、开关频率低、损耗小，效率提高。

2. 变压器耦合的多脉冲逆变器

变压器耦合的多脉冲逆变器的三电平电路中，要获得更多电平只须将每相所串联的单元逆变桥数目同等增加即可。其优点为：

不存在电压均衡问题。无需箝位二极管或电容，适于调速控制； 模块化程度好，维修方便；

对相同电平数而言，所需器件数目最少；

无箝位二极管或电容的限制，可实现更多电平，上更高电压，实现更低谐波；

控制方法相对简单，可分别对每一级进行PWM控制，然后进行波形重组。

当然，这种结构的不足之处在于需要很多隔离的直流电源，应用受到一定限制。

3. 交交变频器

交交变频器采用晶闸管作为主功率器件，在轧机和矿井卷扬机 …… 此处隐藏：2790字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……