【正文】 與質(zhì)量還不能滿足市場需要，每年大量進(jìn)口。國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下 : (1) 變頻器的整機(jī)技術(shù)落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。 (2) 變頻器產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。 (3) 相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。 (4) 產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)、弱電混合，機(jī)電一體化的綜合性技術(shù)。它分為功率級和控制級兩大部分。功率級部分是解決高電壓、大電流方面的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題 ?？刂萍壊糠质且鉀Q數(shù)字化控制的硬、軟件開發(fā)問題。鑒于這兩方面，未來變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下幾點(diǎn)： （ 1） 各種控制方法的深入研究和實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步提高變頻調(diào)速性能。當(dāng)前高水平的控制策略有：基于電動機(jī)和機(jī)械模型的有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和機(jī) 械扭振補(bǔ)償?shù)??；诂F(xiàn)代理論 的有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微奈奎斯特陣列設(shè)計方法等；基于自能控制思想上網(wǎng)模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò) 、專家系統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術(shù)等。這些已有技術(shù)將逐步推廣應(yīng)用，同時新的控制技術(shù)將不斷涌現(xiàn)。 （ 2） 進(jìn)一步提高變頻器的功率因素，降低網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的諧波，以減少對電網(wǎng)的污染和電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。對中、小容量變頻器，主要采取提高開關(guān)頻率的 PWM 控制；對大容量變頻器，主要采取在常規(guī)的開關(guān)頻率下，改變主電路結(jié)構(gòu)和控制方式這兩條途徑。 （ 3） 進(jìn)一步增加器件的集成度，縮小變頻裝置整體的尺寸 ，更加提高系統(tǒng)可靠性。今后變頻器中的功率器件和控制元件將具有 更高的集成度，入智能化的功率模塊、高頻率的開關(guān)電源以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。與之配套的功率器件冷卻方式的改變（如冷水、蒸發(fā)冷卻和熱管），也有利于整機(jī)體積的減小。 （ 4） 以 32位高微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制模塊有足夠的能力實(shí)現(xiàn)各種控制算法， Windows 控制系統(tǒng)的引入使得自由設(shè)計成為可能，圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。 有關(guān)資料表明，采用變頻調(diào)速技術(shù)確實(shí)能夠取得非常明顯的節(jié)能、增產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量的效果，節(jié)電率一般在 10%~30%，有的高達(dá) 40%，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點(diǎn)也得到解決。變頻調(diào)速作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用到各個領(lǐng)域部門，滲透到經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域所有技術(shù)部門中，我國現(xiàn)在正大力發(fā)展和推廣變頻調(diào)速技術(shù)，努力縮小和世界先進(jìn)水平的差距，使之向規(guī)?；⒆灾骰?、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。 變頻調(diào)速的主要類型 目前，應(yīng)用較為廣泛的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要有以下幾種： 所謂轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速就是采用開環(huán)、恒壓頻比，并且?guī)У皖l電壓補(bǔ)償?shù)目刂品绞?。該控制系統(tǒng)成本低及其結(jié)構(gòu)簡單，所以多用于風(fēng)機(jī)等的節(jié)能調(diào)速上面。 PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng) 利用電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，在轉(zhuǎn)差率 S 很小的范圍內(nèi)，當(dāng)磁通 Φ 不變時，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差角頻率成正比的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的較高性能調(diào)速，但其動態(tài)性能不夠。 、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制的電流滯環(huán)型 PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng) 應(yīng)用矢量控制理論，對轉(zhuǎn)速、磁鏈進(jìn)行分別控制，采用了滯環(huán)電流跟蹤型PWM 逆變器，所以其動態(tài)性能很好，還配有精確的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器，則系統(tǒng)都達(dá)到與直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。 設(shè)計本課題的總思路 本文對于逆變器供電的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并設(shè)計了一 種以 MCS51系列單片機(jī)為基礎(chǔ)生成的 SPWM 來控制逆變器的控制系統(tǒng)。首先，在逆變器供電的交流調(diào)速系統(tǒng)中，電動機(jī)的運(yùn)行條件發(fā)生了很大變化，針對逆變器供電的特點(diǎn)給出了變頻調(diào)速異步電動機(jī)的選擇方法。其次，對于新型器件的應(yīng)用做了說明，根據(jù)新型功率器件的特點(diǎn)和應(yīng)用要求，設(shè)計出了逆變器的驅(qū)動電路和保護(hù)電路，使得新型功率器件的應(yīng)用更加安全。最后，為適應(yīng)變頻調(diào)速電機(jī)的要求，設(shè)計了一套基于單片機(jī)生成的 SPWM 控制逆變器來控制電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，對于硬件電路部分和實(shí)現(xiàn)控制策略的軟件部分進(jìn)行設(shè)計。 設(shè)計任務(wù)及要求 本課題 主要是研究電壓型三相交流 SPWM 變頻技術(shù)的基本原理、實(shí)現(xiàn)方法及軟硬件設(shè)計，完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。要求完成任務(wù)主要有： 變頻器及其工作原理 變頻調(diào)速基本原理 控制方案確定 軟件與硬件設(shè)計 第 二 章 異步電動機(jī)變頻調(diào)速 變頻器 變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交 — 直 — 交方式（ VVVF 變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源 以供給電動機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制 4 個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 變頻器的選型 變頻器選型時要確定以下幾點(diǎn)： (1)采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。 (2)變頻器的負(fù)載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時的方式方法。 (3)變頻器與負(fù)載的匹配問題； ① 電壓匹配；變頻器的額定電壓與負(fù)載的額定電壓相符。 ② 電流匹 配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機(jī)的額定電流相符。對于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機(jī)性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。 ③ 轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時有可能發(fā)生。 (4)在使用變頻器驅(qū)動高速電機(jī)時，由于高速電機(jī)的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型 。 (5)變頻器如果要長電纜運(yùn)行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安 裝輸出電抗器。 (6)對于一些特殊的應(yīng)用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容， 變頻器容量要放大一擋。 變頻器的工作原理 變頻器是一種將電網(wǎng)電源整流后再逆變成頻率、電壓可變的交流電，供三相交流電動機(jī)專用的。電源裝置變頻調(diào)速的主裝置的主回路由充電接觸器、進(jìn)線電抗器、充電電容、平波電容絹和 6組 SKIIP模塊組成。而 6個 SKIIP模塊組成二組 ,三相橋式交流電路，其中一組為變頻器輸出逆變器；另一組為 向 發(fā)電電網(wǎng)反饋的逆變橋。在變頻調(diào)速時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩 Tmax =Cm (u／ f)2 式中： Cm電 動機(jī)常數(shù)；u電源電壓； f電源頻率。如果在改變 f的同時同步改變電源電壓 u即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩T不變的調(diào)速性能其原理圖如圖 。 圖 變頻器原理圖 首先是將單相或三相交流電流電源通過整流器并經(jīng)電容濾波后形成幅值基本穩(wěn)定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調(diào)制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時實(shí)現(xiàn)輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調(diào)速對 U /f的協(xié)調(diào)控制要求。 變頻調(diào)速基本原 理 變頻調(diào)速的工作原理 p—— 磁極對數(shù) 異步電動機(jī)是依靠旋轉(zhuǎn)磁場的作用而轉(zhuǎn)動的，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場理論，有下列關(guān)系n1 = 60f / p 式中 n1—— 定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，也叫異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速（ r / min）； f—— 電源頻率（ Hz）； p—— 電動機(jī)的磁極對數(shù)。 異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速 n 之差與同步轉(zhuǎn)速之比，叫異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，以 s 表示 s = (n1 – n) / n1 = 1 – n / n1 n1s = n1 – n n = n1(1s) n = (1s) 60f / p 由電機(jī)學(xué)理論可知，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為 n=60f/p，式中 f— 電源頻率； p— 磁極對數(shù)；當(dāng) P 為定值時， n 與 f 成正比。如果連續(xù)地改變供電電源的頻率就可以調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速的工作原理。而變頻調(diào)速的關(guān)鍵設(shè)備就是變頻器它決定整個調(diào)速系統(tǒng)的性能。 但是，為了保持在調(diào)速時電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電機(jī)的磁通量恒定，因此定子的供電電壓也要作相應(yīng)調(diào)節(jié)。變頻器就是在調(diào)整頻率的同時還要調(diào)整電壓，故簡稱 VVVF（裝置）。 通過電工理論分析可知，轉(zhuǎn)矩與磁通量（最大值）成正比，在轉(zhuǎn)子參數(shù)值一定時，轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比。 目前使用較多的是“交 — 直 — 交”變頻，將 50Hz 交流整流為直流電 Ud，再由三相逆變器將直流逆變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流供給鼠籠電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。 頻率的下降會導(dǎo)致磁通的增加，造成磁路飽和，勵磁電流增加，功率因數(shù)下降， 鐵心和線圈過熱。 第 三 章 脈寬調(diào)制技術(shù) PWM 技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變?yōu)殡妷好}沖序列，通過控制電壓脈沖寬度和電壓脈沖序列的周期以達(dá)到變壓和變頻的目的。在變頻調(diào)速中，前者主要應(yīng)用于 PWM 斬波（ DC－ DC 變換），后者主要應(yīng)用于PWM 逆變（ DC－ AC 變換）。 PWM 脈寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號波（調(diào)制波）對三角載波進(jìn)行調(diào)制，以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的目的。相當(dāng)于基波分量的信號波（調(diào)制波）并不一定指正弦波，在 PWM 優(yōu)化模式控制中可以是預(yù)畸變的信號波，正弦信號波是一種最通常的調(diào)制信號，但決不是最優(yōu)信號。 采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。 PWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波 或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì) 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。 PWM 控制技術(shù) 以其控制簡單 ,靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為 電力電子技術(shù) 最廣泛應(yīng)用的控制方式 ,也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限 ,結(jié)合 現(xiàn)代控制理論 思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會 成為PWM 控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一 。到目前為止，已出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù)，根據(jù) PWM 控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有以下 幾 類方法。 相電壓控制 PWM 等脈寬 PWM 法 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用 PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓。等脈寬 PWM 法正是為了克服 PAM 法的這個缺點(diǎn)發(fā)展而來的，是 PWM 法中最為簡單的一種。它是把 每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為 PWM 波，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。 隨機(jī) PWM 其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲 (在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的 )，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。正因?yàn)槿绱?，即使?IGBT 已被廣泛應(yīng)用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機(jī) PWM 仍然有其特殊的價值；另一方面則說明了消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲 目地提高工作頻率，隨機(jī) PWM 技術(shù)正是提供了一個分析、解決這種問題的全新思路。 SPWM 法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的 PWM 法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。 SPWM 法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的 頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案。 ⒈ 等面積法 ⒉ 硬件調(diào)制法 ⒊ 軟件生成法 ⒋ 低次諧波消去法 梯形波與三角波比較法 前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電壓的利用率，如 SPWM 法，其直流電壓利用率僅為 %。因此，為了提高直流電壓利用率，提出了一種新的方法 —— 梯形波與三角波比較法。該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以兩波的交點(diǎn)時刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn) PWM 控制。 由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時，其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，從而可以有效地提高直流電壓利用率。但由于梯形波本身含有低次諧波，所以輸出波形中含有 5 次、 7 次等低