【正文】 基于SPWM變頻調速系統(tǒng)的畢業(yè)設計目 錄摘 要 iAbstract ii1緒　論 1　變頻調速技術簡介 1 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 2 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀 2 變頻器技術的發(fā)展趨勢 2 研究的目的與意義 3 本次設計方案簡介 4 變頻器主電路方案的選定 4 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介 5 選用電動機原始參數(shù) 62交流異步電動機變頻調速原理 7 三相異步電機工作的基本原理 7 異步電機的等效電路 7 異步電動機的轉矩 8 異步電動機的機械特性 9 異步電機變頻調速原理 113變頻器主電路設計 12 主電路的工作原理 12 主電路各部分的設計 12 變頻器主電路設計的基本工作原理 13 主電路參數(shù)計算 16 IGBT及驅動模塊介紹 17 IGBT簡介及驅動要求 17 EXB840的內(nèi)部結構 19 采用EXB840的IGBT驅動電路 204控制回路設計 21 驅動電路設計 21 SPWM調制技術簡介 21 SPWM波生成芯片特點和引腳功能 23 保護電路 24 過、欠壓保護電路設計 24 過流保護設計 26 控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 275變頻器軟件設計 29 流程圖 29 SA4828的編程 29 初始化寄存器編程 29 控制寄存器編程 32 程序設計 336變頻器用MATLAB/SIMULINK仿真 42 MATLAB/SIMULINK簡介 42 基于SPWM變頻調速系統(tǒng)的仿真 43總結 48參 考 文 獻 49致謝 50 2 1緒論 變頻調速技術簡介變頻調速技術是一種以改變交流電動機的供電頻率來達到交流電動機調速目的的技術。大家都知道，目前，無論哪種機械調速，都是通過電機來實現(xiàn)的。從大的范圍來分，電機有直流電機和交流電機。由于直流機調速容易實現(xiàn)，性能好，因此過去生產(chǎn)機械的調速多用直流電動機。但直流機固有的缺點：由于采用直流電源，它的滑環(huán)和碳刷要經(jīng)常拆換，故費時費工，成本高，給人們帶來太大的麻煩。因此人們希望，讓簡單可靠廉價的籠式交流電機也像直流電動機那樣調速。這樣就出現(xiàn)了定子調速、變極調速、滑差調速、轉子串電阻調速、串極調速等交流調速方式。當然也出現(xiàn)了滑差電機、繞線式電機、同步式交流電機。隨著電力電子技術、微電子技術和信息技術的發(fā)展，出現(xiàn)了變頻調速技術，它一出現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機調速方式，乃至直流電機調速，而成為電氣傳動的中樞[1]。變頻調速被認為是一種理想的交流調速方法。但如何得到一個單獨向異步電動機供電的經(jīng)濟可靠的變頻電源，一直是交流變頻調速的主要課題。20世紀60年代中期，隨著普通的晶閘管、小功率管的實用化，出現(xiàn)了靜止變頻裝置，它是將三相的工頻電源經(jīng)變換后，得到頻率可調的交流電。這個時期的變頻裝置，多為分立元件，它體積大、造價高，大多是為特定的控制對象而研制的，容量普遍偏小，控制方式也很不完善，調速后電動機的靜、動態(tài)性能還有待提高，特別是低速的性能不理想，因此僅用于紡織、磨床等特定場合。所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT)將50Hz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻(又稱交交變頻)，即把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的交流調速中。間接變頻(又稱交直交變頻)，即先將市電整流成直流，再變換為要求頻率的交流。它又分為諧振變頻和方波變頻。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅等寬和SPWM變頻。常用的方法有正弦波(調制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。 本設計所設計的題目屬于間接變頻調速技術。它主要包括整流部分、逆變部分、控制部分及保護部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相SPWM逆變方式。 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀進入90年代，通用變頻器以其優(yōu)異的控制性能，在調速領域獨樹一幟，并在工業(yè)領域及家電產(chǎn)品中得到迅速推廣。此外，變頻技術和變頻器制造己經(jīng)從一般意義的拖動技術中分離出來，成為世界各國在工業(yè)自動化和機電一體化領域中爭強占先的陣地，各發(fā)達國家更是在該技術領域注入了極大的人力、物力、財力，使之目前己經(jīng)進入了高新技術行業(yè)。就變頻技術而言，目前日本、美國及法國、荷蘭、丹麥等國家可以說是齊頭并進，不分伯仲。在這一領域的研制、生產(chǎn)方面，220KW功率以上的變頻器基本被歐、美等國家壟斷，如德國的西門子(SIEMEN)、丹佛斯( DANFOSS)，、歐洲的ABB等。中小容量的變頻器85%為日本產(chǎn)品和臺灣產(chǎn)品所占領，如富士(FUJI),三墾( SAMCO )、東芝(TOSHIBA)、松下(PANASONIC)、三菱( MITSUBISHI)、安川以及臺灣的臺達。由于這些國家、地區(qū)的工業(yè)基礎好、制造業(yè)發(fā)達、開發(fā)生產(chǎn)能力強，所以他們生產(chǎn)的變頻器適應范圍廣，生產(chǎn)己經(jīng)初具規(guī)模變頻器應用普及率在85%以上。我國的變頻器深圳華為電氣(現(xiàn)己經(jīng)改名安圣電氣)、伴靈電氣、成都森蘭、大連普傳科技都是變頻器研究、開發(fā)、生產(chǎn)的高新技術企業(yè)，擁有雄厚的技術實力，相信不久的將來可以取代國外品牌，創(chuàng)建我們自己的國產(chǎn)名牌。 變頻器技術的發(fā)展趨勢在進入21世紀的今天，電力電子器件的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅）,使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優(yōu)點；并制造出體積小、容量大的驅動裝置；永久磁鐵電動機也正在開發(fā)研制之中。隨著IT技術的迅速普及，以及人類思維理念的改變，變頻器相關技術的發(fā)展迅速，未來主要朝以下幾個方面發(fā)展[2]：智能化的變頻器買來就可以用，不必進行那么多的設定，而且可以進行故障自診斷、遙控診斷以及部件自動置換，從而保證變頻器的長壽命。利用互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)多臺變頻器聯(lián)動，甚至是以工廠為單位的變頻器綜合管理控制系統(tǒng)。變頻器的制造專門化，可以使變頻器在某一領域的性能更強，如風機、水泵用變頻器、電梯專用變頻器、起重機械專用變頻器、張力控制專用變頻器等。除此以外，變頻器有與電動機一體化的趨勢，使變頻器成為電動機的一部分，可以使體積更小，控制更方便。保護環(huán)境，制造“綠色”產(chǎn)品是人類的新理念。21世紀的電力拖動裝置應著重考慮：節(jié)能，變頻器能量轉換過程的低公害，使變頻器在使用過程中的噪聲、電源諧波對電網(wǎng)的污染等問題減少到最小程度。現(xiàn)在以太陽能和風力為能源的燃料電池以其低廉的價格嶄露頭角，有后來居上之勢。這些發(fā)電設備的最大特點是容量小而分散，將來的變頻器就要適應這樣的新能源，既要高效，又要低耗?，F(xiàn)在電力電子技術、微電子技術和現(xiàn)代控制技術以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調速傳動技術也隨之取得了日新月異的進步。這種進步集中體現(xiàn)在交流調速裝置的大容量化，變頻器的高性能化和多功能化，結構的小型化一些方面。 研究的目的與意義隨著交流傳動電動機調速的理論問題的突破和調速裝置(主要指變頻器)性能的完善，交流電動機調速系統(tǒng)的性能差的缺點已經(jīng)得到了克服，目前，交流調速系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以和直流系統(tǒng)相媲美，甚至可以超過直流系統(tǒng)。由于交流調速不斷顯示其本身的優(yōu)越性和巨大的社會效益，使變頻器具有越來越旺盛的生命力。各種性能優(yōu)越的新型電力半導體器件的出現(xiàn)，如既能控制導通又能控制關斷的門極可關斷晶閘管GTO；具有良好功率轉換效率和適于在高頻大功率情況下工作的MOSFET；既有MOS管柵極驅動電壓功率小和驅動線路簡單，又有雙極性功率晶體管導通飽和壓降小優(yōu)點的絕緣柵雙極性大功率管IGBT；以及內(nèi)部既有大功率開關器件，又有各種驅動電路和過壓、過流等保護電路的智能型功率模塊IPM等器件的應用，不僅使交流調速系統(tǒng)控制裝置體積小，效率高，而且還更容易實現(xiàn)各種功能復雜但在結構上簡單的控制方案，更加充實和推動了變頻器理論的進一步發(fā)展。能完成各種復雜信號和信息處理的集成芯片的出現(xiàn)，如能產(chǎn)生脈寬調制信號的專用集成電路以及各種單片機和計算機系統(tǒng)用的微處理器和接口芯片的大量問世，為高質量的控制創(chuàng)造了良好的條件。建立在電機統(tǒng)一理論和機電一體化理論基礎上的各種先進控制方案，通過快速檢測電流實現(xiàn)PWM控制的變頻技術，通過直接控制轉矩來快速控制轉速的轉速自調整技術，以及具有很強抗干擾能力的變結構控制系統(tǒng)等等，都極大地豐富了電機調速領域的內(nèi)容?？傊涣麟姍C調速技術的發(fā)展，特別是變頻器傳動本身固有的優(yōu)勢，必將使之應用于社會生產(chǎn)的各個領域，以體現(xiàn)出不同的功能，達到不同的目的，收到相應的效益。因此，本論文通過對變頻器的研究，對于交流變頻調速系統(tǒng)理論的應用，有著實際的意義和一定的應用價值。 本次設計方案簡介 變頻器主電路方案的選定變頻器最早的形式是用旋轉發(fā)電機組作為可變頻率電源，供給交流電動機。隨著電力半導體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。靜止式變頻器從變換環(huán)節(jié)分為兩大類：交直交變頻器和交交變頻器。：它的功能是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率可調電壓的交流電（轉換前后的相數(shù)相同），又稱直接式變頻器。由于中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉窯、軋鋼機等。但這種控制方式?jīng)Q定了最高輸出頻率只能達到電源頻率的1/3～1/2,所以不能高速運行。：交直交變頻器是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再直流變換成頻率電壓可調的交流，又稱間接變頻器，交直交變頻器是目前廣泛應用的通用變頻器。它根據(jù)直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種：（1）電流型變頻器電流型變頻器的特點是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器。（2）電壓型變頻器電壓型變頻器的特點是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當于電壓源，故稱電壓型變頻器。由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動機提供交流電功率，所以其主要優(yōu)點是運行幾乎不受負載的功率因數(shù)或換流的影響，它主要適用于中、小容量的交流傳動系統(tǒng)。與之相比，電流型變頻器施加于負載上的電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源，它主要應用在大容量的電機傳動系統(tǒng)以及大容量風機、泵類節(jié)能調速中。由于交直交型變頻器是目前廣泛應用的通用變頻器，所以本次設計中選用此種間接變頻器，在交直交變頻器的設計中，雖然電流型變頻器可以彌補電壓型變頻器在再生制動時必須加入附加電阻的缺點，并有著無須附加任何設備即可以實現(xiàn)負載的四象限運行的優(yōu)點，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點，在本次設計中采用電壓型變頻器。 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介本文設計的交直交變頻器由以下幾部分組成。 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)各組成部分簡介：供電電源：電源部分因變頻器輸出功率的大小不同而異，小功率的多用單相220V，中大功率的采用三相380V電源。因為本設計中采用中等容量的電動機，所以采用三相380V電源。整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動的直流電，必須加以濾波。在本設計中采用三相不可控整流。它可以使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近1。濾波電路：因在本設計中采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的電容除了起濾波作用外，還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾。逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。在設計中采用三相橋逆變，開關器件選用全控型開關管IGBT。電流電壓檢測：一般在中間直流端采集信號，作為過壓，欠壓，過流保護信號。控制電路：采用8051單片機和SPWM波生成芯片SA4828，控制電路的主要功能是接受各種設定信息和指令，根據(jù)這些指令和設定信息形成驅動逆變器工作的信號。這些信號經(jīng)過光電隔離后去驅動開關管的關斷。 選用電動機原始參數(shù)在這次設計中，采用中等容量的電動機，具體數(shù)據(jù)如下：額定功率：；額定電壓：；額定電流：；額定轉速：；效 率：；功率因數(shù)：cosφ=；過載系數(shù)：λ=；電壓波動：177。10%；極 對 數(shù)：P=2。2交流異步電動機變頻調速原理 三相異步電機工作的基本原理 異步電機的等效電路異步電動機的轉子能量是通過電磁感應而得來的。定子和轉子之間在電路上沒有任何聯(lián)系，[3]。、轉子圖：——定子的相電壓；——定子的相電流； ——定子每相繞組的電阻和漏抗；、分別是轉子電路產(chǎn)生的電動勢、電流、漏電抗；——每相定子繞組反電動勢，它是定子繞組切割旋轉磁場而產(chǎn)生的。其有效值可計算如下： （21）式中: 　　　　　　　—氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值；—定子頻率；—定子每相繞組中串聯(lián)匝數(shù)；—基波繞組系數(shù)；—極氣隙磁通。由電動機的基礎知識可知：轉子回路的頻率 ，與轉差率成正比，所以轉子回路中的各電量也都與轉差率成正比。為了方便定量分析定、轉子之間的各種數(shù)量關系，應將定子、轉子放在一個電路中。由于定子、轉子回路的頻率、繞組、匝數(shù)不同，故必須進行折算。根據(jù)電機學原理，在下列假定條件下：，各繞組的自感和互感都是線性的；；?？梢缘玫诫妱訖C的T形等效電路圖，由于交流異步電動機三相對稱，所以現(xiàn)只取A相進行計算分