【正文】 (22)式中—定子每相由氣隙磁通感應的電動勢的方均根值(V)；—定子頻率(Hz)； —定子相繞組有效匝數(shù)； —每極磁通量(Wb)。改變一步電動機的供電頻率，可以改變其同步轉速，實現(xiàn)調速運行。而對于負載而言，電壓型變頻器相當于一個電壓源，電壓控制相應慢，可以同時帶多臺電機運行。 圖22 電流型逆變器拓撲結構 電壓型變頻器 電壓源型變頻器主電路的中間環(huán)節(jié)主要采用大電容進行儲能、濾波。由于軟件的靈活性，數(shù)字控制方式?？梢酝瓿赡M控制方式難以完成的功能。其主要任務是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。最常見的結構形式是利用六個半導體主開關器件組成的三相橋式逆變電路。這種結構主要包括整流環(huán)節(jié)、中間環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)。第2章 通用變頻器的結構及工作原理 通用變頻器的基本結構變頻器分為交交和交直交兩種形式。 論文的主要工作本文主要研究如下主要內容：1. 闡述了變頻調速的基本原理?，F(xiàn)在各種高性能變頻器都是國內外研究的熱點。為尋求運行可靠、結構簡單、價格低廉、便于為何等優(yōu)點的控制技術，20世界30年代開始，人們就致力于交流調速技術的研究。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)很快的轉矩響應速度和很高的速度、轉矩控制精度。第三階段：直接轉矩控制。第二階段：矢量控制，也稱磁場定向控制。2. 引入頻率補償控制，以消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差 。具體來說，其控制曲線會隨著負載的變化而變化；轉矩響應慢，電磁轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降、穩(wěn)定性變差等。電動機作為主要的動力設備而廣泛的應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技及社會生活等個個方面，電動機負荷約占總發(fā)電量的70%，成為用電量最多的電氣設備，電動機的調速性能如何對提高產(chǎn)品質量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。從上式可以看出電機轉速與供電頻率、電機磁極極對數(shù)和電機轉速轉差率有關，可以通過如下三種方法實現(xiàn)調節(jié)：改變供電頻率，變換電動機磁極極對數(shù)，此外還可以通過調整實際轉速與同步轉速差值與同步轉速比值即電機轉速轉差率。隨著交流電動機調速的隨著交流調速的理論問題的突破和調速裝置（主要是變頻器）性能的完善，交流電動機調速性能差的缺點已經(jīng)得到了克服。直流電動機雖然有調速性能好的優(yōu)越，但也有一些難于克服的缺點，主要是機械式換向器帶來的弊端。 Asynchronous machine。在對通用變頻器的幾種控制算法進行分析的基礎上，在MATLAB/Simulink軟真環(huán)境下，建立了通用變頻器的電路仿真模型。恒壓頻比控制是通用變頻器中應用最為廣泛的控制方式之一。本文在總結國內外研究成果的基礎上，以TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812型DSP作為核心，設計了通用變頻器，并進行了恒壓頻比控制算法的設計。在此基礎上，應用恒壓頻比的控制算法實現(xiàn)了通用變頻器電路仿真。 Simulink。其主要缺點是：，事故率高；、電壓、電流和轉速上限值，均受到換向條件的制約，在一些大容量、特大容量的調速領域中無法應用；，特別是在易燃易爆場合難于應用。工業(yè)應用最廣的電機為交流電機，交流電機應用范圍之廣主要因為其擁有其他電機不可比擬的優(yōu)勢，其主要特點是價格低廉便于維修等。通過以上方法完全可以完成轉速變換。本文針對工業(yè)中應用最多的異步電機變頻調速進行研究具有重大意義，主要體現(xiàn)在如下3個方面：。采用優(yōu)化的控制算法，可以保證電壓利用率，減少諧波成分及開關損耗，提高電能利用率，達到節(jié)能環(huán)保的要求。對變頻器 V /f 控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個階段[3]。3. 基于電機的穩(wěn)態(tài)模型，用直流電流信號重建相電流,由此估算出磁鏈幅值，并通過反饋控制來消除低速時定子電阻對性能的影響。矢量控制的基本點是控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉矩和磁場兩個分量，經(jīng)過坐標變換實現(xiàn)正交或解耦控制。直接轉矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制。20世紀60年代以前，直流調速一直以控制能力強、可靠性高、噪聲低、控制電路簡單等一系列優(yōu)良的性能在傳動領域中占據(jù)著主導地位[4]。知道70年以來，隨著新型自關斷器件、智能功率模塊的出現(xiàn)，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，新的控制策略的不斷涌現(xiàn)，交流調速以顯著的調速性能正在逐步取代直流調速的地位，已經(jīng)成為電氣傳動領域發(fā)展的主流方向。國外由于技術起步早，并具有相當大的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，各大品牌的變頻器生產(chǎn)商，均形成了系列化產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已經(jīng)實現(xiàn)全數(shù)字化。2. 變頻器控制系統(tǒng)的控制策略及功能實現(xiàn)。交交變頻器可將工頻交流直接變換成頻率、電壓均可控的交流，又稱為直接式變頻器。其中間直流環(huán)節(jié)是儲能元件，用于負載和直流電源之間的無功功率交換，根據(jù)此儲能元件是電容還是電感，將變頻器分為電壓型和電流型兩大類。有規(guī)律的控制逆變器中主開關器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或者電抗器）來緩沖?？刂品椒梢圆捎媚M控制或數(shù)字控制。圖21 變頻器基本結構當交－直－交變煩器的中間環(huán)節(jié)用大電感作為儲能和濾波時，直流電流波形比較平直，電源內阻較大，對負載來說相當于是恒流源，其拓撲結構如圖22所示。其直流電壓波形比較平直，理想狀態(tài)下電源內阻為零，對負載而言是恒壓源，其拓撲結構如圖23所示，其電壓無法迅速反向。本文所研究與實現(xiàn)的通用變頻器是電壓源型變頻器。對異步電動機進行調速控制時，希望電動機的主磁通保持額定值不變。由上式可見，是由和共同決定的，對和進行適當?shù)目刂?，就可以使氣隙磁通保持額定值不變。如圖24所示。當頻率較低時，和都變小，定子漏阻抗壓降（主要是定子電阻壓降）不能再忽略。通用變頻器中與之間的函數(shù)關系有很多種，可以根據(jù)負載性質和運行狀況加以選擇。如圖26所示。圖27 異步電動機變頻調速機械特性 本章小結本章介紹了變頻器的常用拓撲結構、分類，分析了他們各自的特定及應用場合。1. 調速范圍調速范圍是衡量系統(tǒng)變速能力的指標。變頻器的調速精度計算方法與傳統(tǒng)調速系統(tǒng)不同，計算式如下： (31)調速精度與調速系統(tǒng)的結構密切相關，一般而言，調速系統(tǒng)采用閉環(huán)控制后，調速精度可比開環(huán)控制提高10倍左右。速度響應是調速系統(tǒng)在負載慣量與電動機慣量相等的情況下，電機可以完全跟蹤給定變化的最大指令變化率。5. 調速效率調速效率是衡量調速系統(tǒng)經(jīng)濟性能的技術指標，它以調速系統(tǒng)的輸出功率與輸入功率之比進行標示，即 (32) 控制器的選型 TMS320F2812是美國得克薩斯州儀器公司(TI)最新推出的基于代碼兼容C28x內核的新型高性能32位定點數(shù)字信號處理器，它專門為數(shù)字控制設計，可實現(xiàn)高性能DSP與高精度模擬及閃存的完美結合。3. 片外可擴展高達1M的存儲內容，并有讀/寫信號選通時序可編程、編程等待狀態(tài)和3個獨立的片選信號。5. 多達56個獨立可編程服用的通路I/O引腳(GPIO)。圖32 系統(tǒng)硬件結構總圖 主電路設計控制系統(tǒng)主電路采用交—直—交拓撲結構，如圖33所示。光電耦合器因其良好的性能和抗干擾能力而被廣泛地應用于輸入和輸出信號的電氣隔離。且硬件電路較為簡單，因此在精度等要求比較高的情況下可以予以考慮。電阻分壓法檢測精度低，電壓互感器則只能測交流量，雖然霍爾電壓傳感器價格較高但檢測性能非常好。%，非線性度%，響應時間40μS。測量電阻選用精密電阻，根據(jù)需要的輸出電壓和公式確定阻值。圖35 輸出調理電路設HNV025A的輸入電壓有效值為U，經(jīng)過調理電路輸出到DSP的ADC端口的電壓為Ux，HNV025A等效為電流控制電流源的電流增益為β，傳感器達到最佳精度初級電阻R，次級測量電阻為，上移電壓為V，同相放大電路增益為α，則有： (33) 驅動電路的設計IGBT模塊的驅動信號需要15V電壓的，即=15V。其內部集成了相互獨立的3組半橋驅動電路，而且該芯片中的輸入控制邏輯電路還為同一橋臂的高端和低端提供了死區(qū)時間，以避免同一橋臂上的被驅動功率元件(IGBT)在開關轉換過度期間發(fā)生同時導通，同時導通時就相當于將+DC于DC連在了一起，就短路了。電容C20為高端輸出的供電電源的自舉電容。為蠻族系統(tǒng)要求，選用TI公司專為DSP供電而設計的電源芯片TPS73HD318，該芯片可以同時輸出兩路電壓，且輸出電壓可調。 電源監(jiān)控電路圖38為電源監(jiān)控電路，當24V、16V、5V中的摸一個電源工作不正常時，該電路后端的發(fā)光二極管就能通過閃爍或者亮暗來進行指示。圖39 IGBT溫度檢測電路 母線電流和轉矩檢測電路一旦母線電流過高，就有可能造成IGBT的永久性損壞，所以過流檢測盒和快速保護電路是必須的。DC另一側利用運放TSH221組成的反向輸入一階有源低通濾波器將采樣電壓信號放大與CPU輸出鋸齒波電壓相疊加并通過積分電路產(chǎn)生頻率隨母線電流變化的三角波信號，控制器通過檢測信號的頻率即可感知輸出轉矩的大小，從而保護了電機。2. 故障中斷服務程序故障中斷服務程序的功能是對系統(tǒng)運行情況進行檢測，當故障發(fā)生時進行診斷，并作出相應的處理措施。本文涉及的系統(tǒng)主要故障有過流故障、IGBT故障，一旦出現(xiàn)故障時，故障信號就會被傳送到CPU，判斷是否關斷PWM波輸出。各類變頻器輸出一般為可變電壓、可變頻率的形式。其控制方式主要有以下幾種：恒壓頻比控制方式、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制[6]。它將轉速放大器的輸出轉換成轉差頻率的電流指令，在各自的控制環(huán)節(jié)中變成變頻器頻率指令和異步電機定子端電壓指令。 空間矢量控制 SVPWM 的基本原理空間矢量 PWM[7][8][9][10][11][12](SVPWM，也稱磁通正弦PWM)，是從電機的角度出發(fā)，著眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形旋轉磁場。 一共有8種開關狀態(tài)，對應8種開關電壓矢量，如圖41所示，6個非零矢量將空間分成六個區(qū)域，另外兩個矢量為零矢量(111) 、 (000)。設在一個PWM中斷周期T4內，V4，V6作用的時間分別為T4和T6，兩個零矢量作用的時間分別為T0和T7則有 (42) (43)式(43)中，零矢量V0=V7=0。開關矢量的作用時間分配圖如圖43所示。每進一次PWM 中斷，就增加一個角度來改變系統(tǒng)的空間電壓矢量，這個增加的角度稱之為一個步長，步長大小由載波比N來確定，當大2π時，系統(tǒng)將之清零。輸出就數(shù)據(jù)格式也為Q15，右移15位就得到實際的正弦函數(shù)值。它與矢量控制技術并行發(fā)展但又有所不同，避免了矢量控制中二次坐標變換及求模和相角的復雜計算，直接在靜止坐標系（定子坐標系）上借助三相定子電壓和電流計算電機的轉矩和勵磁，并與給定轉矩和勵磁相比較，通過對轉矩的BangBang 控制，使轉矩相應在一拍內完成且無超調。20 世紀80 年代中期。它的控制思想新穎，控制結構簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。對轉子速度估計的方法有很多，常用的有卡爾曼濾波器位置估計法、模型參考自適應法、磁鏈位置估計法、狀態(tài)觀測器位置估計法和檢測電機相電感變化法等。因此，如果能夠對定子電阻進行在線辨識，就可以從根本上消除定子電阻變化帶來的影響。電壓矢量，才能有可能使轉矩和磁鏈的調節(jié)過程達到比較理想的狀態(tài)。死區(qū)效應的校正，可由補償電路檢測并記錄死區(qū)時間，進行補償。直接轉矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標系下，以空間矢量概念，通過檢測到的定子電壓、電流，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的磁鏈和轉矩，獲得轉矩的高動態(tài)性能。目前被應用于通用變頻器的控制方法是一種改進的、適合于高開關頻率逆變器的方法。%，速度響應100Hz、電流響應800Hz和轉矩控制精度177。表41 各控制策略比較恒壓頻比控制轉差率控制矢量控制直接控制動態(tài)性能較差510r/s達1000r/s達1000r/s系統(tǒng)結構簡單,成本低簡單價格適中復雜，成本高負載成本高應用范圍通用性好與電機特性有關與電機特性有關與電機特性有關調速精度隨負載大小而定精度較高，受速度檢測影響模擬:%數(shù)字:%模擬:%數(shù)字:% 本章小結本章主要對電機的幾種控制方法進行了介紹，最后通過圖表比較出了幾種控制方法的不同差異。系統(tǒng)仿真通過設計出系統(tǒng)的可以計算的模型，并利用它在計算機上進行試驗以了解系統(tǒng)行為或評估系統(tǒng)運用的各種策略，并做定量分析。在我國，目前也正在大力推廣和普及，并已在交通運輸、軍事訓練、地區(qū)發(fā)展規(guī)劃、工業(yè)過程設計、人口問題研究等方面取得了豐碩的成果。本章通過仿真實驗，研究了異步電動機變頻調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性以及系統(tǒng)參數(shù)變化等因素對系統(tǒng)性能的影響，更證明了系統(tǒng)仿真的必要性和重要性，為新的實驗設備的進一步開發(fā)和利用奠定了堅實的基礎。Simulink是基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，它不僅可以用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進行建模、分析和仿真，而且還提供了豐富的功能模塊以及不同的專業(yè)