【文章內(nèi)容簡介】 調(diào)速領(lǐng)域主導(dǎo)地位的格局, 調(diào)速系統(tǒng)向著交流化、高頻化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展 [5]。交流調(diào)速系統(tǒng)一般包括以下幾部分的內(nèi)容: 異步電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)、異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)、繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)、同步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。目前變頻調(diào)速是交流調(diào)速發(fā)展的主流, 已成為電力傳動領(lǐng)域研究的一個熱點。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著我國電子、電氣技術(shù)的迅猛發(fā)展、人們生活水平的不斷提高，對電機(jī)的性能提出了許多新的更高的要求，出現(xiàn)了各種各樣的電器產(chǎn)品，在各種電器產(chǎn)品中使用著各種各樣的電動機(jī)。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，每個家庭平均使用著50～100臺小功率電動機(jī)。據(jù)美國能源部報告，美國電動機(jī)電力消耗中，小功率電動機(jī)站64%。從世界銷售市場統(tǒng)計，各類電機(jī)年總銷售額為300億美元，小功率電動機(jī)占了1/3。小功率電動機(jī)是我國機(jī)電產(chǎn)品出口的主要項目之一，近年來發(fā)展很快，具有良好的前景 [6]。目前世界各國小功率電動機(jī)的產(chǎn)量逐年增加，其增長率大于大中型電機(jī)。我國加入世貿(mào)組織后，已經(jīng)融入全球經(jīng)濟(jì)，形成國際化市場的競爭環(huán)境，即帶來了新的機(jī)遇又帶來新的挑戰(zhàn)。在國際市場上，電機(jī)是機(jī)電產(chǎn)品的重要組成部分，每年的世界貿(mào)易額約為35億美元。再由于工業(yè)發(fā)達(dá)國家對于原材料、工時耗用多而獲利少的普通電機(jī)產(chǎn)品不愿意制造，紛紛轉(zhuǎn)向發(fā)展中國家加工和購買，因此國際3市場上對電機(jī)的需求呈上升趨勢。現(xiàn)在面對國內(nèi)外廣闊的市場前景，國內(nèi)生產(chǎn)廠家投入大量人力、財力來進(jìn)行中小功率電動機(jī)的研究與開發(fā)，是很有必要的。近10年來，隨著電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式 [7],[8]。我國電氣傳動產(chǎn)業(yè)始建于1954年，當(dāng)時第一批該專業(yè)范圍內(nèi)的學(xué)生從各大專院校畢業(yè)，同時在機(jī)械工業(yè)部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司，這就是后來天津電氣傳動設(shè)計研究所的前身。現(xiàn)在我國已有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。我國是一個發(fā)展中國家，許多產(chǎn)品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達(dá)國家。至今自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品大體只相當(dāng)于國際上80年代水平。隨著改革開放，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，形成了一個巨大的市場，它既對國內(nèi)企業(yè)，也對外國公司敞開。很多最先進(jìn)的產(chǎn)品從發(fā)達(dá)國家進(jìn)口，在我國運行良好，滿足了我國生產(chǎn)和生活需要。 國內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當(dāng)今國際上先進(jìn)的產(chǎn)品，國內(nèi)的成套部分在自行設(shè)計制造的成套裝置中采用外國進(jìn)口公司和合資企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備，自己開發(fā)應(yīng)用軟件，能為國內(nèi)外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統(tǒng)。雖然取得很大成績，但應(yīng)看到由于國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對國外公司的依賴性嚴(yán)重目前國內(nèi)主要的產(chǎn)品狀況如下：1) IGBT或BJT PWM逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類設(shè)備的市場很大，總?cè)萘空嫉谋壤淮?，但臺數(shù)多，增長快，應(yīng)用范圍從單機(jī)擴(kuò)展到全生產(chǎn)線，從簡單的V/f控制到高性能的矢量控制。約有50家工廠和公司生產(chǎn)，其中合資企業(yè)占很大比重。2) 負(fù)載換流式電流型晶閘管逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類產(chǎn)品在4抽水蓄水能電站的機(jī)組起動，大容量風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動方面有很大需求。國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率裝置國內(nèi)配套，自行開發(fā)的控制裝置只有模擬式的，數(shù)字裝置需進(jìn)口，自己開發(fā)應(yīng)用軟件。3) 交交變頻器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類產(chǎn)品在軋機(jī)和礦井卷揚傳動方面有很大需求，臺數(shù)不多，功率大。主要靠進(jìn)口，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造。目前最大容量做到7000～8000kW。功率部分國產(chǎn)，數(shù)字控制裝置進(jìn)口，包括開發(fā)應(yīng)用軟件。隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，通用變頻器年銷售額已超過50億。國家“十五”期間，許多大型項目需要交流調(diào)速傳動。例如，西氣東輸?shù)拇笮蛪嚎s機(jī)傳動。大型船舶電力推進(jìn)，大型熱軋和冷軋交流傳動，高速鐵路牽引傳動，以及風(fēng)機(jī)水泵高壓變頻節(jié)能傳動等等。目前我國電動機(jī)調(diào)速技術(shù)的特點是以低壓、小容量調(diào)速對象為主，高壓、高效的變頻調(diào)速裝置以進(jìn)口為主。面對節(jié)能、改善工藝的迫切需求和巨大的市場前景，國產(chǎn)高壓大功率變頻器的產(chǎn)品生產(chǎn)還基本上剛剛起步。然而，困難與希望同在，挑戰(zhàn)與機(jī)遇共存。國際上具有生產(chǎn)、研制新型大功率變頻調(diào)速裝置能力的均是世界知名的大電工電氣公司，由于他們在電力電子技術(shù)發(fā)展的過程中一直是按部就班進(jìn)行的，形成了從功率半導(dǎo)體器件到整機(jī)生產(chǎn)的全套工業(yè)環(huán)節(jié)，市場慣性和企業(yè)本身的龐大機(jī)構(gòu)使得他們不會馬上轉(zhuǎn)產(chǎn)全新的產(chǎn)品。而我國是一個新興的發(fā)展中國家，盡管在老技術(shù)方面有一些投資，但投資相對較小，包袱不大，可以馬上轉(zhuǎn)入最新技術(shù)的開發(fā)和利用，借鑒別人的經(jīng)驗，跨過他們已經(jīng)走過的路程。在最新領(lǐng)域取得研究成果的基礎(chǔ)上盡快產(chǎn)業(yè)化，可大大縮短與先進(jìn)國家的差距，在某些方面甚至還可以超過他們。從目前看，大容量交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的時機(jī)業(yè)已成熟，國內(nèi)只要在體制改革、生產(chǎn)管理和經(jīng)營決策方面走上軌道，其發(fā)展前途不可限量 [9],[10]。 課題研究內(nèi)容目前，單相電機(jī)調(diào)速大多通過降壓來實現(xiàn)，本課題希望通過單片機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)單相交流電機(jī)的 V/F 調(diào)速功能，從而使系統(tǒng)的性能得到顯著的提高。課題根據(jù)對單相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的要求，設(shè)計相應(yīng)的電源及驅(qū)動電路。5（1）將 200AC 電源整流后提供給單相電機(jī)，并設(shè)計一開關(guān)電源，作為控制電路和單片機(jī)及外圍電路的電源；（2）新型 MOSFET 橋式電路驅(qū)動芯片的選型隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前出現(xiàn)了許多用于中小型電機(jī)驅(qū)動的性能優(yōu)良的集成電路產(chǎn)品，對于中小型電機(jī)控制電路的設(shè)計人員來說，選用性能參數(shù)都比較合適的集成功率放大器，與采用分立元件設(shè)計的功放電路相比，不但能減小功放電路的體積，提高功放電路的整體性能；而且由于集成功放中設(shè)計了多種多樣的保護(hù)電路，從而可以減少系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性，提高電路的可靠性。課題根據(jù)單相電機(jī)的參數(shù)，選擇合適的驅(qū)動芯片和驅(qū)動管，實現(xiàn)對單相電機(jī)的驅(qū)動。 課題研究意義單相交流異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低廉，使用維護(hù)方便，在小功率電機(jī)應(yīng)用方面，如電冰箱、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)等家用電器，汽車附件等領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位 [11]。隨著電力電子技術(shù)、微控制器及控制理論的快速發(fā)展，近年來交流電機(jī)調(diào)速方法如“矢量控制技術(shù)”、“直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)”及“同步機(jī)自控式”等方法的出現(xiàn)，交流電機(jī)調(diào)速更是獲得了幾乎可以和直流調(diào)速相媲美的性能。由于交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等自身的優(yōu)點，交流調(diào)速迅速興起，徹底打破了直流調(diào)速占調(diào)速領(lǐng)域主導(dǎo)地位的格局，調(diào)速系統(tǒng)向著交流化、高頻化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展 【5】 。交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用不但可達(dá)到節(jié)能的目的，還可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的性能最佳，改善工藝條件，并大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。近年來，由于微處理機(jī)和大功率晶體管（GTR）的應(yīng)用，交流調(diào)速技術(shù)進(jìn)入了一個嶄新的時代，且大有在調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)，大批取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢。交流調(diào)速控制作為對電動機(jī)控制的一種手段，作用相當(dāng)明顯。隨著單片機(jī)的普及應(yīng)用，利用單片機(jī)來控制電機(jī)調(diào)速的系統(tǒng)，以其控制靈活、參數(shù)調(diào)節(jié)方便、調(diào)節(jié)性能良好等諸多優(yōu)點受到人們的青睞。單片機(jī)具有價格低廉、可靠性高、內(nèi)部資源豐富、易于開發(fā)等優(yōu)點，它的出現(xiàn)大大地推動了電機(jī)控制行業(yè)的發(fā)展。用單片機(jī)作為電動機(jī)的核心控制元件，可避免傳統(tǒng)的調(diào)速方案中的一些缺點,達(dá)到提高控制精度的目的 [12],[13]。眾所周知，單相電機(jī)的使用性能與它的驅(qū)動電路有著密切的關(guān)系，隨著電子6技術(shù)和功率開關(guān)電子器件的出現(xiàn)，使電機(jī)的控制電路和功率驅(qū)動電路發(fā)生了很大的變化，特別是集成電路的推廣和微機(jī)的普及應(yīng)用，更使電機(jī)驅(qū)動電源的研制上了一個新的臺階，使其性能指標(biāo)有了顯著的提高。國內(nèi)對這方面的研究一直很活躍，但是可供選用的高性能的電機(jī)驅(qū)動電源卻很少，而且國內(nèi)的驅(qū)動電源方面基本都存在著體積大、外形尺寸不規(guī)則、性能指標(biāo)不穩(wěn)定及遠(yuǎn)沒有達(dá)到系列化等問題，這就給驅(qū)動電源的選用和安裝帶來了極大的不便，國外雖然有通用的各種類型的電機(jī)驅(qū)動電源，但大都存在一些問題，如價格昂貴，與我國的系統(tǒng)連接不匹配等問題。如前所述，電機(jī)的系統(tǒng)性能，不僅與電機(jī)本身的特性有關(guān)，而且還與電機(jī)的控制方式、驅(qū)動電源的特性及負(fù)載特性有著密切的關(guān)系，特別是驅(qū)動電源技術(shù)方面，對電機(jī)運行性能的改善，如高頻力矩的提高，單步振蕩及振動的消除等方面起著至關(guān)重要的作用。因此，對電機(jī)的驅(qū)動電源及其驅(qū)動控制方式進(jìn)行應(yīng)用性研究，做出適合單相電機(jī)運行特性的電源電路及驅(qū)動電路，不僅具有較高的現(xiàn)實意義。而且具有極大的經(jīng)濟(jì)價值。 設(shè)計方案變頻調(diào)速作為一種新的電機(jī)調(diào)速方法，就是通過整流橋?qū)⒐ゎl電源整流成直流電源，再通過控制電力電子器件構(gòu)成的逆變器來提供可變頻率的電源給電機(jī)，使電機(jī)的同步的轉(zhuǎn)速能夠變化，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。本課題采用的單相電機(jī)調(diào)速電路如圖 11 所示。 （a） （b） 圖 11 單相電機(jī)變頻調(diào)速原理圖系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和硬件配置由整流電路、開關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動電路、橋式MOSFET 驅(qū)動電路、保護(hù)電路和 PIC 單片機(jī)等組成，本次設(shè)計采用了 PIC 單片機(jī)，Microchip 公司推出的 PIC 系列單片機(jī)最大的特點是：不搞單純的功能堆積,而是從實際出發(fā)重視產(chǎn)品的性能與價格比,靠發(fā)展多7種型號來滿足不同層次的應(yīng)用要求；精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。具有獨特的 RISC 結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)總線，使其指令具有單字長的特性且允許指令碼的位數(shù)可多余 4 位的數(shù)據(jù)位數(shù),這與傳統(tǒng)的采用復(fù)雜指令集結(jié)構(gòu)的 4 位單片機(jī)相比可以達(dá)到 2:1 的代碼壓縮,使指令的執(zhí)行速度比一般的單片機(jī)要快 45 倍；產(chǎn)品開發(fā)容易、周期短，并且能夠快速進(jìn)入市場，采用了 RISC指令集，指令少，且全部為單字長指令易學(xué)易用，相對于 CISC 復(fù)雜指令集,結(jié)構(gòu)的單片機(jī)可節(jié)省 30%以上的開發(fā)時間、2 倍以上的程序空間。如果采用 PIC 的低價 OTP 型芯片，可使單片機(jī)在其應(yīng)用程序開發(fā)完成后立刻使該產(chǎn)品上市；低價實用，配備有 OTP 型、EPROM 型和 E2PROM 型等多種形式的芯片，其 OTP 型芯片的價格很低；功耗低，采用 CMOS 設(shè)計結(jié)合了諸多的節(jié)電特性,使其在靜態(tài)設(shè)計可進(jìn)入睡眠省電狀態(tài)而不影響任何邏輯變量；優(yōu)越的開發(fā)環(huán)境，OTP 單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)具有實時性，每推出一款新型號的同時, 推出相應(yīng)的仿真芯片,所有的開發(fā)系統(tǒng)由專用的仿真芯片支持,實時性非常好；芯片引腳具有防瞬態(tài)能力,通過限流電阻可以接至交流電源,可直接與繼電器相連,無須光電耦合器隔離，給應(yīng)用帶來極大方便；自帶看門狗定時器，可以提高程序運行的可靠性；徹底的保密性，以保密熔絲來保護(hù)代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復(fù)熔絲。因此 PIC 系列的微控制器在辦公自動化設(shè)備、消費電子產(chǎn)品、電訊通信、智能儀器儀表、汽車電子、工業(yè)控制等不同領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用 [14],[15]。8第 2章 開關(guān)電源簡介 開關(guān)電源簡介開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制 IC 和MOSFET 構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。開關(guān)電源具有工頻變壓器所不具備的優(yōu)點，新型、高效、節(jié)能的開關(guān)電源代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，因為開關(guān)電源內(nèi)部工作于高頻率狀態(tài)，本身的功耗很低，電源效率就可做得較高，一般均可做到 80%，甚至接近 90%。這樣高的效率不是普通工頻變壓器穩(wěn)壓電源所能比擬的。開關(guān)電源常用的單端或雙端輸出脈寬調(diào)制（PWM） ，省去了笨重的工頻變壓器，可制成幾瓦至幾千瓦的電源。 開關(guān)電源的原理簡單地說,開關(guān)電源的工作原理是：1) 交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流；2) 通過高頻 PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管,將那個直流加到開關(guān)變壓器初級上；3) 開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載；4) 輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制 PWM 占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。交流電源輸入時一般要經(jīng)過厄流圈一類的東西,過濾掉電網(wǎng)上的干擾,同時也9過濾掉電源對電網(wǎng)的干擾；在功率相同時,開關(guān)頻率越高,開關(guān)變壓器的體積就越小,但對開關(guān)管的要求就越高；開關(guān)變壓器的次級可以有多個繞組或一個繞組有多個抽頭,以得到需要的輸出；一般還應(yīng)該增加一些保護(hù)電路,比如空載、短路等保護(hù),否則可能會燒毀開關(guān)電源。以上說的就是開關(guān)電源的大致工作原理。其實現(xiàn)在已經(jīng)有了集成度非常高的專用芯片,可以使外圍電路非常簡單,甚至做到免調(diào)試。例如 TOP 系列的開關(guān)電源芯片(或稱模塊),只要配