【文章內容簡介】 內占據首位。但是由于直流電動機本身有機械換向器，給直流調速系統(tǒng)造成一些固有的、難于解決的問題。 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得到了克服，目前，交流調速系統(tǒng)的性能已經可以和直流系統(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中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 57 頁 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容。 總之，交流電機調速技術的發(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 。 1） 交 交型變頻器 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。但這種控制方式決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。 2） 交 直 交型變頻器 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 ： ： 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)中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 57 頁 節(jié)內阻較大，故稱電流源型變頻器。 ： 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。 控制電路簡介 由 FPGA控制 SA4828 芯片產生所需要的 SPWM波來控制逆變電路開關管的通斷，以此產生對稱的 SPWM 波對三相異步電動機供電，實現(xiàn)對異步電動機轉速的控制。具體電路見第五章。 設計說明書的組織結構 設計利用 FPGA 的特點和優(yōu)勢，在電力電子變頻調速技術領域中，應用 FPGA 控制 SPWM 波專用芯片 SA4828，來實現(xiàn)基于 SPWM 技術的變頻調速數(shù)字控制系統(tǒng) 的設計，圍繞著系統(tǒng)設計的理論分析，系統(tǒng)的結構設計及最終的 FPGA 的實現(xiàn)進行研究，探索 FPGA 在電力電子變頻調速技術領域中的應用前景。論文結構安排如下： 第一章 緒論。簡述設計的技術背景和主要研究內容。 第二章 交流異步電動機。介紹了交流異步電動機的基本理論，工作原理，控制方法等。引出變頻調速是目前應用最廣泛的交流電動機的調速方式。 第三章 FPGA 數(shù)字系統(tǒng)。介紹了 FPGA 的發(fā)展歷史，主要應用領域，優(yōu)勢等等，并簡要介紹了描述 FPGA 行為模型的硬件描述語言 — Verilog HDL。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 57 頁 第四章 SPWM 技術。介紹了變頻的原理 ，方法。并著重介紹了設計用到的 SPWM波專用芯片 SA4828 的結構及其控制方法。 第五章 系統(tǒng)硬件設計。介紹了實現(xiàn)交流異步電動機變頻調速的硬件系統(tǒng)。給出了主電路，和幾種基本的保護電路原理圖。 第六章 軟件設計。介紹了實現(xiàn)控制 FPGA 的控制流程，和實現(xiàn)交流異步電動機變頻調速的描述語言。 本章小結 本章為整個設計說明書的統(tǒng)領章節(jié)，介紹了交流變頻技術的發(fā)展背景和發(fā)展現(xiàn)狀，說明了使用變頻調速的必要性，并引入了較為 先進 的 FPGA 作為主控制芯片，并介紹了電力電子技術的發(fā)展對數(shù)字系統(tǒng)的影響。最后給出了設計說明書的的組織形式 ，起到了一個提綱挈領的作用。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 9 頁 共 57 頁 2 交流異步電動機 交流異步電動機 異步電機又稱感應電機主要用作電動機，應用最廣泛的一種電動機，廠礦企業(yè)，交通工具，娛樂，科研，農業(yè)生產，日常生活都離不開異步電動機。異步電動機主要分為：鼠籠式異步電動機，繞線式異步電動機和各種控制用電動機三大類。按定子電源相數(shù)分，又可分為單相感應電動機，兩相感應電動機和三相感應電動機。 交流異步電動機的結構 圖 交流異步電動機的結構 三相異步電動機主要由定子和轉子兩大部分構 成，定子是靜止不動的部分，轉子是旋轉部分，在定子與轉子之間有一定的氣隙， 以保證轉子的自由轉動。異步電動機的空氣隙較其他類型的電 機 氣隙要小，一般為 mm～ 2mm。 定子主要由鐵心、繞組與機座三部分組成。轉 機 子主要由鐵心與繞組組成，轉子繞組有鼠籠式和線繞式。鼠籠式轉子是在轉子鐵心槽里插入銅條，再將全部銅條兩端焊在兩個銅端環(huán)上而組成；線繞式轉子繞組與定子繞組一樣，由線圈組成繞組放入轉子鐵心槽里。鼠籠式與線繞式兩種電動機雖然結構不一樣，但工作原理是一樣的。異步電動機結構如圖一所示。下面分別介紹： 1）定子部分 機座 機座用來支撐定子鐵心和固定端蓋。中、小型電動機機座一般用鑄鐵澆成，大型電動機多采用鋼板焊接而成。 定子鐵心 定子鐵心是電動機磁路的一部分。為了減小渦流損耗和磁滯損耗，通常用 形 ，硅鋼片表面的氧化層 (大型電動機要求涂絕緣漆 )作為片間絕緣 。 在鐵心的內圓上均勻分布有與軸平行的槽，用以嵌放定子繞組。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 共 57 頁 定子繞組 定子繞組是電動機的電路部分，也是最重要的部分，一般是由絕緣銅 (或鋁 )導線繞制的繞組聯(lián)接而成。它的作用就是利用通入的三相交流電產生旋轉磁場 。通常，繞組是用高強度絕緣漆包線繞制成各種型式的繞組，按一定的排列方式嵌入定子槽內。槽內繞組匝間、繞組與鐵心之間都要有良好的絕緣。如果是雙層繞組，還要加放層間絕緣。 軸承 軸承是電動機定、轉子銜接的部位，軸承有滾動軸承和滑動軸承兩類，滾動軸承又有滾珠軸承 (也稱為球軸承 )，目前多數(shù)電動機都采用滾動軸承。這種軸承的外部有貯存潤滑油的油箱，軸承上還裝有油環(huán)，軸轉動時帶動油環(huán)轉動，把油箱中的潤滑油帶到軸與軸承的接觸面上。為使?jié)櫥湍芊植荚谡麄€接觸面上，軸承上緊貼軸的一面一般開有油槽。 2）轉子部分 轉子 是電動機中的旋轉部分，一般由轉軸、轉子鐵心、轉子繞組、風扇等組成。轉軸用碳綱制成，兩端軸頸與軸承相配合。出軸端銑有鍵槽，用以固定皮帶輪或聯(lián)軸器。轉軸是輸出轉矩、帶動負載的部件。轉子鐵心也是電動機磁路的一部分。由 厚的硅鋼片疊壓成圓柱體，并緊固在轉子軸上。轉子鐵心的外表面有均勻分布的線槽，用以嵌放轉子繞組。三相交流異步電動機按照轉子繞組形式的不同，一般可分為籠型異步電動機和繞線型異步電動機。 籠型轉子 線槽一般都是斜槽 (線槽與軸線不平行 )，目的是改善起動與調速性能。籠型繞組 (也稱為導條 )是在轉子鐵心的 槽里嵌放裸銅條或鋁條，然后用兩個金屬環(huán) (稱為端環(huán) )分別在裸金屬導條兩端把它們全部接通 (短接 )，即構成了轉子繞組；小型籠型電動機一般用鑄鋁轉子，這種轉子是用熔化的鋁液澆在轉子鐵心上，導條、瑞環(huán)一次澆鑄出來。如果去掉鐵心，整個繞組形似鼠籠，所以得名籠型繞組。 繞線型轉子 繞組與定子繞組類似，由鑲嵌在轉子鐵心槽中的三相繞組組成。繞組一般采用星形連接，三相繞組繞組的尾端接在一起，首瑞分別接到轉軸上的3 個銅滑環(huán)上，通過電刷把 3 根旋轉的線變成了固定線，與外部的變阻器連接，構成轉子的閉合回路，以便于控制。有的電動機還裝有 提刷短路裝置，當電動機起動后又不需要調速時，可提起電刷，同時使用 3 個滑環(huán)短路，以減少電刷摩損。 兩種轉子相比較，籠型轉子結構簡單，造價低廉，并且運行可靠，因而應用中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 11 頁 共 57 頁 十分廣泛。繞線型轉子結構較復雜，造價也高，但是它的起動性能較好，并能利用變阻器阻值的變化，使電動機能在一定范圍內調速；在起動頻繁、需要較大起動轉矩的生產機械 (如起重機 )中常常被采用。 一般電動機轉子上還裝有風扇或風翼，便于電動機運轉時通風散熱。鑄鋁轉子一般是將風翼和繞組 (導條 )一起澆鑄出來。 3） 氣隙δ 所謂氣隙就是定子與轉子之間的空隙。中 小型異步電動機的氣隙一般為～ 。氣隙的大小對電動機性能影響較大，氣隙大。磁阻也大，產生同樣大小的磁通，所需的勵磁電流 Im也越大，電動機的功率因數(shù)也就越低。但氣隙過小，將給裝配造成困難，運行時定、轉子容易發(fā)生摩擦，使電動機運行不可靠。 交流異步電動機的工作原理 定子三相繞組通入 三相交流電 即可產生 旋轉磁場 。當三相電流不斷地隨時間變化時，所建立的合成磁場也不斷地在空間旋轉。旋轉磁場的旋轉方向與三相電流的相序一致，任意調換兩根電源進線，則旋轉磁場反轉。 若定子每相繞組由 P個線圈串聯(lián)，繞組的始端之間互差 360176。 /P，將形成 P 對磁極的旋轉磁場。旋轉磁場的轉速（同步轉速）可用下式表示： 0 60fn p? () 0n 為同步轉速， 1f 為電源的頻率， p 為電動機定子磁極的磁對數(shù)。轉子繞組在旋轉磁場下產生感應電動勢，又由于定子繞組是自短路的，故定子中將產生感應電流。感應電流在定子旋轉磁場作用下，產生電磁力，其方向由“ 左手螺旋定則 ”判斷。該力對轉軸形成轉矩 (稱電磁轉矩 )，它的方向與定子旋轉磁場 (即電流相序 )一致，于是，電動機在電磁轉矩的驅動下，順著旋轉磁場的方向旋轉，且與旋轉磁場的轉速有一定差別。這個速度差用轉差率來表示 00( ) 1 0 0 %nns n??? () n 為轉子的轉速。在正常運行范圍內，異步電動機的轉差率很小 ，僅在 0． 010． 06之間。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 12 頁 共 57 頁 交流異步電動機的額定參數(shù) 三相異步電動機在出廠時，機座上都固定著一塊銘牌，銘牌上標注著額定數(shù)據。主要的額定數(shù)據為： 額定功率 PN(kW)：指電動機額定工作狀態(tài)時，電動機軸上輸出的機械功率。 NNNNN C O SUI3P ???