【正文】 在設(shè)計過程中，我進(jìn)一步加深了對電力電子的學(xué)習(xí) ； 煉了我的學(xué)習(xí)能力、分析問題與解決問題的能力，也鍛煉了我克服困難的勇氣和決心。它的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識和技能去分析和解決本專業(yè)范圍內(nèi)的一般工程技術(shù)問題，建立正確的 設(shè)計思想，掌握工程設(shè)計的一般程序和方法。我國以后在變頻調(diào)速技術(shù)方面應(yīng)積極做的工作如下 : (1) 應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)來改造傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)，節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量，獲 得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。解決該問題的具體方法有： （ 1） 采用匯編語言編寫中斷服務(wù)子程序并且應(yīng)用最精簡省時的指令，減小最小脈沖的寬度； （ 2） 在計算 SPWM 波脈沖寬度時，對寬度小于 PCA 所能輸出最小寬度的脈沖進(jìn)行修 正，使它們的寬度為最小脈沖的寬度； （ 3） 限制調(diào)制比 M，使 SPWM 脈沖序列中不會含有過多的小脈沖。把 片機(jī)的輸出端 , 輸出信號經(jīng)驅(qū)動器電路放大 ,用于控制逆變 電路中可控硅晶閘管的通斷。 (3)能方便地對兩個模擬調(diào)節(jié)參數(shù)修改或顯示 (4)頻率顯示鍵 當(dāng)按鍵 04H 鍵為 0N 時，顯示器兩位輸出頻率，低兩位顯示給定頻率 . 當(dāng)按鍵 04H 鍵為 0FF 時，顯示器高兩位表示正反轉(zhuǎn)，顯示頻率表示輸出頻率 . (5)系統(tǒng)復(fù)位時，按下復(fù)位鍵后，整個系統(tǒng)停止工作 . 控制電路 控制部分是以 MCS51系列 8位單片機(jī)的典型產(chǎn)品 8051為核心 , 配以輸入輸出控制接口和相應(yīng)的外圍電路組成 。設(shè)置故障標(biāo)志位 CY： CY=0，有故障； CY=1，無故障。正常運行時主要顯示頻率和 CPU 監(jiān)測工作運行情況。 圖 初始化程序流程圖 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序即為 軟件定時器 0 的中斷服務(wù)程序，其程序框圖如下所示在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序中，完成給定，轉(zhuǎn)速的采樣，進(jìn)行 PI 運算，求出頻率指令信號 Uf1，然后查表分頻求得系數(shù) Zf， X f ， Zv， Xv。為了保證這一過程中時間差的實現(xiàn) ， 為 T0設(shè)定的初始值必須要符合條件 ， 即 ： 這一時間間隔在允許范圍內(nèi)要盡可能小。 T1中斷程序該程序主要通過控制逆變電路中可控硅晶閘管的導(dǎo)通、關(guān)斷時間 ， 從而改變交流電源的頻率。 (1)程序主要完成各接口芯片的初始化 ， 給相應(yīng)的內(nèi)存單元賦初值。這個循環(huán)主要是完成逆變器啟動前對主電路電流、電壓正常與否的檢測，只有在一切正常時，才能發(fā)出允許啟動標(biāo)志，并查詢外輸入狀態(tài)。本系統(tǒng)的鍵盤部分包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動、停止、上升、下降以及功能鍵等七 種 按鍵。 8051 芯片 的 片 內(nèi)外設(shè)含有串行通信接口模塊（ SCI）是一個標(biāo)準(zhǔn)的串行異步數(shù)字 通 信接口模塊，可以實現(xiàn)半雙工或全雙工的通信，通信 速率可達(dá) 625Kbps。 PWM 輸出與光耦驅(qū)動的接口電路 考慮 8051 的 SPWM 口只有 4mA 電路輸出無法直接驅(qū)動光耦，因此在光耦前加 CMOS 反相器增加驅(qū)動能力。 正常時，過壓和欠壓保護(hù)都輸出高電平，經(jīng) 2 與門后還是高電平， DSP 的保護(hù)控制不動作 ： 過壓時，上面的同相比較器動作，輸出高電平，發(fā)光二極管 LED1亮，同時經(jīng)光藕隔離后過壓保護(hù)輸出低電平，經(jīng) 2 與門后， DSP 的 PDPINTA 引腳獲得一個下降沿信號，引起 DSP 的功率驅(qū)動保護(hù)中斷，立刻封鎖六路 PIWM信號輸出，同時 IR2132 的 FAULT 引腳也獲得了一個低電平信號，制動 IGBT 開通，系統(tǒng)進(jìn)行能耗制動；欠壓時，下面的反相比較器動作，輸出高電平，發(fā)光二極管 LED2 亮，經(jīng)光 藕 隔離后輸出低電平 。 圖 光耦隔離電路 過壓保護(hù)電路 電壓保護(hù)功能分為過電壓保護(hù)和欠電壓保護(hù)兩大類，對于通常電壓型逆變器，直流回路是能量傳遞和轉(zhuǎn)換的通道，電網(wǎng)電壓波動通過三相整流橋影響直流電壓DCU，減速時因反饋能量來不及釋放而生成的再生過電壓，使直流電壓DCU升高，如不采取相應(yīng)的保護(hù)措施，很容易造成逆變橋的損壞。濾波電路如圖 所示： 沒有加濾波電容時，三相整流輸出的平均直流電壓為： Vc=3*Ul/π （ ）加上濾波電容后， VDC 的最大電壓可以達(dá)到交流電壓的峰值： U=Ul=220=311V （ ）理論上濾波電容值越大越好，考慮到體積和價 格，實際選用了兩個47μF/450V 的電容相并聯(lián)使用。充電的時候，電容器兩端的電壓逐漸升高，直到接近充電電壓；放電的時候，電容器兩端的電壓逐漸降低，直到完全消失。要把脈動直流變成波形平滑的直流，還需要再做一番“填平取齊”的工作，這便是濾波。其中 A 與 B 用于測速，它們的相位差為 90 度，每轉(zhuǎn)一圈輸出 1200 個脈沖 ； 而 Z 脈沖 為每轉(zhuǎn)一圈輸出 一個脈沖，用于伺服控制系統(tǒng)中的定位。影響轉(zhuǎn)速測量性能的因素有兩個 ： 一是系統(tǒng)硬件本身，主要是包括單位周期內(nèi)光電脈沖編碼器的脈沖數(shù)和微處理器的精度，系統(tǒng)一旦確定，由硬件引起的速度檢測性能的差異是難以更改的。它自身工作和電源電壓的范圍較寬 (3～ 20V)，在它的內(nèi)部還設(shè)計有與被驅(qū)動的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計還保證了內(nèi)部的 3 個通道的高壓側(cè)驅(qū)動器和低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨使用，亦可只用其內(nèi)部的 3個低壓側(cè)驅(qū)動器，并且輸入 信號與 TTL 及 COMS 電平兼容。但信號的最大傳輸速度受磁飽和特性的限制，因而信號的頂部不易傳輸。 在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，其功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種方式，采用隔離驅(qū)動方式時需要將多路驅(qū)動電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起災(zāi)難性的后 果。 IGBT 正反向峰值電壓為： Um=220=311V （ ） 考慮到 2～ 3 倍安全系數(shù)，取耐壓值為 1000V。 該系統(tǒng)主電路如圖 所示，以 8051 為控制核心，采用交 直 交電壓源變頻器結(jié)構(gòu)。 YSE NO 圖 程序流程圖 應(yīng)該注意的一點是， CCFn 位和 CF 位（計數(shù)器 /定時器溢出標(biāo)志）由硬件置位，但不能由硬件自動清 0，必須在中斷程序中用軟件清 0。 (3)程序流程 主程序流程如圖 所示，在系統(tǒng)初始化過后首先通過鍵盤設(shè)置輸出頻率，然后進(jìn)入 SPWM 脈寬計算程序，根據(jù)所設(shè)置頻率選擇調(diào)制比 N，計算脈寬并確定 max。置位 PCA0CPMn 寄存器中的 TOGn、 MATn、 ECOMn 和 ECCFn 位，將允許高速輸出方式，同時允許 CCF 中斷。如圖 2 所示， 16 位 PCA 專用計數(shù)器 /定時器的時基信號可有多種選擇，可通過配置相關(guān)的系統(tǒng)控制器的特殊功能寄存器 （ SFR） 來實現(xiàn)。根據(jù)三角形相似關(guān)系，得到rcT U wtUtSsin2on ? 所以 ， wtMTt son ? ， 其中 ， M=Uc/Ur 為調(diào)制比 ， t 為采樣點（這里為頂點采樣）的時刻。由微控制器來實現(xiàn) SPWM 波形的方法有表格法、隨時計算法和實時計算法，但前兩種無實時處理能力。 基于 8051 的變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計方案方框圖如圖 所示。執(zhí)行部分為三相異步交流電動機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的日益發(fā)展和 PWM控制技術(shù)的成熟 , 利用電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸入電源的頻率是線性關(guān)系這一原理 , 將 50Hz 的交流電通過整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的電源 , 供給異步電動機(jī) ,實現(xiàn)調(diào)速的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時鐘組成，其中控制器可以是 RS 觸發(fā)器 。 直接轉(zhuǎn)矩控制 PWM 直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制， 它也不需要解耦電機(jī)模型，而是在靜止的坐標(biāo)系中計算電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的實際值，然后，經(jīng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 BandBand控制產(chǎn)生 PWM 信號對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，從而在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化，有很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度及轉(zhuǎn)矩控制精度，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展 。其實質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度、磁場兩個分量進(jìn)行獨立控制。在比較估算磁通和給定磁通后，根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個電壓矢量，形成 PWM 波形。 具體方法又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式。目前，這類調(diào)節(jié)器的局限性是響應(yīng)速度及過程模型系數(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確性。此時開關(guān)頻率一定，因而克服了滯環(huán)比較法頻率不固定的缺點。 滯環(huán)比較法 這是一種帶反饋的 PWM 控制方式，即每相電流反饋回來與電流給定值經(jīng) 過滯環(huán)比較器，得出 的 相應(yīng)橋臂開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，使得實際電流跟蹤給定電流的變化。這個脈沖并不是開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖信號，但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式，就可以確定開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖信號了。區(qū)間用 (Uvw+Uwu)表示，當(dāng)將 Uvw和 Uwu 作同樣處理時，就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊 60176。 單元脈寬調(diào)制法 因為，三相對稱線電壓有 Uuv+Uvw+Uwu=0 的關(guān)系，所以，某一線電壓任何時刻都等于另外兩個線電壓負(fù)值之和。 馬鞍形波與三角 波比較法 馬鞍形波與三角波比較法也就是諧波注入 PWM 方式 (HIPWM)，其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波，調(diào)制信號便呈現(xiàn)出馬鞍形，而且幅值明顯降低，于是在調(diào)制信號的幅值不超過載波幅值的情況下，可以使基波幅值超過三角波幅值，提高了直流電壓利用率。 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。該方法的實現(xiàn)有以下幾種方案。正因為如此，即使在 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。 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。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。 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。 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。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）。 異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與實際轉(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。如果在改變 f的同時同步改變電源電壓 u即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩T不變的調(diào)速性能其原理圖如圖 。 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。 (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。 (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。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。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現(xiàn)控制策略的軟件部分進(jìn)行設(shè)計。 、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。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)?；?、自主化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。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。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)?？刂萍壊糠质且鉀Q數(shù)字化控制的硬、軟件開發(fā)問題。 (4) 產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。在中小功率變頻技術(shù)方面，國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的V/