【正文】 便?！　?5)必須有專用的變頻電源，目前造價較高?！?7) 近年來交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。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)。我國是一個發(fā)展中國家，變頻調(diào)速產(chǎn)品大體只相當(dāng)于國際上20世紀(jì)80年代水平。很多先進(jìn)的產(chǎn)品從發(fā)達(dá)國家進(jìn)口，在我國運(yùn)行良好，滿足了國內(nèi)生產(chǎn)和生活需要。在變頻調(diào)速領(lǐng)域，我國雖然取得了很大成績，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仍較嚴(yán)重。 在我們現(xiàn)在日常生活中，高速電力機(jī)車、汽車、電梯、音樂噴泉、冰箱、洗衣機(jī)、印刷設(shè)備、空調(diào)等，接近我們生活的一些用具以及生活用品對變頻控制的采用也是越來越多了。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(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式，成為當(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。國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀對比國外現(xiàn)狀在大功率交交變頻（循環(huán)變流器）調(diào)速技術(shù)方面，法國阿爾斯通已能提供單機(jī)容量達(dá)3萬kW的電氣傳動設(shè)備用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)。在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國西門子公司Simovert A電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備單機(jī)容量為10 ~ 2600 kVA和Simovert P GTO PWM變頻調(diào)速設(shè)備單機(jī)容量為100 ~ 900 kVA，其控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機(jī)車、風(fēng)機(jī)、水泵傳動。國外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展有以下特點(diǎn)：(2) 功率器件的發(fā)展。 (3) 控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。 從總體上看我國電氣傳動的技術(shù)水平較國際先進(jìn)水平差距10 ~ 15年。 在大功率交交、無換向器電機(jī)等變頻技術(shù)方面，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當(dāng)差距。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/f控制，僅有少量的樣機(jī)采用矢量控制，品種與質(zhì)量還不能滿足市場需要，每年大量進(jìn)口。(4) 產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。它分為功率級和控制級兩大部分。控制級部分是要解決數(shù)字化控制的硬、軟件開發(fā)問題。當(dāng)前高水平的控制策略有：基于電動機(jī)和機(jī)械模型的有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和機(jī)械扭振補(bǔ)償?shù)取＿@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)。對中、小容量變頻器，主要采取提高開關(guān)頻率的PWM控制；對大容量變頻器，主要采取在常規(guī)的開關(guān)頻率下，改變主電路結(jié)構(gòu)和控制方式這兩條途徑。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。（4） 以32位高微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制模塊有足夠的能力實(shí)現(xiàn)各種控制算法，Windows控制系統(tǒng)的引入使得自由設(shè)計(jì)成為可能，圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。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)?；⒆灾骰?、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。該控制系統(tǒng)成本低及其結(jié)構(gòu)簡單，所以多用于風(fēng)機(jī)等的節(jié)能調(diào)速上面。 、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。首先，在逆變器供電的交流調(diào)速系統(tǒng)中，電動機(jī)的運(yùn)行條件發(fā)生了很大變化，針對逆變器供電的特點(diǎn)給出了變頻調(diào)速異步電動機(jī)的選擇方法。最后，為適應(yīng)變頻調(diào)速電機(jī)的要求，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)控制策略的軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。要求完成任務(wù)主要有：變頻器及其工作原理 變頻調(diào)速基本原理 控制方案確定 軟件與硬件設(shè)計(jì) 第二章 異步電動機(jī)變頻調(diào)速 變頻器變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。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。 變頻器的選型變頻器選型時要確定以下幾點(diǎn)：(1)采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。(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。對于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機(jī)性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。(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。(5)變頻器如果要長電纜運(yùn)行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。 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。而6個SKIIP模塊組成二組,三相橋式交流電路，其中一組為變頻器輸出逆變器；另一組為向發(fā)電電網(wǎng)反饋的逆變橋。 變頻器原理圖首先是將單相或三相交流電流電源通過整流器并經(jīng)電容濾波后形成幅值基本穩(wěn)定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。 變頻調(diào)速基本原理 變頻調(diào)速的工作原理p——磁極對數(shù)異步電動機(jī)是依靠旋轉(zhuǎn)磁場的作用而轉(zhuǎn)動的，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場理論，有下列關(guān)系n1 = 60f / p式中n1——定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，也叫異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速（r / min）； p——電動機(jī)的磁極對數(shù)。如果連續(xù)地改變供電電源的頻率就可以調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速的工作原理。但是，為了保持在調(diào)速時電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電機(jī)的磁通量恒定，因此定子的供電電壓也要作相應(yīng)調(diào)節(jié)。通過電工理論分析可知，轉(zhuǎn)矩與磁通量（最大值）成正比，在轉(zhuǎn)子參數(shù)值一定時，轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比。頻率的下降會導(dǎo)致磁通的增加，造成磁路飽和，勵磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵心和線圈過熱。在變頻調(diào)速中，前者主要應(yīng)用于PWM斬波（DC－DC變換），后者主要應(yīng)用于PWM逆變（DC－AC變換）。相當(dāng)于基波分量的信號波（調(diào)制波）并不一定指正弦波，在PWM優(yōu)化模式控制中可以是預(yù)畸變的信號波，正弦信號波是一種最通常的調(diào)制信號，但決不是最優(yōu)信號。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。 PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點(diǎn)。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有以下幾類方法。等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個缺點(diǎn)發(fā)展而來的，是PWM法中最為簡單的一種。 隨機(jī)PWM 其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的)，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。 SPWM法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM法。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。 ⒈ 等面積法 ⒉ 硬件調(diào)制法 ⒊ 軟件生成法 ⒋ 低次諧波消去法 梯形波與三角波比較法前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電壓的利用率，如SPWM法，%。該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以兩波的交點(diǎn)時刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)PWM控制。但由于梯形波本身含有低次諧波，所以輸出波形中含有5次、7次等低次諧波。因此，提出了線電壓控制PWM，主要有以下兩種方法。在三相無中線系統(tǒng)中，由于三次諧波電流無通路，所以三個線電壓和線電流中均不含三次諧波。這是因?yàn)?，?jīng)過PWM調(diào)制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應(yīng)的3倍頻于正弦波信號的諧波，但在合成線電壓時，各相電壓中的這些諧波將互相抵消，從而使線電壓仍為正弦波?，F(xiàn)在把一個周期等分為6個區(qū)間，每區(qū)間60176。區(qū)間用Uuv本身表示，中間60176。區(qū)間的兩種波形形狀，并且有正有負(fù)。區(qū)間的脈沖列一經(jīng)確定，線電壓的調(diào)制脈沖波形就唯一的確定了。 該方法不僅能抑制較多的低次諧波，還可減小開關(guān)損耗和加寬線性控制區(qū)，同時還能帶來用微機(jī)控制的方便，但該方法只適用于異步電動機(jī)，應(yīng)用范圍較小。其實(shí)現(xiàn)方案主要有以下3種。該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，動態(tài)性能好，輸出電壓不含特定頻率的諧波分量。 三角波比較法 該方法與SPWM法中的三角波比較方式不同，這里是把指令電流與實(shí)際輸出電流進(jìn)行比較，求出偏差電流，通過放大器放大后再和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波。但是，這種方式電流響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，若給調(diào)節(jié)器除誤差外更多的信息，則可獲得比較快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)。 空間電壓矢量控制PWM空間電壓矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。此法從電動機(jī)的角度出發(fā)，把逆變器和電機(jī)看作一個整體，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制，使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(正弦磁通)。磁通開環(huán)法用兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量，若采樣時間足夠小，可合成任意電壓矢量。磁通閉環(huán)式引入磁通反饋，控制磁通的大小和變化的速度。這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足，解決了電機(jī)低速時，定子電阻影響大的問題，減小了電機(jī)的脈動和噪音。 矢量控制PWM 矢量控制也稱磁場定向控制，其原理是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia，Ib及Ic，通過三相/二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1及Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1及It1(Im1相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿對直流電動機(jī)的控制方法，實(shí)現(xiàn)對交流電動機(jī)的控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。此外，它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場合帶來不便。但直接轉(zhuǎn)矩控制也存在缺點(diǎn)，如逆變器開關(guān)頻率的提高有限制。該技術(shù)同時具有調(diào)制和控制的雙重性，通過復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達(dá)到跟蹤指令信號的目的。單周控制在控制電路中不需要誤差綜合,它能在一個周期內(nèi)自動消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，使前一周期的誤差不會帶到下一周期。 第四章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)變頻調(diào)速技術(shù)是近20年內(nèi)發(fā)展起來的一門新技術(shù)。利用單片機(jī)組成的變頻調(diào)速控制器可以實(shí)現(xiàn)從低頻(1～2Hz) 起動到50Hz ,可以消除以往工頻50Hz 直接起動對電機(jī)的沖擊, 延長電機(jī)的使用壽命,同時由于變頻器的輸出電壓可以自適應(yīng)調(diào)節(jié), 使負(fù)載電機(jī)可以工作在額定電壓以下,不僅節(jié)能且可延長電機(jī)的使用壽命。單片機(jī)、時鐘電路、通訊接口、鍵盤與顯示電路、光電耦合、IPM逆變器、整流模塊、轉(zhuǎn)速檢測和故障檢測、報(bào)警電路等組成。逆變及驅(qū)動電路檢測電路整流電路M濾 波電 路 人機(jī)接口電路光電隔離相電流檢測測轉(zhuǎn)速檢測計(jì)算機(jī)8051 基于8051的變頻調(diào)速系統(tǒng)原理方框圖系統(tǒng)的工作原理為：電機(jī)的轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)換成矩形脈沖信號，經(jīng)光電隔離后進(jìn)入單片機(jī)計(jì)數(shù)器，由計(jì)數(shù)器值獲得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，與設(shè)定轉(zhuǎn)速比較，經(jīng)FuzzyPID控制器調(diào)節(jié)后，單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波經(jīng)6N137線性光耦進(jìn)行電氣隔離后作用于逆變模塊IPM（intelligent power module），實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)變頻調(diào)速。逆變模塊工作時所需要的直流電壓信號由整流電路對380V電源進(jìn)行全橋整流得到。本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320LF2407A為控制核心，逆變驅(qū)動電路芯片采用美國國際整流公司的IR2I32。 SPWM技術(shù)原理SPWM技術(shù)的基本原理是利用一個三角波載波和一個正弦波進(jìn)行比較，得到一個寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，用它們來驅(qū)動逆變器開關(guān)管的開關(guān)轉(zhuǎn)換。采用實(shí)時計(jì)算法要有數(shù)學(xué)模型，其中一種較為常用的是采樣型SPWM法，它分為自然采樣法、對稱規(guī)則采樣法和不對稱規(guī)則采樣法。若Ts為三角波的周期，同時也是采樣周期；Ur為三角波的高，正弦波為Ucsinωt。則脈沖寬度為，采樣點(diǎn)時刻t只與載波比N有關(guān)。 C8051實(shí)現(xiàn)SPWM波形的原理及算法(1) C8051F系列單片機(jī)PCA簡介C8051F系列單片機(jī)都具有一個可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA，以C8051F040為例，PCA包含1個專用的16位計(jì)數(shù)器/定時器和6個16位捕捉/比較模塊，可以輸出6路PWM波形。每個捕捉/比較模塊有自己的I/O線CEXn，可通過配制交叉開關(guān)寄存器（XBR0）將每個模塊的I/O線連接到端口I/O；每個模塊都可配制為獨(dú)立工作，有四種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出或脈寬調(diào)制器。如果將相應(yīng)模塊的I/O線CEXn連接到端口I/O，單片機(jī)相應(yīng)端口輸出電平即發(fā)生變化，這就可實(shí)現(xiàn)PWM脈沖的高、低電平輸出。(2) SPWM波形生成方法利用C8051的PCA計(jì)數(shù)器產(chǎn)生SPWM波形的基本原理是：在高速輸出并且允許CCF中斷方式下，不斷在CCF中斷服務(wù)程序中將事先計(jì)算好的SPWM波形的脈沖寬度累加到捕捉/比較模塊寄存器PCA0CPn（高8位PCA0CPHn和低8位PCA0CPLn）中，這樣在捕捉/比較模塊寄存器和計(jì)數(shù)器/定時器相匹配時就得到相應(yīng)的SPWM波形不斷交替的高低電平。這樣，周而復(fù)始，CEX0引腳上不斷產(chǎn)生交替的高低電平，從而在其所對應(yīng)的端口I/O上得到準(zhǔn)確的SPWM波形。在SPWM