微机控制的交直交变频调速系统设计.doc
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1、 目 录摘要:IAbstractII第一章 绪论11.1交流电机变频调速概述11.2变频调速技术发展方向21.3课题研究的目的和意义31.4课题研究的内容3第二章 异步电动机的变频控制策略选择52.1 交流调速的基本方法52.2变频调速52.3 异步电机变频调速的各种控制方式分析62.3.1 异步电机变频调速原理62.4 SPWM控制的基本原理102.4.1 SPWM信号的产生12第三章 系统硬件设计133.1 系统构成133.2 主电路的选定143.3 元器件的选择及其参数153.3.1 三相整流桥153.3.2 LC滤波163.3.3 直流侧阻容吸收电路163.3.4 IPM智能功率模块1
2、63.4 控制部分设计193.4.1 87C196MC193.4.2 波形发生器203.4.3键盘233.4.4 显示233.5 保护电路243.5.1电流实际值检测243.5.2 直流电压检测环25第四章 系统软件设计264.1 系统软件程序流程26第五章 系统仿真295.1 系统仿真模型295.2 仿真结果30毕业设计总结33参考文献34致 谢36附 录:37微机控制的交直交变频调速系统摘要:交流变频调速技术是集电力电子,自动控制,微电子,电机学等技术之大成的一项高新技术。它以其优越的调速性能,显著的节能效果和在国民经济各个领域的广泛的适应而被国内外认为是世界上应用最广,效率最高,最理想的
3、电气传动方案,是电气传动的发展方向,它以提高产品的质量和产量,节能资源,降低消耗,为提高企业的经济效益提供了重要的手段,现已有取代直流电动机的趋势。SPWM交流变频调速系统是一种采用87C196MC单片机控制器,结合专用大规模集成电路PWM构成的微机控制PWM交流变频调速系统。87C196MC单片机控制器主要包括算术逻辑运算部件RALU、寄存器集、内部A/D转换器、PWM发生器、事件处理阵列EPA、三相互补SPWM 波形发生器WFG以及看门狗、时钟、中断逻辑等电路。实现了用单片机对复杂的PWM变频调速系统的全面控制,并给出了系统的硬件结构及软件设计。关键词: 变频调速;87C196MC单片机;
4、SPWMAbstractThe exchanges of the frequency adjusts soon the technique is to gathers the electric power electronics. Automatic control 、Micro-electronics and The electrical engineering learns to wait the big technique of a high and new technique. It with its adjusting superiorly soon function. Shows
5、the economy energy result of the great with the extensive orientation in a realm but drive domestic and international think that is in the world applied most wide. The efficiency is tallest.The most ideal electricity spreads to move the project, is a quantity that electricity spread the dynamic deve
6、lopment direction, it to increase product with yield. Economize on energy the resources. And lower the depletion. For economic performance that increases the business enterprise provided the important means. Aternate Machine has already contained trend that replace the direct current motive. The exc
7、hanges of SPWM changes the frequency adjusts soon the system is a kind of adopting 8031 single a machine controller, the tiny machine control PWM exchanges that large-scale integrated circuit in appropriation in combination SLE4520 constitute changes the frequency adjusts soon systemKeyword:SPWM;Fre
8、quency; 87C196MC SCMII第一章 绪论1.1交流电机变频调速概述在调速传动系统中使用交流电动机具有更大的吸引力,这是因为交流电动机与直流电机相比具有一系列显著的优点:(1)交流电机不存在换向器圆周速度的限制,也不存在电枢元件中电抗电势数值的限制。(2)其转速可以设计得比相同功率直流电机的转速更高,因而单位功率重量指标更低。(3)交流电机的电枢电压和电流的数值都不受换向器的限制,因而,其单机功率可比直流电的单机功率更大。由于以上两点,在要求增大电机单机功率、减轻重量并且安装位置受到严格限制的场合。(4)由于交流电机的结构简单,没有换向墨那种复杂、精密、耗费制造工时的部件又由于成
9、单位功率重量指标较低,因而其制造成本低廉。(5)直流电机在高速范围运行时,由于电抗电势数值的限制,一般不能发挥其额定功率,即使是有补偿绕组的直流电动机,就是在最高速时的输出功率也仅能达到额定功率的80%,对于无补偿绕组的直流电机就更低。而交流电动机没有这种限制,高速时仍可发挥较大的功率,甚至能以额定功率作恒功率运行。(6)交流电机没有换向器之类需要经常保养、维护的部件,在安装场地受限制、不易接近的场合也能使用。在环境恶劣的条件下,在不允许有火花的情况下也能可靠的工作。维修费用低廉。 电动机作为把电能转换为机械能的主要设备,在实际应用中,一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率;二是根据生产机械
10、的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能好坏对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。电动机和控制装置一起合成电力传动自动控制系统。以直流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为直流调速系统;以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为交流调速系统。根据交流电机的类型,相应有同步电动机调速系统和异步电动机调速系统。异步电动机调速系统种类很多,常见的有:降电压调速;电磁转差离合器调速;绕线转子异步电机转子串电阻调速;绕线转子异步电机串级调速;变极对数调速;变频调速等等。按照交流异步电动机的基本原理,从定子传入转子的电磁功率,可分为两部分:一部分,是
11、拖动负载的有效部分,另一部分是转差功率,与转差率成正比。从能量转换的角度来看,转差功率是否增大,是消耗掉还是回收,显然是评价调速系统效率高低的一种标志。从这点出发,可以把异步电动机调速系统分为三大类:(1)转差功率消耗型调速系统全部转差功率都转换成热能的形式消耗掉。上述的三种调速方法都属于这一类。在三类之中,第一类调速系统的效率最低,而且它是以增加转差率的消耗来换取转速的降低(恒转矩负载时),越向下调速效率越低。(2)转差功率回馈型调速系统转差功率的一部分消耗掉,大部分则通过变流装置回馈电网或者转化为机械能予以利用。转速越低时回收的功率越多,上述第四种调速方法串级调速属于这一类。这类调速系统的
12、效率显然比第一类高,但增设的变流装置总要多消耗一部分功率,因此还不是很理想。(3)转差功率不变型调速系统转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的,但在这类系统中无论转速高低,转差功率的消耗基本不变,因此效率最高。上述的第两种调速方法属于此类。变极对数调速是有级调速,应用场合有限。只有变频调速应用最广,可以构成高动态性能的交流调速系统,取代直流调速,最有发展前途。1.2变频调速技术发展方向交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术。既要处理巨大电能的转换(整流、逆变),又要处理信息的收集、变换和传输,因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电
13、力电子器件的应用技术问题,后者要解决(基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略)的硬、软件开发问题(在目前状况下主要全数字控制技术)。其发展的趋势大致为:(1)主控一体化。将功率芯片和控制电路集成在一块芯片上使逆变功率器件和控制电路达到一体化、智能化和高性能化的HVIC(高耐压IC)、SOC(System on Chip)的概念已被用户接受,随着功率做大,此产品在市场上极具竟争力。(2)小型化。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度,功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成为重要原因。ABB公司将小型变频器定型为Comp- ACTM,他向全球发布的全新概念是,小功率变频器应当象接触器、软起
14、动器等电器元件一样使用简单、安装方便、安全可靠。(3)低电磁噪音设计。变频器要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准,主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路,改善输入电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式,这种开关控制方式在3050MHz时的噪声可降低1520dB。(4)基于电动机和机械模型的控制策略,有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等;基于现代理论的控制策略,有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器,在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等;
15、基于智能控制思想的控制策略,有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。(5)数字控制。以高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各控制算法。1.3课题研究的目的和意义交流调速在国民生产中占有举足轻重的地位,甚至于直接影响我国的经济发展,变频技术作为高新技术、基础技术和节能技术,已经渗透到经济领域的大多数技术部门中,我国现在正大力发展和推广变频调速技术,努力缩小和世界先进水平的差距,使之向规模化、自主化、标准化发展。变频调速已具备相应的理论与实际基础,因此研究本课题可以对交流变频调速有一个更全面深刻的理解,通过本课题的研究可以更好的掌握变频调速技术。变频调速正在逐
16、步地成为电气传动的中枢。它取代着变极调速、滑差调速、整流子电机调速、液力耦合器调速、串级调速及直流调速。交流变频调速的优异特性:调速时平滑性好,效率高。低速时,特性静关率较高,相对稳定性好;调速范围较大,精度高;起动电流低,对系统及电网无冲击,节电效果明显;变频器体积小,便于安装、调试、维修简便;易于实现过程自动化。正是因为交流变频调速有着如此突出的优异性,使得变频调速在当今有着强劲的发展势头,因此本课题的研究也有重要的实际意义和社会意义。1.4课题研究的内容PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和截止,把直流电压变成电压脉冲系列,控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压目的,或者控制电压脉冲的宽
17、度和脉冲列的周期数以达到变压变频目的的一种控制技术。本论文研究利用PWM控制技术(通过控制电压脉冲的宽度和脉冲列的周期数而变压变频)采用Intel公司的一款专门为变频调速设计的16位的单片微机87C196MC对三相交流异步电动机进行调速。本设计主要研究的内容是:完成系统的整体设计,完成主电路的设计并进行元器件的选择,完成控制电路设计即87C196MC单片机及其外围控制设备;软件设计;系统的仿真调速并对结果进行分析。第二章 异步电动机的变频控制策略选择2.1 交流调速的基本方法 交流调速的基本方法有很多种,但它们都是来源于交流电机的转速公式。异步电机的转速公式为 (2.1)式中,同步转速,; 电
18、机的极对数; 转差率; 定子供电频率。因此,异步电机的调速方法可分为变极对数调速、变转差率调速和变频调速三种,其中变转差率的方法又可以通过调节定子电压、转子电阻、转差电压等方法实现。2.2变频调速变频调速是一种典型的交流电动机调速方法,它既适用于异步电动机,也适用于同步电动机。交流电动机采用变频调速技术不仅能够实现无级调速,而且可以根据负载的不同,通过适当调节电压和频率的关系,使电机始终在高效率区运行,并且保证良好的动态性能。在异步电动机的调速系统中,变压变频调速系统是控制性能最好,效率最高的系统。在变压变频调速系统中,当改变电动机的转速时,必须同时调节定子电源的电压和频率,在这种情况下,机械
19、特性基本上是平行移动的,而转差功率不变,它是当前交流调速的主要发展方向。最早的变压变频技术采用旋转变流机组作为电源,现在随着电力电子开关器件的迅速发展,各种静止式的变压变频装置的应用占据了绝对主导地位。变频调速的原理框图如图(2.1)所示。图2.1 变频调速的原理框图控制器根据转速的给定值和反馈量(开环控制和无速度传感器控制时可无转速传感器)运用相应的控制算法控制逆变器中功率器件的关断时序。恒压恒频的二相交流电通过逆变器产生电压和频率均可变的三相交流电,供给交流电机的定子,以实现平滑的交流电机调速。多数情况下把控制器与逆变器合二为一称为变频器。2.3 异步电机变频调速的各种控制方式分析2.3.
20、1 异步电机变频调速原理在电动机调速时,一个重要的因素是希望保持每极磁通量为额定值不变。磁通太弱没有充分利用电机的铁心,是一种浪费;若要增大磁通,又会使铁心饱和,从而导致过大的励磁电流,严重时因绕阻过热而损坏电机。对于直流电机,励磁系统是独立的,只要对电枢反应的补偿合适,保持中、不变是很容易做到的。在交流异步电机中,磁通是定子和转子磁势合成产生的,怎样才能保持磁通恒定是需要认真研究的。三相异步电机定子每相电动势的有效值是 (2.2)式中气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值,单位为V;定子频率,单位为Hz;定子每相绕组串联匝数;基波绕组系数;每极气隙磁通量,单位为(Wb);由上述公式可知,只要
21、控制好和,便可达到控制的目的,对此,需要考虑基频(额定频率)以上和以下两种情况11。(1)从基频向下变频调速 保持降低频率调速,保持,则=常数,是恒磁通控制方式在这种变频调速过程中,电动机的电磁转矩为 (2.3) 式中式保持气隙每极磁通为常数变频调速时的机械特性方程。根据该方程可以分析其最大转矩及相应的转差率。最大转矩处,对应的转差率为,即 (2.4) (2.5)可推算出 (2.6)把式(2.6)带入式(2.3)得 (2.7)其值为常数,式中为转子静止时转子一相绕组漏电感系数折合值;。最大转矩处的转速降落为 (2.8)其值为常数从中可以看出,当改变频率时,若,最大转矩=常数,与频率无关,并且最
22、大转矩对应的转速降落相等,也就是不同的频率的各条机械特性是平行的,硬度相同。根据式(2.3)画出保持恒磁通变频调速的机械特性,这种调速方法与他励直流电动机降低电源电压调速相似,机械特性较硬,恒磁通调速属于恒转矩调速。在一定的静差率要求下,调速范围宽,而且稳定性好。由于频率可以连续调节,因此变频调速也为无级调速,平滑性好。另外,电动机在正常负载运行时,转差率较小,因此转差功率较小,效率较高。图2.2 保持常数时,变频调速的机械特性 保持当降低电源频率时,保持,则气隙每极磁通,这时电动机的最大电磁转矩为 (2.9)由上式可看出,保持,当减少时,最大转矩不等于常数。已知与成正比,与无关。因此,在接近
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