PWM交流变频调速系统的设计.docx

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1、PWM交流变频调速系统的设计摘要本文设计的PWM交流变频调速系统采用GTO作为主功率器件，以16位单片机8098为控制核心，辅以正弦脉宽调制专用芯片HEF4752V配合而完成三相异步电动机的PWM交流变频调速系统。本调速系统充分利用了三相PWM集成芯片HEF4752V的低功耗、可编程、输出开关频率高等优点，与高能的16位单片机8098构成调速系统的微机控制局部。同时采用HEF4752V产生的GTO驱动电路，HEF4752V的使用不仅使得系统的硬件设计得到简化，而且还有助于提高系统运行的可靠性。该调速系统由8279构成键盘显示局部，键盘局部通过16键键盘输入命令，09为数字键、AF为功能键实现相

2、应的功能；显示局部采用8位8段共阴极LED进展显示。HEF4752V用于产生PWM信号，它能方便组成各种PWM逆变器-交流电机变频调速系统、不断电电源等。本调速系统软件局部进展了系统主程序、键盘扫描程序、显示程序以及升降频的控制程序等的设计，还对PlD算法进展介绍，并用其进展计算分析对本系统加以控制，为保证系统工作的可靠性，设计了多种保护电路和抗干扰措施。该变频系统的研究开发将有利于风机、泵类等传统传动机构的技术改造，为变频器的开发和研究打下根基。系统的实时控制性好，电路简单可靠，特别适用于中小功率的交流异步电动机的变频调速系统。关键词：单片机；变频调速；HEF4752V；GTO目录第1章绪论

3、11.1 交流调速技术的开展概述11.1.1 开展过程11.1.2 交流调速系统分类21.1.3 交流调速系统的主要应用领域31.2 器件技术与交流调速系统41.2.1 电力电子器件41.2.2 开展前景61.3 总体设计内容7第2章PWM变频调速原理82.1 异步电动机变频调速运行原理82.2 PWM的调制方式92.3 变频器的构成与功能102.3.1 主回路102.3.2 控制回路112.3.3 保护回路12第3章硬件电路设计133.1 主回路133.2 单片机控制系统133.2.1 控制核心8098单片机最小系统143.2.2 8253可编程定时/计数器143.2.3 键盘显不电路153

4、.3 PWM信号的产生163.4 转速测量电路193.4.1 M法工作原理193.4.2 T法工作原理193.4.3 M/T法工作原理203.5 保护电路20第4章软件设计214.1 系统的工作过程214.2 键盘显示原理214.3 变频调速的PID控制21第5章系统调试245.1 系统调试245.2 系统抗干扰措施245.2.1 硬件抗干扰措施245.2.2 软件抗干扰措施25第6章结论25附录I26附录Il35附录11136附录IV39第1章绪论1.1交流调速技术的开展概述1.11开展过程19世纪相继诞生了直流电动机和交流电动机，由于直流电动机转矩容易控制，因此它作为调速电动机的代表在10

5、世纪的大局部年代广泛地应用于工业生产中。直流调速系统具有起、制动性能好、调速范围广、静差小及稳定性好的等优点，晶闸管整流装置的应用更使直流调速在自动调速系统中占主导地位，相比交流电动机则只能应用于不变速的或要求调速性能不高的传动系统中。虽然直流调速系统的理论和实践应用比照成熟，但由于电动机的单机容量、最高电压、最高转速及过载能力等主要技术指标受机械换向的制约，限制了直流调速系统的开展，使得人们长期以来寻找用交流电动机替代直流电动机调速的方案，研究没有换向器的交流调速系统。交流电动机的主要优点是：没有电刷和换向器，构造简单，运行可靠，使用寿命长，维护方便，且价格比一样容量的直流电动机低。早在20

6、年代到30年代就有人提出用交流调速的有关理论来代替直流调速的有关理论，到60年代，随着电力电子技术的开展，交流调速得以迅速开展。1971年伯拉斯切克（EBlaschke）提出了交流电动机矢量控制原理，使交流转动技术从理论上解决了获得与直流转动相似的静、动态特性问题。矢量变换控制技术（或称磁场定向控制技术）是一种模拟直流电动机的控制。众所周知，调速的关键问题在于转矩的控制，直流电动机的转矩表达式为T=CTL,其中CT是转矩常数，磁通和电枢电流Ia是两个可以单独控制的独立变量，它们之间互成90正交关系，在电路上互不影响，可以分别进展调节。而交流异步电动机的转矩表达式为T=C,mhcos2，其中CT

7、，是异步电动机转矩系数气隙有效磁通m与转子电流L之间是既不成直角关系又不相互独立的两个变量，转子电流L不仅与m有关，且还与转差率S1或转速n）有关（因为0=,m）,这也是市交流电动机转矩难以控制的原因所在。为了获得与直流电动机相似的控制性能，矢量控制理论提出了坐标变换，即把交流电动机的定子电流Ii分解成磁场定向坐标的磁场单六分量Iim和与之相垂直的坐标转矩电流Iit,把固定坐标系与变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制即变为直流量的控制，就与直流电动机一样了。矢量控制理论的提出只解决了交流传递控制理论上的问题，而要实现矢量控制技术，则需要复杂的模拟电子电路，其设计、制造和调试均很麻烦，直到有了交

8、流调速Ij可以知道改变耳转差功率消耗达调速的目的。型调速系统出=3 l(rmin) (1-2)全控制大功率快速电力电子器件和微机控制之后，可以用软件来实现矢量控制的算法，才使硬件电路标准化，从而降低了本钱，提高了控制系统的可靠性。法，均能到达良好的动态在：转差功率厂变极对数调速：*三交交变频器调速电系统相抗衡、相媲美。不变型调Y速系统变频调速交-直交变频器调速1.1.2交流,6,r7我们知,异步电机调速j转差功率回馈型,电气串级调速系统A曰止小TunH-i照通异步电动机而后，调谏系统：串级其转速为：机械串级调速系统调速系统/7=1ID(晶闸管串级调速系统继矢量控制技术创造之UV如处提山7吉田吐

9、尔控则右导初押B制等方变电压调速系统“以及改变转差电磁转差离合器调速系统a-廿疗防、国、击差绕线式异步电机转子串电阻调速系统A，他控变频调理系统由于实F同步电机调用机的极对被宿囚凡K伯木HJ戈庄文网IVVVF)调速，即谶速：变频调速自控变频调速系统类如M图11变频调速系统的分类框图上述调速系统中，变频调速系统的静、动态特性能与直流调速系统媲美，实际应用中最为广泛，也是最有开展前途调速系统。一、异步电机调速系统1、转差功率不变型调速系统。这种调速系统中，转差功率是消耗在转子上的，不管转速上下，转差功率根本保持不变，因此效率高。变极对数调速和变频调速均属于此类，但变极对数调速是有级调速，应用受到限

10、制；而变频调速是无级调速，应用非常广泛。根据变频器的不同，变频器又分为交-交变频器调速和交一直-交变频器调速。2、转差功率回馈型调速系统。这种调速系统中，转差功率转换成热能被消耗，因此效率低，但系统简单，因此仍有一定的应用场合。3、转差功率消耗型调速系统。这种调速系统中，转差功率中一小局部被消耗掉,而余下的大局部则通过变流装置回馈给电网转化为机械能加以利用，并且转速越低，回馈底功率就越多，因此效率介于上述两类调速系统之间。二、同步电机调速系统1、他控变频调速系统。这种调速系统是用独立的变频装置给同步电动机提高变频电源的。2、自控变频调速系统。这种调速系统是电机轴上所带的转子位置检测器（BQ）来

11、控制变频装置脉冲时刻的。1.1.3交流调速系统的主要应用领域交流电动机在工业设备电器传动中应用十分广泛，据有关资料统计显示，我国在电网的总负荷中,动力负荷约占60%,其中异步电动机负荷约占总负荷的85%左右，因此对交流电动机的有效利用，在改善其运行性能、节约能源等方面，交流调速系统大有用武之地，其主要应用可归纳如下。一、以节能为目的工业企业大量使用的风机、水泵、压缩机类负载是用电动机拖动的，这类负载的用电量约占工业用电量的50%左右，其中有不少场合需要调节流量，但由于过去交流电动机本身不能调速，只得用闸阈、挡板、放空及回流等措施来实现调节风量和供水的流量，早成狠毒的电能浪费。如果把传统的调节流

12、量装置换成交流调速装置，采用改变电动机转速的方法来实现流量的调节，则可大大节约电能。据统计，改换交流调速装置后每台风机、水泵平均可节约电能20%,节电效果十清楚显。二、以实现自动化或提高产品质量、提高生产率为目的工业生活中有许多在工艺上需要调速的生产机械，例如为了提高搬运机械停顿位置精度、提高生产线速度控制精度而采用有反响装置的流量控制来实现自动化；又如生产将时，为了实现最正确速度控制及协调生产线内各局部的速度，使其同步、同速以提高产品质量和加工精度等等。这些生产机械需要高性能的调速装置，过去多采用直流传动。现代交流调速技术，完全能获得与直流调速系统同样的高动态性能。并且由于交流电动机比直流电

13、动机构造简单、工作可靠、维修方便、效率高、本钱低，因此在此领域内，交流调速可以与直流调速相竞争。三、用于特大容量的场合以及设备小型化为目的直流电动机的单机容量、最高转速、耐高压等问题都受换向器的限制，一般直流电动机单机容量只能到达1214MW,最高电压在100OV左右，最高转速只能到达3000rmin交流电动机单机容量、最高转速和耐高压各项指标源源膏腴直流电动机，因此在需特大容量或极高转速传动时，采用交流调速更为适宜。并且由于构造上的原因，在同等容量情况下，交流电动机比直流电动机体积小，质量轻，惯性小，能使设备小型化。12器件技术与交流调速系统1.2.1电力电子器件20世纪50年代创造了晶闸管

14、，它标志着以固态器件为根基的电力电子学革命的开场，从此，晶闸管的额定容量机器工作频率不断增长，使电力电子器件在调速系统中得到了广泛的应用。70年代后第二代全控型器件迅速反之，如门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应管、绝缘栅双极晶体管等，新一代的电力电子器件又产生了新一代的交流调速装置。20世纪80年代出现的功率集成电路代表了第三代电力电子器件，使电力电子装置向小型化、集成化以及节能化开展。各种电力电子器件如以以下列图。由于在电力电子技术课程中已对各种电力电子器件作了详细的介绍，这里就不再赘述了。一、电力二极管（不可控器件）电力二极管是不可控器件，它与信心电子电路中的二极管工作原理一样，都是

15、以半导体PN结为根基的。它既可以在交流-直流变换电路中作为整流元件，又可以在电感元件的电路需要适当释放的电路中作为续流元件，还可以在各种交流电路中作为电压隔离、箝位或保护元件。电力二极管有不同类型，常用的有：1、普通二极管。适用于开关频率不高（如IkHZ以下）的整流电路中。2、快恢复二极管。由于其具有恢复过程短，尤其是反向恢复过程很短（一般在5%以下）的特点，适用于逆变器的换相、续流等电路。3、肖特基势垒二极管。因其具有低导通电压和短开关时间特性，故适用于开关电路及高频设备中。二、晶闸管（半控型器件）世界上第一只晶闸管产品是1957年诞生的,它标志着电力电子崭新似的的开场。晶体管又称可控硅整流管，简称可控硅。它是半控型器件。由于其开通时间可以控制，晶闸管可作为用语直流传动的可控整流装置的主要元件，也可作为交流变压调速的交流调压装置的主要元件。因为它不能控制关断，用于交流变频调速的逆变器时，由于需配置强迫换相电路，会使设备复杂。因此，20世纪70年代后，各种具有自关断能力的全控型、高速型功率开关器件相继研制成功，使得晶闸管逐渐开场被全控型器件所取代。但是晶闸管能承受