1、本科生毕业设计（论文）I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部分。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 构成键盘显示部分，键盘部分通
2、过 16 键键盘输入命令，09 为数字键、AF为功能键实现相应的功能；显示部分采用 8 位 8 段共阴极 LED 进行显示。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。本调速系统软件部分进行了系统主程序、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 PID 算法进行介绍，并用其进行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基础。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
3、电动机的变频调速系统。关键词：单片机；变频调速；HEF4752V；GTO本科生毕业设计（论文）IIAbstractIn this paper, A digital control of AC variable frequency drive system based on high carrier frequency PWM converter is developed. It uses the power GTO as main switch, the 16 bit single chip microcomputer 8098 as the control unit, the large-s
4、cale integration HEF4752V as PWM waveform generator.The advantages of HEF4752V are fully utilized. They are low consuming, programmable and high switching frequency. It forms the computer control component of the drive system with single chip microcomputer 8098. The GTO drive circuit uses HEF4752V d
5、river. The hardware is simplified, and system reliability is improved. The system based on keyboard control. Its keyboard constitutes with 8279 .There are 16 keys in keyboard part. Keys 09 are data-keys, AF are functional keys ，adopt 8 bit 8 total cathode LED displays. HEF4752V is designed specially
6、 for generating PWM signals, It is convenient to get various variable frequency variable speed PWM inverter-AC motor driver system, interrupt table power sources etc.The software is institute with main process, keyboard scan process, display process and high-down frequency control process. The PID c
7、ontrol is using equivalent area principle. It is high accuracy and easy to calculate. It designs protect system to make the system work well.The hardware, the control algorithm and the software of the control system are discussed, shows that the system works well. The real-time control performance o
8、f this system is good and electrical circuit is simple and reliable. It is preferable in the small and middle AC asynchronous motor frequency change-timing system.Key Words: Single chip microcomputer；Frequency change-timing；HEF4752V； GTO本科生毕业设计（论文）III目 录第 1 章 绪 论 .11.1 交流调速技术的发展概述 11.1.1 发展过程 .11.1.
9、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 发展前景 .71.3 论文的总体设计内容 8第 2 章 PWM 变频调速原理 92.1 异步电动机变频调速运行原理 92.2 PWM 的调制方式 102.3 变频器的构成与功能 112.3.1 主回路 .122.3.2 控制回路 .132.3.3 保护回路 .14第 3 章 硬件电路设计 .163.1 主回路 163.2 单片机控制系统 163.2.1 控制核心 8098 单片机最小系统 .173.2.2 8253 可编程定时/计数器 183.2.3
10、 键盘显示电路 .183.3 PWM 信号的产生 193.4 转速测量电路 233.4.1 M 法工作原理 .243.4.2 T 法工作原理 .243.4.3 M/T 法工作原理 253.5 保护电路 25第 4 章 软件设计 .27本科生毕业设计（论文）IV4.1 系统的工作过程 274.2 键盘显示原理 294.3 变频调速的 PID 控制 30第 5 章 系统调试 .335.1 系统调试 335.2 系统抗干扰措施 .335.2.1 硬件抗干扰措施 335.2.2 软件抗干扰措施 34第 6 章 结 论 .35参考文献 .36致 谢 .38附录 .39附录 .52附录 .54附录 .58
11、本科生毕业设计（论文）1第 1 章 绪 论1.1 交流调速技术的发展概述1.1.1 发展过程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 世纪的大部分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较成熟，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发展，使得人们长期
12、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，结构简单，运行可靠，使用寿命长，维护方便，且价格比相同容量的直流电动机低。早在 20 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发展，交流调速得以迅速发展。1971 年伯拉斯切克（F.Blaschke）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
13、的转矩表达式为 T=CT Ia，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 900正交关系，在电路上互不影响，可以分别进行调节。而交流异步电动机的转矩表达式为 T=CTm I2cos 2 ，其中 CT是异步电动机转矩系数气隙有效磁通m 与转子电流 I2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 I2不仅与 m 有关，且还与转差率 s（或转速 n）有关（因为 ） ，这也是2rsxactg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 I1 分解成磁场定向坐标的磁场
14、单六分量 I1M 和与之相垂直的坐标转矩电流 I1T，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，就与直流电动机相同了。本科生毕业设计（论文）2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，才使硬件电路规范化，从而降低了成本，提高了控制系统的可靠性。继矢量控制技术发明之后，又相继提出了直接转矩控制、标量解耦控制等方法，均能达到良好的动态性能，这表面，交流调速系统完全可以与直流调速系统相抗衡、相媲美。1.1
15、.2 交流调速系统分类我们知道交流电机包括异步电机和同步电机两大类。对交流异步电动机而言，其转速为：（1-min)/(160rspfn1）从转速可以知道改变电动机的极对数 p、改变定子供电频率 f 以及改变转差率 s 都可达到调速的目的。对同步电机而言，同步电机转速为：（1-in)/(601rpfn2）由于实际使用中同步电机的极对数 p 固定，因此只有采用变压变频（VVVF）调速，即通常说的变频调速。交流调速系统分类如下：本科生毕业设计（论文）3交流调速异步电机调速同步电机调速：变频调速转差功率不变型调速系统转差功率回馈型调速系统：串级调速系统转差功率消耗型调速系统电磁转差离合器调速系统变电压
16、调速系统晶闸管串级调速系统机械串级调速系统电气串级调速系统交-交变频器调速交-直-交变频器调速变频调速变极对数调速绕线式异步电机转子串电阻调速系统自控变频调速系统他控变频调速系统图 1.1 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，也是最有发展前途调速系统。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，不论转速高低，转差功率基本保持不变，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
17、交-交变频器调速和交-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，转差功率中一小部分被消耗掉，而余下的大部分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
18、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
19、节，则可 大大节约电本科生毕业设计（论文）4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%，节电效果十分明显。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止位置精度、提高生产线速度控制精度而采用有反馈装置的流量控制来实现自动化；又如生产将时，为了实现最佳速度控制及协调生产线内各部分的速度，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动机结构简单、工作可靠、维修方便、效
20、率高、成本低，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达到 1214MW，最高电压在 1000V 左右，最高转速只能达到 3000r/min。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。并且由于结构上的原因，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。1.2 器件技术与交流调速系统1.2.1 电力电子器件20 世纪 50 年代发明了晶闸管，它标志着以
21、固态器件为基础的电力电子学革命的开始，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、集成化以及节能化发展。各种电力电子器件如图所示。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，都是以半导体
22、 PN 结为基础的。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。本科生毕业设计（论文）5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 1kHz 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 5s 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
23、新似的的开始。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，使得晶闸管逐渐开始被全控型器件所取代。但是晶闸管能承受的电压和电流容量仍是目前电力电子器件中最高的，且工作可靠，故在特大容量的逆变装置中仍能占有比较重要的地位。三、全控型器件由前所述的可知，晶闸管是只能控制导通，不能控制关断的半控型器件，
24、因此人们就一直在致力欲研究开发功率大且能进行开通与关断的全控性器件，以便能用简单的控制电路实现复杂的变频装置。全控型器件有：门极可关断晶闸管（GTO ） 、电力晶体管（GTR） 、电力场效应管（P-MOSFET） 、绝缘栅双极晶体管（IGBT ） 、场控晶闸管（MCT） 、静电感应晶体管（SIT） 、静电感应晶闸管（SITH） 。1.门极可关断晶闸管（GTO）门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off-Thyristor，GTO）是晶闸管的一种派生器件，它可以用以正脉冲电流导通，并且可以通过在门极施加负脉冲电流使其关断，属电流控制的全控型器件。它既具有晶闸管耐高压、通过电流控制的全控型器件。
25、它既具有晶闸管耐高压、通过电流大、耐浪涌能力强及造价低的优点；又具有电力晶体管 GTR 的自关断能力，且工作频率高、控制功率小、线路简单、使用方便。因此是比较理想的开关器件，在兆瓦级以上的大功率电压逆变器和大功率自换相电流型逆变器中有较多的应用，并广泛用于机车牵引、交流电机驱动等装置中。四、功率模块（Power Module）和功率继承电路（PIC ）将多个形态的电力电子器件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在本科生毕业设计（论文）6一个模块中，之中模块被称为功率模块（Power Module） 。模块化是电力电子器件研制和开发的新趋势，它能使电力电子装置体积减小，节省材料使得成本降低，
26、且可靠性提高、使用方便。将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测及自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，则称为功率集成电路（Power Integrated CircuitPIC） 。功率集成电路的结构如图 1.2 所示。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口，其具有广泛的应用前景。微机 检测电路驱动电路传感电路接口电路保护电路 负载功率芯片图 1.2 功率集成电路的结构框图五、现代电力电子开管器件性能比较及应用范1.性能比较前面介绍的各种电力电子开关器件，它们的性能各不相同，且每种开关器件的性能也就随着电力电子技术的发展而不断地发展，关于它们的性能比较如表1.1 所
27、示。表 1.1 电力电子开关器件的性能表器件指标GTO GTR VMOSFET IGBT STI SIT MCT 备注电压耐压（V）9000 1400 1000 4500 1500 4500 4500指目前应用器件的最高值电流通量（A）9000 800 700 2500 200 2200 4000指单个器件或模块的最大额定通流量浪涌电 10Ie 3Ie 5Ie 5Ie 5Ie 10Ie Ie 指单只器本科生毕业设计（论文）7流（A）件的最大额定通流量驱动方式电流 电流 电压 电压 电压 电压 电压驱动功耗中等 高 低 低 低 中等 低开关时间（us）几十 10 0.3 1 0.1 3 3开关频
28、率（H Z）10k 50k 20M 150k 100M 100k 50k指关断时间toff 的典型值dv/di耐量低 中等 高 高 高 高 很高di/dt耐量低 中等 高 高 高 中等 很高最高结温（ 0C）125 150 200 200 200 200 200指此类器件的最 高抗辐射性能力很差 差 中等 中等 好 好 中等制造工艺复杂 复杂 很复杂 很复杂 很复杂 很复杂 很复杂使用 难 较难 很容易 中等 容易 容易 容易2.应用范围由于各种电力电子开关器件的电流容量和开关速度各不相同，因此它们的应用范围也不尽相同。1.2.2 发展前景交流调速系统的发展实际上是依赖于微电子学、电力电子技术
29、、计算机控制、现代控制理论和逆变技术的发展及交流电动机制造技术的发展的。新的控制理论本科生毕业设计（论文）8的提出和电力电子器件技术、计算机控制技术的迅速更新是推动交流调速系统不断发展的动力。交流调速系统的发展前景可概括如下。一、研制各种新型的开关元件和储能元件以及模块，目前，电力电子期间正在向大功率化、高频化、模块化及智能化发展，这也是今后功率器件主要发展方向。 二、交流调速系统中应用最广也是最有发展前途的是变压变频调速，而要实现变压变频调速度就离不开变频技术。在全控型高频率开关器件组成的脉宽调制（PWM）逆变器取代了以普通晶闸管构成的方波形逆变器之后，正弦脉宽调制（SPWM）逆变器及其专用
30、芯片得到了普遍的应用。同时，磁通跟踪型 PWM逆变器由于控制简单、数字化方便，亦呈现出取代传统 SPWM 的趋势，虽然随着器件开关频率提高，并借助于控制模式的优化来消除指定谐波使 PWM逆变器的输出波形非常逼近正弦波，但在电网侧，由于电流谐波分量大，总功率因数仍很低，因此消除对电网的谐波污染，并提高功率因数人是变频技术不可回避的问题。近年来研究车的谐振型逆变器是一种新型软开关逆变器，由于应用谐振技术使功率开关在零电压和零电流下进行开关状态转换，使开关损耗几乎为零，这种逆变器效率高、体积小、质量轻、成本低，是很有发展前景的逆变器。三、推广微型计算机在交流调速系统中的应用。数字化技术能实现更复杂的
31、控制，使调速系统的硬件简化、成本降低、精度提高 ，可靠性更高。数字化已成为交流调速系统控制技术的发展方向。四、引入新的控制思想和理论。矢量控制理论解决不了交流电动机的转矩控制问题，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代；直接转矩控制方法免去了矢量变换的复杂计算，使控制结构简单，便于实现数字化。随着现代控制理论的发展，线性解耦控制、人工神经网络自适应控制及模糊控制等新的控制策略不断涌现，必将给交流调速带来更美好的前景。1.3 论文的总体设计内容“单片机控制的交流变频调速系统”主要是用单片机实现对整个变频调速系统的检测、控制和保护等工作。可应用于风机、水泵、交流电梯等许多设备中。设计具体内容：一、件
32、电路设计1、单片机系统、整流电路2、逆变器电路本科生毕业设计（论文）93、PWM 模块、检测保护电路4、转速测量电路二、软件部分程序设计1、控制算法子程序2、升降频控制子程序3、显示键盘子程序本科生毕业设计（论文）10第 2 章 PWM 变频调速原理2.1 异步电动机变频调速运行原理三相异步电动机的转速公式为: （2-)1(60spfnm1）式中: 异步电动机定子电压供电频率、 mf异步电动机的磁极对数 1ps 异步电动机的转差率由转速公式（2-1）可知, 我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。前两种方法转差损耗大，效率低，对电机特性都有一定的局限性。变频调速是通过改
33、变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽(10% 100%)和精度高等性能，节电效果 20%30%。实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。因为由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率和磁通乘积成正比，即： UE=C 1f （2-2） 式（2-2 ）中， C1 为常数，因此有： E/fU/f （2-3） 若外加电压不变，则磁通 随频率而改变，如频率 f 下降，磁通 会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压
34、协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电机产生最大转矩不变，需要维持磁通不变，这可由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速(VVVF)，简称变频调速。 从结构上看，静止变频调速装置可分为交-直-交变频、交-交变频两种方式。前者适用于高速小容量电机，后者适用于低速大容量拖动系统。只要设法改变三相交流电动机的供电频率 f, 就可以十分方便地改变电机的转速 n, 比改变极对数p 和转差率 s 两个参数简单得多。特别是近二十多年来 ,静态电力变频调速器突飞本科生毕业设计（论文）11猛进的发展,使得三相交流电机变频调速成为当前电机调速的主流。2.2 PWM 的调制方式在一个调制信号
35、周期内包含的三个载波的个数称为载波频率比。在变频过程中，既调制信号周期变化过程中，载波个数不变的调制称为同步调制，载波个数相应变化的调制称为异步调制。一、同步调制在改变信号周期的同时成比例地改变载波周期，使载波频率与信号频率的比值保持不变。这种调制的优点是，在开关频率较低时可以保证波形的对称性。对于三相系统，为了保证三相之间对称，互差 1200相位角，统称取载波频率比为 3的整数倍。而且，为了保证双极性调制时没相波形的正、负半波对称，上述倍数必须是奇数，这样在信号波的 1800处，载波的正、负半周恰分布在 1800处的左右两侧。由于波形的左右对称，就不会出现偶次谐波问题。但是 这种调制，在信号
36、频率较低时，载波的数量显得稀疏，电流波形脉动大，谐波分量剧增，电动机的谐波损耗及脉动转矩也相应增加.而且,此时载波的边频带靠近信号波,容易干扰基波频率.另外,这种调制由于载波周期随信号周期连续变化而变化,在利用微机处理机进行数字化技术控制时,带来极大的不便,难以实现.二、异步调制在调制信号周期变化的同时,载波周期仍保持不变,因此,载波频率与信号频率之比随之变化.这种调制的缺点恰好是同步调制的优点,即如果载波频率较低,将会出现输出电流波形正.负半周不对称,相位漂移及偶次谐波等问题.三、分段同步调制对于 BJT 和 GTO 之类开关频率不高的功率器件,单使用同步调制或异步调制都有失偏颇,此时多采用
37、分段同步调制.即在恒转矩区的低速段采用异步调制,高速段采用同步调制;而在恒功率区索性使用方波,以期待获得较高的输出电压,如图 2.1 所示.图中 N 为载波频率比,且都是 3 的奇数倍 , fN 为基准频率.分段同步调制使得开关频率限制在一定的范围内,而且载波 频率变低后,在载波频率比为各个确定值的范围内,可以克服异步调制的缺点,保证输出波形对称.N 的切换应注意两点:1、不出现电压的突变.2、在切换的各临界点处设置一个滞环区,以免在输出频率恰落在切换点附近时造成载波频率反反复复变换不定的所谓振荡现象.分段同步调制的缺点是,N 值切换时可能出现电压突变甚至振荡.本科生毕业设计（论文）12恒功率
38、区方波恒转矩区异步 同步N=69N=45 N=33 N=21f/fN1.050.51.0N12.0图 2.1 PWM 的分段同步调制2.3 变频器的构成与功能变频器的基本构成如图 2.2 所示，它由整流、滤波、逆变及控制回路等部分组成。交流电源经整流、滤波后变成直流电源，控制回路有规则地控制逆变器的导通与截止，使之向异步电动机输出电压和频率可变的电源，驱动电动机运行，整个系统是开环的。整流器 逆变器储能元件控制回路M33变频器交流电源电压、电流、频率图 2.2 变频器的基本构成对于速度精度和响应快速行要求叫高的系统，采用图的开环系统还不够，还需要由变频器主回路及电机侧检测反馈信号，经运算回路综
39、合后控制触发回路，本科生毕业设计（论文）13此时的系统是闭环的。整体框图如图 2.3 所示。控制指令来自外部的运行机灵。下面说明回路、控制回路和保护功能。电源控制回路 电压/电流检出回路运算回路PWM 生产及驱动控制回路 A运行指令保护回路控制回路 B控制指令转速检测回路主回路 M3U1，I1，f1速度检测器图 2.3 变频器的指令与控制2.3.1 主回路给异步电动机提供调频调压电源的电力变换部分，称为主回路。图示出典型的电压型变频器一个例子。如图所示，主回路由三部分构成：将工频电源变换为直流电源的“整流器” ；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路” ，也是储能回路；将直流功率变
40、换为交流功率的“逆变器” 。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动单元” 。一、整流器 近来大量的使用的是如图所示的二极管整流器，它把工频电源变换为直流电源，电功率的传送是不可逆转的。如果利用两组晶闸管整流器构成可逆整流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生制动运行，此时称此整流器为交流器。二、滤波回路 在整流器整流后的直流电压中，含有六倍低电源频率的脉动电压，此外，逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采用直流电抗器和电容器吸收脉动电压（电流） 。装置认领较小时，如果电源输出阻抗和整流器容量足够时，可以省去直流电抗器而采用简单的阻容滤波回路。本科生毕业设计（论文
41、）14三、逆变器 同整流器相反，逆变器的作用是在所确定的时间里有规则地使六个功率开关器件导通、关断，从而将直流功率变换为所需电压和频率的交流输出功率。四、制动单元 异步电动机在再生制动区域（第二象限）运行时，再说能量首先储存在储能电力电容器中，使直流电压升高。一般来说，由机械系统（含电动机）惯量所积蓄的能量比电容器能储存的能量大，中、大功率系统需要快速制动时，必须用可逆变流器把再说能量反馈到电网侧，这样节能效果更好，或设置制动单元（开关管理和电阻） ，把多余的再说功率消耗掉，以免支流回路电压的上升超过极限值。五、异步电动机的四象限运行 异步电动机根据负载种类的不同，其旋转方向和转矩方向是不同的
42、，必须根据负载种类构成适当的主回路。2.3.2 控制回路一、控制回路的构成1、运算回路 将外部的转速、转矩等指令同检测回路的电路的电流、电压信号进行比较运算，决定变频器的输出电压、频率等。2、电压/电流检测回路 检测主回路电压、电流等，检测方法示于下表 2.1表 2.1 检测方式项目 方式 特点电流互感器 只能检测交流分流器 交直流两用，需要隔离放大器电流检测霍尔传感器 交直流两用，有温度漂移电压互感器 只能检测交流电压检测电阻分压 交直流两用，需要隔离放大器3、驱动回路 为驱动主回路功率开关器件的回路。它与控制回路隔离，使主回路功率器件导通关断。4、速度检测回路 在异步电动机轴上装上转速检测
43、器（TG、PG 等）检测转速信号并送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令转速运转。5、保护回路 检测主回路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，停止变频器工作或抑制电压、电流值，以防止变频器和异步电动机损坏。二、模拟控制与数字控制 由于 LSI 技术的迅速发展，数字控制的应用增加了。使用常规 LSI 或微机控制，具有可靠、高性能、多功能等优点。数字控制在本科生毕业设计（论文）15调整、稳定性、精度等方面均优于模拟控制。2.3.3 保护回路变频起控制回路中的保护回路，可分为变频器保护和异步电动机保护两种。一、变频器保护1、瞬时过电流保护 由于变频器负载侧短路等，流过变频器元器件的电流
44、达到异常值（超过允许值）时，立即停止变频器工作，切断电流。变频器的输出电流达到异常值时，也同样停止变频器运行。2、过载保护 变频器输出电流超过额定值，且连续流通超过规定时间，为了防止变频器内元件、电线等损坏，必须停止运行。通常采用热继电器或者电子热保护（使用电子回路） ，这种保护具有反时限特性。过负载是由于负载的飞轮力矩 GD2 过大或因负载超过变频器容量而产生。3、再说过电压保护 采用变频器使电动机快速减速时，由于再生功率引起直流电路电压声高，有时超过允许值。可以采取减缓电动机减速率或停止变频器运行的办法，防止产生过电压。4、瞬时停电保护 对于毫秒以内的瞬时停电，控制回路仍工作正常。但瞬时停
45、电如果达数十毫秒以上时，通常不仅控制回路误动作，主回路也不能供电，此时应在检测停电后使停止运行。5、对地过电流保护 由于意外原因造成变频器负载侧接地时，为了保护变频器，要有对地电流保护功能。为了确保人身安全，还需要装设漏电继电器。6、冷却风机异常 有冷却风机的装置，当风机异常时排风受阻，装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或在元件散热器上装传感器监视温度，发现异常后停止变频器运行。在温度上升很小对运行无妨碍的场合，可以省略。二、异步电动机的保护1、过载保护 过载检测装置与变频器保护共用，特别是低速运行时，通过异步电动机内埋入温度检测器，或者利用装在变频器内的电子热保护来检测过热。启停动作频繁
46、时，应考虑减轻电机负载或增加电机及变频器容量等。2、超频（超速）保护 变频器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止变频器的运行。三、其他保护1、过电流失速保护 急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护回路将动作。若使变频器输出频率暂时保持不变或使之下降，短时间里以抑制电流的增大。当异步电动机加速后，负载电流开始减小，变频器的输出频率又升高，使电机继续加速，从而避免发生过流保护，造成停机，称此为过流本科生毕业设计（论文）16失速保护。对于恒速运行中的过电流，有时也要进行同样的控制。2、再说过电压失速保护 减速时产生的再生能量会使主回路直流电压上升，为了防止再生过电压，保护回路动作
47、。在支流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止因过电压起保护而停机，称洗为再生过电压失速保护。本科生毕业设计（论文）17第 3 章 硬件电路设计3.1 主回路主电路主要由整流电路、滤波电路及逆变电路组成。为简化控制电路，减少谐波，整流电路采用三相不可控全桥整流。系统的调压调频均由逆变电路承担，逆变电路开关器件全部采用 GTO。由于异步电机为感性负载，且在 PWM 方式下，GTO 频繁通断，必将产生较大的瞬时过电压，因而在 GTO 上并联由 Rs、D s 和Cs 构成的缓冲电路是必不可少的，它不仅起保护作用，而且还起到换流和提高GTO 阳极关断电流的使用，因此它的参数设计，元件选择乃至线路布
48、置都具有重要作用。图中 L0 为抑制 di/dt 电感。主电路中 R1C1 组成的星形网络接在交流输入端，目的是吸收过电压、滤去高次谐波；R 2C2 为抑制直流侧过电压的阻容保护电路；L d、C d 为直流侧的滤波环节；同理 C3 组成的星形网络接在输出端，使输出到电动机的电压和电流接近正弦波。图 3.1 主控回路3.2 单片机控制系统单片机控制系统由 MCS98 单片机最小系统加上外围扩展电路构成，最小系统的程序存贮器 ROM 采用 2764。为了使预置参数关机不丢失，外围扩展了一片 E2PROM 2864A，显示及键盘电路与单片机的接口则采用专用接口芯片 8279；1 2 3 4 5 6A
49、BCD654321DCBA TitleNumber RevisionSizeBDate: 6-Jun-206 Shet of File: E:pmoMyDesign2.db Drawn By:D1D2D3D4D5D6R2R3C3CAPH0 01122 33LA50-NPRES2 32 184ARES2RES2VCVCVCVCVCRES2PN DIODERES2RES2RES2POT2RES2VC VCVCVC1243Q817VCEA/VP31 X119X218 RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P12 P123P134 P145 P156P167 P178P0 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 3P07 32P20 21P21 2P2 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P 30TXD1RXD 108098D03 Q0 2D14 Q1 5D27 Q2 6D38 Q3 9D413 Q4 12D514 Q5 15D617 Q6 16D718 Q7 1
