课程设计SPWM变频调速系统.docx

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课程设计SPWM变频调速系统

SPWM变频调速系统

摘要：

变频调速是交流调速中的发展方向。

变频调速也有多种方法，本文对目前研究领域相当活跃的正弦波脉宽调制技术（SPWM）的变频调速作了一定的研究，并进行了实践。

异步电动机的调速原理是研究控制算法的基石，因文首先介绍了异步电动机的调速特性，从而展开介绍SPWM变频调速的理论基础.包括变频调速控制思想的由来，控制方法的可行性。

变频调速的控制算法也有许多，本文对目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比控制，给出了完整的硬件电路设计和软件程序流程设计。

本文采用了Intel8OC196MC十六位单片机作为控制电路的CPU，采用该单片机的控制系统是本设计的硬件核心部分。

因此本文先简单的介绍此单片机与该设计相关的特性，继而介绍本系统的硬件设计和软件设计。

关键词:

变频器;恒压频比控制;正弦波脉宽调制:

8OC196MC单片机。

Abstract：

Variable-speeddrivesystemisthedirectionofACVariable-speeddrivesystem.Therearemanymodesforfrequency-variedspeed-regulated.Inthispaper,theauthorstudiedandanalyzedoneofthecontrolwaywhichisverysearchedbymanypeople,anditisaconstantvolts/hertzratiocontroltechnology

ThemathematicalmodelofACinductionmotoristhebaseofcontrolAlgorithmicforstudying.ThispaperintroducetheACinductionmotorfirstly,thenintroducethetheoreticalbaseofSPWMvariable-speeddrive.Thetheoreticalbasegivesitsideaandfeasibility.

Inthisdesign,thesinglechipmicorcomputer-80C196MCisused.Thismicrocomputerisverysuitableformotor'scontrolling.TheControlcircuitincluding80C196MCisthecoreofthissystem.TherearehardwareandsoftwareDesignsinthispaper.andthesoftwaredesignistheemphasis.

一绪论

本章作为引言，主要介绍了变频调速控制技术的发展和现状，SPWM变频技术的应用以及该课题的研究意义与价值，最后简要归纳了本课题的研究任务并对文章安排做了简要介绍。

1.1研究的现状

1.1.1引言

经过大约30多年的发展，交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流。

在电气调速领域内，可以相信在不久的将来交流调速将会完全取代直流调速传动。

现在要求性能较高的中、小容量的交流调速传动，主要使用电子式电力变换器对交流电动机进行变频调速。

除变频以外的另一些简单的调速方案，如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，它们只有在特定场合有一定的应用。

由于电力电子学和微电子技术的发展，使变频调速技术近年来获得了飞速的发展，各种变频调速控制方式、PWM脉宽调制技术以及MCU微处理器和以大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等均在变频调速中获得了成功应用。

SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列优点，是一种比较好的波形改善法。

它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。

SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。

根据生成SPWM波形的实现方式可以分为模拟控制和数字控制两种形式。

传统的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，但模拟控制也存在一些缺陷：

元件众多，设计周期长，调试复杂，不易管理维护等。

随着数字信号处理技术的蓬勃发展，数字控制技术已经成功地应用到电力电子与电力传动控制领域中来，逆变器的数字控制逐渐成为研究热点。

1.1.2变频调速发展的条件

a.电力电子器件的发展是变频调速发展的必要条件

在变频调速中主要有交一交变频和交一直一交变频，目前应用的最为广泛的是交一直一交变频，它的基本电路是:

先将电源的三相（或单相）交流电经整流桥整流成直流电，又经逆变桥把直流电逆变成频率任意可调的三相交流电。

实现逆变的逆变桥就是变频主电路的关键部件，它由六个开关器件组成，逆变的过程是这六个开关器件按一定的规律不停的导通和截止，这也就是实现变频的过程。

自从1957年第一支晶闸管（SCR）的发明，经过几十年的发展，力电子学，取得了惊人的进步，70年代出现了大功率晶体管（GTR）,90年代出现了大功率场效应晶体管（IGBT），它们在各个领域得到了广泛的应用。

逆变桥由使用半控型器件发展为使用全控型器件。

b.变频调速控制方式的发展促进了变频技术的应用与推广

本世纪70年代以后，电气传动各相关领域学科相继取得了巨大的突破，交流调速的控制方式发展因之突飞猛进，采用交流调速的场合正愈来愈多。

最初的变频调速是采用恒压频比控制方式，它根据异步电机简化等效电路确定的电压V和频率F的比值进行变频调速，电压是指基波的有效值.后来增加了电流环，称它为转差频率控制，改善了性能并且己经实用化。

但是系统只是从稳态公式推导出的平均值控制，完全不考虑过渡过程，因此系统的稳定性、启动及低速时的转矩动态响应存在难以克服的不足。

为了提高低频时电动机产生的转矩不足，通常采用提升电压以及随负载变化补偿定子绕组电压降的办法，用以增加变频调速的调速范围。

c.数字化技术的应用使变频器的实用化成为可能

但是全数字化控制技术在交流调速应用中性能的提高是个事实，上面所说的8XC196MC系列单片机就可以使用，但是性能不同，在设计系统时往往要考虑性价比，进行折中选择。

全数字控制的主要优点是:

1、控制精度高，数字计算机的精度和字长有关，变频器中使用8位、16位甚至32位微处理器，控制精度不断提高;2.稳定性好，由于控制信息是数字量，不会随着时间漂移，与模拟控制不同的是它没有温漂，不受环境的影响;3、可靠性高，微处理器采用大规模集成电路，系统中的硬件电路数量大为减少，因此故障率低;4、灵活性好，系统中硬件向标准化和集成化方向发展，可以在尽可能少的硬件支持下，由软件去完成复杂的控制功能。

适当的修改软件，就可以改变系统的功能或提高系统的性能;5、存储能力强，存储容量大，存放时间几乎不受限制，这是模拟系统不能比拟的，利用这一特点可在存储器中存放大量的数据或表格，利用查表法简化计算，提高运算速度;6、逻辑运算能力强，容易实现自诊断、故障记录、故障寻找等功能，使变频装置可靠性、可实用性、可维修性大大提高。

d.PWM技术的应用也加快了变频技术的发展

通过调节脉冲宽度和脉冲占空比来调节平均电压的方法，称为脉宽调制技术（PWM），如果脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律变化，便是正弦脉宽调制技术，简称为SPWM技术。

PWM技术是伴随着电力电子器件的发展而发展起来的，目前己趋于成熟。

PWM技术适应于很多技术领域，如直流斩波、谐波吸收、无功补偿和变频装置等。

PWM技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低谐波并减小转矩脉动。

同时也简化了变频器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应。

1.1.3变频器的发展方向

变频器（主要指通用变频器）从80年代到现在己经开始商品化，应用的领域也在不断的扩大，主要有以下几个方面:

（1）变频器容量不断扩大。

变频器的容量主要和它的开关器件的容量有直接影响，70年代中期，功率晶体管开始开发，到80年代采用功率晶体管的SPWM变频器的投产，随着元件容量的提高，变频器的容量不断提高，目前变频器的容量已经达到600KVA,400KVA以下的己经系列化。

（2）变频器结构的小型化。

变频器主电路中功率电路的模块化、控制电路采用大规模集成电路（LSI）和全数字化技术等一系列措施促进了变频电源的小型化。

（3）变频器的多功能化和高性能化。

电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化的方向发展，特别是微处理器的应用，以其精练的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器的多功能化和高性能化提供了可靠的保证。

日益丰富的软件功能使通用变频器的适应性不断加强，

1.2论文研究的目的和意义

在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义，电机调速性能的提高可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率，从而提高产品的质量和数量;对于风机、水泵负载，如果采用调速的方法改变其流量，节电效率可达20%-60%。

众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。

在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电机调速所垄断，这是和实际中交流电机的广泛使用是一对存在的矛盾，许多应用交流电机的设备为了达到调节被控对象的目的，只能采用物理的方法，例如采用风门，阀门控制流量等，这样浪费能源的问题就很突出，费用就大。

而且在采用直流调速的方面由于直流电机固有的缺点—换相器和电刷的存在，使得维修工作量大，事故率高，电机的大容量使用受到限制，在易燃易爆的场合无法使用，因此开发交流调速势在必行。

1.3本文主要内容和结构安排

本文主要内容是:

对变频调速系统控制电路的设计，控制器CPU采用Intel80C196MC单片机，对变频的控制算法进行分析与设计，采用恒压频比控制，

论文的主要结构安排为:

1、绪论，主要介绍交流调速系统的发展，变频技术的发展的条件，变频器控制系统的实现方式，变频器的发展方向等:

2、正弦脉宽调制技术（SPWM）的原理与控制实现，恒压频比控制，主要介绍恒压频比控制算法的理论基础和实现方案，主要介绍SPWM控制的原理、实现方法。

3、变频调速系统的硬件实现，包括变频调速系统控制电路CPU一Intel8OC196MC的简单介绍，主电路的设计法，控制电路硬件的实现，软件的设计。

5、结论问题与解决以及办本系统需要进一步完善的设想。

二恒压频比控制的SPWM变频系统的分析

本章是整个课题研究的技术理论基础。

主要分析了变频调速的基础知识，逆变的基本原理以及SPWM正弦脉宽调制波形发生原理等相关理论。

2.1变频调速基本原理

异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为

（2-1）

其中

为同步转速（r/min）

为定子频率，也就是电源频率（Hz）;

为磁极对数。

异步电机的轴转速为

（2-2）

其中s为异步电机的转差率，

由上面的公式可以看出，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。

在对异步电机调速时，希望电机的主磁通保持额定值不变。

任何电动机的电磁转矩都是磁通和电流相互作用的结果，主磁通小了，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降;主磁通大了，会使电动机的磁路饱和，并导致励磁电流畸变，励磁电流过大，严重时会使绕组过热损坏电机。

主磁通是由励磁电流产生的，两者之间的关系是由磁化特性决定的。

由电机理论知道，三相异步电机定子每相电动势的有效值为

.其中E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值