[毕业设计]PWM交流变频调速系统.doc

本科生毕业设计（论文）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电动机的变频调速系统。关键词：单片机；变频调速；HEF4752V；GTOAbstractIn 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-scale 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 driver. 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 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 control 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 of 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11.1.2 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 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274.1 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58IV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。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。1.1.2 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： （1-1）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： （1-2）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：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。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，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。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，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所示。表1.1 电力电子开关器件的性能表器件指标GTOGTRVMOSFETIGBTSTISITMCT备注电压耐压（V）9000140010004500150045004500指目前应用器件的最高值电流通量（A）9000800700250020022004000指单个器件或模块的最大额定通流量浪涌电流（A）10Ie3Ie5Ie5Ie5Ie10IeIe指单只器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）几十100.310.133开关频率（HZ）10k50k20M150k100M100k50k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）125150200200200200200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、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、 件电路设计1、单片机系统、整流电路2、逆变器电路3、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）式中: 异步电动机定子电压供电频率、 异步电动机的磁极对数 s 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=C1f （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.恒功率区方波恒转矩区异步同步N=69N=45 N=33 N=21f/fN1.050.51.02.0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，经运算回路综合后控制触发回路，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M3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。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，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检测电流互感器只能检测交流分流器交直流两用，需要隔离放大器霍尔传感器交直流两用，有温度漂移电压检测电压互感器只能检测交流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。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。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、Ds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；R2C2为抑制直流侧过电压的阻容保护电路；Ld、Cd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；另外还扩展了一片可编程定时/计数器芯片8253，以提供PWM模块HEF4752V所需要的四个时钟信号。随机数据存贮器则采用8098片内RAM。本装置的单片机控制系统是整个变频调速系统的测控中心，通过键盘设置或修改系统运行及保护的参数，启动前，单片机对系统进行启动前检测，在保证电路电压、电流正常且无电流冲击的情况下才允许启动，正常运行时单片机在控制HEF4752V产生PWM信号的同时，还要完成对转速的检测，进行数字PI调节的运算及处理，监视系统的运行，若出现故障则进行保护处理，并根据检测结果显示相应的故障状态。3.2.1 控制核心8098单片机最小系统8098单片机是美国INTEL公司1988年推出的准16位单片机。它的内部是16位的，对外是8位数据接口，8098具有以下优点：1、16位CPU，加之232个片寄存器均可充当累加器，运算速度有明显地提高。2、4路10位A/D转换。3、可定时输入、输出的高速输入、输出口。4、8级中断，20个中断源。5、一个16位的程序监视寄存器，为排除故障提供了理想手段。鉴于以上的优点加上8098只有8位机的价格，选用它组成不太复杂的微机控制系统是比较理想的。8098组成的最小系统中，其中74LS373是地址锁存器，输出为低8位地址；2764为8k的EPROM，作为程序存储器；6264为8k的RAM，作为数据存储器。图3.2 8098控制系统3.2.2 8253可编程定时/计数器系统中的8253芯片8253是可编程序间隔定时器/计数器，8254是8253的改进型。主要特点是：1、有3个独立的16位计数器；每个计数器都可以按照二进制或者二-十进制计数；2、每个计数器输入频率最高可达2MHz；3、每个计数器都可以由程序确定按照6种不同的方式工作；4、所有的输入输出都与TTL兼容。8253的工作方式：1、方式0：计数结束中断 2、方式1：可编程频率发生器3、方式2：频率发生器 4、方式3：方波频率发生器5、方式4：软件触发的选通信号 6、方式5：硬件触发的选通信号图3.3 8253芯片3.2.3 键盘显示电路8279是INTEL公司生产的通用可编程键盘和显示器I/O接口芯片。利用8279，可实现对键盘/显示妻的自动扫描，并识别键盘上闭合键的键号，不仅可以节省CPU对键盘/显示器的造作时间，从而减轻CPU的负担，而且显示稳定，程序简单，不会出现误操作动作。由于这些优点，8279芯片日益被设计者所认可和采用。本系统采用了16个按键的配置，即10个数字键和6个功能键。数字键为09，功能键为R/S启动/停止，PIDPID参数设置键，SPEED惦记转速设置键，ENTER设置确认键，P/N正反转控制键，RESET系统复位键。SL0SL2接译码器74LS138的输入端，译码器的输出Y0、Y1作为键盘行扫描线，查询线则由反馈输入线RL0RL7提供。为了能够精确的显示PID参数、电机转速等系统参数，以及能够详尽地描述系统启动，制动等运行状态。本系统采用8位8段共阴极LED显示器。LED的位选线由扫描线SL0SL2经38译码器、驱动器提供；段选线OUTB0OUTB3，OUTA0OUTA3通过驱动器提供。8279的中断请求信号IQR经过反向器与8098的INT1相连。ALE作为8279的时钟信号直接连到其CLK端，由8279设置适当的分频数，分频至100kHZ。P0口作为数据线，用于向8279写入显示字、控制字以及读回按下键的键值。WR、RD是读/写控制线，CS作为8279的片选信号。图3.4 键盘显示电路3.3 PWM信号的产生HEF 4752V是英国Mullard公司生产的用来产生正弦脉宽调制(PWM)控制信号的全数字化集成电路。HEF4752V是全数字化的三相SPWM波生成集成电路。这种芯片既可用于有强迫换流电路的三相晶闸管变频器，也可以用语全控型开关器件构成的变频器。它的驱动输出经隔离放大后，可驱动GTO和GTR逆变器，在交流变频调速中作控制器件。其引脚如图3.5所示。 图3.5 HEF4752芯片主要特点如下：1、能产生三对相位差120的互补SPWM主控脉冲，适用于三相桥结构的逆变器； 2、采用多载波比自动切换方式，随着逆变器的输出频率降低，有级地自动增加载波比，从而抑制低频输出时因高次谐波产生的转矩脉冲和噪声等所造成的恶劣影响。调制频率可调范围为0100Hz，且能使逆变器输出电压同步调节；3、为防止逆变器上下桥臂直通，在每相主控脉冲间插入死区间隔，间隔时间连续可调。HEF4752V为28脚双列直插式标准封装DIP芯片，它有7个控制输入，4个时钟输入，12个驱动信号输出，3个控制输出。各管脚功能描述如表3.1所列。表3.1 HEF4752V管脚功能描述引 脚名 称功 能1OBC1B相换流开关信号12OBM2B相主开关信号23OBM1B相主开关信号14RCT最高开关频率基准时钟5CW电机换相控制信号6OCT推迟输出时钟7K选择互锁推迟间隔8ORM1R相主开关信号19ORM2R相主开关信号210ORC1R相换流开关信号111ORC2R相换流开关信号212FCT频率时钟13A复位输入控制14VSS接地端15B测试电路用信号16C测试电路用信号17VCT电压时钟18CSP电流采样脉冲19OYC2Y相换流开关信号220OYC1Y相换流开关信号121OYM2Y相主开关信号222OYM1Y相主开关信号123RSYNR相同步信号24L停止/启动系统25I选择晶体管/晶闸管模式26VAV平均电压27OBC2B相换流开关信号228VDD工作电压(10V)输入引脚功能1、输入引脚I用来决定逆变器驱动输出模式的选择，当引脚I为低电平时，驱动模式是晶体管，当引脚I为高电平时，驱动模式是晶闸管。2、输入控制信号引脚K和时钟输入引脚OCT共同决定逆变器每对输出信号的互锁推迟间隔时间。为防止逆变器同一桥臂的两只管子同时导通，互锁推迟间隔的长短和晶闸管模式下触发脉冲串的频率和宽度，见表3.2。表3.2互锁推迟间隔与触发脉冲的频率及宽度k互锁