毕业设计————SA868芯片三相异步电动机的变频调速.doc

摘摘 要要 SA868 是一种三相 SPWM 波形发生器 采用 SA868 构成的变频调速系统 具有低成本 电路简单 控制性能优良及高可靠性等特点 SA868 系列集成正 弦脉宽调制器 SPWM 能输出包含了波形 频率 幅值 旋转方向等信息 许多重要的运行参数 如 载波频率 最小脉宽 脉冲延迟时间 脉冲取消时 间等 可在器件初始化时设置 所以要改变运行状况 只要改变软件即可 在 硬件电路不便的情况下 通过设置改变波形参数 改变频率或逆变器的性能指 标 其设置灵活方便 可大大节约硬件成本 此芯片可提供多种保护特性 包 括只直流线路的过载保护 所有的 PWM 发生器都可以输出足够大的电流以直 接驱动隔离级的光耦合器 变频调速器是一种用来改变交流电频率的电气设备 此外 它还具有改 变交流电电压的辅助功能 过去 变频调速器一般被包含在电动发电机 旋转转换器等电气设备中 随着半导体电子设备的出现 人们已经可以生产完全独立的变频调速器 关键词 变频调速器关键词 变频调速器 SA868 1 目目 录录 摘 要 1 第 1 章 三相异步电动机 2 1 1 三相异步电动机的工作原理 2 1 1 1 定子旋转磁场产生的原理 2 1 1 2 旋转磁场的旋转方向 3 1 1 3 旋转磁场的旋转速度 3 1 1 4 异步电动机的转差率 3 1 2 三相异步电动机的调速方法 4 1 3 三相异步电动机的变频调速原理 6 第 2 章 主要元件介绍 8 2 1 专用芯片 SA868 8 2 2 SA868 应用连接图 10 2 3 SA868 芯片内部结构及工作原理 11 第 3 章 三相异步电动机变频调速系统的设计 12 3 1 主电路设计 12 3 2 控制电路设计 14 3 3 电源电路设计 14 结 论 16 参考文献 17 致 谢 18 2 第第 1 1 章章 三相异步电动机三相异步电动机 1 1 三相异步电动机的工作原理 当向三项定子绕组中通过入对称的三项交流电时 就产生了一个以同步转 速 n1 沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场 由于旋转磁场以 n1 转速旋转 转子导体开始时是静止的 故转子导体将切割定子旋转磁场而产 生感应电动势 感应电动势的方向用右手定则判定 由于导子导体两端被短路 环短接 在感应电动势的作用下 转子导体中将产生与感应电动势方向基本一 致的感生电流 转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用 力的方向用 左手定则判定 电磁力对转子轴产生电磁转矩 驱动转子 沿着旋转磁场方向 旋转 三相异步电动机工作原理为 当电动机的三项定子绕组 各相差 120 度电 角度 通入三项交流电后 将产生一个旋转磁场 该旋转磁场切割转子绕组 从而在转子绕组中产生感应电流 转子绕组是闭合通路 载流的转子导体在定 子旋转磁场作用下将产生电磁力 从而在电机转轴上形成电磁转矩 驱动电动 机旋转 并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同 1 1 1 定子旋转磁场产生的原理 旋转磁场 指磁场的轴线位置随时间而旋转的磁场 在三相异步电动机的定子铁心中放置三组结构完全相同的绕组 U1U2 V1V2 W1W2 各相绕组在空间互差 120 电角度 向这三相绕组中通 入对称的三相交流电 则在定子与转子的空气隙中产生一个旋转磁场 以两极电机即 2p 2 为例说明 对称的三相绕组 U1U2 V1V2 W1W2 假定为 集中绕组 三相绕组接成星形 并通以三相对称电流 iA iB iC 如动画演示 所示 假定电流的瞬时值为正时是从各绕组的首端流入 末端流出 电流流入 端用 表示 电流流出端用 表示 wt 0 时 iA 0 iB 为负值 即 iB 由末端 V2 流入 首端 V1 流出 iC 为正值 即 iC 由首端 W1 流入 末 端 W2 流出 电流流入端用 表示 电流流出端用 表示 利用右手螺旋定则可确定在 wt 0 瞬间由三相电流所产生的合成磁场方向 可见合成磁场是一对磁极 磁场方向与纵轴线方向一致 上方是北极 下 方是南极 wt 2 时 iA 为正最大值 即 iA 由首端 U1 流入 末端 U2 流出 iB 为 负值 即 iB 由末端 V2 流入 首端 V1 流出 iC 为负值 即 iC 由 W2 流入 3 W1 流出 可见合成磁场方向以较 wt 0 时按时针方向转过 90o 同理可画出 wt wt 3 2 wt 2 时的合成磁场 可看出磁场的方向逐步按 顺时针方向旋转 共转过 360o 即旋转一周 综上所述 在三相交流电动机定子上布置有结构完全相同在空间位置各相 差 120o 电角度的三相绕组 分别通入三相交流电 则在定子与转子的空气隙间 所产生的合成磁场是沿定子内圆旋转的 故称旋转磁场 1 1 2 旋转磁场的旋转方向 U 相 V 相 W 相绕组的电流分别为 iA iB iC 三相交流电的相序 A B C 旋转磁场的旋转方向为 U 相 V 相 W 相 顺时针旋转 若 U 相 V 相 W 相绕组的电流分别为 iA iC iB 即任意调换电动机两相 绕组所接交流电源的相序 旋转磁场的旋转方向为逆时针旋转 综上所述 旋转磁场的旋转方向决定于通入定子绕组中的三相交流电源的 相序 只要任意调换电动机两相绕组所接交流电源的相序 旋转磁场即反转 1 1 3 旋转磁场的旋转速度 两极三相异步电动机 即 2P 2 定子绕组产生的旋转磁场 当三相交流电 变化一周后 其所产生的旋转磁场也正好旋转一周 故在两极电动机中旋转磁 场的转速等于三相交流电的变化速度 即 n1 60f1 3000 转 分 四极三相异步 电动机 即 2P 4 定子绕组产生的旋转磁场 当三相交流电变化一周后 其所 产生的旋转磁场只旋转了半圈 故在四极电动机中旋转磁场的转速等于三相交 流电的变化速度的一半 即 n1 60 f1 2 1500 转 分 综上所述 当三相异步电动机定子绕组为 p 对磁极时 旋转磁场的转速为 n1 60f1 p 1 1 式中 n1 旋转磁场转速 又称同步转速 转 分 f1 三相交流电源的频率 赫 p 磁极对数 1 1 4 异步电动机的转差率 转差率 同步转速 n1 与转子转速 n 之差对同步转速之比值 用 S 表示 分析 n 和 n1 间的关系 1 当 n 0 转子切割旋转磁场的相对转速 n1 n n1 为最大 故转子中的感应 电动势和电流最大 2 当转子转速 n 增加时 则 n1 n 开始下降 故转子中的感应电动势和电流下 降 4 3 当 n n1 则 n1 n 0 转子导体不切割定子旋转磁场 故转子中没有感应 电动势 1 2 三相异步电动机的调速方法 三相异步电动机转速公式为 n 60f p 1 s 1 2 从上式可见 改变供电频率 f 电动机的极对数 p 及转差率 s 均可太到改变 转速的目的 从调速的本质来看 不同的调速方式无非是改变交流电动机的同 步转速或不改变同步转两种 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子 串电阻调速 斩波调速 串级调速以及应用电磁转差离合器 液力偶合器 油 膜离合器等调速 改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机 改变定子 电压 频率的变频调速有能无换向电动机调速等 从调速时的能耗观点来看 有高效调速方法与低效调速方法两种 高效调 速指时转差率不变 因此无转差损耗 如多速电动机 变频调速以及能将转差 损耗回收的调速方法 如串级调速等 有转差损耗的调速方法属低效调速 如 转子串电阻调速方法 能量就损耗在转子回路中 电磁离合器的调速方法 能 量损耗在离合器线圈中 液力偶合器调速 能量损耗在液力偶合器的油中 一 般来说转差损耗随调速范围扩大而增加 如果调速范围不大 能量损耗是很小 的 1 变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数 达到调速目的 特点如下 a 具有较硬的机械特性 稳定性良好 b 无转差损耗 效率高 接线简单 控制方便 价格低 有级调速 级差 较大 不能获得平滑调速 c 可以与调压调速 电磁转差离合器配合使用 获得较高效率的平滑调速 特性 本方法适用于不需要无级调速的生产机械 如金属切削机床 升降机 起 重设备 风机 水泵等 2 变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率 从而改变其同步转速的调速方法 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器 变频器可分成交流 直流 交流变频器和交流 交流变频器两大类 目前国内大都使用交 直 交变频器 其 特点 a 效率高 调速过程中没有附加损耗 5 b 应用范围广 可用于笼型异步电动机 c 调速范围大 特性硬 精度高 技术复杂 造价高 维护检修困难 本方法适用于要求精度高 调速性能较好场合 3 串级调速方法 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动 机的转差 达到调速的目的 大部分转差功率被串入的附加电势所吸收 再利 用产生附加的装置 把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用 根据转 差功率吸收利用方式 串级调速可分为电机串级调速 机械串级调速及晶闸管 串级调速形式 多采用晶闸管串级调速 其特点为 a 可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上 效率较高 b 装置容量与调速范围成正比 投资省 适用于调速范围在额定转速 70 90 的生产机械上 c 调速装置故障时可以切换至全速运行 避免停产 d 晶闸管串级调速功率因数偏低 谐波影响较大 本方法适合于风机 水泵及轧钢机 矿井提升机 挤压机上使用 4 绕线式电动机转子串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻 使电动机的转差率加大 电动机在 较低的转速下运行 串入的电阻越大 电动机的转速越低 此方法设备简单 控制方便 但转差功率以发热的形式消耗在电阻上 属有级调速 机械特性较 软 5 定子调压调速方法 当改变电动机的定子电压时 可以得到一组不同的机械特性曲线 从而获 得不同转速 由于电动机的转矩与电压平方成正比 因此最大转矩下降很多 其调速范围较小 使一般笼型电动机难以应用 为了扩大调速范围 调压调速 应采用转子电阻值大的笼型电动机 如专供调压调速用的力矩电动机 或者在 绕线式电动机上串联频敏电阻 为了扩大稳定运行范围 当调速在 2 1 以上的 场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的 调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源 目前常用的调压方式 有串联饱和电抗器 自耦变压器以及晶闸管调压等几种 晶闸管调压方式为最 佳 调压调速的特点 a 调压调速线路简单 易实现自动控制 b 调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中 效率较低 调压调速一般适用于 100KW 以下的生产机械 6 电磁调速电动机调速方法 6 电磁调速电动机由笼型电动机 电磁转差离合器和直流励磁电源 控制器 三部分组成 直流励磁电源功率较小 通常由单相半波或全波晶闸管整流器组 成 改变晶闸管的导通角 可以改变励磁电流的大小 电磁转差离合器由电枢 磁极和励磁绕组三部分组成 电枢和后者没有机 械联系 都能自由转动 电枢与电动机转子同轴联接称主动部分 由电动机带 动 磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分 当电枢与磁极均为静止时 如励 磁绕组通以直流 则沿气隙圆周表面将形成若干对 N S 极性交替的磁极 其 磁通经过电枢 当电枢随拖动电动机旋转时 由于电枢与磁极间相对运动 因 而使电枢感应产生涡流 此涡流与磁通相互作用产生转矩 带动有磁极的转子 按同一方向旋转 但其转速恒低于电枢的转速 N1 这是一种转差调速方式 变 动转差离合器的直流励磁电流 便可改变离合器的输出转矩和转速 电磁调速 电动机的调速特点 a 装置结构及控制线路简单 运行可靠 维修方便 b 调速平滑 无级调速 c 对电网无谐影响 d 速度失大 效率低 本方法适用于中 小功率 要求平滑动 短时低速运行的生产机械 7 液力耦合器调速方法 液力耦合器是一种液力传动装置 一般由泵轮和涡轮组成 它们统称工作 轮 放在密封壳体中 壳中充入一定量的工作液体 当泵轮在原动机带动下旋 转时 处于其中的液体受叶片推动而旋转 在离心力作用下沿着泵轮外环进入 涡轮时 就在同一转向上给涡轮叶片以推力 使其带动生产机械运转 液力耦 合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的 在工作过程中 改变 充液率就可以改变耦合器的涡轮转速 作到无级调速 其特点为 a 功率适应范围大 可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要 b 结构简单 工作可靠 使用及维修方便 且造价低 c 尺寸小 能容大 d 控制调节方便 容易实现自动控制 本方法适用于风机 水泵的调速 1 3 三相异步电动机的变频调速原理 从原则上讲 改变极对数 P 改变转差率 s 改变频率 f 都可以实现调速 对异步电机而言 以上三种方式虽都可以采用 但变极对数的调速是有级调速 不能实现平滑调速 电磁调速 转子变阻调速都是耗能型调速方法 所以 只有变频调速是最理想的调速方法 7 变频调速是改变电动机定子电源的频率 从而改变其同步转速的调速方法 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器 变频器可分成交流 直流 交流变频器和交流 交流变频器两大类 目前国内大都使用交 直 交变频器 其 特点 效率高 调速过程中没有附加损耗 应用范围广 可用于 笼型异步电动机 调速范围大 特性硬 精度高 技术复杂 造价高 维护检 修困难 如公式 1 2 因此 改变定子电源频率可以改变同步转速和电机的转速 又由异步电动机的电势公式可知外加电压近似与频率和磁通的乘积成正比 即 1 11 fcEU 3 式中 c1 为常数 由此有 1 1 1 1 1 f U f E 4 所以 若外加电压不变 则磁通随频率改变而改变 一般电机在设计中为 了充分利用铁心材料都把磁通 的数值选在接近磁饱和的数值上 因此 如果 频率从额定值 通常为 50 周 秒 往下降低 磁通会增加 将造成磁路过饱和 励磁电流增加 铁心过热 这是不允许的 为此我们要在降频的同时还要降压 这就要求频率与电压能协调控制 在电力电网中应用最普遍的是标准系列的普通笼型异步电机和同步电机 这些电机使用变频器进行变频调速是最为合理的 因此变频调速是交流调速中 最理想的 最有发展前途的 也是发展最快的 PWM Pulse Width Modulation 脉宽调制 是利用半导体开关器件的 导通与关断把直流电压变成电压脉冲列 并通过控制电压脉冲宽度或周期 以 达到变压目的或控制电压脉冲宽度和脉冲列周期 从而实现变压变频的目的一 种控制技术 它是一种开关式稳压电源应用 是利用微处理器的数字输出来对 模拟电路进行控制的一种非常有效的技术 8 第第 2 2 章章 主要元件介绍主要元件介绍 2 1 专用芯片 SA868 SA868 系列集成正弦脉宽调制器 SPWM 能输出包含了波形 频率 幅 值 旋转方向等信息 许多重要的运行参数 如 载波频率 最小脉宽 脉冲 延迟时间 脉冲取消时间等 可在器件初始化时设置 所以要改变运行状况 只要改变软件即可 在硬件电路不便的情况下 通过设置改变波形参数 改变 频率或逆变器的性能指标 其设置灵活方便 可大大节约硬件成本 此芯片可 提供多种保护特性 包括只直流线路的过载保护 所有的 PWM 发生器都可以 输出足够大的电流以直接驱动隔离级的光耦合器 SA868 允许使用者借助于四路数字输入而容易地与机械处理定时器按钮或 微处理器通道实现接口而选择特殊的工作频率 使用者还可以在厂家制造过程 中预先选定的工作速度编程送入 SA868 内部的 ROM 中 SA868 借助于自身 PWM 脉冲的算法来控制电压和频率 确保磁通恒定而 达到调速工作中使电动机的转矩恒定 针对不同的机械允许选择合适配套的 V f 曲线 并且 SA868 可自动地采集瞬时的转速和方向而实现加速或减速 另外满 足整个功率装置的载波频率 调制工作频率 输出频率范围 波形 最小脉冲 宽度 脉冲重叠时间可以由生产厂家预先调整和更改 SA868 具有可保证可靠工作的全面保护电路 它的所有参数都与所接晶体 振荡器频率有关 其六路 PWM 输出信号不经放大便可直接驱动光耦合器或脉 冲变压器 TRIP 输出端可直接推动外接发光二极管 LED 特殊用途的 SA868 如用于不间断电源 开关型功率电源输出为 50 60 或 400HZ 使用者 可向厂家定做 SA868 的特点 无需微处理器 通过 10 位 ADC 模拟输入 外接 EEPROM 编程 大批量的应用可工程掩膜 三种波形选择 线性和风扇规律的 V F 特性 外接 RC 实现平滑加速 减速 恒频调压工作方式适用于静止逆变器 内置大 9 电流输出驱动器 载波频率达 24kHz 静音工作 工作频率为 0 4kHz 最小脉 宽和死区脉宽可调 双缘调制 串接接口 自举驱动器预充电 SA868 引脚说 明如表所示 表 2 1 SA868 引脚说明 引脚意义说明 7RESET内部计数器复位端 2 3RPHT RPHBA 相高 低端 PWM 输出 4 5YPHT YPHBB 相高 低端 PWM 输出 1 24VDDD VSSD电源 地 数字 6DIR控制电机转向 8Rdecel外接电机减速电阻 9 13VSSA VDDA电源 地 模拟 14 15 16 17SET4 SET3 SET2 SET1速度给定 11 12Imonitor Vmonitor电流 电压检测输入端 22 23XTAL1 XTAL2外晶振 PWM20 21BPHT BPHBC 相高 低端 PWM 输出 18SET TRIP过电压 过电流控制端 19 TRIP指示关闭状态端 图 2 1 SA868 引脚 极限参数如下 1 电源电压 VDDD 7V 10 2 引脚电压 Vss 0 3V VDD 0 3V 3 引脚输入 输出电流 10mA 4 储存温度 65 125 5 工作温度 40 85 2 2 SA868 应用连接图 图 2 2 中 过流检测信号经运算放大器 358 组成的同相放大器送入 SA868 的电流监控端 假如发生过流 SA868 会瞬时禁止 PWM 信号输出 电压检测 信号送入电压监控端 R7 R8 C5 C6 分别确定加速振荡器和减速振荡器的 频率 通过改变 R C 值 就可设置所需的加速和减速频率 该片的时钟由 20MHz 的晶振提供 为确保晶体正常工作 晶振两引脚到数字地之间应接入 10pF 68pF 电容 运算放大器 358B 及其电阻 稳压管构成欠压检测电路 当工 作电压过低时 运放 358B 输出高电平 使 SET TRIP 端置 1 瞬时关断 PWM 输出 保护功率级免受损坏 速度设置及保护告警均通过 P1 插座输入和输出 SA868 六路输出的隔离驱动电路完全相同 下面仅以其中一路为例 如图 3 2 所示 从 SA868 的 XTAL2 端输出的 20MHz 信号经 2 个 74HC74 组成的 4 分频得到 5MHz 的方波输出 该输出接至 74F126 从而使 BC337 BC227 构成 的推挽式开关电路按 5MHz 频率工作 即隔离变压器 T2 也以 5MHz 高频方式 工作 该变压器 T2 所加的电源电压为 PWM 信号 RPHT 因而将该控制信号通 过高频斩波传送到 T2 副边 副边经过 D6 D9 全波整流 又恢复成原控制信号 加至 模块的 G E 之间 该驱动电路即实现了隔离 而且体积重量非常小 11 图 2 2 SA868 应用连接图 2 3 SA868 芯片内部结构及工作原理 图 2 3 SA868 芯片内部结构及工作原理 12 第第 3 3 章章 三相异步电动机变频调速系统的设计三相异步电动机变频调速系统的设计 3 1 主电路设计 变频器分为交 交和交 直 交两种形式 15 交 交变频器可将工频交流点直接 转换成频率 电压均可控制的交流电 又称直接式变频器 而交 直 交变频器 则是先把工频交流电通过整流器变成直流电 然后再把直流电变换成频率 电 压均可控制的交流电 所以它又称间接式变频器 变频器的基本结构如图 3 1 所示 13 控制电路 M 整流侧环节 整流器 负载侧环节 逆变器 中间直流环节 ACDCAC 运行指令 控制指令 控制指令 图 3 1 变频器原理框图 变频器的主电路由整流器 中间直流环节 逆变器和控制电路组成 分述 如下 整流器 电网侧的变流器 是整流器 它是作用是把三相 也可以是单相 交流电整流成直流电 中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电动机 属于感性负载 无论电 动机处于电动或发电制动状态 其功率因素总不会为 1 因此 在中间直流环 节和电动机之间总会有无工功率的交换 这种无功能量要靠直流中间环节的储 能元件 电感或电容 来缓冲 所以又常称中间直流环节为储能环节 逆变器 负载侧的变流器 为逆变器 最常见的结构形式是利用 6 个半导 体主开关器件组成的三相桥式逆变电路 有规律地控制逆变器中主开关器件的 通与断 可以得到任意频率的三相交流电输出 控制电路 由运算电路 检测电路 控制信号的输入 输出和驱动电路等 构成 其主要任务是完成对逆变器的开关控制 对整流器的电压控制以及完成 各种保护功能等 该变频器采用微型 AT89C51 单片机进行控制 主要靠软件完 成各种功能 采用的硬件电路尽可能简单 由于软件的灵活性 数字控制方式 常可完成模拟控制方式难以完成的功能 主电路采用交 直 交电压型变频调速 用 VD1 VD4 四个二极管将单相交流 电变成直流电 C2 为滤波电容 由 R2 R3 和 C3 组成电压检测 取得电压检 测信号 R R1 和 C1 组成过电流检测 取得过电流检测信号 控制电路的六 路控制信号选择六个功率场效应管 产生电压幅值和频率可调的三相交流电压 驱动三相交流异步电动机工作 14 图 3 2 变频调速主电路 3 2 控制电路设计 图 3 3 SA868 应用原理框图 注意事项 1 SA868 需要有外部时钟输入 时钟可以由 CPU 提供也可以用独立的 时钟 外接独立时钟时可用 12MHz 或 24MHz 的卧式晶振 同时应尽量靠近 SA868 芯片 2 当功率管距离驱动电路大于 15cm 时 建议用双绞线传送 PWM 信号 15 3 SA868 输出 PWM 波形参数是通过软件设定的 所以要求程序有稳定 的运行环境 去耦电容选择适当 启动时的加速电路需要自己进行计算 3 3 电源电路设计 图 3 4 电源电路 在控制电路中需要 5V 的直流电压 在次设计一个 5V 的电源 首先用变 压器把交流电压从 220V 降到 6 3V