交流电机vf协调控制变频调速系统的设计

1、第一章 绪论第一节 电力电子技术概述一、电力电子技术的形成与发展电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体来说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术的诞生是以20世纪50年代美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的，是20世纪后半叶诞生并发展起来的一门崭新的技术。可以预见，在21世纪电力电子技术将以更迅猛的速度发展。其实，早在晶闸管出现以前，用于电力变换的电子技术就已经存在了。晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河。后来，出现了水银整流器，在30年代到五

2、十年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛应用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。1947年，美国著名的贝尔实验发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。70年代后期，以门极可关断晶闸管（gto）、电力双极型晶体管（bjt）和电力场效应晶体管（power-mosfet）为代表的全控型器件迅速发展 。二、电力电子器件的分类按照电力电子器件能被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为以下三类： (一) 不可控器件 不能用控制信号来控

3、制其通断的电力电子器件，这类器件不需要驱动电路，如电力二极管。这类器件只有两个端子，器件的导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。(二) 半控型器件 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件，这类器件主要是晶闸管（thyristor）及其大部分派生器件，器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 (三) 全控型器件 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件称为全控型器件，由于和半控型器件相比，可以由控制信号控制其关断，因此又称自关断器件。这类器件品种很多，目前最常用的是绝缘栅双极晶体管（insulated-gate bipolar

4、transistor-igbt）和电力场效应晶体管（power mosfet,简称电力mosfet），在处理兆瓦级大功率电能的场合，门极可关断晶闸管（gate-turn-off thyristorgto）应用也较多。三、电力电子技术的特点及应用控制理论广泛应用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一种强有力的纽带。另外，控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。对于不可控器件其结构和原理简单，工作可靠，所以直到现在电力二

5、极管仍然大量应用于许多电气设备当中，特别是快恢复二极管和肖特基二极管，仍分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。对于半控型器件（晶闸管）虽然在20世纪80年代其地位已开始被各种性能更好的全控型器件所取代，但是由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。而对全控型器件的出现将电力电子技术带入了一个崭新时代，因为可以随时控制其开通和关断，全控型器件的应用得以迅速普及。下面我们将简单介绍一下电力电子技术的应用。1 一般工业 工业中大量应用各种交直流电机。近年来，由于电力电子变频技术的迅速发展，使

6、得交流电动机的调速性能大大提高，交流调速技术大量应用并占据主导地位。大至数千kw的各种轧钢机，小到几百w的数控机床的伺服电机，以及矿山牵引等场合都采用电力电子交直流调速技术。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。2 交通运输 电气化铁道和电动机车等离不开电力电子技术。3 电力系统 变流装置广泛采用电力电子技术。4 电子装置用电源 5 家用电器6 其他 不间断电源（ups）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大，而这都离不开电力电子技术。总之，电力电子技术的应用十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受

7、到电力电子技术的存在和巨大魅力。第二节 intel 16位单片机概述一、单片机的发展简史1974 年,美国仙童(firchild)公司研制的世界第一台单片微型机f8.该机有两块集成电路芯片组成,结构奇特,具有与众不同的指令系统,深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视.从此,单片机开始迅速发展,应用领域也在不断扩大.现已成为微型计算机的重要分支,单片机的发展过程通常可以分为一下几个发展过程。(一)第一代单片机(1974-1976):这是单片机发展的起步阶段.在这个时期生产的单片机特点是,制造工艺落后和集成度低,而且采用了双片形式.典型的代表产品有fairchild公司的f8和mostek387公

8、司的3870等。(二) 第二代单片机(1976-1978):这是单片机的第二发展阶段.这个时代生产的单片机随眼已能在单块芯片内集成cpu,并行口,定时器,ram和rom等功能部件,但性能低,品种少,应用范围也不是很广,典型的产品有inrel公司的mcs-48系列机。(三) 第三代单片机(1979-1982):这是八位单片机成熟的阶段.这一代单片机和前两代相比,不仅存储容量和寻址范围大,而且中断源,并行i/o口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加,更有甚者是新集成了全双工穿行通信接口电路.在指令系统方面,普遍增设了惩处法和比较指令.这一时期生产的单片机品种齐全,可以满足各种不同领域的需要.代

9、表产品有intel公司的mcs-51系列机,motorola公司的mc6801系列机,ti公司的tms7000系列机,此外,rockwell,ns,gi和日本松下等公司也先后生产了自己的单片机系列。(四) 第四代单片机(1983年以后):这是十六位单片机和八位高性能单片机并行发展的时代,十六位机的特点是,工艺先进,集成度高和内部功能强,加法运算速度可达到1us以上,而且允许用户采用面向工业控制的专用语言,如pl/mplus c和forth语言等.代便产品有intel公司的mcs-96系列,ti公司的tms9900,nec公司的783系列和ns公司的hpc16040等。二、intel 16位单片

10、机在调速系统中的应用pwm技术是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种pwm控制方式完成的。pwm技术的发展和应用优化了变频装置的性能，变频调速系统采用pwm技术不仅能够及时准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。而80c196mc单片机的主要优点之一是有一个三相波发生器（wg）。这一外设装置大大简化了用于产生同步脉宽调制(pwm)波形的控制软件和外部硬件，特别适用于控制3相交流感应电机。在本次设计中，我们利用80c196mc单片机片内波形发

11、生器能直接用软件产生spwm调制波，从而节省硬件投资。单片机完成对整个系统的两级监控管理，协调各模块之间的工作，并进行复杂的控制决策。控制量经d/a转换模块后输出至变频器，变频器根据接收到的信号产生变压变频的电源信号，以驱动交流电机实现调速。系统的开关量控制模块，可方便的实现电机的启动、停止及加减速等功能。第三节 关于交流调速系统工业生产领域发展到比较高的阶段，如冶金的轧机、电气机车、电梯的出现要求传动电动机能快速正反转、起动力矩大、快速制动、停位准确、调速范围大、精度高及响应快，因此在传统的调速中一直采用直流电动机运行了几十年。但由于直流电动机的换向器电刷在大容量方面问题较多，而且维护工作量

12、大，1970年以后逐步用交流同步及异步变频调速代替直流电动机调速。交流调速的优点如下：1 单机容量不受限制。交流电机单机容量达到211000kw，为设备提供更大的动力。2 体积小，重量轻，占地面积小。3 转动惯量小。4 动态响应好。由于交流电机转动惯量大大减少，而且交流电动机没有换向火花对过载能力的限制，电动机可以具有更大的动态加速电流。5 维护简单化。由于交流电动机无需换向器，维护量大大减少。6 节约能源。交流同步电动机的效率比直流电动机提高2%3%。而且，随着大功率开关器件制造技术和计算机技术的迅猛发展，交流电机的变频调速在一般工业领域以至许多民用领域中已得到广泛应用。在节能、减少维修、提

13、高产品产量及产品质量等方面都取得了明显的经济效益。目前，高性能交流调速系统的研究和开发已引起各国学者的高度重视。第四节 本课题的研究意义用v/f控制模式对异步电动机实现变频无级调速。在无负载状态和100%负载转矩突变时，能迅速回到原先的转矩，有很好的负载响应性能。变频调速器与电磁调速电机相比，调速精度高，调速特性好，调速范围广，失速发生的可能性小，尤其在低负载运行时间较长的机械装置中，效率高，节能效果显著。v/f调速可以解决转矩不足和速度波动的问题，使系统工作较稳定。变频调速系统的设计应结合系统的静动态指标, 以负载的机械特性为设计主要参数，在注重变频器控制方式的选择及变频器的选择的基础上,

14、解决变频调速系统设计中的实际问题, 以使所设计的变频调速系统具有高的静动态指标和高的性能价格比。众多的生产实践中证明，v/f变频调速系统可应用于风机、泵类负载，减小电动机的起动电流，以减小电动机在起动时对电网的冲击，并且有很好的节能效果。v/f调速系统可以广泛应用于实际生产，它涉及到节约能源和减少实际生产的成本问题。因此，研究v/f调速系统有着比较重大的意义。第二章 调速系统硬件电路的设计第一节 变频调速系统硬件框图变频调速系统硬件框图如图2-1。图2-1变频调速系统硬件框图第二节 系统的构成恒v/f调速系统由以下几个环节构成：一、主电路 主电路是由交流-直流三相桥式不可控整流电路和由igbt

15、构成的ipm智能功率模块构成的。它主要完成电流从交流电到直流电的转换。系统使用六个光电耦合驱动igbt管。在本系统采用的igbt智能功率模块（ipm）,它是一种大规模的集成模块。二、保护电路在设计任何一个系统的时候，为了保护系统中的各设备和元器件不被破坏，在设计时就需要设置保护电路。本次设计的恒v/f调速系统中，一共包含了五个保护电路：泵升电压保护电路，过压保护电路，限流保护电路，过流保护电路，欠压保护电路。三、驱动电路在本次的设计中，采用了igbt智能功率模块，亦即ipm功率模块。在ipm功率模块中包含有7个igbt管。本次设计中的驱动电路则是包含在ipm功率模块中。ipm模块的具体作用与功

16、能将在后面的章节中详细介绍。具体电路图见附录。第三节 主电路的设计与参数计算主电路设计与计算如下：主电路是由ac-dc三相桥式不可控整流电路和由igbt构成的ipm智能功率模块构成的。电路图如图2-2所示。电动机参数如下：电动机参数：p=2.2kw u=380v i=5a d=10一、整流二极管参数 二极管的额定电压： u=(23)u=（23）10751612v (2-1) 取u的值为1200v二极管的额定电流：i=(1.52) a (2-2)流过二极管电流的有效值：i=0.577 (2-3)峰值电流的选择要综合考虑到电机起动和运行全过程：为电机的过载倍数，对一般电机，1.62.2，在这里取值

17、为2i=i=14.1a (2-4)则有：i0.577 i0.57714.18.1a (2-5) (2-6)考虑滤波大电容充电电流的影响，需留有足够的裕量，故选取i15a即选定的大功率整流模块的参数为（1200v，15a）。二、igbt参数正反向峰值电压： u= (2-7) 考虑到23倍的安全系数，其耐压值为： u(23) 537=10751612v (2-8)取u的值为1200v通态峰值电流：i14.1=16.9a (2-9)其中k1.2为经验值。取的值为20a,则igbt的参数为（20a,1200v）。三、滤波电容参数当没有滤波电容时，三相整流输出平均直流电压为：517v (2-10)加上滤

18、波电容后，u (2-11)直流侧滤波电容器作为滤波器用时，考虑电容c与负载等效电阻的乘积（时间常数）大于三相桥整流输出电压的脉动周期，t=0.0033s=3.3ms,即3.3ms则 c=又由经验公式 p电机容量（单位取kw）在本次设计中，p=2.2kw，则则可以求得c=431 (2-12)要求电容的额定电压为： (2-13)取为900v。理论上滤波电容越大越好，但是考虑到体积与经济原因，在此我们选取两个1000f/450v的电容串联，总耐压为900v,总的电容量为500f。四、电阻选择并联在电解电容两端的两个电阻都是20k/(1/2w),在电源关断时，提供电容器放电回路。限流电阻在电路中起到限

19、流作用，在这里我们取限流电阻为100。五、熔断器选择5=7.510a (2-14)由式（2-14）可得，在这里我们选用电流为10a的熔断器。六、压敏电阻选择压敏电阻正常工作时，漏电流极小（级），因而损耗小，遇到尖峰电压时可通过高达数千安的放电电流，抑制电压的能力强，此外，对浪涌电压反应快，体积小，因而在这里我们选用压敏电阻进行过压保护。其额定电压：u1.3=698.6v (2-15)所以我们选择压敏电阻的额定电压为1000v，残压比为1.8，通流容量为1000a。第四节 保护电路的设计与参数计算一、 泵升电压保护电路：在主电路中，直流电源电压两端并联较大的电解电容,它除了可以减少直流电源电压的

20、脉动外,还可以做储能用。由于整流侧采用三相不可控整流电路，当运行中的电动机减速或停车时，储存在电机和负载转动部分的动能将变成电能，由于能量无法反馈回交流电源，只能对滤波电容充电，这将导致电容电压突然升高，称为“泵升电压”（泵升电压现象如图2-3所示）。 泵升电压会危及整个电路的安全，如果让电容器吸收全部回馈能量，则需要加大电容器的容量，由此迫使泵升电压很高而损坏元器件。并且用过大容量的电容会大大增加调速系统的体积和重量，因此，我们在这里采用一个igbt管和电阻组成的泵升电压保护电路，如图2-4所示：为使电路具备再生反馈电力的能力，我们也可采用如图2-5所示电路：1. 带有泵升电压限制电路的电压

21、型间接交流变流电路2. 当泵升电压超过一定数值时，使v0导通，把从负载反馈的能量消耗在r0上。 图2-5 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路泵升电压控制电路中滞环比较器的上下限的决定使igbt的开关动作在允许的范围内。滞环的选择原则是：下限的整定略大于电网允许向上波动的最大值564v（的105，的计算见主电路参数计算），而电压波动属正常现象，不能认为是泵升，所以泵升环的下限取565v,上限取电压保护电路的整定值590v（的110），泵升环上下限如图2-6所示： 泵升保护电路如图所示：下图所示泵升保护电路的工作原理：当回馈的能量使电容两端的电压超过下限时，比较器输出高电平，光电耦合器输

22、出高电平去触发igbt导通，把回馈到电容的能量消耗在电阻上，的选择以分流电流大于或等于电机允许的最大制动电流为标准。当大于时，系统采取过压保护电路。工作情况见过压保护电路。当由逐渐变小而又大于时，igbt7仍继续起分流的作用。泵升电压保护电路的有关参数计算：从主电路取泵升保护电压信号为两个大电容两端电压的一半。现取1r、1r的电阻分别为610k/2w、7.5k/(1/8w)。则电路中稳压二极管1vst2整定为： (2-16)而b点（放大器反向输入端）电压为：u= (2-17)在这里我们选用电阻1r18、1r19分别为3.5k、1k来实现。其他电阻的选择是为了限制通过比较器、光电二极管和光敏三极

23、管的电流来选择：电容1c2为0.01f,电阻1r17为20k，电阻1r20为5.1k，电阻1r21为2k。二、过压保护电路该系统需要设置过压保护电路，因为igbt集射极耐压和承受的反向电压有限，在我国电网电压的线性度又较差，在大负载时三相线电压通常小于380v；并且在用电低峰期，线电压会高达440v，在如此大的电压波动范围会导致直流回路过电压。对此，我们采用如图2-8所示的过压保护电路。采样电路设在中间直流电压环节，这样真正在过电压构成危险时检测出信号而驱动保护动作，而不至于在过电压并未构成危险时而保护误动作，从而提高变频器的抗干扰能力和可靠性。直流电压保护信号取自主回路滤波电容器两端，经过电

24、阻分压后获得，为了防止高压信号进入控制回路，采用光电耦合电路，直流电压保护动作限定在670v以下。过压保护电路的工作原理如下：正常情况下，采样电压小于给定电压，比较器输出低电平，光电耦合器输出低电平；当故障发生时，采样电压高于给定电压，比较器输出高电平，光电耦合器输出高电平。当芯片捕捉到这一由低到高的电平跳变时，用软件的方法去封锁igbt的六个驱动信号。过压保护电路的参数计算：因电压取自限流电路的稳压管1vst1的点电压，而将其整定为10v,所以ua10v。现把给定电压ub整定为： (2-18)因此电阻1r8、1r14分别取1.8k、2.2k。同时为了限制通过比较器、光电二极管及光敏三极管的电

25、流取电阻1r7、1r10、1r11的阻值分别为20k、5.1k和2k。而在正常工作时采样的电压信号也小于10v。采样电路如图2-9所示。整定直流环平均电压ud为670v时过压保护动作。现取电阻3r3的阻值为7.5k/(1/8w)。则r3的电阻r有 (2-19)成立，从而取r=601.5k/2w。三、限流保护电路在系统中，由于电容没有充电前，接在电路中相当于短路。给电容充电时，电流可能会过大，为了保护三相整流桥，在直流回路中，在电压上升到正常水平的75以前，在直流主回路里串入一电阻，达到限制电流的目的；当电压升到75以上时，短接该电阻。因此需要设置限流电路。电容充电电流、电压曲线见图2-10,限

26、流保护电路见图2-11所示：限流保护电路有关参数的计算：由于1vs1整定为10v，所以正常工作时ua、ub的电压都应整定为小于10v电压。 图2-9 电压检测信号电路 图2-10 电容充电时的电压、电流曲线图2-11 限流保护电路 当起动电压达75402.8v，ua402.87.5/(7.5+601.5)=4.96v (2-20)故电阻1r2、1r3分别取2k、1k.同时为了限制通过比较器、光电二极管、光敏三极管和接触器的电流取电阻1r1、1r4、1r6分别为20k、2k、30。电容为0.1f。而在正常工作时采样的电压信号也小于10v。电压采样电路同电压保护电路。四、过流保护电路系统设置过流保

27、护电路的目的，一是避免过流及输出出现短路，igbt 处于过流状态而损坏；二是防止所驱动的三相感应电机遭到损坏。过流保护电路如图2-12所示：图2-12 过流保护电路采样电路应该设在中间直流电压环节，这样真正在过电流构成危险时检测出信号而驱动保护动作，而又不至于在过电流并未构成危险时保护误动作，从而提高变频器的抗干扰能力和可靠性。图示过电流保护电路的工作原理如下：正常情况下，采样电压小于给定电压，比较器输出低电平，光耦合器输出低电平；当故障发生时，采样电压高于给定电压，比较器输出高电平，光电耦合器输出高电平。当芯片捕捉到这一由低到高的电平跳变时，用软件的方法去封锁igbt的六个驱动信号。过流保护

28、电路有关参数的计算如下：把ub的电压整定在4v左右，现取4v (2-21)成立，因此，选择电阻值1r13、1r14分别为5.5k、2k。同时为了限制通过比较器、光电二极管和光敏三极管的电流取电阻1r12、1r15、1r16分别为20k、5.1k、2k。而在正常工作时采样电流信号的电压值也应小于4v。过流电压信号的检测电路见图2-13：图2-13 过流电压信号的检测电路过流电压信号的检测电路有关参数的计算：使过流信号为1.25i,3r5的阻值r要满足1.255r4v，则r为0.37，耐压为600v。电容可选0.1/600v。五、欠压保护电路欠压保护原理与过压保护类似，其原理图见图2-14。其工作

29、原理：电压正常时，采样电压高于给定电压，比较器输出低电平，光电耦合器输出低电平；当采样电压低于给定电压，比较器输出高电平，光电耦合器输出高电平。当芯片捕捉到这一由低到高的电平跳变时，用软件的方法去封锁igbt的六个驱动信号。图2-14 欠压保护电路欠压保护有关参数计算：把动作电压整定在85u=456.45v。相应地整定在456.457.5/(7.5+601.5)=5.62v，选1r24为3.3k有关系式r=5.5k，则选1r23为5.5k，其它元件的选择与过压保护相同。1r22、1r25、1r26的阻值分别为20k、5.1k、2k。第五节 驱动电路的设计系统使用六个光电耦合驱动igbt管。由于

30、这种驱动电路如某个元件性能不稳定，极可能直接影响驱动效果因此在本系统采用igbt智能功率模块（ipm）,它是一种大规模的集成模块，它有单个光电耦合驱动电路无可比拟的优点。一、 用六个光电耦合驱动电路因为80c196mc波形发生器产生的pwm调制波驱动信号还不足以驱动开关器件igbt，因此必须采用六个光电耦合驱动电路将控制电路输出脉冲放大。由于igbt驱动电路品质的优劣，会直接影响到逆变器的正常工作。为此设计驱动电路时需要综合考虑如下几个因素：1 具有对“地”电位浮动的独立交流电源，控制信号经过光电耦合隔离；2 开通和关断时应有足够的上升和下降速度；3 要小内阻驱动源对栅极电容充电，以提高开通速

31、度；关电时提供低阻放电回路，从而能使igbt快速的关断；4 igbt对电荷积累特别地敏感，故驱动电路必须保证放电回路通畅，以确保igbt安全工作；5 为兼顾通态损耗和短路电流，vce一般在12v到15v之间才合适，关断时，为尽快抽取pnp管中的存储电荷，在ge极之间加一负偏压，一般取为-5v；6 igbt栅极驱动电路最好自身带有对igbt的保护。 六个光电耦合驱动电路的电路图见附录 另外，在进行igbt的设计布线时，应使输入与输出电路分开，即输入电路（光电隔离器）接线远离输出线路接线，以保证有适当的绝缘强度和噪音阻抗；igbt栅极回路连线一定要小于1m，并且要用绞合线。二、 用igbt智能功率

32、模块另一种比较可靠的驱动电路，它是把驱动电路、保护电路、功率开关电路集成于一体的大规模集成模块，其具有如下的优点：1 结构紧凑，集驱动器、保护电路于一体的模块内，安装很方便；2 驱动器的设计布局优化，功耗低，并可以省去负偏压；3 具有多种保护功能，如过流保护、短路保护、过热保护和控制电压欠压保护，使模块的可靠性大大提高。 用六个光电耦合驱动电路去驱动igbt单管时，很可能由于驱动电路元件工作不稳定，甚至气候潮湿都会使驱动信号发生变形，使igbt能按设计要求工作而使用ipm模块后，由于其高度集成的特点，只要给定的控制信号稳定，其输出效果一定很好。由于智能功率模块ipm有着六个光电耦合驱动电路无法

33、比拟的优越性，本设计采用ipm智能功率模块驱动。其元件引脚图如下图2-15所示：图2-15 ipm外部引脚图第六节 电源的设计 在本次毕业设计中，需要用到15v和5v电源，因此必须对这两种电源进行设计。电源的设计见图2-16和图2-17所示：图2-16 15v直流电源图2-17 5v直流电源第三章 调速系统控制方式和pwm变频器第一节 变频调速的基本控制方式在进行电动机调速时,常需考虑的一个重要因素,就是希望保持电动机中每极磁通量为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电动机

34、，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通由定子和转子磁动势合成产生，要保持磁通恒定就要费一些周折了。我们知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值是 (3-1)式中 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（v）； 定子频率（hz）； 定子每相绕组串联匝数； 定子基波绕组系数； 每极气隙磁通量（wb）。由式(3-1)可知，只要控制好和，便可达到控制磁通的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。一、基频以下调速由式(3-1)可知，要保持不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低，使 (3-2)即采用电动势频率比为恒值的控制

35、方式。然而，绕组中的感应电动势是难以控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压，则得 (3-3)这是恒压频比的控制方式。低频时，和都较小，定子漏磁阻抗压降所占的分量就比较显著，不能忽略。这时可以人为地把抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于图3-1中的b线，无补偿的控制特性则为a线。 图3-1 恒压频比控制特性在实际应用中，由于负载大小不同，需要补偿的定子压降值也不一样，在控制软件中，须备有不同斜率的补偿特性，以便用户选择。(一) 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 当定子电压和电源角频率恒定时，异步电动机在恒压恒频正弦波供

36、电时的机械特性方程式可以写为如下形式： (3-4)当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则 (3-5)也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，这时，是一段直线，如图3-2所示。当s接近于1时，可忽略示(3-4)分母中的，则 (3-6)即s接近于1时，转矩近似与s成反比，这时，是对称于原点的一段双曲线。当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，见图3-2。图3-2 恒压恒频时异步电动机的机械特性(二) 异步电机基频以下电压频率协调控制时的机械特性1 恒压频比控制（/=恒值）为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电动机铁心，发挥电动机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频

37、比控制。这时，同步转速n0自然要随频率变化。 (3-7)带负载时的转速降落为 (3-8)在式(3-5)所表示的机械特性近似直线段上，可以导出 (3-9)由此可见，当/为恒值时，对于同一转矩，s是基本不变的，因而也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率时，机械特性基本上是平行下移，如图3-3所示。它们和直流他励电动机变压调速时的情况基本相似，所不同的是当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了，而且频率越低时最大转矩值越小。有 (3-10)对上式加以整理得 (3-11) 可见，最大转矩是随着的降低而减小的。频率很低时，太小将限制电动机的负载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电

38、压，可以增强负载能力，见图3-3。图3-3 恒压频比控制时变频调速的机械特性2 恒/控制如果在电压频率协调控制中，恰当地提高的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持/为恒值（基频以下），则由3-1式得知，无论频率高低，每极磁通均为常值。此时的机械特性方程式为 (3-12)当s很小时，可忽略式3-12分母中s项，则 (3-13)这表明机械特性的这一段近似为一条直线。当s接近于1时，可忽略式(3-12)分母中的项，则 (3-14)这是一段双曲线。s值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似。恒/控制的稳态性能是优于恒/控制的，它正是恒/控制中补偿定子压

39、降所追求的目标。3 恒控制如果把电压-频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒控制。此时的机械特性方程式如下： (3-15)不必作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线。见图3-4中的c。显然，恒的稳态性能最好，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。图3-4 不同电压-频率协调控制方式时的机械特性a-恒/控制 b-恒/控制 c-恒控制 4 比较总结综上所述，在正弦波电压供电时，按不同规律实现电压-频率协调控制可得不同类型的机械特性。恒压频比(/=恒值)控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满

40、足一般的调速要求，但低速带载能力有限，需对定子压降实行补偿。恒/控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到=恒值，从而改善了低速性能。但机械特性还是线性的，产生转矩的能力仍受到限制。恒控制可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，按照转子全磁通恒定进行控制即得=恒值，在动态中也尽可能保持恒定是矢量控制所追求的目标，当然，实现起来也是比较复杂的。二、基频以上调速在基频以上调速时，频率应该从向上升高，但定子电压却不可能超过额定电压，最多只能保持=，这将迫使磁通于频率成反比地降低，相当于直流电动机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图3-5所示。图3

41、-5 异步电动机变压变频调速的控制特性如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。第二节 pwm变频器从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交直交和交交两大类。在这里，我们主要采用交直交变压变频器，因此，我们只介绍交直交变压变频器。交直交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如图3-6所示。由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“

42、中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。图3-6 交-直-交（间接）变压变频器具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件(p-mosfet,igbt等)组成的脉宽调制(pwm)逆变器，简称pwm变压变频器。pwm（pulse width medulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列的宽度进行调制，来等效地获得所需波形（含形状和幅值）。一、pwm控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波

43、形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。而面积等效原理是pwm控制技术的重要理论基础。pwm波形可分为等幅pwm波和不等幅pwm波两种。由直流电源产生的pwm波通常是等幅pwm波。如直流斩波电路和pwm逆变电路，其pwm波都是由直流电源产生，由于直流电源电压幅值基本恒定，因此pwm波是等幅的。而斩控式交流调压电路、矩阵式变频电路其输入电源都是交流，因此所得到的pwm波也是不等幅的。不管是等幅pwm波还是不等幅pwm波，都是基于面积等效原理来进行控制的，因此其本质是相同的。二、spwm控制方式以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等

44、腰三角波作为载波(carrier wave)，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波(modulation wave)，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation),这种序列的波形称作spwm波。spwm控制技术同pwm一样也有单极性控制和双极性控制两种方式，并且其定义方式也相同。即：如果在正弦

45、调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的spwm波也只处于一个极性的范围内，叫作单极性控制方式。如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则spwm波也在正负之间变化，称为双极性控制方式。在三相桥式pwm型逆变电路都是采用双极性控制方式。三、异步调制和同步调制在pwm控制电路中，载波频率与调制信号频率之比n=/称为载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，pwm调制方式可分为异步调制和同步调制。(一) 异步调制载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中，通常保持载波频率固定不变，因而当信号波频率变化时，载波比n是

46、变化的。同时，在信号波的半个周期内，pwm波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当信号频率较低时，载波比n较大，一周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称产生的不利影响都较小，pwm波形接近正弦波。当信号波频率增高时，载波比n减小，一周期内的脉冲数减少，pwm脉冲不对称的影响就变大，有时信号波的微小变化还会产生pwm脉冲的跳动。这就使得输出pwm波和正弦波的差异变大。对于三相pwm型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大

47、的载波比。(二) 同步调制载波比n等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。在基本同步调制方式中，信号波频率变化时载波比n不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在三相pwm逆变电路中，通常公用一个三角波载波，且取载波比n为3的整数倍，以使三相输出波形严格对称。同时，为了使一相的pwm波正负半周镜对称，n应取奇数。当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的载波频率也很低。过低时由调制带来的谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率会过高，使开关器件难以承受。(三) 分段同步调制为了克服同步调

48、制的缺点，可以采用分段同步调制的方法。即把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比n为恒定，不同频段的载波比不同。在输出频率高的频段采用较低的载波比，以使载波频率不致过高，限制在功率开关器件允许的范围内。在输出频率低的频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。各频段的载波比取3的整数倍且为奇数为宜。同步调制方式比异步调制方式复杂一些，但使用微机控制时还是容易实现的。有的装置在低频输出时采用异步调制方式，而在高频输出时切换到同步调制方式，这样可以把两者的优点结合起来，和分段同步方式的效果接近。(四) pwm变压变频器的优点pwm变压变频器的应用之所以广

49、泛，是因为它有如下的一系列优点：1 在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元是可控的，通过它同时调节电压和频率，结构十分简单。采用全控型的功率开关器件，通过驱动电压脉冲进行控制，驱动电路简单，效率高。2 输出电压波形虽是一系列的pwm波，但由于采用了恰当的pwm控制技术，正弦基波的比重较大影响电动机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。3 逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。4 采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变器输出电压大小的影响。5 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电

50、机损耗及发热都较小。6 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。四、电压源型逆变器在交直交变压变频器中，按照中间直流环节电源性质的不同，逆变器可以分为电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。如图3-7a中，直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形或阶梯波，是电压源型逆变器(vsi,voltage source inverter)，有时，简称电压型逆变器。在图3-7b中，直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，叫作电流源型逆变器

51、(csi,current sourse inventer)，或简称电流型逆变器。在本次设计中，我们采用了电压源型逆变器。 a) b)图3-7 电压源型和电流源型逆变器示意图a) 电压源型 b) 电流源型第四章 80c196mc单片机第一节 80c196mc单片机简介80c196mc是美国inter 16位单片机，其封装采用84脚plcc方式，内部寻址采用寄存器结构，从而避免了以往8位机只能用累加器参与寻址而产生的瓶颈效应，提高工作效率。80c196内设256字节的ram,28个中断源，可形成16个中断矢量，在16mhz晶振下，1616位乘法指令只要1.75。3216位除法指令只要3.2，其速度

52、之快尤其适合于高采样频率 、快速控制系统，它本身有3路pwm输出引脚，可直接驱动三相电机，内部设有3个h窗口和1个v窗口，使特殊功能寄存器的数量和功能倍增。由于chmos工艺，耗电小，并有掉电保护和闲置功能。80c196单片机的串行通讯功能完全兼容于8096.8097，并且在此基础上新增加了一些功能，从而使串行通讯的功能更加完善。它的四种工作方式及新加功能由串行口控制寄存器(sp-con)和串行口状态寄存器(sp-stat)控制。这两个寄存器共用一个地址11h，其各位定义如下图4-1：80c196的串行通讯口发送寄存器和接收寄存器都是双字节结构，即发送时，在发送第一个字节之后，可紧接着发送第二

53、个字节；接收时，在接收第一个字节未取走之前，可接收第二个字节，而且80c196除了拥有入口地址为200ch和2032h的发送和接收中断，这一功能使得人们可以分别处理发送和接收中断。图4-1 串行口控制寄存器和串行口状态寄存器的各位定义80c196mc单片机的84引脚封装图见图4-2。图4-2 84脚plcc封装的80c196mc第二节 80c196mc单片机专用寄存器一、波形发生器片内波形发生器wfg(wave from generator)是80c196mc单片机独具的特点之一，这一外设装置大大简化了用于产生同步脉宽调制(pwm)波形的控制软件和外部硬件，特别适用于控制三相交流感应电机，也可用于控制直流无刷电机和其他需要多个pwm输出的装置。波形发生器为用户额外地提供了3对占用cpu时间极小的脉宽调制信号pwm。每个信号都是独立编程的。对于每个pwm信号输出对，片内的空载时间发生器和相位转换电路向它提供了不重迭的信号。这种辅助设备优化了对三相感应式直流电机的控制。它也可以用于无刷直流电机的控制及其它需要多重pwm输出控制的设备。片内保护电路将这六个输出与对应的外部信号隔离起来。3个pwm波形都具有相同的周期和空载时间，当系统采用16mhz的振荡频率时，将0.25到16