基于单片机控制的串级调速系统的设计

1、湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- i -摘摘要要分析了由不可控整流器和有源逆变器构成的次同步串级调速系统的基本原理,明确了晶闸管串级调速的工作原理与性能特点，并且就串级调速系统的效率进行了研究，把交流调速系统与直流调速系统进行了比较。串级调速在效率、机械特性等本质方面，和变频调速几乎是完全一致的，而且高压串级调速的经济性明显优于变频调速。通过计算选择了合适的元器件组成了单片机控制系统。串级调速的优点主要是：调速范围较大，但是过载能力随转速降低而减小，限制了调速范围的扩大；另外因转速越低，转差功率越由于单片机的模块化结构比较典型，应用灵活。目前在国内外单片机具有重要的地位，因此探讨了 MCS

2、 - 51 单片机控制系统的硬件和软件设计,发现该系统结构简单、成本低,具有较好的调速性能。关键词:单片机控制;次同步;串级调速.湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- ii -ABSTRACTAnalysis by controlled rectifiers and active inverter constitute times synchronization bunch_rank speed-control system of basic principle, has been clear about the thyristor bunch_rank speed-control worki

3、ng principles and performance characteristics, and just bunch_rank speed-control system was studied, the efficiency of the ac speed regulation system and dc speed control system are compared. Bunch_rank speed-control in efficiency, mechanical properties, such as nature and frequency control is almos

4、t completely consistent, and high pressure bunch_rank speed-control economic obviously better than the frequency control. Through calculation of the chosen the suitable MCU control system components. Bunch_rank speed-control advantages are mainly: speed range, but larger overload ability with engine

5、 speed limits but decreases, the expansion of speed range; In addition, because of the lower speed the turn sent power because of MCU modular structure, comparatively typical application flexible. Currently at home and abroad has the important position, microcontroller therefore discusses MCS - 51 s

6、ingle-chip microcomputer control system hardware and software design, and found that the system structure is simple, low cost, and has good performance of speed. Keywords；Single-chip microcomputer control; Times synchronization; Bunch_rank speed-control.湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- iii -目目 录录前前 言言1第第一一章章 交交流流

7、调调速速的的系系统统概概述述31.1 交流调速的分类31.1.1 全数字化控制系统31.1.2 PWM 技术31.1.3 高压大容量交流调速系统41.1.4 高性能交流调速系统51.2 磁通的准确估计或观测51.3 交流调速的特点6第第二二章章 次次同同步步串串级级调调速速系系统统的的工工作作原原理理82.1 串级调速装置的电压和容量82.2 串级调速系统的效率82.3 串级调速系统的功率因数92.4 晶闸管串级调速的工作原理与性能特点102.5 传统串级调速的改进11第第三三章章 主主电电路路设设计计123.1 次级同步串级调速主电路图123.2 主电路参数及元器件选型13第第四四章章 控控

8、制制电电路路设设计计224.1 控制系统的主电路图224.2 时钟电路224.3 速度检测电路234.4 复位电路234.5 过流、过压的检测保护电路24第第五五章章 软软件件设设计计265.1 主程序及流程图265.2 子程序及流程图28结结 论论31湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- iv -致致 谢谢32参参考考文文献献33附录一；附录一；湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 1 -前前 言言串级调速源于英语“cascade control” ，意为“级联控制” ，系指当时异步机转子与外附的直流电动机两级联接所形成的调速，虽然后来改进，用静止的电力电子变流装置和变压器取代直流电动机，但

9、串级调速的称谓被习惯地沿用下来。 十几年前，串级调速作为一种高效率的交流无级调速曾经盛行一时，随着近代变频调速的兴起，串级调速日渐萧条，被误认为是落后的调速技术。串级调速真的比变频调速逊色吗？实际上，串级调速在效率、机械特性等本质方面，和变频调速几乎是完全一致的，而且高压串级调速的经济性明显优于变频调速。尤其在高压大容量风机泵类节能方面，串级调速的某些优势表现的更为明显。实践是检验真理的唯一标准，在近代工业迫切呼唤交流调速发展的今天，尤其是风机水泵调速节能迫在眉睫，我们应该反思，如此轻率地放弃串级调速是否明智？ 如何评价交流调速技术的优劣，不同的需求有不同的标准。但普遍的共识是： 效率高； 调

10、速平滑即无级调速； 调速范围宽；调速产生的负面影响（如谐波、功率因数等）小；成本低廉。如果把高压型变频调速和串级调速应用作以对比，就会发现变频调速并非如我们期望的那样理想，而串级调速也不象我们评价的那样逊色。 理论是指导实践的基础。之所以产生上述情况，主要原因是调速理论误导所致，当然，也和串级调速当时技术上存在缺陷有关。调速理论界大多认为，串级调速的理论问题已经彻底弄清楚了*，实际未必尽然。例如，为什么串级调速的同步转速不变而理想空载转速却改变？为什么转子串电阻的机械特性是汇交于理想空载转速的软特性曲线，而串级调速却是平行的硬特性曲线？转差功率回馈为什么会导致理想空载转速的改变？诸多问题,无论

11、是传统还是近代的调速理论，都没有对此做出完整、科学的解释，串级调速一直局限在变转差率原理的束缚中，被结论为是区别而且逊色于变频的调速。 具有相同结果的不同方法，必然遵循共同的规律。既然串级调速和变频调速有一致的调速特性，调速原理就不应该是对立而是统一的。在事实与理论发生碰撞的情况下，我们只有尊重事实反思理论。 本文根据作者提出的交流调速功率控制原理，从理论上重新分析、讨论了串级调速，并指出，串级调速与变频调速是殊途同归的，两者同属于电磁功率控制原理，除了调速控制的对象不同之外，原理上是完全一致的。本文同时分析了串级调速技术上存在的问题和不足，并结合作者的多年实践内馈调速及斩波控制，指出了串级调

12、速的改进要点和发展方向。而本篇文章侧重结合单片机的控制能力与交流调速整合起来，MCS-51 单片机以其湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 2 -功能强，体积小，耗能低，易开发等许多优势被广泛应用着，但是单片机不是万能的，也存在不适宜的情况，如果盲目使用会事与愿违，造成人力，财力和时间的大量浪费。因此，面向一个对象是否采用单片机应进行可行性分析.单片机的应用层次可分为普通民用，耐用民用品，优良环境工业现场品，恶劣环境工业现场品和军用品等，不同的应用层次需要采用单片机的品质是不尽相同的，而系统的硬件，软件体系也会各有千秋。随着自动化技术的发展单片机的应用深入到了各个领域，对于单片机应用系统提出了

13、越来越高的要求，特别是工业控制，通信领域中的实时控制系统，最重要最基础的指标就是系统的可靠性。工业过程中的干扰绕线型转子异步电动机串级调速由于具有高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性,正日益广泛地应用于各个领域。在串级调速系统中,次同步串级调速由于成本低、维修方便和经济性能优越而得到人们的青睐,本文将对单片机控制的次同步串级调速系统进行研究。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 3 -第第一一章章 交交流流调调速速的的系系统统概概述述1.11.1 交流调速的分类交流调速的分类交流异步电动机的调速方式有多种，诸如调压调速、变级调速、串级调速、滑差调速等1.1.1 全数字化控制系统全数字化控制

14、系统 随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活这中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。 单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。例如由 Intel 公司 1983 年开发生产的 MCS-96 系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。其高档型：8196KB、8196KC、8196MC 等在通用开环交流调速系统中的应用较多。 由于交流电机控制理论不断发展

15、，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此，DSP 芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。如 TI 公司的 MCS320F240 等 DSP 芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。最近 TI 公司推出的 MCS320F240X 系列产品更将价格降低到了单片机的水平。 在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。STD 总线、工业 PC 总线、现场总线以及 CAN 总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用.1.1.2

16、 PWM 技术技术 PWM 控制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。目前已经提出并得到实际应用的 PWM 控制方案就不下十几种，关于 PWM 控制技术的文章在很多著名的电力电力国际会议上，如PESC，IECON，EPE 年会上已形成专题。尤其是微处理器应用于 PWM 技术并使之数湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 4 -字化以后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步

17、证明这项技术的研究方兴未艾。1.1.3 高压大容量交流调速系统高压大容量交流调速系统 在小功率交流调速方面，由于国外产品的规模效应，使得国内厂家在价格上、工艺上和技术上均无法与之抗衡。而在高压大功率方面，国外公司又为我们留下了赶超的空间。首先，国外的电网电压等级一般为 3000V，而我国的电网电压等级为 6000V和 10000V；其次，高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产，而国外的劳动力成本，特别是具有一定专业知识的劳动力成本较高。 目前，研究较多的大功率逆变电路有：（1）多电平电压型逆变器， （2）变压器耦合的多脉冲逆变器， （3）交交变频器， （4）双馈交流变频调速系统。 1.

18、 多电平电压型逆变器 日本长冈科技大学的 Anabas 等人于 1980 年在 IAS 年会上首次提出三电平逆变器，又称中点箝位式（NeutralPointClamped）逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。 多电平电压型逆变器与普通双电平逆变器相比具有以下优点： （1）更适合大容量、高电压的场合。 （2）可产生 M 层梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小。 （3）电磁干扰（EMI）问题大大减轻，因为开关元件一次动作的 dv/dt 通常只有传统双电平的 1/（M-1） 。 （4）效率高，消除同样谐波，

19、双电平采用 PWM 控制法开关频率高、损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作、开关频率低、损耗小，效率提高。2. 变压器耦合的多脉冲逆变器 变压器耦合的多脉冲逆变器的三电平电路中，要获得更多电平只须将每相所串联的单元逆变桥数目同等增加即可。其优点为： 不存在电压均衡问题。无需箝位二极管或电容，适于调速控制； 模块化程度好，维修方便； 对相同电平数而言，所需器件数目最少； 无箝位二极管或电容的限制，可实现更多电平，上更高电压，实现更低谐波； 控制方法相对简单，可分别对每一级进行 PWM 控制，然后进行波形重组。 当然，这种结构的不足之处在于需要很多隔离的直流电源，应用受到一定限制。 3.

20、 交交变频器 湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 5 -交交变频器采用晶闸管作为主功率器件，在轧机和矿井卷扬机传动方面有很大的需求。晶闸管的最大优点就是开关功率大（可达 5000V/5000A） ，适合于大容量交流电机调速系统。同时，大功率晶闸管的生产和技术功能技术相当成熟，通过与现代交流电机控制理论的数字化结合，将具有较强的竞争力。但是交交变频器也存在一些固有缺点：调速范围小，当电源为 50Hz 时，最大输出频率不超过 20Hz；另一方面，功率因数低、谐波污染大，因此需要同时进行无功补偿会谐波治理。 4. 双馈交流变频调速系统 双馈交流变频调速系统的变频器功率小、功率因数可调、系统可靠性较

21、高，因此近来受到了许多研究人员的重视。由于变频器的功率只占电机容量的 25%，因此可以大大降低系统的成本。但是，双馈交流变频调速系统中的电机需要专门设计，不能使用普通的异步电机；而且受变频器容量和调速范围的限制，不具备软起动的能力。1.1.4 高性能交流调速系统 V/f 恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动

22、态响应等方面的性能尚不能令人满意。 考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。 和矢量控制不同，直接转矩控制屏弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直

23、接控制。 尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高，但是还有许多领域又待研究： 1.21.2 磁通的准确估计或观测磁通的准确估计或观测 1. 无速度传感器的控制方法 2. 电机参数的在线辨识 3. 极低转速包括零速下的电机控制 4. 电压重构与死区补偿策略 5. 多电平逆变器的高性能控制策略 湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 6 -在交流调速的研究与制造过程中，硬件的设计与组装占了相当大的比重。电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人，对人员的素质有一定要求。而国外相关产业的人工成本相对较高，在近十年内，交流调速的制造业有可能像发展中国家转移。对中国来说，这也是

24、一个机遇，如果我们抓住这个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成交流调速系统的制造业中心，使我国工业上一个新的台阶。需要注意的是发达国家在高技术领域是不会轻易放弃的，他们非常注意核心技术及软件的保护和保密，为此，必须加大该领域的科研与开发的力度。1.31.3 交流调速的特点交流调速的特点电气传动从总体上分为调速和不调速两大类。按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流和交流两大类，直流电动机在 19 世纪先后诞生，但当时的电气传动系统是不调速系统，随着社会化大生产的不断发展，生产技术越来越复杂，对生产工艺的要求也越来越高，这就要求生产机械能够在工作速度，快速启动和制动，正反转等方面具有

25、较好的运行性能。从而推动了电动机的调速不断向前发展，自从 1834 年直流电动机出现以后，直流电动机作为调速电动机的代表，在工业中得到了广泛的应用。它的优点主要在于调速范围广，静差小，稳定性能好以及具有良好的动态性能，晶闸管变流装置的应用使直流拖动发展到了一个很高的水平，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中相当长时间内几乎都采用直流拖动系统。尽管如此，直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向问题和在恶劣环境下的不适应问题，同时，制造大容量，高转速以及高电压直流电动机也十分困难，这就限制了直流传动系统的进一步发展。 交流电动机在 1885 年出现后，由于一直没有理想的调速方案，只被应用于恒速

26、拖动系统，从本世纪 30 年代起，不少国家才开始提出各种交流调速的原始方案，晶闸管的出现使交流电动调速的发展出现了一个质的飞跃，使得半导体变流技术的交流调速得以实现，国际上在 60 年代后期解决了交流电动机调速方案中的关键问题，70 年代开始就实现了产品的高压，大容量，小型化，且已经逐渐取代了大部分传统的直流电动机的应用领域。交流调速系统发展迅速的很大一部分原因在于交流电动机本身的优点：没有电刷和换向器，结构简单，寿命长。近年以来大功率半导体器件，大规模集成电路，电子计算机技术的发展，加上交流电动机本身的优越特性，为交流调速提供了广泛的应用前景。目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围，较高

27、的稳态精度，较快的动态响应，较高的工作效率以及可以在四象限运行等优越性能，其动态性能均可与直流电动机拖动系统相比美。交流调速系统与直流调速系统相比较，具有如下特点：1. 容量大 这是电动机本身的容量所决定的。直流电动机的单机容量能达到1214MW，而交流电动机的容量却远远的高与此数值。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 7 -2. 转速高，而且耐压 直流电动机受到换向器的限制，最高电压只能达到 1000多伏，而交流电动机容量可达到 610KV，甚至更高。一般直流电动机最高转速只能达到 3000 转/min 左右，而交流电动机则可以高达每分钟几万转。这使得交流电动机的调速系统具有耐高压，转速高

28、的特点。3. 交流电动机本身的体积，重量，价格比同等容量的直流电动机要小，且交流电动机结构简单，坚固耐用，经济可靠，惯性小成了交流调速系统的一大优点。4. 交流电动机的调速装置环境适应性广。直流电动机由于结构复杂，换向器工作要求高，使用中受到很多限制，如工厂里的酸洗车间，由于腐蚀严重，使用直流电动机每周都要检查碳刷，维修起来比较困难，而交流电动机却可以用在十分恶劣的环境下不至于损坏。5. 由于高性能，高精度，新型调速系统的出现和不断发展，交流拖动系统已达到同直流拖动系统一样的性能指标，越来越广泛的应用于 国民经济的各个生产领域。6. 交流调速装置能显著的节能。工业上大量使用的风机，水泵，压缩机

29、类负载都是靠交流电动机拖动的，这类装置的用电量占工业用电量的 50%，以往都不对电动机调速，而仅采用挡板，节流阀来控制风量或流量。大量的电能被白白的浪费掉，如果采用交流电动机调速系统来改变风量或流量的话，效率就会大大的提高，从各方面来看，改造恒速交流电动机为交流调速电动机，有着可观的能源效益。交流电动机因其结构简单，运行可靠，价格低廉，维修方便，故而应用面很广，几乎所有的调速传动都采用交流电动机。尽管从 1930 年开始，人们就致力于交流调速系统的研究，然而主要局限于利用开关设备来切换主回路达到控制电动机启动，制动和有级调速的目的。变极对调速，电抗或自藕降压启动以及绕线式异步电动机转子回路串电

30、阻的有级调速都还处于开发的阶段。交流调速缓慢的主要原因是决定电动机转速调节主要因素的交流电源频率的改变和电动机的转距控制都是非常困难的，使交流调速的稳定性，可靠性，经济性以及效率均不能满足生产要求 。后来发展起来的调压，调频控制只控制了电动机的气隙磁通，而不能调节转距。转差频率控制在一定程度上能控制电动机的转距。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 8 -第第二二章章 次次同同步步串串级级调调速速系系统统的的工工作作原原理理在绕线型异步电动机的转子回路中加入附加电动势Ef ,即可改变转差功率,以达到调速的目的。根据理论分析,若附加电动势Ef与电动机转子的感应电势SE20反相位,则电动机只能在同

31、步速以下进行调速称为次同步串级调速。若与Ef同相位,则可在同步速以上进行调速,称超同步串级调速。所以串级调速的核心是产生附加电动势Ef的装置,于绕线转子异步电动机转子中感应电动势SE20的频率是随转速而变化的。附加电动势Ef的频率必须跟随SE20的频率改变而同步变化。因此要求附加电势源既要电压可变,又要频率可调,还要可逆地传递功率,这就需要在转子侧引入变频器才实现上述4种运行状态。为了解决这个难题,在实际系统中是在异步电动机转子绕组端联接一个不可控整流器UR,把转子的交流电动势变换成直流电动势,再通过由晶闸管组成的相控有源逆变器U I,获得一个可调的直流电压,作为转子回路的附加电动势。然后把这

32、两个量进行比较,控制直流电动势的幅值,就可以调节电动机的转速。这样把交流可变频率的问题转化为与频率无关的直流问题,使主电路和控制回路大为简化。2.12.1 串级调速装置的电压和容量串级调速装置的电压和容量串级调速装置是指整个串级调速系统中除异步电动机以外，为实现串级调速而附加的所有功率部件。串级调速装置的容量主要是指转子整流器、逆变器和逆变变压器的容量，选择依据是电流与电压的定额。电流定额取决于异步电动机转子额定电流I2N和负载；电压定额取决于异步电动机转子额定电压E20和调速范围D。现以逆变变压器的容量计算来分析U2T=SmaxE20cos 301.15E20（1-1D）WT3.45E20I

33、2T（1-1D） （1）式（1）表明，系统调速范围增大时，WT也增大，所以串级调速系统往往被应用于调速范围不大的场合。2.22.2 串级调速系统的效率串级调速系统的效率能量指标是衡量一个调速系统技术经济指标的重要依据，而系统的效率与功率因湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 9 -数是其主要内容。串级调速系统是一种机电能量变换的系统， 用能量流图可以分析和描述其能量变换关系，串级调速系统的能量流如图1（b）所示。a）系统的功率走向（b）系统能量流图串级调速系统的效率分析整个系统从电网吸收的有功功率Pi P1Pf，从电动机转轴上输出功率P2PP。串级调速系统的总效率= 100%= 100% Pm

34、（1-s）+P1+P2+PiP2PfPPP1Ps100%Pm（1-s）Pm（1-s）+Ps100%式中P1输入异步电动机定子的有功功率；P1定子损耗（定子铜耗与铁耗）；Pm旋转磁场传送到电动机转子上的电磁功率;P机械功率，P（1-s）Pm；P机械损耗。P、P1和P2相对Pm比较小，串级调速系统的总效率也就较高， 并且随着电动机转速的降低， 有微量减少。为了说明串级调速系统的 很高，可与转子回路串电阻调速的效率作比较。串电阻调速的效率R= P2100%=100%（1-s）100%12PP1P)1 (PPmsPm电阻调速的效率在调速范围较大时要高。2.32.3 串级调速系统的功率因数串级调速系统的

35、功率因数串级调速系统的功率因数与系统所采用的异步电动机、转子整流器和可控逆变器三大部分有关。异步电动机本身的功率因数会随着负载的减轻而下降，而转子整流器的换相重叠角和强迫延迟导通等作用都会通过电动机从电网吸收换相无功功率，所以在串级调速时电动机的功率因数要比正常接线时降低10%以上。另外，逆变器的相控作用使其电流与电压不同相，也要消耗无功功率。在串级调速系统中，从交流电网吸收的总有功功率是电动机吸收的有功功率与逆变器回馈至电网的有功功率之差，然而从交流电网吸收的总无功功率却是电动机和逆变器所吸收的无功功率之和，低速时功率因数还要降低。串级调速系统总功率因数cos=PiS = P1-Pf（P1-

36、Pf）/2（Q1+Qf）/2式中S系统总的视在功率；湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 10 -Q1电动机从电网吸收的无功功率；Qf逆变变压器从电网吸收的无功功率。一般串级调速系统在高速运行时的功率因数只有0.60.65， 比正常接线时电动机的功率因数减少0.1 左右，在低速时可降到0.40.5。这是串级调速系统的主要缺点。通常采用的改善串级调速系统功率因数措施：（1）采用移相电力电容器补偿无功功率。电容器接线方式有3 种： 接在进线电网侧； 接在逆变变压器的一次侧； 接在逆变变压器的二次侧。（2）采用强迫换流式逆变器产生超前无功功率。（3）采用斩波控制的功率变换单元。2.42.4 晶闸管串

37、级调速的工作原理与性能特点晶闸管串级调速的工作原理与性能特点晶闸管串级调速系统主电路的方框图，电动机定子从电网吸取功率P1， 其中一部分转换成机械功率 (1s) PM， 另一部分是转差功率sPM， 转差功率经转子送到半导体整流器并转换成直流，再经晶闸管逆变器及逆变变压器回馈给电网。因此整个电动机及调速系统从电网吸取的功率是P1sPM(是整个调速逆变电路的总效率）。由于转差功率大部分馈送给电网，所以效率较高。整流器的输入端是加到电动机转子的反相位交流电动势，输出端是逆变器的直流电源。逆变器的输入端是整流器的直流负载，输出端是逆变变压器的交流电源。电网是逆变变压器的负载，也就是逆变器的负载。当电动

38、机在一定负载下稳定运行时，如果调节逆变器，使它的输出电动势增大，由于电网电压是恒定的，逆变器输出电动势增大，这就增大了整流器的负载，相当于使转子外加电动势减小，因而使转子电流增大。转子电流增大使电磁转矩大于负载转矩，电动机加速。随着转速升高，转子电动势减小，整流器输出的直流电压降低，逆变器输出的交流电动势减小，通过逆变变压器向电网馈送的电流也减小，因此，电动机的转子电流和电磁转矩也减小。当电磁转矩减小到重新与负载转矩相平衡时，转速不再升高，电动机在较高的转速下稳定运行。这就是将转速调高的基本原理。如果调节逆变器，使它的输出电动势减小，便可将电动机的转速调低。由此可见，晶闸管串级调速是靠调节逆变

39、器的输出电动势来调节电动机转速的。在晶闸管的控制电路中通过改变其导通角大小即可调节电动机转速。串级调速的优点主要是：（1）调速范围较大，但是过载能力随转速降低而减小，限制了调速范围的扩大；另外因转速越低，转差功率越大，所需整流器、逆变装置的容量也越大，这也成了限制调速范围扩大的一个因素。对于鼓风机类负载，负载转矩随转速降低而减小，能够用较小容量的整流器、逆变装置获得较大的调速范围。（2）调速的平滑性好，晶闸管调速电路很容易通过对导通角的平滑调节改变转速。（3）调节的稳定性好，因为串级调速时的机械特性的直线部分的硬度较大（如图2），甚至较湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 11 -固有机械特性

40、大。（4）调速的经济性好，由前面内容可知，串级调速回收了大部分转差功率，保证了电动机的效率，减小了电能的浪费。另外，由于整流逆变电路只需要对转差功率进行调节，因此其容量要求低，可以明显节省调速电路成本。由第三章的主电路图不难发现串级调速的3个缺点：(1) 逆变变压器本身体积较大，成本偏高；在向电网馈送有功功率的同时还要从电网吸取无功功率（建立内部磁场），造成整个调速系统功率因数偏低，如高速满载运行时，其功率因数只有0.6，这是不能达到全国供用电规则相关规定的。(2) 逆变装置将直流逆变成交流时，将附带产生较多谐波分量，会对电网造成污染。(3) 串级调速只能用于绕线式异步电动机。2.52.5 传

41、统串级调速的改进传统串级调速的改进针对前述传统串级调速方法的缺点，现代调速技术对绕线式异步电动机及串级调速的电路作了有效的改进，从而有效的提高了其性能，拓宽了其应用范围。为了省去逆变变压器，进一步降低损耗并减小调速系统体积，同时也回收利用转差功率，现在产生了所谓内反馈串级调速电机，即在国家标准系列电机JR系列或YR系列绕线式三相感应电机的基础上，在定子上增设一套辅助的三相对称绕组，称为调节绕组，原来的定子绕组则称为主绕组，并进行了优化设计。因此，相同规格的电机具有相同(或相近)的安装尺寸，且结构相似。该调速电机也可作为普通绕线式感应电机使用，并且各项指标不低于对应的国家标准。该调节绕组所起的作

42、用、接线与传统串级调速系统中的逆变变压器相似，用来吸收转子的转差功率，并通过与转子旋转磁场相互作用产生正向的驱动转矩，使电机从电网吸收的有功功率减少。为了提高电动机工作时的功率因数，及减小谐波对电网的污染，在内反馈串级调速系统中还装设有滤波装置，同时调节绕组的分布作用和短距作用也能有效抑制谐波。如图4所示，为了兼顾电动机的起动，采用频敏变阻器起动方式，起动电流小、起动转矩大，能保证电机稳定起动，而且过程自动切换。若要进一步提高电机调速系统的功率因数，可使用PWM（脉冲宽度调制）整流式内反馈串级调速方式。此外，内反馈串级调速电机系统通常采用微机监控和PLC控制，不仅使维护量减少，大大降低了整个系

43、统故障几率，而且容易配备完善的保护措施和更加灵活、方便的调速控制方式。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 12 -第第三三章章 主主电电路路设设计计3.13.1 次级同步串级调速主电路图次级同步串级调速主电路图晶闸管次同步串级调速系统主电路的典型接线如图1所示。其转子电动势SE20经三相桥式不可控整流器UR整流,输出直流电压Ud。工作在有源逆变状态的三相桥式可控变流器U I提供可调的逆变电压U ,作为调速所需的附加直流电动势。未计及异步电动机与逆变变压器漏抗作用的影响,可以得如下电势平衡方程式:Ud =U + IdR 即2.34SE20=2.34UT2cos+IdR式中UT2 逆变变压器二次

44、侧相电压,晶闸管逆变器逆变角,U逆变器输出电压,R 转子直流回路电阻。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 13 - 图3.1串级调速系统主电路由于转子直流回路电流Id与转子电流I2有固定关系,所以它近似反映电动机电磁转矩T的大小。当电动机拖动恒转矩负载稳定运行时,可以认为Id为恒值。控制晶闸管逆变角,逆变电压U也相应改变,便可实现调速。例如逆变角增大,则逆变电压U立即减小,因机械惯性,电动机转速几乎不变, Ud与U按上式又达到新的平衡,电动机进入新的稳定状态以较高的转速运行。同理,减少值,电动机可以减速在较低的转速下运行。为防止逆变颠覆,逆变角的变化范围可以为min = 30到min = 9

45、0,当min = 30时,逆变电压Umin = 2. 34UT2 cos30为最大值,电动机在最低速运转;当min = 90,逆变电压Umin = 0,电动机在接近额定转速的最高速运转。与晶闸管直流电动机调速系统中整流变压器作用相似,串级调速系统也要设置逆变变压器TI。TI的作用,一是起到了电动机转子电压与电网电压匹配的作用,其二次侧电压UT2不但与转子感应电动势E2有关,还与调速范围有关,调速范围越大,要求的UT2值越高;二是逆变变压器还能起到使电动机转子电路与交流电网之间隔离的作用,减弱大功率晶闸管装置对电网波形的影响,并能限制晶闸管断态电压临界上升率du/dt和通态di/dt电流临界上升

46、率转子回路接入的电抗器Ld ,可以使小负载时电流连续并限制电流脉动分量,在大功率串级调速系统中还能限制逆变颠覆时短路电流上升率。3.23.2 主电路参数及元器件选型主电路参数及元器件选型参数计算参数计算湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 14 -1.主电路设计的原始数据：Pn=45kw,Nn=1480r/min.ULN=380,I1n=86A,=91.5%,cos=0.87,I2N=81A,U2N=340V; m=3,采用 / 接法，GD2=2.4kg.m 调速范围 D=5，低速时静差率 S0.01整流二级管的选择（1） 二极管承受的最大正反向电压为VE480232考虑倍裕量后，额定电压可取

47、32（23）V)1440960(480 （2） 该系统不需要经常启动制动，故对快速性没有要求为此可取电流过载倍数3转子回路中的直流电流Id为Id=298A816. 02nomI整流二极管的通态平均电流=0.368Id=0.368=109ATI298考虑1.5倍裕量后可取 （1.52） 109=(163.5218)A2根据上述计算可以选择 ZP-20/400整流二极管2.逆变变压器选择（1）逆变变压器二次相电压有效值为=196V3/340115. 115. 12max2ESUT(2) 逆变变压器二次相电流有效值为AIInomT8122(3)逆变变压器容量为KKWIUWTTT628.4781196

48、3322元器件的选用元器件的选用1. 8255 的资料8255 是可编程的并行 I/O 接口芯片，它具有 3 个 8 位的并行 I/O 口，三种工作方式，可通过编程改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。8255 的引脚图如图 2-3 所示。由图可知，8255 共有 40 个引脚，各引脚功能如下：湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 15 -图 3.2 8155 引脚图D0D7： 三态双向数据线，与单片机数据总线相连，用来传递数据信息。CS/： 片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。RD/： 读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。WR/： 写入信

49、号线，低电平有效，控制数据的写入。Vcc： +5V 电源。PA7PA0： A 口输入/输出线。PB7PB0： B 口输入/输出线。PC7PC0： C 口输入/输出线。RESET： 复位信号线。A1A0： 地址线，用来选择 8155 内部端口2.ADC0809 的资料ADC0809 是一种逐次逼近式 8 路模拟输入，8 位数字量输出的 A/D 转换器。其引脚如图 2-4 所示。由引脚可见，ADC0809 共有 28 个引脚，采用双插直列示封装，其引脚主要功能如下：（1）IN0IN7 是 8 路模拟信号输入端。（2）D0D7 是 8 位数字量输出端。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 16 -图

50、 3.3 ADC0809 引脚图（3）A，B，C 与 ALE 控制 8 路模拟通道的切换，A，B，C 分别与三根地址线或数据线相连，三者编码对应 8 个通道地址口。C，B，A=000111 分别对应 IN0IN7 通道地址。ADC0809 虽然有 8 路模拟通道可以同时输入 8 路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。（4） OE，START，CLK 为控制信号端，OE 为输出允许端，START 为启动信号输入端，CLK 为时钟信号输入端。（5）VR（+）和 VR（-）为参考电压输入端。ADOAD7：8 位地址与数据复用总线，用于从微处理器接收地址与数据信息；

51、：此 3 个引脚为 Intel(Motorola)控制模式；SA8282 在工作时可自动适应 Intel 或 Motorola 控制模式，当 ALE(AS)管脚变为高电平时，SA8282 内部检测电路将自动锁存 RD(DS)线上的状态，如果检测结果为低电平，则采用 MO-TOROLA 控制模式；如果检测结果为高电平，则采用 Intel 控制模式；3. AT89C51 的资料（1） AT89C51 简介AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除 只读存储器 （FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能

52、CMOS 8 位微处理器，俗称 单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100 次。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 17 -脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051 是它的一种精简版本。 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图2-6 所示 图 3.4 AT89C5

53、1 的管脚排列图（2） 主要特性：1） 与 MCS-51 兼容 2） 4K 字节可编程闪烁存储器 3） 寿命长：1000 写/擦循环 4） 数据保留时间： 10 年 5） 全静态工作： 0Hz-24MHz 6） 三级程序存储器锁定 7） 1288 位内部 RAM 8） 32 可编程 I/O 线 9） 两个 16 位定时器/计数器 10）5 个中断源 11）可编程串行通道 12）低功耗的闲置和掉电模式 湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 18 -13）片内振荡器和时钟电路 （3） 管脚说明V VC CC C：供电电压。 G GN ND D：接地。 P P0 0 口口：P0 口为一个 8 位漏级

54、开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P P1 1 口口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。

55、 P P2 2 口口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P P3 3 口口：P3 口管脚是 8 个带

56、内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

57、 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 R RS ST T：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电平时间。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 19 -A AL LE E/ /P PR RO OG G：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址

58、上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 / /P PS SE EN N：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 / /E EA A/ /V VP PP P：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，/EA 将内部锁定为RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在F

59、LASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。 X XT TA AL L1 1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 X XT TA AL L2 2：来自反向振荡器的输出。 4.8031 的资料图 3.5 8031 引脚图V VC CC C：供电电压。 G GN ND D：接地。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 20 -P P0 0 口口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 FIASH 编程

60、时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P P1 1 口口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P P2 2 口口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因