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基于单片机控制的异步电动机变频调速系统的设计2.docx
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基于单片机控制的异步电动机变频调速系统的设计
摘要
本文以三相交流调速系统为基础,进行了三相异步电动机变频调速的系统设
计。首先,通过使用 MATLAB/SIMULINK 软件进行交-直-交变频调速系统模型
的搭建与仿真,得出了异步电动机在正弦脉冲宽度调制(SPWM)技术下调速的
结果。其次,根据所搭建的系统模型,在 PROTUSE 软件中设计出基于 51 单片
机控制的 SPWM 变频调速系统,编制相应的软件程序并进行调试和仿真,得出
了不同频率下 SPWM 的调制波形。最后,通过比较两种不同调速系统的仿真结
果,证明了基于 51 单片机控制的异步电机变频调速 PWM 调制方法的正确性和
可行性。
关键字: 异步电动机;变频调速;SPWM;MATLAB/SIMULINK;单片机
1 概述
直流电气传动和交流电气传动在 19 世纪先后诞生,鉴于直流传动具有优越
的性能,高性能可调速传动大都采用直流电机,交流调速系统的多种方案虽然早
已问世,并已获得实际应用,但其性能却无法与直流调速系统相匹敌。直到 20
世纪 70 年代末,由于电力电子技术尤其是大功率晶闸管(可控硅)变流技术的
发展,研制出了体积小、重量轻、功率大、效率高的静止变流装置,实现了采用
电力电子变流器的交流传动系统,为三相异步电动机大范围的平滑调速调节开辟
了新的技术途径,才使三相异步电动机在铁路牵引中的应用得到关键性突破,从
而得到极为迅速的发展。大规模集成电路和计算机控制的出现,更使高性能的交
流调速系统得到发展。中国和谐号动车组使用三相鼠笼型异步电动机作为牵引动
力,它要求列车运行安全、快速、稳定,因此对牵引电动机的平滑调速和自动控
制非常重要,异步电动机结合电力电子技术和微机控制技术可以实现这一要求。
1.1 交流调速系统
异步电动机的调速方法早已为人们所熟知,基本上可以分为变极对数调速、
变频调速、变转差率调速三类。这从下面的异步电动机的转速公式可以明显看出。
𝑛
=
(
1
―
𝑠
)
𝑛
𝑠
=
(1
―
𝑠)
60
𝑓
1
𝑝
(1)
式中
𝑛
——电动机的实际转速;
𝑛
𝑠
——电动机的同步转速;
𝑠
——转差率,
𝑠
=
𝑛
𝑠
―
𝑛
𝑛
𝑠
;
𝑓
1
——供电频率;
𝑝
——极对数。
1.1.1 变极调速
在恒定的频率下,改变电动机定子绕组的极对数,就可以改变旋转磁场和转
子的转速。若利用改变绕组的接法,使一套定子具备两种极对数而得到两个同步
转速,可得到单绕组双速电机;也可以在定子内安放两套独立的绕组,从而做成
三速或四速电机。为使转子的极对数能随定子极对数的改变而改变,变极电动机
的转子一般都是笼型。变极调速属于有级调速,最多只能达到三、四极,而不能
平滑地调速。
1.1.2 变频调速
改变电源频率时,电动机的同步转速和转子转速将随之变化。如果电源频率
可以连续调节,则电动机的转速就可以连续、平滑的调节。
变频调速时希望气隙磁通
Φ
m
基本保持不变,这样,磁路的饱和程度、激磁
电流和电动机的功率因数均可基本保持不变。如果磁通太弱,没有充分利用电动
机的铁心,是一种浪费。如果过分增大磁通,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动机。
根据三相异步电动机定子每相电动势的有效值公式
E
1
=
4.44
𝑓
1
N
1
𝑘
w1
Φ
m
(2)
式中
E
1
——气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值;
𝑓
1
——供电频率;
N
1
——定子每相绕组串联匝数;
𝑘
w1
——定子基波绕组系数;
Φ
m
——每极气隙磁通量。
故要保持
Φ
m
不变,应使定子端电压与频率成比例地调节,若忽略定子漏阻
抗压降,即使
E
1
𝑓
1
=
U
1
𝑓
1
=
常值
感应电机的变频调速从调速范围、平滑性、调速前后电机的性能等方面来看
都很好,但需要专门的变频电源。近年来,由于变频技术的发展,变频装置的价
格不断降低,性能不断提高。
1.1.3 变转差率调速
改变转差率的调速在调速过程中均不改变异步电动机的同步转速,而仅仅依
靠改变转差率来改变电机的速度,故其调速范围是非常有限的,同时在低速时因
转差率太大,效率很低,因而这些方法均不能适应机车牵引中平滑、宽广的调速
要求。
1.2 电力电子器件
电力电子器件是对电能进行变换和控制的器件,目前所用的电力电子器件均
由半导体制成,故也称电力半导体器件。在发达国家中,大约 60%的电能用于电
动机,由此可知,电力电子器件在电机控制电路中最常见,若想更好的控制电动
机,必须使用性能优越的电力电子器件。
1.2.1 门极可关断晶闸管 TGO
自晶闸管问世后,相继产生了很多派生器件,如快速晶闸管、双向晶闸管、
逆导晶闸管、光控晶闸管、门极可关断晶闸管等。门极可关断晶闸管可以通过在
门极施加负的脉冲电流使其关断,故属于全控型器件。它在三相桥式全控整流电
路中作为开关器件,通过同步六脉冲发生模块控制其通断,改变触发角的大小可
以得到不同的电压波形,从而实现整流。
1.2.2 绝缘栅双极晶体管 IGBT
绝缘栅双极晶体管综合了电力晶体管 GTR 和电力场效应晶体管 MOSFET 的
特点,因此具有开关速度快、驱动电路简单、流通能力强等优点,通常用于三相
桥式逆变电路中。通过脉冲宽度调制技术控制器通断,从而实现逆变。
1.3 变频器
如前所述,对于异步电机的变频调速必须具备能够同时控制电压幅值和频率
的交流电源,而电网提供的是恒压恒频的工频电源,因此应该配置变压变频器,
他也称变压变频(VVVF)装置。从整体上看,变压变频器可以分为交-交和交-
直-交两大类。
1.3.1 交-交变频器
交-交变频器的结构如图 1 所示。它只有一个变幻环节,把恒压恒频(CVCF)
的交流电源直接变换成 VVVF 输出,因此又称直接式变压变频器。看似简单,但
所用的电力电子器件数量却很多,总体设备相当庞大。其缺点是输入功率因数较
低,谐波电流含量大,频谱复杂,因此必须配置滤波和无功补偿设备。由于这类
变频器最高输出频率不超过电网频率的 1/3~1/2,所以一般用于大功率、低转速
的调速系统。
1.3.2 交-直-交变频器
交-直-交变压变频器的结构如图 2 所示。它先将工频交流电源通过整流器变
换成直流电,再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流电。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“中间直流环节”,所以又称间接
式变压变频器。
在早期的交-直-交变压变频器中,整流器采用半控型电力电子器件——晶闸
管(SCR),组成可控整流器,实现整流与调压;逆变器也采用晶闸管,实现逆
变调频。当全控型电力电子器件(GTO/IGBT)获得广泛应用后,出现了由开关
器件组成的脉宽调制(PWM)逆变器,兼顾调压与调频,而整流器只需要二极
管组成的不可控整流器就够了。
1.4 脉冲宽度调制技术 PWM
脉冲宽度调制技术是伴随电力电子器件的发展而产生的一种开关技术,其在
逆变电路中应用最广泛,现在大量应用的逆变电路中,绝大部分是 PWM 型逆变
电路,PWM 控制技术正是有赖于逆变电路中的应用才会发展得比较成熟。从而
确定了它在电力电子技术的重要地位。
1.4.1 正弦脉冲宽度调制技术 SPWM
脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形,称为 SPWM 波形,
产生这种 SPWM 波形的技术就是 SPWM 技术。在三相桥式全控逆变电路中,
用 SPWM 波形控制 IGBT 的通断,即可实现逆变。要改变等效输出正弦波的幅
值时,只要按照同一比例系数改变上述脉冲宽度即可。同样,改变调制的周期,
就可以改变输出电压的频率。
1.4.2 空间矢量调制技术 SVPWM
PWM 控制技术用于交流电动机的调速中,其最终目的并非使输出电压为正
弦波,而是使电动机的磁链成为圆形的旋转磁场,从而使电机产生恒定的电磁转
矩。磁链的轨迹是通过交替使用不同的电压空间矢量得到的,针对这种目的,产
生了空间矢量调制技术。
1.5 微机控制
单片机是单片微型计算机的简称,是把中央处理器(CPU)、随机存取存储
器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出接口、定时器/计数器、中断系统
等主要功能部件集成在一块半导体芯片上的数字电子计算机。
单片机的形态只是同一块芯片,但是它已具有微型计算机的组成结构和功能。
单片机的结构特点决定了单片机主要用于控制,所以又称微控制器(MCU)或
嵌入式控制器(ECU)。
1.5.1 单片机 MCU
单片机的发展经历了从 4 位、8 位、16 位、32 位、64 位五个阶段, 16 位、
32 位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用,最常用的是 8 位单片机,代表
产品为 Intel 公司的 MCS-51 系列。
单片机用于三相异步电机变频调速通常有两种方式,第一种是通过 SPWM
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oligaga
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