毕业设计(论文)-通用变频器的设计.doc
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1、 通用变频器的设计摘要近年来,交流电机变频调速及其相关技术的研究已成为现代电气传动领域的一个重要课题,并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展,交流变频调速技术还将会取得巨大进步。在交流变频调速领域中,脉宽调制技术作为一项关键技术,在变频调速技术的发展中得到重要应用,而恒压频比控制(U/F=C)是通用变频器中应用最广泛的一种控制方式。本文以三相交流异步电动机为被控对象,以TMS320LF2407A单片机(16位定点DSP芯片)作为处理器,采用智能功率模块PM10CSJ060,通过SPWM控制技术对交流电机实现恒压频比控制,设计了基于DSP的通用变频调速系统。本文分别介
2、绍了课题的研究背景和意义以及国内外变频调速发展的情况,以及三相交流电动机的结构及工作原理和SPWM控制技术,然后给出了系统各部分硬件电路的工作原理、参数计算以及各部分器件的选取。接着介绍了TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A的一些特点和内部资源以及SPWM波形原理和控制算法。 关键词:DSP;变频调速;智能功率模块;恒压频比控制;SPWMThe design of Universal Frequency Control SystemAbstractIn recent years, AC Motor Frequency Control and related technology re
3、search has become a modern electric drive an important subject areas, and with the new power electronic devices and the introduction of the microprocessor and the exchange of theoretical development of motor control, AC frequency converter Technology will also be made tremendous progress. In exchang
4、e in the field of Frequency Control, PWM technology as a key technology in the VVVF technology are important in the development of applications, and the constant pressure than the frequency control (U/F = C) is the application of the most common frequency converter A wide range of control. In this p
5、aper, three-phase AC induction motor to object to TMS320LF2407A SCM (16 fixed-point DSP chips) as a processor, a smart power module PM10CSJ060, through SPWM AC motor control technology to achieve constant pressure than the frequency control, design The DSP-based Universal Frequency Control System. T
6、hey described the issue as well as research background and significance of the development of domestic and international Frequency Control, the combination of the three-phase AC motor structure and working principle and SPWM control technology, and then presented different parts of the system hardwa
7、re circuit works, and calculated parameters Select all parts of the device. Then on TIs DSP chips TMS320LF2407A of some of the features and internal resources and SPWM wave principle and control algorithms, the system is given the overall process flow chart.Key Words:Digital Signal Processor;Variabl
8、eFrequency Speed Regulating;IPM;constant U/F;SPWM第一章 绪论1.1交流变频技术的发展近年来,交流调速在国内外发展十分迅速,打破了过去直流拖动在调速领域中的统治地位,交流调速拖动已进入了与直流拖动相媲美、相竞争、相抗衡的时代,并有取而代之的趋势,这是现代电力拖动发展的主要特征。其主要原因有:电力电子技术的不断更新、控制策略和电机控制理论的不断完善、以及全数字化高性能高速度的微处理器不断发展等。1.1.1电力电子技术的发展由于交流电机的诸多优点和运用广泛,其调速系统早就得到人们的关注,早期的交流电机调速方法都存在效率低,不经济等缺点。交流变频调速的
9、优越性早在20世纪20年代就已被人们所认识,但受到元器件的限制,当时只能用闸流管构成逆变器,由于投资大,效率低,体积大而未能推广。20世纪50年代中期,晶闸管的研制成功,标志着电力电子技术发展的新时代。晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等优点,从而产生了新的调速系统。到20世纪70年代出现了变频调速技术,变频调速具有效率高、精度高和范围宽等特点,是目前运用最广泛且最具有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类也很多,从早期提出的电压源型变频调速开始,相继发展了电流源型,脉宽调制等各种变频调速控制系统。目前变频调速的主要方案有:同步电机自控式变频调速,正弦脉宽调制变频调速,矢量控制变
10、频调速,直接转矩控制及无度传感器控制等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随着电力电子技术的发展,且控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微处理器控制,从而使变频装置的快速性、可靠性及经济性不断提高,变频调速系统的性能也得到不断完善。1.1.2全数字化微处理器的发展及应用随着计算机技术和电力电子器件制造技术的发展以及新型电路变换器的不断出现,现代控制理论向交流调速领域的不断渗透,特别是微型计算机及大规模集成电路的发展,交流电机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展,为了满足现代人们对数字化信息的依赖,为了使交流调速系统与信息系统紧密结合,为了提高
11、交流调速系统自身的性能,必须实现交流调速系统的全数字化控制。单片机在交流调速系统中已经得到了广泛地应用。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:8X196KB,8X196KC,8X196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。但是由于交流电机控制理论不断发展,控制策略和控制算法也日益复杂,这就需要高性能、高速度的新一代微处理器,于是出现了数字信号处理器DSP(Digital Signal Processing)。因此,DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到大展身手的舞台。DSP芯片生产商主要有:M
12、otorola公司、ADI公司和TI公司,本课题采用的是TI公司专为电机控制而研发的TMS320F240芯片。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。1.2本课题研究的背景和意义随着世界经济的不断发展,科学技术不断提高,环保和能源问题日趋成为人们争论的主题。充分有效地利用能源已成为紧迫的问题,为了寻求高效可用的能源,各个国家都投入了大量人力财力,进行不懈的努力。就目前而言,电能是全世界消耗最多的能源之一,同时也是浪费最多的能源之一,为解决能源问题必须先从电能着手,其中起代表
13、性的就是电机的控制。电机是一种将电能转换成机械能的设备,它的用途非常广泛,在现代社会生活中随处可见电机的身影,在发达国家中生产的总电能有一半以上是用于电机的能量转换,这些电机传动系统当中90%左右的是交流异步电机。在国内,电机的总装机容量已达4亿千瓦,年耗电量达6000亿千瓦时,约占工业耗电量的80%。并且使用中的电机绝大部分还是中小型异步电机,加之设备的陈旧、管理、控制技术跟不上,所浪费的电能甚多。能源工业作为国民经济的基础,对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都起着极为重要的作用。在高速增加的经济环境下,我国能源工业而临时经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明,受资金、技术、能源价格
14、的影响,我国能源利用效率比发达国家低很多。为此,国家十五计划中,在电机系统节能方而投入的资金高达500亿元左右,由此可见,在我国异步电机的变频调速系统将有巨大的市场潜能。在电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术迅速发展的今天,电气传动技术正面临着一场历史性的革命。经过了十多年的发展,近代交流传动逐渐成为电气传动的主流。在交流电机调速系统中,效率最高、性能最佳的是变频调速系统,因此,对变频调速的研究是当前电气传动研究中最为活跃、最有实际应用价值的工作。变频器产业的潜力非常巨大,值得强调的是,这里的“变频器产业”应该是变频器技术产业,或者是inverter technology产业。正如IT产业
15、不仅限于PC一样,变频器技术产业包括所有与变频器技术相关的产业,如电力电子器件的生产、驱动保护集成电路的生产、电气传动与系统控制技术、工业应用等。1.3本论文的研究内容本文在掌握交流电机变频调速基本原理的基础上,采用电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407A,运用变频调速的U/f控制方式和SPWM控制算法,提出了基于DSP的通用变频器的总体设计方案,并详细阐述了其中关键技术的研究和设计。U/f控制方式的变频调速系统是转速开环控制,无需速度传感器,控制电路比较简单,电机选择通用标准异步电动机,因此其通用性比较强,性价比高。第二章 异步电动机变频调速的基本理论2.1三相交流异步电机的结构图2
16、- 1 三相交流异步电机的结构三相交流异步电机如图2-1所示,它由定子(包括机座)、转子、端盖等组成,其中定子和转子是能量传递的主要部分。主要部分介绍如下:定子:定子是电动机的不动部分、它主要由铁心、定子绕组和机座组成。定子铁心是电动机磁路的一部分,为了减少铁损,定子铁心由表面绝缘的硅钢冲片叠压而成。硅钢片内圆周表面冲有槽孔,用以嵌置定子绕组,定子绕组是定子中的电路部分,中、小型电动机一般采用漆包线绕制,其三相对称绕组共有六个出线端,每相绕组的首端和末端分别用D1,D2,D3和D4,D5,D6标记,可以根据电源电压和电动机的额定电压把三相绕组接成星形或三角形。转子:转子是电动机的旋转部分,由转
17、轴、转子铁心、转子绕组和风扇等组成。转子铁心是一个圆柱体,也由硅钢片叠压而成,其外圆周表面冲有槽孔,以便嵌置转子绕组。转子绕组根据其构造分为两种形式:鼠笼式和线绕式。2.2三相交流异步电机的工作原理交流电动机是利用载流导体在磁场中产生电磁力的原理制成的。因此,我们首先讨论在交流电动机定子绕组中通以三相交流电所产生的旋转磁场。假设将定子绕组联接成星形,并接在三相电源上,绕组中便通入三相对称电流: (2-1) (2-2) (2-3)波形图如图2-2: 图2- 2 三相电流波形三相电流共同产生的合成磁场将随着电流的交变而在空间不断地旋转,即形成所谓的旋转磁场,如图2-3所示:图2- 3 电流产生的旋
18、转磁场旋转磁场切割转子导体,便在其中感应出电动势和电流,如图2-4所示。电动势的方向可由右手定则确定。转子导体电流与旋转磁场相互作用便产生电磁力F施加于导体上。电磁力F的方向可由左手定则确定。由电磁力产生电磁转矩,从而使电动机转子转动起来。转子转动的方向与磁场旋转的方向相同,而磁场旋转的方向与通入绕组的三相电流的相序有关。如果将联接三相电源的三相绕组端子中的任意两相对调,就可改变转子的旋转方向。图2- 4 转子转动图旋转磁场的转速称为同步转速,其大小取决于电流频率和磁场的极对数。当定子每相绕组只有一个线圈时,绕组的始端之间相差120以空间角,如图2-3所示,则产生的旋转磁场具有一对极,即=1。
19、当电流交变一次时,磁场在空间旋转一周,旋转磁场的(每分钟)转速=60。若每相绕组有两个线圈串联,绕组的始端相差60度空间角,则产生两对极,即=2。电流交变一次时,磁场在空间旋转半周,即(每分钟)转速=60/以此类推,可得 (2-4)式中的单位为r/min。在我国,工频=50Hz,电动机常见极对数14。由工作原理可知,转子的转速必然小于旋转磁场的转速n0(即所谓“异步”)。二者相差的程度用转差率来表示: (2-5)2.3交流电机的调速方式根据电机学原理知识,可以得到交流电机的转速公式为: (2-6)由式(2-6)可以看出,交流电机调速方法主要有三大类:其一是在电机中旋转磁场的同步转速恒定时,调节
20、转差率s,称为变转差率调速;其二是调节供电电源频率,称为变频调速;三是改变电机定子绕组的极对数,称为变极调速。 (3)变频调速:变频调速是通过改变电动机定子电源的频率,来实现调速的方法,即调节s来调速。转矩恒定时,基本不变,交流电动机的输出功率=M=Ms(1-s)与输入电磁功率 成比例变化,损耗基本没有增加,是一种高效的调速方法。优点:效率高,调速过程中没有附加损耗。应用范围广,可用于笼型交流电动机。调速范围大,特性硬,精度高。对于低负载运行时间较多或起停运行较频繁的场合,可以达到节电和保护电动机的目的。缺点:技术复杂,造价高,维护检修困难。2.4异步电动机变频变压调速的原理(U/F=C控制方
21、式) 由式(2-6)可以看出交流电源频率的变化,电动机同步转速随之成正比变化。因此,改变电源频率很容易改变异步电动机的转速。但是,对于异步电动机来说,若电源频率很容易改变异步电动机的转速。但是,对于异步电动机来说,若电源频率变化而其电源电压值不变的话,将会引起磁通的变化,因为 (2-8) 式中为定子相电压;为定子相电动势;为定子每相绕组的匝数;为定子的绕组系数;为每极气息磁通。 当小于时, 就大于额定值。由于电机设计制造时取额定磁通在磁化曲线的饱和段附近 ,当上升时就会引起过大的励磁电流。为了使保持恒定,必须在频率变化的同时改变电源电压,并使它们遵循的规律是: 常数 (2-9)这种压频比为常数
22、的控制方式称为横磁通控制方式,一般在额定的频率以下,即小于情况下采用。当大于时,如果仍保持常数,则,这是不允许的,此时只能保持,由式(2-8)可以看出,随上升, 将减弱,即: (2-10)这种保持常数的控制方式称为恒电压控制方式,一般在当大于情况下采用。将以上两种情况结合得到(图2-5)可以看出,基频以下属于恒磁通控制,基频以上属于恒电压控制。图2- 5 异步电动机变压变频调速的控制特性2.4.1恒磁通控制方式(基频以下调速)异步电动机的电磁转矩的一般方程是: (2-11)式中为定子绕组构成的极对数; 为定子每相电阻、漏电抗;、为折算到定子侧的转子每相电阻、电动机静止时折算到定子侧的转子每相漏
23、电抗。将式(2-11)对求导令其为零,即可求得电动机最大转矩及临界转差率: (2-12) (2-13)由、可绘出保持=常数的条件下异步电动机调频时的机械特性曲线族,如图(2-6)所示,图中 。在频率较高时,于是式(2-11)可写成: (2-14)式中、为定子和转子的漏电感。图2- 6 基频以下异步电机变频调速的机械特性因为,所以当频率很高时保持恒定。电动机的转速降为: (2-15)由式(2-15)可看出,转速降与频率无关。因而其调速特性互相平行。 当频率较低时, ,在式(2-12)的分母中忽略项,则 (2-16)若保持,随频率的降低而减小,从图(2-6)能明显看到这点。此时的电动机的转速降为:
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