电压型三相交流变频调速系统设计

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电压型三相交流变频调速系统的设计

电压型三相交流变频调速系统设计

摘要：本课题主要是研究电压型三相交流SPWM变频技术的基本原理、实现方法及软

硬件设计，完成系统的软硬件设计。要求完成内容主要有：1、变频调速技术基本原理

2、变频调速基本原理3、控制方案确定4、软件与硬件设计5、实验调试。涉及的主要相

关知识：电力电子及运动控制、微机控制。在通常情况下交流异步电动机用作调速机时

它的控制电路复杂，系统的效率较低。采用单片机微机控制的交流异步电动机变频调速

系统使起控制电路大为简化，使用正弦脉宽调制（SPWM）驱动，系统效率也有所提高

交流异步电动机的变频调速，实际中多采用脉冲宽度调制（PWM），完成调频和调

压两种功能。用单片微机实现（PWM）来控制可使调节灵活，电路简化。本设计采用

的MCS51系列的单片微机控制PWM，在300W的二相异步交流电机上进行运行实验。

传统的交流变频调速系统由正弦波和锯齿波相交产生所需的脉宽调制波实现恒压额

比的变频调速控制。这种系统由于采用模拟控制，设备复杂、调整困难，且控制精度低

可靠性差，因而限制了这种系统的应用。与上述传统的系统相比，本系统具有如下特点

采用新型大规模专用集成电路产生脉宽调制波，使波形稳定，精度和可靠性显著增加。

以单片机8031CPU为核心的全数字控制．电路简单，调整迅速，进一步提高了控制精度

关键词：电压型三相PWM整流器，变频调速，单片机，交流电机；

Design of three-phase Voltage-type Inverter Control System

A B S T R A C T： F o cus i s Stu d ying S P WM t h r ee- p hase volta ge-ty p e A C inve rter w ith t he

fundamental principles in this paper, and designing the methods and software and hardware,

电压型三相交流变频调速系统的设计

and complete system software and hardware. The main completion on: 1.the basic principles

of VVVF technology 2. three basic principles of Frequency Control, the control scheme for

t h e 4 , 5 s o f t w a r e a n d h a r d w a r e d e s i g n , e x p e r i m e n t a l d e b u g g i n g . T h e m a i n r e l e v a n t

k n o w l e d g e : p o w e r e l e c t r o n i c s a n d m o t i o n c o n t r o l , c o m p u t e r c o n t r o l . U n d e r n o r m a l

circumstances in exchange for motor asynchronous speed machine, it's complicated control

c i r c u i t s , t h e s y s t e m ' s e f f i c i e n c y i s l o w . S C M u s i n g c o m p u t e r c o n t r o l t h e e x c h a n g e o f

asynchronous motor Frequency Control System that has greatly simplified control circuit, the

use of SPWM (SPWM) drive, the system has improved efficiency.

Induction Motor Frequency Control, in the actual use of pulse width modulation (PWM),

and completed FM Surge two functions. To achieve single-chip microprocessor (PWM) to

control can adjust flexibly, to simplify circuit. This design by the MCS51 series of single-

c h i p m i c r o p r o c e s s o r a c h i v e s P W M c o n t r o l, 3 0 0 W i n t h e t w o - p h a s e a s y n c h r o n o u s m o t o r

exchanges on running the experiment.

The traditional exchange of Frequency Control System from the intersection of a sine

wave and the sawtooth PWM wave of constant pressure to achieve than the frequency for

ar re st c o n t r o l . A s a r e s u l t of t h i s a n a l o g c o n t r o l s y s t e m , e q u i p m en t c o m p le x a n d di ff ic u l t

adjustment, and low-precision control, reliability poor, thus limiting the application of such a

s y s te m . W i t h t h e t ra d it i o n a l s y s t e m s , th i s s ys t e m h a s t he fo l lo w i n g c h ar a ct e r i st i c s : a ne w

t y p e o f l a r g e - s c a l e A S I C P W M w a v e , t h e w a v e s t a b i l i t y , a c c u r a c y a n d r e l i a b i l i t y o f a

significant increase in SCM (8031 CPU as the core of digital control. Circuit simple to adjust

quickly to further enhance the control accuracy.

K e y w o r d s： T h r e e - P h a s e P W M v o l t a g e r e c t i f i e r , F r e q u e n c y C o n t r o l , S C M , A C m o t o r ,

computer control

电压型三相交流变频调速系统的设计

第 1 章前言

1.1 电力电子技术的发展与创新

1.1.1 概述

自20世纪50年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上自20世纪50年

代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为

基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋

转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力

电子的诞生。进入20世纪70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系

列产品，普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电

力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容易和类型等方面

得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出 GTR、GTO，功率

MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表

的第三代电力电子器件，开始向大容易高频率，响应快，低损耗方向发展。而进入20

世纪90年代电力电子器件正朝着复台化标准模块化、智能化功率集成的方向发展，以

此为基础形成一条以电力电子技术理论研究，器件开发研制，应用渗透性，在国际上

电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域。

1.1.2 电力电子器件发展回顾

整流管是电力电子器件中结构最简单，应用最广泛的一种器件。目前已形成普通

型，快恢复型和肖特基型三大系列产品，电力整流管对改善各种电力电子电路的性能，

降低电路损耗和提高电流使用效率等方面都具有非常重要的作用。自1958年美国通用

电气GE公司研制出第一个工业用普通晶闸管开始，其结构的改进和工艺的改革为新器

件开发研制奠定了基础，在以后的十年间开发研制出双向，逆变、逆导、非对称晶闸

管，至今晶闸管系列产品仍有较为广泛的市场。20世纪70年代研制出GTR系列产品，

其额定值已达1．8kV／0．8kA／2kHZ，0．6kV／0．003kA／100kHZ，它具有组成的

电路灵活成熟，开关损耗小、开关时问短等特点，在中等容量、中等频率的电路中应

用广泛，而作为高性能，大容量的第三代绝缘栅型双极性晶体管IGBT，因其具有电压

型控制，输入阻抗大、驱动功率小，开关损耗低及工作频率高等特点，有着广阔的发

展前景。而IGCT是最近发展起来的新型器件，它是在GTO基础上发展起来的器件，称

为集成门极换流晶闸管，也有人称之为发射极关断晶闸管，它的瞬时开关频率可达

20kHz，关断时间为1s，di1dt4kA／ms，du／dtl020KV／ms，交流阻断电压6kV，直流

阻断电压3．9kV，开关时间<2ks，导通压降3600A时，开关频率>1000Hz。

1.1.3 电力电子器件发展趋势

当我们将50Hz的标准二频大幅的提高之后，使用这样工频的电气设备的体积与重

量就能大大缩小，使电气设备制造节约材料，运行时节电就更加明显，设备的系统性

电压型三相交流变频调速系统的设计

能亦大为改善，尤其是对航天工业其意义十分深远的。故电力电子器件的高频化是今

后电力电子技术创新的主导方向，而硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋势，目

前先进的模块，已经包括开关元件和与其反向并联的续流二极管在内及驱动保护电路

多个单元，并都以标准化和生产出系列产品，并且可以在一致性与可靠性上达到极高

的水平。目前世界上许多大公司已开发出IPM智能化功率模块，如日本三菱东芝及美国

的国际整流器公司已有成熟的产品推出。El本新电源公司的IPM智能化功率模块的主要

特点是：

(1)它内部集成了功率芯片，检测电路及驱动电路，使主电路的结构为最简。

(2)其功率芯片采用的是开关速度高，驱动电流小的IGBT，且自带电流传感器，可

以高效地检测出过电流和短路电流，给功率芯片以安全的保护。

(3)在内部配线上将电源电路和驱动电路的配线长度控制到最短，从而很好地解决

了浪涌电压及噪声影响误动作等问题。

(4)自带可靠的安全保护措施，当故障发生时能及时关断功率器件并发出故障信号，

对芯片实施双重保护，以保证其运行的可靠性。

1.1.4 电力电子技术创新

98年末朱总理明确指示，今后必须加快国家创新体系的建设，因此可以肯定的说，

在21纪初国家发展中，技术创新将要变成企业工作的主导内容，而发展与建立适合中

国国情的电气工业的技术创新机制，通过电力电子技术长足进步推动新型电气工业不

断升级和进步进而走向世界。电力电子技术又称为能流技术，因此电力电子技术的发

展与创新是21世纪可持续发展战略纲领的重要组成部分。电力电子技术的创新与电力

电子器件制造工艺，已成为世界各国工业自动化控制和机电一体化领域竞争最激烈的

阵地，各发达国家均在这一领域注入极大的人力，物力和财力，使之进入高科技行业，

就电力电子技术的理论研究言，目前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等西欧国家可以

说是齐头并进，在这些国家各种先进的电力电子功率量不断开发完善，促进电力电子

技术向着高频化迈进，实现用电设备的高效节能，为真正实现工控设备的小型化，轻

量化，智能化奠定了重要的技术基础，也为21世纪电力电子技术的不断拓展创新描绘

了广阔的前景。我国开发研制电力电子器件的综合技术能力与国外发达国家相比，仍

有较大的差距，要发展和创新我国电力电子技术，并形成产业化规模，就必须走有中

国特色的产学创新之路，即牢牢坚持和掌握产、学、研相结合的方法走共同发展之路。

从跟踪国外先进技术，逐步走上自主创新，从交叉学科的相互渗透中创新，从器件开

发选择及电路结构变换上创新，这对电力技术创新是尤其实用的。也要从器件制造工

艺技术引导创新，从新材料科学的应用上创新，以此推动电力电子器制造工艺的技术

创新，提高器件的可靠性。由此形成基础积累型的创新之路。并要把技术创新与产品

应用及市场推广有机结合，已加快科技创新的自我强化的循环，促进和带动技术创新

有着稳定的基础，以使我国电力电子技术及器件制造工艺技术有以长足的发展，并形

成一个全新的圾阳产业，转化为巨大的生产力，推动我国工业领域由粗板型经营走向

集型，促进国民经济以高速、高度、可持续发展。

1.2 设计本课题的总思路

本文对于逆变器供电的变频调速系统进行了分析，并设计了一种以 MCS-51 系列

单片机为基础生成的 SPWM 来控制逆变器的控制系统。首先，在逆变器供电的交流调

电压型三相交流变频调速系统的设计

速系统中，电动机的运行条件发生了很大变化，针对逆变器供电的特点给出了变频调

速异步电动机的选择方法。其次，对于新型器件的应用做了说明，根据新型功率器件

的特点和应用要求，设计出了逆变器的驱动电路和保护电路，使得新型功率器件的应

用更加安全。最后，为适应变频调速电机的要求，设计了一套基于单片机生成的

SPWM 控制逆变器来控制电动机变频调速系统，对于硬件电路部分和实现控制策略的

软件部分进行设计。

1.3 设计任务及要求

本课题主要是研究电压型三相交流 SPWM 变频技术的基本原理、实现方法及软硬

件设计，完成系统的软硬件设计。要求完成任务主要有：

1、变频调速技术基本原理

2、变频调速基本原理

3、控制方案确定

4、软件与硬件设计

5、实验调试

要求设计一个完整的电压型三相交流 SPWM 变频系统，并进行相关的实验。

资料：要求在图书馆和查阅与参考变频调速系统及电力电子相关的书籍的基础上，

写出开题报告，设计中写好设计日志、设计说明书完整、软件清单、设计图纸完整。

第 2 章变频调速基本原理及应用

2.1 变频调速技术的发展

近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传

动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模

拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提

高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和

起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被

国内外公认为最有发展前途的调速方式。

2.1.1 变频技术的发展方向

(1)交流变频向直流变频方向转化

直流变频是以数字转换电路代替交流变频中的交流转换电路，使负载电机始终处

于最佳运行状态。它摒弃了交流变频技术的交流－直流－交流－变转速方式交流电机

的循环工作方式，采用先进的交流－直流－变转速方式数字电机的控制技术，无逆变

环节，因而减少电流在工作中转变次数，使电能转化效率大大提高，能够实现精确控

制，平稳安静高效地运转。同时，避免了交流变频电机电磁噪声较大的缺点，噪声更

加低。

(2)控制技术由 PWM（脉宽调制）向 PAM（脉幅调制）方向发展

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