三相异步电机变频调试

电力电子和电机拖动综合课程设计

题 目: 小功率三相异步电机 变频调速系统设计 专 业: 10 自动化（2）
学 号: 20220
姓 名:
完成日期: -6-22
指导老师: 曹利钢

电力电子和电机拖动综合课程设计任务书班级:10 自动化2 姓名:王斌赞 指导老师:曹利钢 6月17日

设计题目: 小功率三相异步电机变频调速系统设计
设计任务和要求	要求: 三相异步电机型号: YSL450 2-10 任务: 1.确定调速系统方案 2.主电路选择和计算 3.调速系统稳态精度计算 4.控制电路选择和计算 5.绘制原理图。
设计结果	设计说明书一份 电路图一份
参考资料	1.《中小型电机产品样本》 上海电器科学研究所 编 机械工业出版社 2.《电力电子技术题例和电路设计指导》 石玉 编 机械工业出版社 3.《电力拖动自动控制系统》 陈伯时 编 机械工业出版社 4.《电力电子设备设计和应用手册》 王兆安 编 机械工业出版社 5.《电动机变频调速图解》 张燕宾 编 中国电力出版社

教研室主任签字: 年 月 日

目录

一、调压调速...........................................................................................................................4 二、变极数调...........................................................................................................................4 三、变频调速.........................................................................................................................4 2.2 交流低压交直交通用变频器系统框图和分析.....................................................................53. 单元电路设计和分析.........................................................................................................................5 3.1.1
整流电路模块.............................................................................................................5 3.1.2 IPM电路模块..............................................................................................................6 3.1.3 IPM隔离驱动模块......................................................................................................6 3.1.4 输出滤波模块.............................................................................................................7 3.1.5
电压检测模块.............................................................................................................7 3.2 系统软件设计.........................................................................................................................8 3.2.1 A/D采样子程序..........................................................................................................9 3.2.2 数据处理算法.............................................................................................................9 3.2.3
SVPWM算法..................................................................................................................9 3.2.4 PID调整算法............................................................................................................10 3.2.5 频率检测算法...........................................................................................................11 3.3 试验结果...............................................................................................................................11 3.3.1
测量波形...................................................................................................................11 3.3.2 测试数据...................................................................................................................114. 结束语...............................................................................................................................................13 4.1 心得.......................................................................................................................................13 4.2 元件清单...............................................................................................................................13

4.3 4.4 4.5

主电路...................................................................................................................................14控制电路...............................................................................................................................15参考文件: .............................................................................................................................16

1.引言

近几十年来伴随电力电子、微电子技术和现代控制理论发展,中小功率电机在工农业生产工厂生产中及我们日常生活中有着广泛应用。电机种类很多,按结构和工作原理可划分为直流电动机、异步电动机、 同时电动机。按转子结构划分笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线

90%左右为异步电动机,其中小型异步电动机约占70%以上。在电力系统总负荷中,异步电动机用电量占相当大比重。在中国,异步电动机用电量约占总负荷60%多。介于应用面广,本论文关键讨论鼠笼型小功率三相异步电机YSL4502-10 变频调速。

制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆成交流电。变频调速是经过改变电机定子绕组供电频率来达成调速目标。

变频调速技术基础原理是依据电机转速和工作电源输入频率成正比关系: n

磁极对数）;经过改变电动机工作电源频率达成改变电机转速目标。变频器就是基于上述原理采取交-直-交电源变换技术,电力电子、微电脑控制等技术于一身综合性电气产品。变频调速技术已深入我们生活每个角落,变频调速系统控制方法包含V/F、矢量控制(VC)、直接转矩控制(DTC)等。V/F控制关键应用在低成本、性能要求较低场所;而矢量控制引入,则开始了变频调速系统在高性能场所应用。伴随半导体技术飞速发展,MCU处理能力愈加强大,处理速度不停提升,变频调速系统完全有能力处理复杂任务,实现复杂观察、控制算法,传动性能也所以达成前所未有高度。而现在变频驱动关键使用PWM合成驱动方法,这要求其控制器有很强PWM生成能力。

2.系统概述

2.1调速方案论证
一、调压调速
优点:
能够将调速过程中产生转差能量加以回馈利用。效率高; 装置容量和调速范围成正比,适适用于70%～95%调速。

缺点:
正常运行时无制动转矩,适适用于单象限运行负载。功率原因较低,有谐波干扰,
二、变极数调
优点:
无附加差基损耗,效率高;
控制电路简单,易维修,价格低;
和定子调压或电磁转差离合器配合可得到效率较高平滑调速。

缺点:
有级调速,不能实现无级平滑调速。且因为受到电机结构和制造工艺,通常只能实现2～3种极对数有级调速,调速范围相当有限。

三、 变频调速
它是利用电力半导体器件通断作用将工频电源变换为另一频率电能控制装 置。我们现在使用变频器关键采取交—直—交方法（V/F变频或矢量控制变频）, 先把工频交流电源经过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、 电压均可控制交流电源以供给电动机。变频器电路通常由整流、 中间直流步骤、 逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT 三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流步骤为滤波、直流储能和缓冲无 功功率。

优点:
无附加转差损耗,效率高,调速范围宽;
对于低负载运行时间较多,或起停运行较频繁场所,能够达成节电和保护电机目标。

缺点:
技术较复杂,价格较高。

依据上面优缺点比较综合论证,本设计采取是变频调速方法。因为异步电机是依靠定子磁场旋转方法使转子产生感应电流,感应电流切割定子产生磁场历来运作。

经过试验表明,电机转速是跟频率和极对数相关,即
n=60f（1-s）/p
n 为转速f为供电频率s为转差率p为极对数
设计中自行设计了一简单用AVR控制器作为主控,以AC-DC-AC整流逆变过程变频器,来达成电机三相电压频率改变及电压跟随。使系统达成驱动异步电机使转速可调及转矩可调目标。改变频率使得电机速度平滑性稳定性很高和变速级数能做到连续改变

2.2交流低压交直交通用变频器系统框图和分析

图1（系统框图）

变频调速基础原理

（1）整流滤波模块:对电网输入交流电进行整流滤波,为变换器提供波纹较小直流电

压。

（2）三相桥式逆变器模块:把直流电压变换成交流电。其中功率级采取智能型IPM

功率模块,含有电路简单、可靠性高等特点

变频调速是经过改变电机定子绕组供电频率来达成调速目标。当在定子绕组上

接入三相交流电时,在定子和转子之间空气隙内产生一个旋转磁场,它和转子绕组产

生相对运动,使转子绕组产生感应电势,出现感应电流,此电流和旋转磁场相互作用,

产生电磁转矩,使电动机转动起来。

（3）控制电路模块:检测输出电压、电流信号后,根据一定控制算法和控制策略产

生SPWM控制信号,去控制IPM开关管通断从而保持输出电压稳定,同时经过SPI接口

完成对输入电压信号、电流信号程控调理。 捕捉单元完成对输出信号测频。

3.单元电路设计和分析

3.1单元电路设计

变频器由整流步骤、滤波器、 全控器件IGBT组成逆变电路组成,实现交直交逆变

过程经过为控制器改变V1-V6导通频率和导通相序达成调整频率

它硬件电路关键包含6个模块:整流电路模块、IPM电路模块、IPM隔离驱动模

块、输出滤波模块、 电压检测模块和PM25RSB-120数字信号处理模块。

3.1.1 整流电路模块

采取二极管不可控整流电路以提升网侧电压功率因数,整流所得直流电压用大

电容稳压为逆变器提供直流电压,该电路由6只整流二极管和吸收负载感性无功直流

稳压电容组成。整流电路原理图图2所表示。

图2整流电路原理图

3.1.2 IPM电路模块

IPM由高速、低功率IGBT、优选门级驱动器及保护电路组成。 IGBT（绝缘栅双

极型晶体管）是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成复合全控

型电压驱动式电力电子器件。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSF

ET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器

件优点,驱动功率小而饱和压降低,很适合应用于直流电压。所以IPM含有高电流密

度、低饱和电压、 高耐压、 高输入阻抗、 高开关频率和低驱动功率优点。本文选

择IPM是日本富士企业型号为6MBP20RH060智能功率模块,该智能功率模块由6只IGB

T管子组成,其IGBT耐压值为600V,最小死区导通时间为3μs。

3.1.3 IPM 隔离驱动模块

因为逆变桥工作电压较高,所以DSP弱电信号极难直接控制逆变桥进行逆变。

美国国际整流器企业生产三相桥式驱动集成电路IR2130,只需一个供电电源即可动

三相桥式逆变电路6个功率开关器件。

IR2130驱动其中1个桥臂电路原理图图3所表示。C1是自举电容,为上桥臂功

率管驱动悬浮电源存放能量,D1 可预防上桥臂导通时直流电压母线电压到IR2130电

源上而使器件损坏。R1和R2是IGBT门极驱动电阻,通常可采取十到几十欧姆。R3

和R4组成过流检测电路,其中R3是过流取样电阻,R4 是作为分压用可调电阻。IR2

130HIN1~HIN3、LIN1~LIN3作为功率管输入驱动信号和TMS320F8335PWM连接,由TMS

320F8335控制产生PWM控制信号输入,FAULT 和TMS320F8335引脚PDPINA连接,一旦

出现故障则触发功率保护中止,在中止程序中封锁PWM信号。

图3IR2130 驱动其中1个桥臂电路原理图

3.1.4 输出滤波模块

采取SPWM控制逆变电路,输出SPWM波中含有大量高频谐波。为了确保输出电压

为纯正正弦波,必需采取输出滤波器。本文采取LC滤波电路,其中截止频率取基波

频率4.5倍,L=12mH, C=10μF。

3.1.5 电压检测模块

电压检测是完成闭环控制关键步骤,为了正确测量线电压,经过PM25RSB-120SP

I总线及GPIO口控制对输入线电压进行衰减/放大百分比以满足A/D模块对输入信号

电平(0-3V)要求。电压检测模块采取256抽头数字电位器AD5290和高速运算放大器AD8202

组成程控信号放大/衰减器,每个输入通道输入特征为1MΩ输入阻抗+30pF。电压检

测模块电路原理图图4所表示。

图4电压检测电路原理图

3.2系统软件设计

系统上电后根据选定模式自举加载程序,跳转到主程序入口,进行相关变量、

控制寄存器初始化设置和正弦表初始化等工作。接着使能需要中止,开启定时器,

然后循环进行故障检测和保护,并等候中止。关键包含三部分内容:定时器周期中止

子程序、A/D采样子程序和数据处理算法。主程序步骤图图5所表示。

图5主程序步骤图

定时器周期中止子程序

关键进行PI调整,更新占空比,产生SPWM波。定时器周期中止步骤图图6所表

示。

图6定时器周期中止步骤图

3.2.1 A/D 采样子程序

关键完成线电流采样和线电压采样。为确保电压和电流信号间没有相对相移,

本部分利用PM25RSB-120片上ADC同时采样方法。为提升采样精度,在A/D中止子程序

中采取均值滤波方法。

对A相电压和电流A/D同时采样部分代码以下:

3.2.2 数据处理算法

本系统关键用到以下算法:（1）SVPWM算法（2）PID调整算法（3）频率检测算

法

3.2.3 SVPWM 算法

变频电源关键就是SVPWM波产生,SPWM 波是以正弦波作为基准波（调制波）,用

一列等幅三角波（载波）和基准正弦波相比较产生PWM波控制方法。当基准正弦波

高于三角波时,使对应开关器件导通;当基准正弦波低于三角波时,使对应开关器件

截止。由此,逆变器输出电压波形为脉冲列,其特点是:半个周期中各脉冲等距等幅

不等宽,总是中间宽,两边窄,各脉冲面积和该区间正弦波下面积成百分比。这种脉

冲波经过低通滤波后可得到和调制波同频率正弦波,正弦波幅值和频率由调制波幅

值和频率决定。

本文采取不对称规则采样法,即在三角波顶点位置和低点位置对正弦波进行采

样,它形成阶梯波更靠近正弦波。不规则采样法生成SPWM波原理图7所表示。图中,

Tc是载波周期,M 是调制度,N 为载波比,Ton 为导通时间。

由图7得:

当k为偶数时代表顶点采样,k 为奇数时代表底点采样。

SVPWM算法实现过程:

利用F28335内部事件管理器模块3个全比较单元、通用定时器1、死区发生单

元及输出逻辑能够很方便地生成三相六路SPWM波形。实际应用时在程序初始化部分

建立一个正弦表,设置通用定时器计数方法为连续增计数方法,在中止程序中调用表

中值即可产生对应按正弦规律改变SPWM波。SPWM波频率由定时时间和正弦表点数决

定。

SVPWM算法部分代码以下:

3.2.4 PID调整算法

在实际控制中很多不稳定原因易造成增量较大,进而造成输出波形不稳定性,所

以必需采取增量式PID算法对系统进行优化。PID算法数学表示式为

Upresat(t)=Up(t)+ Ui(t)+ Ud(t)

其中,Up(t)是百分比调整部分,Ui(t)是积分调整部分,Ud(t)是微分调整部分。

本文经过对A/D转换采集来电压或电流信号进行处理,并对输出SPWM波进行脉

冲宽度调整,使系统输出电压保持稳定。

PID调整算法部分代码以下:

3.2.5 频率检测算法

频率检测算法用来检测系统输出电压频率。用PM25RSB-120片上事件管理器模

块捕捉单元捕捉被测信号有效电平跳变沿,并经过内部计数器统计一个周波内标频

脉冲个数,最终进行对应运算后得到被测信号频率。

3.3试验结果

3.3.1 测量波形

在完成上述硬件设计基础上,本文采取特定PWM控制策略,使逆变器拖动感应电

机运行,并进行了短路、电机堵转等试验,证实采取逆变器性能稳定,能可靠地实现

过流和短路保护。图8是电机在空载条件下,用数字示波器统计稳态电压波形。幅

度为35V,频率为60Hz。

图7不规则采样法生成SPWM波原理图

图8输出线电压波形

3.3.2 测试数据

在不一样频率及不一样线电压情况下测试数据如表1所表示。

表1不一样输出频率及不一样线电压情况下试验结果

控制器设计

4.结束语

4.1 心得

因为任务设计时间只有两周比较仓促,上课时候这些理论东西不是学很扎实,当课程设计安排下来时候才知道电力电子技术关键性和电机拖动里面电机神奇。所以,花了很长时间进行课程巩固,搞清楚了三相异步电机运作原理和过程,也初略搞清楚 加上控制可变微控制器就成了变频器,
在此准备阶段学到了很多了逆变器工作原理,之前没有重视东西。本文设计三相正弦波变频电源,因为采取了不对称规则采样算法和PID算法使输出线电压波形基础为正弦波,其绝对误差小于1.7%;同时含有故障保护功效,能够自动切断输入交流电源。所以本系统含有电路简单、 抗干扰性能好、 控制效果佳等优点,便于工程应用,含有较大实际应用价值。

所以,经过这次设计,我收获了很多,不管是对电力电子和DSP知识巩固和提升,或是参与设计取得经验。此次设计并不简单,电子设计要就是钻研精神,我们要知其然,更要知其所以然,所以对器件及电路结构清楚了解比起写论文更为关键。在理论联络实际同时,我期望自己动手能力能够稳步提升。

4.2元件清单

电子元件清单

名称	型号	体积	容量	误差	电压	包装	品牌	备注
整流桥	MDS200				1600V		MDS	Is=200A
IGBT	FS150				1200V		西门子
变压器	380V
均压电阻	5W		100K
熔断器	10A
异步电机	YSL450							极对数10
处理器	PM25RSB-120
电解电容	CBB22		1		1000V			最好
电容	CBB22		104		1000V			最好
贴片钽电容		A 型	2.2 微法	±10%	16V	2K	AVX
贴片电容	0805		391

直插稳压管			1W		36V			最好
直插电阻	金属膜		100K 1W
DSP

4.4控制电路

4.5参考文件:

1.《中小型电机产品样本》上海电器科学研究所 编 机械工业出版社

2.《电力电子技术题例和电路设计指导》石玉 编 机械工业出版社

3.《电力拖动自动控制系统》陈伯时 编 机械工业出版社

4.《电力电子设备设计和应用手册》王兆安 编 机械工业出版社

5.《电动机变频调速图解》 张燕宾 编 中国电力出版社