基于单片机的变频调速系统的组成和应用

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。

第2章交流调速系统的硬件介绍

2.1 转差频率控制原理

当稳态气隙磁通恒定时，异步电机的机械特性参数表达式为：

(2-1)

当实际转差额定空载转速相比很小时，可以从式中约去。这样式(2-1)可以简化为：

(2-2)

从式(2-2)中可得，当转差频率较小且磁通恒定时，电机的电磁转矩T与成正比。这时只要控制转差频率就能控制转矩T，从而实现对转速的控制。

若要使转差频率较小，只要有提供异步电动机的实际转速反馈即可实现。若要保持为恒值，即保持励磁电流恒定，而励磁电流与定子电流

有如下关系：

（2-3）

因此若，按照上述规律变化，则恒定，即恒定。转差频率控制策略是：利用测速环节得到转速与转速给定、比较，限制输出频率，使转差率(即)不太大；控制定子电流，使得励磁电流保持恒定；这时控制实现调速。系统原理图如图2-l所示。

图2-l 转差频率控制变频调速系统原理图

从图2-1可知．系统由速度调节器、电流调节器、函数发生器、加法器，整流与逆变电路，PWM控制电路，异步电动机及测量电路等组成，其中异步电动机由SPWM控制逆变器供电。转速调节器ASR的输出是转差频率给定值,表转矩给定。函数发生器输入转差频率产生。信号，并控制定子电流。以保持为恒值；加法器对转差频率和转速信号求和得到变频器的输出频率。从而实现三相异步电机变频调速。

2.2 系统设计的参数

一台三相异步电动机调速系统控制。需要对异步电动机的参数、接法进行计算和选择。采用转差频率控制方法，由单片机组成核心。调速范围（2.2—51HZ），无级调速，静差率。根据对象参数，完成各功能单元的结构设计，参数计算。这样才能完成整体的控制性能。

2.3 单片机控制的电机交流调速系统

2.3.1 调速系统总体方案介绍

转速开环恒压频比的调速系统，虽然结构简单，异步电动机在不同频率小都能获得较硬的机械特性但不能保证必要的调速精度，而且在动态过程中由于不能保持所需的转速，动态性能也很差，它只能用于对调速系统的静，动态性能要求不高的场合。如果异步电动机能象直流电动机一样，用控制电枢电流的方法来控制转矩，那么就可能得到和直流电动机一样的较为理想的静，动态特性。转差频率控制是一种解决异步电动机电磁转矩控制问题的方法，采用这种控制方案的调速系统，可以获得与直流电动机恒磁通调速系统相似的性能。

图2-2 调速系统总体结构图

如图2-2所示，系统主电路由二极管整流电路、SPWM逆变器和中间直流电路等组成，都是电压源型的，采用大电容C1滤波，同时兼具无功功率交换大的作用。为了避免大电容在合上电源开关后通电的瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入电抗，刚通上电源时，由L1限制充电电流，然后经过一段时间延时，L失去限流作用，使电路正常供电。

2.3.2 元器件的选用

1）8255的资料

8255是可编程的并行IO接口芯片，它具有3个8位的并行IO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，各引脚功能如图2-3所示。

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AD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

图2-3 8255引脚图图2-4 ADC0809引脚图

3）SA8282的资料

SA8282是MITEL公司推出的一种用于三相SPWM波发生和控制的集成电路，它与微处理器接口方便，内置波形ROM及相应的控制逻辑，设置完成后可以独立产生三相PWM波形，只有当输出频率或幅值等需要改变时才需微处理器的干预，微处理器只用很少的时间控制它，因而有能力进行整个系统的检测、保护和控制等。基于SA8282和89C51的变频器具有电路简单、功能齐全、性能价格比高、可靠性好等优点。

图2-5 SA8282的引脚排列图

4） AT89C51的资料

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能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2-6 AT89C51的管脚排列图图2-7 系统主回路电路图

2.3.3 系统主回路的介绍

1）主回路的结构

系统主回路是交—直—交电压型变频电路，其图2-7所示。

整流采用三相桥式不可控整流器，L、C1、C2组成滤波电路，Rb用来吸收制动能量。整流逆变电路采用的是GRT三相桥式PWM逆变器。

2）元件选择

为配合实现系统回路的功能原理，需要选择以下几种元件。

（1）大功率开关管

大功率开关管其内部结构图如图2-8所示。

图2-8 大功率开关管模块内部结构

（2）三相整流桥

根据计算系统的最大输出电流和最高耐压来选择三相整流桥。

（3） LC滤波器

根据最大耐压值选择电容器并联使用。

另外考虑到电动机和整流变压器存在一定的电感量，所以还需要根据参数选择一只不小于额定电流的电抗器。

3）调节器的介绍

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基于单片机的变频调速系统的组成和应用(二)