基于单片机控制的异步电动机变频调速系统的设计2教程.docx

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。 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-sns=(1-s)60f1p (1) 式中 n ——电动机的实际转速； ns——电动机的同步转速； s ——转差率，s=ns-nns； f1——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Φm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 E1=4.44f1N1kw1Φm （2） 式中 E1——气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值； f1——供电频率； N1——定子每相绕组串联匝数； kw1——定子基波绕组系数； Φm——每极气隙磁通量。 故要保持Φm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 E1f1=U1f1=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。 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