交流電機變頻調速系統及其通信控制研究

交流電機變頻調速系統及其通信控制研究江蘇永鋼集團有限公司梁柏林摘要本文從該科題的研討布景和含義下手，首要剖析了交流變頻調速技能的發(fā)展，然后詳細介紹了交流電機變頻調速原理及其操控戰(zhàn)略。關鍵字：交流電機、變頻調速、通訊操控一、引言跟著社會發(fā)展的不斷進步，各行各業(yè)對電能的需求不斷添加。電能作為首要的動力在工業(yè)、農業(yè)中起著重要的效果。我國是一個能耗大國，電機作為動力耗費大戶，應當采納辦法進步電機功率，從而進步動力利用功率和添加效益。作為節(jié)能的一個有用辦法，變頻調速技能顯現出重要性。變頻調速術的發(fā)展與推行有著無窮的社會含義和經濟價值。交流感應電動機根據其轉子構造，可分為鼠籠式和繞線式兩種。早在1885年，就己經發(fā)明晰交流鼠籠型異步電機。交流鼠籠型異步電機的構造鞏固簡略，運轉牢靠便利，適應環(huán)境能力強，原材料耗費的很少，并且它的制作成本低，簡單向大電壓，高速度和大容量方向發(fā)展，所以它很快獲得了廣泛的使用。但是在高要求寬規(guī)模的電氣變速傳動領域中，直流調速體系卻一直占有著首要方位。這是因為交流電機難于完成轉速的調理，并且轉矩的操控也很艱難。對直流電機來說，要實現電機的無極調速，通過改變給定電機的電壓或者是勵磁電流就可以實現，而且電機的轉矩也很容易得到控制，動態(tài)性能良好。然而對直流電動機本身來說也有其固有的缺點:比如它具有復雜的結構，重量大，相對較高的價格;電刷很容易磨損，維修起來很不方便;并且對周圍環(huán)境要求較高，在一些易燃、易爆、腐蝕性氣體的場合是不適合應用的;所以直流電動機已經很難適應于現代化電氣傳動中了，因為上述的一些缺點弊端都是與現代調速系統應該具有的可靠性、方便的使用性、易于維護性相矛盾的[1]。從20世紀30年代開始，大家就開始潛心研究交流調速技能，但是進程相對的緩慢。在很長的時間內，直流調速技能一向憑仗優(yōu)秀的功能而領先于交流調速技能。自20世紀70年代以來，跟著計算機技能，現代電子技能以及操控理論的開展，交流電機調速技能的開展也得到了極大的推進，開展最快的當屬變頻調速技能。變頻調速體系是由交直交變頻器與交流電動機構成的交流調速傳動體系，現己廣泛使用于交通運輸業(yè)、工業(yè)建設、家用電器等各個領域。交直交變頻器的疾速開展，使得交流調速傳動體系在十多年間取得了十足的開展，其功能得到不斷的進步，并且較好地克服了直流傳動體系的缺陷，所以在其使用規(guī)劃己逐漸取代了傳統的直流傳動體系。二、交流電機變頻調速原理及其控制策略電機變頻調速體系跟著電力電子技能的開展而疾速開展，其使用領域不斷拓展。國際上已構成必定規(guī)劃的使用工業(yè)，中國也正在把它作為電機職業(yè)新的生長點，變頻調速具有節(jié)約能源、進步自動化、進步商品的質量和產值之成效。交流異步電機變頻調速的辦法有許多，當前對比有用的異步電機變頻調速體系主要有四種操控類型：恒壓頻比（U/F）操控、轉差頻率操控、矢量操控以及直接轉矩操控。2.1交流異步電動機調速原理根據電機學原理可知，交流異步電機轉速是由供電電源頻率和電機的極對數決議的，所以能夠得到異步電動機的轉速n的表達式為：(2-1)式中：為交流異步電機同步轉速為交流異步電機定子供電頻率為電機極對數s為異步電動機的轉差率：由式(2-1)可知，能夠從下列三個方面來調理異步電動機的轉速：其一是當電動機旋轉磁場的同步轉速恒守時，調理異步電機的轉差率s，稱為變轉差率調速；其二是改動電動機定子繞組的極對數，稱為變極調速；其三是改動電機定子供電電源頻率，就能夠滑潤的調理電機的轉速稱為變頻調速。

2.1.1改變轉差率s調速依照交流異步電動機的基本原理，從定子傳入轉子的電磁功率可分為兩有些：一有些是拖動負載的有用功率：；另一有些是轉差功率：，與轉差率s成正比。改動轉差率以后，轉差功率相應改動，耗費型調速體系將全轉差功率都轉換成熱能耗費掉。可見，這是一種以添加無用耗費功率來交換轉速下降的調速辦法，速度越低，機械效率越低。常見的降電壓調速、電磁轉差離合器調速、繞線轉子回路串電阻調速都是經過添加轉差功率的耗費來交換轉速的下降。這關于需求節(jié)能、環(huán)保、高效的調速體系是不適合的。

2.1.2變極對數調速由式（2-1）可知異步電機旋轉磁通勢同步轉速與電機的極對數成反比，改動籠式三相異步機的定子繞組極對數，就改動了同步轉速然后來完結調速的意圖。變極對數是經過改動定子繞組的接線辦法來完結的。所以變極調速辦法只能適用于籠式異步電動機，這是因為繞線式轉子的變極費事，而籠式轉子能自動盯梢定子的極對數改動，經過改動定子繞組的銜接以完結電機的變極[2]。通常電機的極對數值是有限的，故變極對數調速歸于有極調速，而且調速規(guī)模也有限，不適用于需求滑潤調場合。所以在一些只需求兩級調速的場合如紡織車間的風機得到廣泛的使用。2.1.3變頻率調速當電機極對數不變時，電機轉速n與異步電動機的定子供電電源頻率成正比，同步轉速隨之改動，即可滑潤地改動轉速n，然后完結異步電機的無級調速，這種調速辦法稱為變頻調速。由式（2-1）可得只要改動定子供電頻率就能夠調理轉速，可是事實上在改動供電頻率時電機的供電電壓也會出現改動。由電機學可知，三相異步電機定子每相感應電動勢的有用值為：(2-2)式中1N為定子每相繞組串聯匝數，為基波繞組系數，每極氣隙磁通。由式(2-2)可得:（2-3）所以若感應電動勢不變，調速時只改變定子頻率使其升高，則由式(2-3可知磁通將減小，在額外轉速以下時將失掉調速體系的恒轉矩機械特性，并能夠形成電機的堵轉;若下降頻率而不變，則由(2-3)可知，將增大，磁通上升，則又會形成電機的磁路飽滿，勵磁電流迅速上升，然后致使電機鐵損加大，電機鐵芯嚴峻過熱，其輸出功率下降，甚至有燒毀電機的能夠。由此可見，為了取得較優(yōu)良機械特性的變頻調速體系，在調速時需堅持磁通穩(wěn)定，當前常用的恒磁通變頻調速體系，首要有恒壓頻比操控法和轉差頻率操控法[3]。所以只改變定子頻率實際上并不能到達堅持磁通穩(wěn)定，而需要經過電壓和頻率進行和諧操控，以便完成各種不同類型的變頻調速。在轉矩穩(wěn)守時，s根本不變，異步電動機的輸出功率，與輸入電磁功率成比例改變，損耗根本沒有增加，是高功率的調速辦法。從以上能夠看出，與變轉差率調速和變極調速比較，變頻調速可在廣大的范圍內完成無級調速，并可取得極好的起動和運轉特性，是一種功率比較高的調速辦法。當前，交流異步電動機所選用的變頻調速操控方法有:恒壓頻比操控以及轉差頻率操控矢量操控以及直接轉矩操控等方法。本章首要介紹恒壓頻比操控以及轉差頻率操控。三、交流電機變頻調速系統控制電路的設計在交流調速體系的規(guī)劃中，操控電路則是體系的中心有些。變頻調速體系的操控電路有些是由中心操控芯片加上一些外圍拓展電路所組成。外圍拓展電路包含：電流檢查電路，轉速檢查電路以及通訊電路等。這些電路將檢查到的模擬信號經過數模變換，變換成操控芯片能夠辨認的信號，操控芯片再經過相應的操控算法去處置這些數據完成對電機調速體系的操控。3.1電流檢查電路在很多交流電機操控算法中，都需要采樣兩路的相電流值進行相關閉環(huán)運算以進步操控功能，比如在矢量操控體系中，采樣到的電流值越精確就越有利于操控功能的進步。電流檢查即是把檢查到的電機三相定子電流模擬信號經過A/D變換，變換為DSP芯片能夠辨認的數字信號，然后輸入給DSP芯片的A心接口，以完成電流環(huán)的閉環(huán)操控。在本課題中盡管沒有太多時間做電流環(huán)的閉環(huán)操控，但為了熟練掌握操控電路的外圍拓展電路，還是使用了電流檢查電路在DSP中觀測電機運轉時的定子電流情況。本體系選用ACS706型電流傳感器，它常用于電動機操控、載荷檢查和辦理、開關電源和過流保護等。電流檢查電路如圖3-1所示。圖3-1電流檢測電路3.2電機速度檢測電路在本體系的速度檢查環(huán)節(jié)是通過增量式光電編碼器來完成的，效果是完成體系轉速的閉環(huán)操控，以及體系開環(huán)操控時反饋回來的速度值在上位機界面中的顯現功用。在增量式編碼器的碼盤上有必定數量的被均勻刻制的光柵，碼盤跟著電機的旋轉而一同滾動。在光柵的效果下，光通路接連不斷地被敞開或封閉，因此，在接納設備的輸出端能夠得到方波脈沖序列而且其頻率與轉速是成正比的，進而轉速就能夠被核算出來。此外，為判別旋轉方向，碼盤還供給相位相差900的2個通道的光碼輸出，根據雙通道光碼的狀況改變斷定電機的轉向。本體系選用光洋電子公司的增量式旋轉編碼器TRD-2T，編碼器需求10.8w26.4V供電，旋轉一周可產生1024個脈沖信號，輸出信號有A，B，Z三種，A和B的相位相差900，根據A，B信號可判別出電機滾動方向，正轉時A相超前B相；反轉時B相超前A相。Z信號為周期信號。由光電編碼器輸出脈沖信號通過調度電路輸入到DSP2812片上的正交編碼電路（QEP）。使能QEP電路能夠對引腳CAPI和CAP2(事情管理器A）或CAP3和CAP4（事情管理器B）輸入的正交編碼脈沖進行編碼和計數，然后到達核算電機轉速的意圖。3.3通訊電路本體系的通訊指的是TMS320F2812的通訊接口SCI與上位機PC之間的串行通訊。SCI通訊接口有SCITXD（發(fā)送輸出引腳）和SCIRXD（接納輸入引腳）兩個外部引腳，這兩個引腳為多功用復用I/O（GPIO）引腳，需對其進行裝備，使其輸出SCITXD和SCIRXD信號，本電路運用的是G端口的4腳和5腳，它們別離對應SCI模塊內部的SCIBTXD和SCIBRXD引腳，GPIO引腳的輸出信號電平為TTL類型。本硬件體系的操控電路板和上位PC機之間通過RS232串行總線進行通訊，RS232總線是在異步串行通訊中應用最廣泛的總線。由于它具有較高的性價比和傳輸的可靠性。在傳輸速率要求不是很高的情況下，串口通訊依然有其自身的優(yōu)勢。其邏輯電平對地是對稱的，與TTL，CMOS邏輯電平完全不一樣，邏輯0電平是規(guī)定為+5v到++15v之間，而邏輯1電平規(guī)定為一5v到一15V之間。所以RS232驅動器與TTL電平必須通過電平變換。這兒運用MAX3221ECAE芯片進行電平變換，該芯片是3.3v供電，輸入輸出的TTL信號高電平是3.3v，便利與DSP連接。串行通訊接口電路如圖3-2所示。圖3-2串行通信接口電路結論伴隨著電力電子技能和微電子技能帶動了交流調速體系的興起和進步，交流電機調速體系在電力傳動商場中占有的份額越來越高，可以說變頻調速體系已廣泛應用于各個領域。開環(huán)恒壓頻比操控仍是迄今為止一種最盛行且最簡略的異步電機變頻調速辦法，由于時刻的聯系本課題僅僅完成了體系的恒磁通變頻調速，完成了體系的開環(huán)以及速度閉環(huán)的轉差頻率操控。本論文只完成了體系的恒磁通變頻調速，運用了恒壓頻比開環(huán)以及速度閉環(huán)的轉差頻率操控，所以領先操控辦法如矢量操控、直接轉矩操控、智能操控和無速度傳感器操控技能等閉環(huán)操控技能的研討和完成是下一步研討的首要方向。參考文獻[1]徐科軍,陶維青,汪海寧.DSP及其電氣與自動化工程應用[M].北京: