交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)及其通信控制研究

交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)及其通信控制研究江蘇永鋼集團(tuán)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(diào)速技能的發(fā)展，然后詳細(xì)介紹了交流電機(jī)變頻調(diào)速原理及其操控戰(zhàn)略。關(guān)鍵字：交流電機(jī)、變頻調(diào)速、通訊操控一、引言跟著社會(huì)發(fā)展的不斷進(jìn)步，各行各業(yè)對(duì)電能的需求不斷添加。電能作為首要的動(dòng)力在工業(yè)、農(nóng)業(yè)中起著重要的效果。我國(guó)是一個(gè)能耗大國(guó)，電機(jī)作為動(dòng)力耗費(fèi)大戶，應(yīng)當(dāng)采納辦法進(jìn)步電機(jī)功率，從而進(jìn)步動(dòng)力利用功率和添加效益。作為節(jié)能的一個(gè)有用辦法，變頻調(diào)速技能顯現(xiàn)出重要性。變頻調(diào)速術(shù)的發(fā)展與推行有著無(wú)窮的社會(huì)含義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)根據(jù)其轉(zhuǎn)子構(gòu)造，可分為鼠籠式和繞線式兩種。早在1885年，就己經(jīng)發(fā)明晰交流鼠籠型異步電機(jī)。交流鼠籠型異步電機(jī)的構(gòu)造鞏固簡(jiǎn)略，運(yùn)轉(zhuǎn)牢靠便利，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，原材料耗費(fèi)的很少，并且它的制作成本低，簡(jiǎn)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(dòng)領(lǐng)域中，直流調(diào)速體系卻一直占有著首要方位。這是因?yàn)榻涣麟姍C(jī)難于完成轉(zhuǎn)速的調(diào)理，并且轉(zhuǎn)矩的操控也很艱難。對(duì)直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)極調(diào)速，通過(guò)改變給定電機(jī)的電壓或者是勵(lì)磁電流就可以實(shí)現(xiàn)，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也很容易得到控制，動(dòng)態(tài)性能良好。然而對(duì)直流電動(dòng)機(jī)本身來(lái)說(shuō)也有其固有的缺點(diǎn):比如它具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，重量大，相對(duì)較高的價(jià)格;電刷很容易磨損，維修起來(lái)很不方便;并且對(duì)周?chē)h(huán)境要求較高，在一些易燃、易爆、腐蝕性氣體的場(chǎng)合是不適合應(yīng)用的;所以直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)很難適應(yīng)于現(xiàn)代化電氣傳動(dòng)中了，因?yàn)樯鲜龅囊恍┤秉c(diǎn)弊端都是與現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該具有的可靠性、方便的使用性、易于維護(hù)性相矛盾的[1]。從20世紀(jì)30年代開(kāi)始，大家就開(kāi)始潛心研究交流調(diào)速技能，但是進(jìn)程相對(duì)的緩慢。在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，直流調(diào)速技能一向憑仗優(yōu)秀的功能而領(lǐng)先于交流調(diào)速技能。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，跟著計(jì)算機(jī)技能，現(xiàn)代電子技能以及操控理論的開(kāi)展，交流電機(jī)調(diào)速技能的開(kāi)展也得到了極大的推進(jìn)，開(kāi)展最快的當(dāng)屬變頻調(diào)速技能。變頻調(diào)速體系是由交直交變頻器與交流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的交流調(diào)速傳動(dòng)體系，現(xiàn)己廣泛使用于交通運(yùn)輸業(yè)、工業(yè)建設(shè)、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。交直交變頻器的疾速開(kāi)展，使得交流調(diào)速傳動(dòng)體系在十多年間取得了十足的開(kāi)展，其功能得到不斷的進(jìn)步，并且較好地克服了直流傳動(dòng)體系的缺陷，所以在其使用規(guī)劃己逐漸取代了傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)體系。二、交流電機(jī)變頻調(diào)速原理及其控制策略電機(jī)變頻調(diào)速體系跟著電力電子技能的開(kāi)展而疾速開(kāi)展，其使用領(lǐng)域不斷拓展。國(guó)際上已構(gòu)成必定規(guī)劃的使用工業(yè)，中國(guó)也正在把它作為電機(jī)職業(yè)新的生長(zhǎng)點(diǎn)，變頻調(diào)速具有節(jié)約能源、進(jìn)步自動(dòng)化、進(jìn)步商品的質(zhì)量和產(chǎn)值之成效。交流異步電機(jī)變頻調(diào)速的辦法有許多，當(dāng)前對(duì)比有用的異步電機(jī)變頻調(diào)速體系主要有四種操控類(lèi)型：恒壓頻比（U/F）操控、轉(zhuǎn)差頻率操控、矢量操控以及直接轉(zhuǎn)矩操控。2.1交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可知，交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速是由供電電源頻率和電機(jī)的極對(duì)數(shù)決議的，所以能夠得到異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為：(2-1)式中：為交流異步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為交流異步電機(jī)定子供電頻率為電機(jī)極對(duì)數(shù)s為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率：由式(2-1)可知，能夠從下列三個(gè)方面來(lái)調(diào)理異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：其一是當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速恒守時(shí)，調(diào)理異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，稱(chēng)為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速；其二是改動(dòng)電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)，稱(chēng)為變極調(diào)速；其三是改動(dòng)電機(jī)定子供電電源頻率，就能夠滑潤(rùn)的調(diào)理電機(jī)的轉(zhuǎn)速稱(chēng)為變頻調(diào)速。

2.1.1改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速依照交流異步電動(dòng)機(jī)的基本原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分為兩有些：一有些是拖動(dòng)負(fù)載的有用功率：；另一有些是轉(zhuǎn)差功率：，與轉(zhuǎn)差率s成正比。改動(dòng)轉(zhuǎn)差率以后，轉(zhuǎn)差功率相應(yīng)改動(dòng)，耗費(fèi)型調(diào)速體系將全轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能耗費(fèi)掉?？梢?jiàn)，這是一種以添加無(wú)用耗費(fèi)功率來(lái)交換轉(zhuǎn)速下降的調(diào)速辦法，速度越低，機(jī)械效率越低。常見(jiàn)的降電壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、繞線轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速都是經(jīng)過(guò)添加轉(zhuǎn)差功率的耗費(fèi)來(lái)交換轉(zhuǎn)速的下降。這關(guān)于需求節(jié)能、環(huán)保、高效的調(diào)速體系是不適合的。

2.1.2變極對(duì)數(shù)調(diào)速由式（2-1）可知異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)同步轉(zhuǎn)速與電機(jī)的極對(duì)數(shù)成反比，改動(dòng)籠式三相異步機(jī)的定子繞組極對(duì)數(shù)，就改動(dòng)了同步轉(zhuǎn)速然后來(lái)完結(jié)調(diào)速的意圖。變極對(duì)數(shù)是經(jīng)過(guò)改動(dòng)定子繞組的接線辦法來(lái)完結(jié)的。所以變極調(diào)速辦法只能適用于籠式異步電動(dòng)機(jī)，這是因?yàn)槔@線式轉(zhuǎn)子的變極費(fèi)事，而籠式轉(zhuǎn)子能自動(dòng)盯梢定子的極對(duì)數(shù)改動(dòng)，經(jīng)過(guò)改動(dòng)定子繞組的銜接以完結(jié)電機(jī)的變極[2]。通常電機(jī)的極對(duì)數(shù)值是有限的，故變極對(duì)數(shù)調(diào)速歸于有極調(diào)速，而且調(diào)速規(guī)模也有限，不適用于需求滑潤(rùn)調(diào)場(chǎng)合。所以在一些只需求兩級(jí)調(diào)速的場(chǎng)合如紡織車(chē)間的風(fēng)機(jī)得到廣泛的使用。2.1.3變頻率調(diào)速當(dāng)電機(jī)極對(duì)數(shù)不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與異步電動(dòng)機(jī)的定子供電電源頻率成正比，同步轉(zhuǎn)速隨之改動(dòng)，即可滑潤(rùn)地改動(dòng)轉(zhuǎn)速n，然后完結(jié)異步電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，這種調(diào)速辦法稱(chēng)為變頻調(diào)速。由式（2-1）可得只要改動(dòng)定子供電頻率就能夠調(diào)理轉(zhuǎn)速，可是事實(shí)上在改動(dòng)供電頻率時(shí)電機(jī)的供電電壓也會(huì)出現(xiàn)改動(dòng)。由電機(jī)學(xué)可知，三相異步電機(jī)定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有用值為：(2-2)式中1N為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)，為基波繞組系數(shù)，每極氣隙磁通。由式(2-2)可得:（2-3）所以若感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不變，調(diào)速時(shí)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(zhuǎn)速以下時(shí)將失掉調(diào)速體系的恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性，并能夠形成電機(jī)的堵轉(zhuǎn);若下降頻率而不變，則由(2-3)可知，將增大，磁通上升，則又會(huì)形成電機(jī)的磁路飽滿，勵(lì)磁電流迅速上升，然后致使電機(jī)鐵損加大，電機(jī)鐵芯嚴(yán)峻過(guò)熱，其輸出功率下降，甚至有燒毀電機(jī)的能夠。由此可見(jiàn)，為了取得較優(yōu)良機(jī)械特性的變頻調(diào)速體系，在調(diào)速時(shí)需堅(jiān)持磁通穩(wěn)定，當(dāng)前常用的恒磁通變頻調(diào)速體系，首要有恒壓頻比操控法和轉(zhuǎn)差頻率操控法[3]。所以只改變定子頻率實(shí)際上并不能到達(dá)堅(jiān)持磁通穩(wěn)定，而需要經(jīng)過(guò)電壓和頻率進(jìn)行和諧操控，以便完成各種不同類(lèi)型的變頻調(diào)速。在轉(zhuǎn)矩穩(wěn)守時(shí)，s根本不變，異步電動(dòng)機(jī)的輸出功率，與輸入電磁功率成比例改變，損耗根本沒(méi)有增加，是高功率的調(diào)速辦法。從以上能夠看出，與變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變極調(diào)速比較，變頻調(diào)速可在廣大的范圍內(nèi)完成無(wú)級(jí)調(diào)速，并可取得極好的起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)特性，是一種功率比較高的調(diào)速辦法。當(dāng)前，交流異步電動(dòng)機(jī)所選用的變頻調(diào)速操控方法有:恒壓頻比操控以及轉(zhuǎn)差頻率操控矢量操控以及直接轉(zhuǎn)矩操控等方法。本章首要介紹恒壓頻比操控以及轉(zhuǎn)差頻率操控。三、交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)在交流調(diào)速體系的規(guī)劃中，操控電路則是體系的中心有些。變頻調(diào)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(zhuǎn)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(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模變換，變換成操控芯片能夠辨認(rèn)的信號(hào)，操控芯片再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的操控算法去處置這些數(shù)據(jù)完成對(duì)電機(jī)調(diào)速體系的操控。3.1電流檢查電路在很多交流電機(jī)操控算法中，都需要采樣兩路的相電流值進(jìn)行相關(guān)閉環(huán)運(yùn)算以進(jìn)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(jìn)步。電流檢查即是把檢查到的電機(jī)三相定子電流模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D變換，變換為DSP芯片能夠辨認(rèn)的數(shù)字信號(hào)，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(méi)有太多時(shí)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(cè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)機(jī)操控、載荷檢查和辦理、開(kāi)關(guān)電源和過(guò)流保護(hù)等。電流檢查電路如圖3-1所示。圖3-1電流檢測(cè)電路3.2電機(jī)速度檢測(cè)電路在本體系的速度檢查環(huán)節(jié)是通過(guò)增量式光電編碼器來(lái)完成的，效果是完成體系轉(zhuǎn)速的閉環(huán)操控，以及體系開(kāi)環(huán)操控時(shí)反饋回來(lái)的速度值在上位機(jī)界面中的顯現(xiàn)功用。在增量式編碼器的碼盤(pán)上有必定數(shù)量的被均勻刻制的光柵，碼盤(pán)跟著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)而一同滾動(dòng)。在光柵的效果下，光通路接連不斷地被敞開(kāi)或封閉，因此，在接納設(shè)備的輸出端能夠得到方波脈沖序列而且其頻率與轉(zhuǎn)速是成正比的，進(jìn)而轉(zhuǎn)速就能夠被核算出來(lái)。此外，為判別旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還供給相位相差900的2個(gè)通道的光碼輸出，根據(jù)雙通道光碼的狀況改變斷定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。本體系選用光洋電子公司的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器TRD-2T，編碼器需求10.8w26.4V供電，旋轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生1024個(gè)脈沖信號(hào)，輸出信號(hào)有A，B，Z三種，A和B的相位相差900，根據(jù)A，B信號(hào)可判別出電機(jī)滾動(dòng)方向，正轉(zhuǎn)時(shí)A相超前B相；反轉(zhuǎn)時(shí)B相超前A相。Z信號(hào)為周期信號(hào)。由光電編碼器輸出脈沖信號(hào)通過(guò)調(diào)度電路輸入到DSP2812片上的正交編碼電路（QEP）。使能QEP電路能夠?qū)σ_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(jìn)行編碼和計(jì)數(shù)，然后到達(dá)核算電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)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(gè)外部引腳，這兩個(gè)引腳為多功用復(fù)用I/O（GPIO）引腳，需對(duì)其進(jìn)行裝備，使其輸出SCITXD和SCIRXD信號(hào)，本電路運(yùn)用的是G端口的4腳和5腳，它們別離對(duì)應(yīng)SCI模塊內(nèi)部的SCIBTXD和SCIBRXD引腳，GPIO引腳的輸出信號(hào)電平為T(mén)TL類(lèi)型。本硬件體系的操控電路板和上位PC機(jī)之間通過(guò)RS232串行總線進(jìn)行通訊，RS232總線是在異步串行通訊中應(yīng)用最廣泛的總線。由于它具有較高的性?xún)r(jià)比和傳輸?shù)目煽啃?。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(shì)。其邏輯電平對(duì)地是對(duì)稱(chēng)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(qū)動(dòng)器與TTL電平必須通過(guò)電平變換。這兒運(yùn)用MAX3221ECAE芯片進(jìn)行電平變換，該芯片是3.3v供電，輸入輸出的TTL信號(hào)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(jié)論伴隨著電力電子技能和微電子技能帶動(dòng)了交流調(diào)速體系的興起和進(jìn)步，交流電機(jī)調(diào)速體系在電力傳動(dòng)商場(chǎng)中占有的份額越來(lái)越高，可以說(shuō)變頻調(diào)速體系已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。開(kāi)環(huán)恒壓頻比操控仍是迄今為止一種最盛行且最簡(jiǎn)略的異步電機(jī)變頻調(diào)速辦法，由于時(shí)刻的聯(lián)系本課題僅僅完成了體系的恒磁通變頻調(diào)速，完成了體系的開(kāi)環(huán)以及速度閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率操控。本論文只完成了體系的恒磁通變頻調(diào)速，運(yùn)用了恒壓頻比開(kāi)環(huán)以及速度閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率操控，所以領(lǐng)先操控辦法如矢量操控、直接轉(zhuǎn)矩操控、智能操控和無(wú)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(xiàn)[1]徐科軍,陶維青,汪海寧.DSP及其電氣與自動(dòng)化工程應(yīng)用[M].北京: