基于fpga的交流电机变频调速系统

基于fpga的交流电机变频调速系统内容摘要：

内占据首位。 但是由于直流电动机本身有机械换向器，给直流调速系统造成一些固有的、难于解决的问题。 随着交流传动电动机调速的理论问题的突破 和调速装置 (主要指变频器 )性能的完善，交流电动机调速系统的性能差的缺点已经得到了克服，目前，交流调速系统的性能已经可以和直流系统相媲美，甚至可以超过直流系统。 由于交流调速不断显示其本身的优越性和巨大的社会效益，使变频器具有越来越旺盛的生命力。 各种性能优越的新型电力半导体器件的出现，如既能控制导通又能控制关断的门极可关断晶闸管 GTO； 具有良好功率转换效率和适于在高频大功率情况下工作的MOSFET； 既有 MOS 管栅极驱动电压功率小和驱动线路简单，又有双极性功率晶体管导通饱和压降小优点的绝缘栅双极性大功率 管 IGBT； 以及内部既有大功率开关器件，又有各种驱动电路和过压、过流等保护电路的智能型功率模块 IPM中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 6 页 共 57 页 等器件的应用，不仅使交流调速系统控制装置体积小，效率高，而且还更容易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案，更加充实和推动了变频器理论的进一步发展。 能完成各种复杂信号和信息处理的集成芯片的出现，如能产生脉宽调制 信号的专用集成电路以及各种单片机和计算机系统用的微处理器和接口芯片的大量问世 ， 为高质量的控制创造了良好的条件。 建立在电机统一理论和机电一体化理论基础上的各种先进控制方案，通过快速检测电流实现 PWM 控制的变频技 术，通过直接控制转矩来快速控制转速的转速自调整技术，以及具有很强抗 干 扰能力的变结构控制系统等等，都极大地丰富了电机调速领域的内容。 总之，交流电机调速技术的发展，特别是变频器传动本身固有的优势，必将使之应用于社会生产的各个领域，以体现出不同的功能，达到不同的目的，收到相应的效益。 因此，本论文通过对变频器的研究，对于交流变频调速系统理论的应用，有着实际的意义和一定的应用价值。 本次设计方案简介 变频器主电路方案的选定 变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。 随 着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。 静止式变频器从变换环节分为两大类： 交 直 交 变频器 和交 交 变频器。 1） 交 交型变频器 它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率 可调电压 的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。 由于中间不经过直流环节 ， 不需换流， 故效率很高。 因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。 但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的 1/3～ 1/2,所以不能高速运行。 2） 交 直 交型变频器 交 直 交 变频器是先把工频交流通过 整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交 直 交变频器是目前广泛应用的通用变频器。 它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种 ： ： 电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 7 页 共 57 页 节内阻较大，故称电流源型变频器。 ： 电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称 电压型变频器。 由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率， 所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响， 它主要适用于中、小容量的交流传动系统。 与之相比 ， 电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源 ，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。 由于 交 直 交型变频器 是目前广泛应用的通用变频器，所以本次设计中选用此种间接变频器，在交 直 交变频器的设计中，虽然电流型变频器可以弥补电压型变频器在再生制动时必须加入附加电阻的缺点，并有着无须附加任何设备即 可以实现负载的四象限运行的优点，但是考虑到电压型变频器的通用性及其优点，在本次设计中采用电压型变频器。 控制电路简介 由 FPGA控制 SA4828 芯片产生所需要的 SPWM波来控制逆变电路开关管的通断，以此产生对称的 SPWM 波对三相异步电动机供电，实现对异步电动机转速的控制。 具体电路见第五章。 设计说明书的组织结构 设计利用 FPGA 的特点和优势，在电力电子变频调速技术领域中，应用 FPGA 控制 SPWM 波专用芯片 SA4828，来实现基于 SPWM 技术的变频调速数字控制系统 的设计，围绕着系统设计的理论分析，系统的结构设计及最终的 FPGA 的实现进行研究，探索 FPGA 在电力电子变频调速技术领域中的应用前景。 论文结构安排如下： 第一章 绪论。 简述设计的技术背景和主要研究内容。 第二章 交流异步电动机。 介绍了交流异步电动机的基本理论，工作原理，控制方法等。 引出变频调速是目前应用最广泛的交流电动机的调速方式。 第三章 FPGA 数字系统。 介绍了 FPGA 的发展历史，主要应用领域，优势等等，并简要介绍了描述 FPGA 行为模型的硬件描述语言 — Verilog HDL。 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 8 页 共 57 页 第四章 SPWM 技术。 介绍了变频的原理 ，方法。 并着重介绍了设计用到的 SPWM波专用芯片 SA4828 的结构及其控制方法。 第五章 系统硬件设计。 介绍了实现交流异步电动机变频调速的硬件系统。 给出了主电路，和几种基本的保护电路原理图。 第六章 软件设计。 介绍了实现控制 FPGA 的控制流程，和实现交流异步电动机变频调速的描述语言。 本章小结 本章为整个设计说明书的统领章节，介绍了交流变频技术的发展背景和发展现状，说明了使用变频调速的必要性，并引入了较为 先进 的 FPGA 作为主控制芯片，并介绍了电力电子技术的发展对数字系统的影响。 最后给出了设计说明书的的组织形式 ，起到了一个提纲挈领的作用。 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 9 页 共 57 页 2 交流异步电动机 交流异步电动机 异步电机又称感应电机主要用作电动机，应用最广泛的一种电动机，厂矿企业，交通工具，娱乐，科研，农业生产，日常生活都离不开异步电动机。 异步电动机主要分为：鼠笼式异步电动机，绕线式异步电动机和各种控制用电动机三大类。 按定子电源相数分，又可分为单相感应电动机，两相感应电动机和三相感应电动机。 交流异步电动机的结构 图 交流异步电动机的结构 三相异步电动机主要由定子和转子两大部分构 成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部分，在定子与转子之间有一定的气隙， 以保证转子的自由转动。 异步电动机的空气隙较其他类型的电 机 气隙要小，一般为 mm～ 2mm。 定子主要由铁心、绕组与机座三部分组成。 转 机 子主要由铁心与绕组组成，转子绕组有鼠笼式和线绕式。 鼠笼式转子是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成；线绕式转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里。 鼠笼式与线绕式两种电动机虽然结构不一样，但工作原理是一样的。 异步电动机结构如图一所示。 下面分别介绍： 1）定子部分 机座 机座用来支撑定子铁心和固定端盖。 中、小型电动机机座一般用铸铁浇成，大型电动机多采用钢板焊接而成。 定子铁心 定子铁心是电动机磁路的一部分。 为了减小涡流损耗和磁滞损耗，通常用 形 ，硅钢片表面的氧化层 (大型电动机要求涂绝缘漆 )作为片间绝缘。 在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组。 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 10 页 共 57 页 定子绕组 定子绕组是电动机的电路部分，也是最重要的部分，一般是由绝缘铜 (或铝 )导线绕制的绕组联接而成。 它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。 通常，绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组，按一定的排列方式嵌入定子槽内。 槽内绕组匝间、绕组与铁心之间都要有良好的绝缘。 如果是双层绕组，还要加放层间绝缘。 轴承 轴承是电动机定、转子衔接的部位，轴承有滚动轴承和滑动轴承两类，滚动轴承又有滚珠轴承 (也称为球轴承 )，目前多数电动机都采用滚动轴承。 这种轴承的外部有贮存润滑油的油箱，轴承上还装有油环，轴转动时带动油环转动，把油箱中的润滑油带到轴与轴承的接触面上。 为使润滑油能分布在整个接触面上，轴承上紧贴轴的一面一般开有油槽。 2）转子部分 转子 是电动机中的旋转部分，一般由转轴、转子铁心、转子绕组、风扇等组成。 转轴用碳纲制成，两端轴颈与轴承相配合。 出轴端铣有键槽，用以固定皮带轮或联轴器。 转轴是输出转矩、带动负载的部件。 转子铁心也是电动机磁路的一部分。 由 厚的硅钢片叠压成圆柱体，并紧固在转子轴上。 转子铁心的外表面有均匀分布的线槽，用以嵌放转子绕组。 三相交流异步电动机按照转子绕组形式的不同，一般可分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。 笼型转子 线槽一般都是斜槽 (线槽与轴线不平行 )，目的是改善起动与调速性能。 笼型绕组 (也称为导条 )是在转子铁心的 槽里嵌放裸铜条或铝条，然后用两个金属环 (称为端环 )分别在裸金属导条两端把它们全部接通 (短接 )，即构成了转子绕组；小型笼型电动机一般用铸铝转子，这种转子是用熔化的铝液浇在转子铁心上，导条、瑞环一次浇铸出来。 如果去掉铁心，整个绕组形似鼠笼，所以得名笼型绕组。 绕线型转子 绕组与定子绕组类似，由镶嵌在转子铁心槽中的三相绕组组成。 绕组一般采用星形连接，三相绕组绕组的尾端接在一起，首瑞分别接到转轴上的3 个铜滑环上，通过电刷把 3 根旋转的线变成了固定线，与外部的变阻器连接，构成转子的闭合回路，以便于控制。 有的电动机还装有 提刷短路装置，当电动机起动后又不需要调速时，可提起电刷，同时使用 3 个滑环短路，以减少电刷摩损。 两种转子相比较，笼型转子结构简单，造价低廉，并且运行可靠，因而应用中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 11 页 共 57 页 十分广泛。 绕线型转子结构较复杂，造价也高，但是它的起动性能较好，并能利用变阻器阻值的变化，使电动机能在一定范围内调速；在起动频繁、需要较大起动转矩的生产机械 (如起重机 )中常常被采用。 一般电动机转子上还装有风扇或风翼，便于电动机运转时通风散热。 铸铝转子一般是将风翼和绕组 (导条 )一起浇铸出来。 3） 气隙δ 所谓气隙就是定子与转子之间的空隙。 中 小型异步电动机的气隙一般为～。 气隙的大小对电动机性能影响较大，气隙大。 磁阻也大，产生同样大小的磁通，所需的励磁电流 Im也越大，电动机的功率因数也就越低。 但气隙过小，将给装配造成困难，运行时定、转子容易发生摩擦，使电动机运行不可靠。 交流异步电动机的工作原理 定子三相绕组通入 三相交流电 即可产生 旋转磁场。 当三相电流不断地随时间变化时，所建立的合成磁场也不断地在空间旋转。 旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。 若定子每相绕组由 P个线圈串联，绕组的始端之间互差 360176。 /P，将形成 P 对磁极的旋转磁场。 旋转磁场的转速（同步转速）可用下式表示： 0 60fn p () 0n 为同步转速， 1f 为电源的频率， p 为电动机定子磁极的磁对数。 转子绕组在旋转磁场下产生感应电动势，又由于定子绕组是自短路的，故定子中将产生感应电流。 感应电流在定子旋转磁场作用下，产生电磁力，其方向由“ 左手螺旋定则 ”判断。 该力对转轴形成转矩 (称电磁转矩 )，它的方向与定子旋转磁场 (即电流相序 )一致，于是，电动机在电磁转矩的驱动下，顺着旋转磁场的方向旋转，且与旋转磁场的转速有一定差别。 这个速度差用转差率来表示 00( ) 1 0 0 %nns n () n 为转子的转速。 在正常运行范围内，异步电动机的转差率很小 ，仅在 0． 010． 06之间。 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 12 页 共 57 页 交流异步电动机的额定参数 三相异步电动机在出厂时，机座上都固定着一块铭牌，铭牌上标注着额定数据。 主要的额定数据为： 额定功率 PN(kW)：指电动机额定工作状态时，电动机轴上输出的机械功率。 NNNNN C O SUI3P 。