交交变频技术论文学士学位论文.doc

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目录 IV
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究交交变频技术的目的及意义 1
1.3 交交变频技术在国内外的研究现状 2
1.3.1 国内的研究现状 2
1.3.2 国外的研究现状 3
1.4 课题主要研究内容 4
第2章 交交变频器的工作原理 5
2.1 交一交变频器的基本工作原理 5
2.1.1 单相交交变频电路的基本原理 5
2.1.2 三相交交变频电路的基本原理 8
2.2 交一交变频器控制角a角的调制方式与方法 9
2.2.1 输出信号为正弦波的调制 9
2.2.2 触发控制原则 11
2.3 交一交变频器的输入输出特性 12
2.3.1 输出上线频率 12
2.3.2 输入功率因数 12
2.3.3 输出电压谐波 13
2.3.4 输入电流谐波 13
2.4 本章小结 13
第3章 交一交变频器主回路的设计 14
3.1 环流的控制原则 14
3.2 交一交变频器主电路设计 15
3.3 主电路器件选择 16
3.3.1 整流变压器的确定 16
3.3.2 整流器件选择 17
3.3.3 电流互感器及其并联电阻的选择 18
3.4 本章小结 18
第4章 基于单片机交交变频器控制电路的设计 19
4.1 8051单片机简介 19
4.2 8051芯片引脚及其功能 20
4.3 零电流检测电路设计 21
4.4 正弦波触发电路设计 23
4.5 调节器电路设计 27
4.6 检测单元电路设计 30
4.7 键盘/显示接口电路 31
4.7.1 键盘功能的设计 33
4.7.2 显示设定 34
4.8 本章小结 34
第5章 控制系统软件设计 35
5.1 软件的总体设计 35
5.2 主程序 35
5.3 控制算法 36
5.3.1 频率控制 36
5.3.2 幅值控制 37
5.3.3 相位控制 38
5.3.4 相序控制 38
5.3.5 控制算法流程图 38
5.4 换相逻辑子程序 39
5.5 键盘显示子程序 40
5.5.1 键盘中断程序 40
5.5.2 显示中断程序 40
5.6 本章小结 41
结论 42
致谢 43
参考文献 44

- II -
交交变频技术
摘要
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关键词　交—交变频器、晶闸管、单片机、无环流控制
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目录
摘要 I
Abstract II

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目录 IV
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究交交变频技术的目的及意义 1
1.3 交交变频技术在国内外的研究现状 2
1.3.1 国内的研究现状 2
1.3.2 国外的研究现状 3
1.4 课题主要研究内容 4
第2章 交交变频器的工作原理 5
2.1 交一交变频器的基本工作原理 5
2.1.1 单相交交变频电路的基本原理 5
2.1.2 三相交交变频电路的基本原理 8
2.2 交一交变频器控制角a角的调制方式与方法 9
2.2.1 输出信号为正弦波的调制 9
2.2.2 触发控制原则 11
2.3 交一交变频器的输入输出特性 12
2.3.1 输出上线频率 12
2.3.2 输入功率因数 12
2.3.3 输出电压谐波 13
2.3.4 输入电流谐波 13
2.4 本章小结 13
第3章 交一交变频器主回路的设计 14
3.1 环流的控制原则 14
3.2 交一交变频器主电路设计 15
3.3 主电路器件选择 16
3.3.1 整流变压器的确定 16
3.3.2 整流器件选择 17
3.3.3 电流互感器及其并联电阻的选择 18
3.4 本章小结 18
第4章 基于单片机交交变频器控制电路的设计 19
4.1 8051单片机简介 19
4.2 8051芯片引脚及其功能 20
4.3 零电流检测电路设计 21
4.4 正弦波触发电路设计 23
4.5 调节器电路设计 27
4.6 检测单元电路设计 30
4.7 键盘/显示接口电路 31
4.7.1 键盘功能的设计 33
4.7.2 显示设定 34
4.8 本章小结 34
第5章 控制系统软件设计 35
5.1 软件的总体设计 35
5.2 主程序 35
5.3 控制算法 36
5.3.1 频率控制 36
5.3.2 幅值控制 37
5.3.3 相位控制 38
5.3.4 相序控制 38
5.3.5 控制算法流程图 38
5.4 换相逻辑子程序 39
5.5 键盘显示子程序 40
5.5.1 键盘中断程序 40
5.5.2 显示中断程序 40
5.6 本章小结 41
结论 42
致谢 43
参考文献 44
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- III -
第1章 绪论
1.1 课题背景
变频调速技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。电气领域，长期以来由于工业技术水平不够，直流调速一直在电气调速领域占有主要地位。随着社会不断进步，交交变频技术再次被人们重视。
由于目前采用交交变频技术的成本过高，还由于煤矿企业当前经营状况还不尽人意，导致交交变频技术在矿井中的应用还只限于大型矿井的关键设备上，主要是矿井提升机。针对矿井提升机，当提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不正常装卸载。通过操作人员同时施用机械闸，利用闸制动和电机拖动的合成特性来得到要求的减速度及低速爬行。这样做，不仅耗电量大，闸瓦磨损大，而且操作人员工作非常紧张，安全性、可靠性差。
直流电机的机构上存在着换向问题，同时换向器的电刷等部件维护量相对较大，从而限制了直流电机在大型化方向上的发展。交流变频调速一般分为两种：交—交变频调速和交—直—交变频调速。交—交变频调速用于大功率（500kW以上或1000kW以上)、低速(600r/min以下)场合。交—直—交变频调速用于大功率、600r/min以上、负载较平稳的场合。在大容量、低转速高过载传动领域主要用于矿井提升机和钢铁厂的主轧机。因此，对交一交变频调速研究的显得更加重要，得到很好的应用，其频率范围容易调节，适用于各种作业的交流提升机。
1.2 研究交交变频技术的目的及意义
随着交交变频技术相对成本的不断降低，随着人们节能意识的不断深入，该技术在矿井中的应用必将迎来一个全新的时期，这一新时期的到来将表现在大规模改造老矿井上同时在应用范围上也将扩大，比如在主排水泵上，可以采用一套调速装置伺服全部水泵，实现水泵的软起动，并与水位控制一起组成控制系统，实现闭环控制，即可节约电力，又可节约人力;再比如对于主通风机，可以采用交交变频调速，并结合瓦斯、负压检测一起对主风机实现闭环控制，在满足安全要求条件下，使其运行于经济工况点等同样道理，这一技术还可以用于空压机上。
对于大容量的交流电动机，要想获得较好的拖动性能，则要求变流设备能提供正弦度较高的电流，而对于能提供频率为2~5Hz低频正弦电流的交—交变频器来说，除满足正弦度的要求外，还要求三相低频电流有较好的对称度，防止因电机出现的磁通不对称而导致的电机运行质量下降。采用本论文所设计的交一交变频器可以很好地解决输出力矩不够，输出谐波较大，低频振荡较大的问题。总之，交交变频技术在矿井上的应用前景是乐观的。
变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义。交流变频调速具有以下特性：
（1）调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静差率较高，相对稳定性好；　
（2）调速范围较大，精度高；
（3）起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；
（4） 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便；
（5）易于实现过程自动化；
（6）必须有专用的变频电源，目前造价较高；
（7）在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。
1.3 交交变频技术在国内外的研究现状
1.3.1 国内的研究现状
我国于70年代开始交交变频技术的研究，80年代初研制成功交—交变频同步电机的实验样机，并制成交交变频异步电机调速工业试验样机，但大容量交交变频调速装置直到90年代才得以长足发展。
迄今为止国内承建的交—交变频调速系统有13套，其中较大容量的有1994年天津中型钢板厂投运的功率2×5000kW，转速60120r /min轧机交—交变频同步电机调速系统，1995年10月投运的重庆钢铁厂4000kW交—交变频同步电机，转速为40r/ min。
目前国内在主功率回路上(含功率元件)质量已经过关，但控制系统还需引进德国Siemens公司全数字系统SMADY IND系统设计和调试由国内完成。
我国从1985年起引进交—交变频设备，5套交—交变频轧机主传动装置己投产，单机容量为9000kW，运行效果良好。目前正在引进数字交—交变频矿井卷扬机传动装置。我国许多单位也在开发交—交变频技术，现己具有提供3000~4000kW带矢量控制的高性能交—交变频调速装置的能力交—交变频器的理论基础。
我国电力半导体器件虽然经过较长时间的发展，总体水平仍然很低，几乎不具备新产品的独立开发能力。IGBT、GTO器件的生产虽引进了国外技术，但一直未形成规模经济效益，变频器产品所用半导体功率器件的制造也几乎是空白，这在一定程度上影响了变频调速技术的发展。
从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10~15年。在大功率交~交变频技术、无换向器电机等方面，国内虽然有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外相比，还有相当差距。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是采用普通V/F控制，仅有少量样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，只能靠大量进口产品满足需求。
1.3.2 国外的研究现状
交—交变频调速传动技术由德国Siemens公司率先开发，现以Siemens公司的开发过程说明交—交变频调速传动的发展概况：
1965年，交—交变频器在牵引站投入运行；
1969年，高性能交流调速矢量控制系统用于轧机传动；
1972年，4900kW水泥球磨机交—交变频装置投产;
1976-1980年，1000kW交—交变频传动和直流传动性能对比试验；
1981年，8100kW矿石破碎机交—交变频装置投产；
1981年，两套(2x4200kW和2650kW)矿井卷扬机交—交变频装置投产；
1981年，4000kW初轧机交—交变频主传动装置投产，标志交—交变频调速技术己成熟；
1985年，Dillingen钢厂210920kW单辊传动可逆轧板机交—交变频主传动装置投产；
1987年，全数字交一交变频主传动装置投产。
在上世纪80年代，德国、法国、美国、日本的主要电气公司都相继开发了交一交变频调速装置，其中法国的256000kW交一交变频船舶推进装置容量最大，日本Mizushima二号冷轧机采用的交一交变频主传动装置的性能最高。
国外交流变频调速技术的现状具有以下特点：
(1) 在功率器件方面，近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。
(2) 在微电子技术方面，16位、32位的高速处理器以及DSP和ASIC（专用集成电路Application Specific IC）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。
(3) 在控制理论方面，矢量控制、磁通控制、转矩控制、智能控制等新的控制理论为研制高性能变频器的发展提供了相关理论基础。
(4) 在产品化生产方面，基础工业和各种制造业的高速发展，促进了变频器相关配套件的社会化、专业化生产。
1.4 课题主要研究内容
设计一台交—交变频装置,主要由电力电子器件构成，同时采用8051单片机为低频信号发生器的核心部件，由此生成的三相SPWM信号就可以实现对大功率的交流电动机进行调速。整套装置具有设备成本低、维修和维护方便、节能、占地面积小、噪声低、长期运行安全可靠和故障率低等优点。低频电源的主要技术参数如下:
输出额定电压：600V；
输出额定电流：300A；
输出的额定频率：2~5Hz。
本论文针对以上要求研究的主要内容:
（1）深入研究交—交变频器的基础理论;
（2）设计出交—交变频器主回路，并且计算主回路的相应参数，还要计算出整流变压器的参数，根据参数选择合适的电力电子器件;
（3）采用8051单片机作为低频信号发生器的核心部件，产生三相SPWM波;
（4）设计控制电路中各单元电路，进而达到控制主回路的目的。
第2章 交交变频器的工作原理
2.1 交一交变频器的基本工作原理
2.1.1 单相交交变频电路的基本原理
单相交交变频电路的基本原理图见图2.1，电路由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成。
变流器P和N都是相控整流电路，P组工作时，负载电流为正，N组工作时，为负。让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。改变两组交流器的切换频率，就可以改变输出频率；改变变流电路工作时的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。为了使输出电压的波形接近正弦波，可以按正弦规律对角进行调制，可在半个周期内让正组变流器P的控制角按正弦规律从逐渐减小到或某个值，然后再逐渐增大到。这样，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零逐渐增至最高，再逐渐减低到零。另外半个周期可对变流器N进行同样的控制。
触发角是变化的，相应变频器的输出电压也是交流，实现变频。由于这种变频器无中间直流环节，故称为交—交变频器。
反组

正组

图2. 1单相输出交一交变频器

为了使输出电压的谐波减到最小，正、负两组整流器的触发延时角可按余弦规律进行控制。输出电压是由输入电压波形上截取的片段组成。输出电压并不是平滑的正弦波，而是由若干段电源电压拼接而成。在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。因此，图2.1中的交流电路通常采用6脉波的三相桥式电路或12脉波变流电路。交交变频电路的优点是：只用1次变流，效率较高；可方便地实现4象限工作；低频输出波形接近正弦波。缺点是：接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管；受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；输入功率因数较低；输入电流谐波含量大。
对于桥式整流电路，如果负载为感性，并且电流连续，输出电压可表示为:
（2-1）
式中: 输出电压平均值，V
（三相半桥）或2.34（三相全桥），V
—为输入交流线电压，V
—晶闸管的触发角，rad
对交—交变频电路，每次的触发角都是不同的，式（2-1）中的表示每次触发间隔内输出电压的平均值。
设要得到的正弦波输出电压为
（2-2）
式中一交流电压的最大值，V
一交流电压的角频率，rad/s
则由式（2-1）和式（2-2）可得
（2-3）
式中，称为输出电压比。
从上式可以看出，改变输出电压的频率，只需按要求改变正、负组整流器触发角变化的调制频率即可。而改变输出电压值，只需改变输出电压比值即可实现。当时，输出电压最大;当时，输出电压为零。
在的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波，其输出波形见图2.2。

（ɑ）

平均输出电压

输出电压

（b）

图2. 2单相交—交变频电路输出电压波形

把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时的脉动分量，就可把电路等效成图2.3所示的正弦波交流电源和二极管的串联。两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。

图2.3理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态
工作过程如下：
~期间：正半周，正组工作，反组被封锁。
其中
~： 和均为正，正组整流，输出功率为正。
~：反向，仍为正，正组逆变，输出功率为负。
~期间：负半周，反组工作，正组被封锁。
其中
~： 和均为负，反组整流，输出功率为正。
~：反向，仍为负，反组逆变，输出功率为负。
由上述交交变频工作过程可知：哪一组工作由方向决定，与极性无关。工作在整流还是逆变，则根据方向与方向是否相同确定。
考虑无环流工作方式下，过零的死区时间，一个周期可分为6段，具体见图2.4。

图2.4无环流工作方式
( 1 ) ，，工作于第二象限，反组逆变。
( 2 ) 电流过零，无环流“死时”。
( 3 ) , ，工作于第一象限，正组整流。
( 4 ) , ，工作于第四象限，正组逆变。
( 5 ) 电流过零，无环流“死时”。
( 6 ) , ，工作于第三象限，反组整流。
2.1.2 三相交交变频电路的基本原理
三相输出的交—交变频器是由三套输出电压彼此相差的单相输出交—交变频器组成。主回路有两种联结方法:公共交流母线进线方式（见图2. 5）和输出Y联结方式（见图2.6）。交—交变频器的输出电压是由其各相电网输入电压波形的各个片断组合而成的, 理想的控制方法是应能使输出电压的瞬态值与电网正弦波形的差值保持最小, 即余弦交点法。
所谓余弦交点法就是控制电压同余弦的同步电压相比较, 当同步电压等于控制电压时, 发出触发脉冲, 使相应的晶闸管导通。由于控制电压按正弦规律变化, 触发脉冲的间隔是不同的。
公共交流母线进线方式（见图2.5）的三套单相输出交—交变频器的电源进线通过进线电抗器接在50Hz公共母线上，但三个输出端必须相互隔离，为此电动机的三个绕组需拆开，引出六根线。输出Y联结方式（见图2. 6）的三套单相输出端Y联结，电动机绕组不必拆开，引出三根线，变频器的中点不与电动机的中点接在一起，这时变频器的50Hz电源进线必须相互隔离。前一种接线方式主要应用于中容量，后一种接线方式主要用于大容量。

图2. 5公共交流母线的三相交—交变频器
图2.6输出Y联结的三相输出交—交变频器

2.2 交一交变频器控制方式
2.2.1 输出信号为正弦波的调制
对于交流电动机供电的交—交变频器，为了减小谐波的影响和提高变频器的功率因数，输出波形通常采用正弦波。
变频器中的控制角与同步信号、移相控制信号有关。在同步信号为正弦波或锯齿波的触发电路中，采用何种形式的移相控制信号方能获得正弦输出，这是角调制的关键所在。
（l）同步信号为正弦波的触发电路中，, , 间的关系（见图2.7）。

图2. 7正弦波移相控制特性

可求得 （2-4）
式中—正弦波同步信号的最大值。
当时，，故

得 （2-5）
比较式(2-5)和式(2-3)得 （2-6）
由式(2-6)可见，同步信号为正弦波的触发电路中，移相控制电压采用和交—交变频输出电压同频的正弦信号，便可获得正弦波输出。这种 角的调制方法通常被称为余弦交截法或余弦控制。
（2）同步信号为锯齿波同步信号为锯齿波的触发电路中，锯齿波电压、偏移电压、移相控制电压的关系如图2. 8所示。可以看出，锯齿波的斜率k为
（2-7）
得 （2-8）
比较式（2-8）和式（2-3）得
(2-9)
当，即时，，表明移相控制电压是以为斜率的关于时间的一次函数。考虑约束条件后，即为三角波，一般情况下，小于1，此时与t之间的线性关系不复存在。取不同值时的的变化如图2. 9所示。图中的值从大到小依次为1、0.8、0.6、0.4、0.2、0.1。由上述所见，同步信号为锯齿的触发电路，移相控制信号满足式(2-9)关系时，交—交变频器也可获得正弦输出电压，而再采用余弦交截法时不能得到好的正弦波输出。

图2. 8锯齿波移相控制特性

图2.9 与关系示意图

2.2.2 触发控制原则
同步信号为正弦波和锯齿波的触发电路，采用不同移相控制电压调制α角时，均可得到所需的目标电压。同步信号为正弦波的触发电路中的与是比例关系，移相控制电压的构造简单，所以本设计中采用该调制方案。
为了使三相交交变频器主电路反并联的两个半桥能够得到平均值相等而方向相反的输出电压，消除直流平均环流，一组的整流角和另一组的逆变角必须满足下面的等式：
用解析法推导出触发时间的近似解为：

式中：
-------从坐标原点至触发角的电角度（弧度）
---调制波的第n次过零点（弧度）
----------在t=0时调制波的相位角（弧度）
Dir=+1 当调制波为正时 Dir=-1 当调制波为负时
Sig=+1 当基准波为正时 Sig=-1 当基准波为负时
M----------调制系数0<M<1, M=基准波幅值/调制波幅值
---------调制波频率（弧度/秒）
---------基准波频率（弧度/秒）

2.3 交一交变频器的输入输出特性
2.3.1 输出上线频率
当输出频率增高时，输出电压一周期所包含电网电压段数减少，波形畸变严重。电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。
就输出波形畸变和输出上线频率的关系而言，很难确定一个明显的界限。
当采用6脉波三相桥式电路时，输出上线频率不高于电网频率的~。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上线频率约为20Hz。
2.3.2 输入功率因数
输入电流相位滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。
一周期内，角以90°为中心变化。输出电压比越小，半周期内的平均值越靠近90°。负载功率因数越低，输入功率因数也越低。不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后。

输入功率因数

负载功率因数（超前）

负载功率因数（滞后）

图2.10单相交交变频电路的功率因数

2.3.3 输出电压谐波
输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率有关。
采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为
，，，
，，，
采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的影响，将增加、等次谐波。
2.3.4 输入电流谐波
输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但其幅值和相位均按正弦规律被调制。采用三相桥式电路的交交变频电路，输入电流谐波频率：

式中，k=1，2，3， ；l=0，1，2， 。
2.4 本章小结
本章对交—交变频器的工作原理进行了分析，在低频低压工作下，对变频调速的机械特性进行了深入的研究，并对交交变频器的输入输出特性进行了简要的分析，从而得到了低频制动及拖动的基本理论。

第3章 交一交变频器主回路的设计
3.1 环流的控制原则
交交变频系统在低频输出时，如果正组P输出电压与负组N输出电压，同以控制角来触发，则两组的平均输出电压相等，但瞬时输出电压不相等。很显然，P组和N组将构成闭环回路产生环流，环流大小由回路阻抗决定。
通常采用两种方法限制环流：
A） 电抗器环流限制法；
B） 分时逻辑控制法，即任何时刻，只允许一组导通，无环流回路，阻断环流的产生。
交交变频器的工作方式分：有环流方式、无环流方式和可控环流方式。在自然环流工作方式下，环流的大小取决于环流电压的大小和环流电抗器的阻抗值。当环流电抗器的电感量足够大时，即使在轻载情况下，也能维持负载电流的连续，但环流电抗器体积大，损耗增加。
可控环流工作方式，这种方式结合了上面两种方式的优点，在轻载情况下采用自然环流工作方式。虽然环流电抗器的体积和损耗大大降低，但控制相对复杂。采用无环流工作方式，这种方式不需要环流电抗器，但在轻载情况下不能维持负载电流的连续。
3.2 交一交变频器主电路设计
本系统的交交变频器输出频率较低，达1/12工频，对称三相感性负载（电机）可以降低一些高次谐波含量，为了降低成本，主回路采用了3脉冲零式电路结构。一个输出相由反并联的两个半桥组成，用了6只晶闸管；三相输出由18只晶闸管构成，其特点是比全桥元件少，成本低，控制线路简单，故障率低，运行安全可靠;缺点是输出波形比全桥差。
选用半桥主电路完全能够满足提升机制动、爬行段的特性，主电路是由三个三相半波无环流可逆整流电路构成一个输出三相低频的电路，也称三相半波“循环变流器”。所有共阴极的三只晶闸管整流元件称之为正组，用P表示;所有共阳极的三只晶闸管整流元件称为负组，用N表示。

图3. 1 三相交一交变频器的主回路

交—交变频器的每一相都是由两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路构成。正反组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压，输出电压的幅值决定于各组整流装置的控制角α，输出电压的频率决定于两组整流装置的切换频率。如果控制角α恒定不变，则输出平均电压为方波。如果希望得到正弦波输出，就必须在每一组整流器导通期间，不断地改变控制角。例如，在正组导通的半个周期中，使控制角α由（对应于平均电压）逐渐减少到0（对应于平均电压最大），然后在逐渐增加到,也就是使α角在~0~之间变化，则整流的平均输出电压就由零变到最大值，再由最大值变到零，呈正弦规律变化（见图3. 2）。平均输出电压为图中细线所示的低频正弦波，对反组导通的半个周期的控制也是相同的。
每相两组晶闸管整流器的工作状态取决于电压方向和电流方向的关系。当电压与电流同方向时，该组晶闸管整流器工作在整流状态:两者反向时，该组晶闸管工作在逆变状态，两组整流器按电流方向正负进行交替工作。图3. 3显示了对于不同性质负载时的输出电压、电流及两组晶闸管整流器的工作状态。

（a）理想电压波形

（b）理想电流波形

图3. 2系统输出低频电压和低频电流示意图

阻断
阻断
阻断
阻断
阻断
阻断
整流
阻断
阻断
逆变
逆变
逆变整流
整流逆变
逆变整流
整流逆变
整流

a)电阻性负载
b)电感性负载
c)电容性负载
d)全逆变
图3. 3两组晶闸管整流器的不同工作状态

3.3 主电路器件选择
本设计的晶闸管整流主电路为三相零式电路，在输出电压的最大值和主电路形式一定的情况下，变压器二次侧相电压有效值只能在一个较小的范围内变化。因为选择过高，则用晶闸管进行调制时控制角α过大，造成功率因数变坏，无功功率增加，并在电源回路的电感上产生很大的压降;若选择过低，则有可能在晶闸管的控制角α=0时仍达不到负载要求的电压额定值，装置就不能输出额定功率。在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致，同时考虑电力电子设备的谐波对电网的干扰等问题，通常要配制整流变压器。
3.3.1 整流变压器的确定
（1）低频电源输出频率:
式中:
一输出频率，Hz
一输入(电源)频率，Hz
一提升机爬行速度，m/S
一提升机最大速度，m/S
考虑低频电源特性较软，所以取3.6 Hz。
（2）低频电源电压计算:
为保证电动机有一定的过载能力，需要对电源电压进行适当的补偿，补偿系数取1.2。
则：
一电源线电压
（3）整流变压器副边线电压:

考虑电网电压波动为10%，各环节电压降为5%，
∴

一整流变压器副边线电压;
一整流变压器副边相电压。
（4）变压器二次侧电流:
由于本设计为交一交变频器，不经过中间直流环节，所以二次侧电流取电动机额定电流，并且由于变压器的二次侧接线方法为星形，线电流等于相电流，所以取
（5）变压器容量:
电动机的最大负载电流为:

∴
考虑留有一定裕量取变压器容量为200kVA。
3.3.2 整流器件选择
确定可控硅电压:

确定可控硅电流:晶闸管额定电流按最大负载时的情况来选择可控硅。

考虑允许最大冲击电流为最大负载电流的4倍

取
综上所述，选取18个电压2000V，电流5OOA的可控硅。
3.3.3 电流互感器及其并联电阻的选择
由于电动机额定电流为116A，故电流互感器变比为500: 1，

--取样电流
取样电压u=10V

取

考虑到电流裕量，功率P取25W。
综上所述，选取三个变比为500:1的电流互感器，和三个的取样电阻。
计算中，三相异步电动机参数:
型号:YRl18/54-8 联结方式:Y接 频率:50Hz
转子电压:1045 V 转子电流:594A 转速:741 r/min
额定功率:1000kW 额定电流:116A 额定电压:6000V
提升机参数:爬行速度:O.5m/s
最大速度:7.8m/s
3.4 本章小结
本章分析了交一交变频器环流的控制原则，及本系统选择有环流的控制方式。根据这种方式设计了主电路的结构和系统的控制方法，并计算了整流变压器，整流器件的参数。

千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。
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第4章 基于单片机交交变频器控制电路的设计
4.1 8051单片机简介
单片机（Microcontroller,又称微控制器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型计算机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。
8051单片机的基本结构见图4.1。

图4.1 MCS-51单片机的基本结构

8051是MCS-51系列单片机的一个产品。MCS-51系列单片机是Intel公司推出的通用型单片机。它的基本型产品是8051、8031和8751。这三个产品只是片内程序存储器的制造工艺不同。8051的内部程序存储ROM为掩膜式的，在制造芯片时已将应用程序固化进去，使它具有了某种专用功能；8031片内无ROM，使用时需外接ROM；8751的片内ROM是EP-ROM型的，固话的应用程序可以方便的改写。
以上三个器件是HMOS工艺的。此外还有低功耗基本型的CMOS工艺器件80C51、80C31、87C51等，分别与上述器件兼容。CMOS具有低功耗的特点。如8051功耗约为630mW，而80C51的功耗只有120mW。
除片内ROM类型不同外，8051、8031、8751的其它性能完全相同，其结构特点如下：
8位CPU;
片内振荡器及时钟电路；
32根I/O线；
外部存储器寻址范围ROM、RAM各64K；
2个16位定时/计数器；
5个中断源，2个中断优先级；
全双工串行口；
布尔处理器。
MCS-51系列单片机已有十多个产品，性能如下表所示：
ROM形式
片内
RAM
字节
片内RAM
字节
寻址范围
I/O
中断源
片内ROM
片外EPROM
外接EPROM
计数器
并行口
串行口
8051
8751
8031
4K
128
264K
216
48
1
5
80C51
87C51
80C31
4K
128
264K
216
48
1
5
8052
8752
8752
8K
256
264K
216
48
1
6
80C52
87C52
87C52
8K
256
264K
216
48
1
7

表中列出了四组性能上略有差异的单片机。前两组属于同一规格，都可称为51系列。后两组为52系列，性能要高于51系列，除了存储器配置等差别外，8052片内ROM中还掩膜了BASIC解释程序，因而可以直接使用BASIC程序。此外，87C51和87C52还具有两级程序保密系统。
4.2 8051芯片引脚及其功能
8051单片机是采用40引脚双列直插封装的芯片，有些引脚具有两种功能。引脚见图4.2。
引脚功能如下：
（40）：电源+5V
（20）：接地
XTAL1（19）和XTAL2（18）:使用内部震荡电路时，用来接石英晶体和电容，使用外部时钟时，用来输入时钟脉冲。
P0口（39~32）：双向I/O口，即可以做地址/数据总线口，也可以做普通I/O口。
P1口（1~8）：准双向通用I/O口。
P2口（21~28）：准双向口，既可以作地址总线口输出地址高8位，也可以作普通I/O口用。
P3口（10~17）：多用途端口，既可以作普通I/O口用，也可以每位定义的第二功能操作。
（30）：地址所存信号输出端。在访问片外存储器时，ALE为有效高电平时，P0口输出地址低8位，可以用ALE信号作外部地址锁存器的锁存信号。可以做系统中其它芯片的时钟源。
第二功能是对8751的EPROM编程时的编程脉冲输入端。
RST/（9）：复位信号输入端。8051接通电源后，在时钟电路作用下，该脚上出现两个机器周期（24个震荡周期）以上的高电平，使内部复位。第二功能是,即备用电源输入端。当主电源发生故障，降低到低电平规定值时，将为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信号不丢失。
/（31）：内部和外部程序存储器选择线。=0时访问外部ROM 0000H~FFFFH空间访问外部ROM。
在对8751的EPROM编程时此脚接编程电压12.5V。
（29）：片外程序存储器选通信号，低电平有效

图4.2 MCS－51系列单片机引脚图及逻辑符号

4.3 零电流检测电路设计
零电流检测环节用于向无环流换相逻辑提供零电流信号，为实现无环流切换，引入无环流“死时”，对于交—交变频器来说，要求无环流“死时”小于2ms。
无环流“死时”由两级延时造成。
第一级延时用于可靠的检测零电流，在直流传动系统中，零电流信号大多通过电流实际值信号与一个基准值相比较而获得(见图4.3)。基准值不能取的太小，否则会引起误动作，因此在零电流信号出现时主回路电流不一定断续，例如图中第一个零电流信号出现时电流没断续，如果封锁脉冲，晶闸管无法阻断。为避免发生这种情况而引入第一