异步电动机变频调速控制系统设计与实践电力电子综合课设大学论文

PAGE 电力电子与电力传动综合课程设计报告题目：异步电动机变频调速控制系统设计与实践院（系）：机电与自动化学院专业班级：学生姓名：学号：指导教师：2016年月日至2016年月日《电力电子与电力传动综合课程设计》任务书一、设计（调查报告/论文）题目异步电动机变频调速控制系统设计与实践二、设计（调查报告/论文）主要内容（1）完成异步电机变频调速系统硬件电路设计（开环）；（2）编写异步电机变频调速系统SPWM控制程序（开环）；（3）利用“电力电子与电气传动控制实验室实验平台”搭建开环的变频调速系统并运行，不断加载，观察电机转速变化，得出正确结论；（4）利用“电力电子与电气传动控制实验室实验平台”搭建闭环的变频调速系统并运行，对比闭环系统和开环系统的差异，得出正确结论。三、原始资料系统基本结构（供参考）四、要求的设计（调查/论文）成果1系统硬件电路图；2系统软件设计流程图及具体程序3符合规范要求的设计报告电子档、纸质档各一份。五、进程安排第一周安排：（上午：8:30-12:00；下午：13:30-17:00）周一~~~周二：分组（3人一组）、查找资料、理解课题的意义（变频技术的重要性、变频在交流调速应用中的重要性及应用价值等）、提出初步方案，周二下午1：30，南区实验室集中，以小组为单位进行课题意义、应用及方案论述，时间9分钟（每人3分钟），论述内容不得重复；周三~~~周四：硬件电路设计（每天下午1:30在南区实验室集中，检查进度，进行答疑）周五上午：8:30开始，南区实验室集中，以小组为单位论述硬件电路的设计思路及工作原理，时间6分钟，每人2分钟，内容不得重复周五下午：开始控制程序设计。第二周安排：（上午：8:30-12:00；下午：13:30-17:00）周一~~~周二：控制程序设计、理解，周一下午1:30，南区实验室集中，答疑。周二下午1:30南区实验室集中，以小组为单位论述程序设计的思路，并解释程序中SPWM具体的实现方式，时间6分钟。周三：上午8:30开始，下午1:30开始，南区电力电子与电气传动实验室集中，动手实践。周四~~~周五：按规范撰写设计报告并提交电子档、纸质档、答辩。六、主要参考资料[1]陈伯时.自动控制系统及电力拖动控制.北京：机械工业出版社，2014.[2]李荣生.电气传动控制系统设计指导.北京：机械工业出版社，2012.[3]冯垛生．交流调速系统．北京：机械工业出版社，2012.[4]吴守箴，戚英杰.电气传动脉宽调制控制技术.北京：机械工业出版社，2013．[5]Hava．PerformanceAnalysisofReducedCommon-ModeVoltagePWMMethodsandComparisonWithStandard:PWMMethodsforThree-PhaseVoltage-SourceInverters．IEEETransactionsonPowerElectronics．2013，24（1）：241-252．指导教师（签名）：20年月PAGE163.3滤波电路设计变频器的使用5.2开环变频调速系统5.3闭环变频调速总之，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。图2-1系统原理框图主电路分为整流部分和逆变部分：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。在本设计中采用三相不可控整流。它可以使电网的功率因数接近1。逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。在设计中采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。滤波电路：因在本设计中采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。控制电路：采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。驱动电路：查资料之后,使用东芝公司的TLP250，电路非常简单。TLP250采用8脚的DIP封装，引脚如图2-2。输入端光耦的隔离电压达到3000V，输入电流为5~10mA，可以驱动100A/600V的IGBT。它采用单电源供电，使用时须外接一个电阻和一个10V的稳压管，把25V的隔离电源变为+15V的导通电压和－10V的关断电压。如前所述，为了驱动主电路逆变桥的三个上桥臂的IGBT，必须给每一路提供一个隔离的25V电源而三个下桥臂可以共用一个电源。此外，SA4828及单片机系统还需要+5V电源以及异步通讯所需的±12V电源。图2-2TLP驱动电路变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。主电路包括整流电路，滤波电路和逆变电路构成，通过对IGBT的控制来控制电机的转速。主电路图如3-1所示。图3-1电压型交直交变频调速主电路整流电路是把交流电变换为直流电的电路。本设计中采用了三相桥式不控整流电路，主要优点是电路简单，功率因数接近于1。选用整流管VD1-VD6组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。整流后的电压为Ud=1.35Ul=1.35×380V=513V。滤波电容CF滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。当变频器通电时，滤波电容CF的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管，为了保护二极管，在电路中串入限流电阻RL，从而使电容CF的充电电流限制在允许的范围内。当CF充电到一定程度，使SL闭合，将限流电阻短路。在许多下新型的变频器中，SL已有晶闸管替代。电源指示灯HL除了指示电源通电外，还作为滤波电容放电通路和指示。由于滤波电容的容量较大，放电时间比较长（数分钟），几百伏的电压会威胁人员安全。因此维修时，要等指示灯熄灭后进行。RB为制动电阻，在变频器的交流调速中，电动机的减速是通过降低变频器的输出频率而实现的，在电动机减速过程中，当变频器的输出频率下降过快时电动机将处于发电制动状态，拖动系统的动能要回馈到直流电路中，使直流电路电压（称泵升电压）不断上升，导致变频器本省过电压保护动作，切断变频器的输出。为了避免出现这一现象，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，RB和VB的作用就是消耗掉这部分能量。如图3-1所示，当直流中间电路上电压上升到一定值，制动三极管VB导通，将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。3.3滤波电路设计变频调速实际上是为交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由三部分组成：主电路、控制电路和保护电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。三相逆变电路IGBT的原理图见图3-2所示。图3-2中，～组成了桥式逆变电路，这6个开关交替地接通、关断就可以在输出端得到一个相位互相差的三相交流电压。当、闭合时，为正；、闭合时，为负。用同样的方法得：当、同时闭合和、同时闭合，得到,,同时闭合和、同时闭合，得到。为了使三相交流电、、在相位上依次相差；各开关的接通、关断需符合一定的规律，其规律在图3-2b中已标明。根据该规律可得、、波形如图3-2c所示。结构图b)开关的通断规律c)波形图图3-2三相逆变器原理图观察6个开关的位置及波形图可以发现以下两点：①各桥臂上的开关始终处于交替打开、关断的状态如、。②各相的开关顺序以各相的“首端”为准，互差电角度。如比,滞后，比滞后。上述分析说明，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅值可通过的大小来调节。4.1流程图软件设计的流程图如图4-1。图4-1程序设计流程图5实践结论5.1变频器的使用选择模式（不接电机）送200V电源，按PU/EXT键，显示为PU，即为内部模式。显示为EXT，即为外部模式。内部模式即为只需要用变频器本身即可控制电机，不需要使用外部的控制面板，控制面板不需要接线。外部模式即为需要用控制面板控制变频器然后控制电机。图5-1为变频器原理图。参数设置（不接电机）送200V电源，按PU/EXT键，显示为PU，即为内部模式。（1）按MODE键，拨动设定旋钮，显示P4；按SET键，设定为40HZ,再按SET键，40HZ闪烁，高速频率设定完毕。（2）按MODE键，拨动设定旋钮，显示P5；按SET键，设定为30HZ，再按SET键，30HZ闪烁，中速频率设定完毕。（3）同样将P6由10HZ改为20HZ，低速率设定完毕。图5-1变频器原理图5.2开环变频调速系统（1）采用内部模式对电机速度进行控制和调节，并一一对应记录几组频率、电机定子电流、转速的具体数据，观察数据，得出结论。频率（HZ）2025304045转速（r/min）61375087212031333定子电流（A）0.250.250.250.250.25由表格数据看出：当频率变大时，转速会变大，调节频率可以改变电机的转速。（2）采用外部模式对电机速度进行控制和调节，以正转为基准，实现电机在高、中、低三个不同频率下的运行（40HZ,30HZ,20HZ），然后加载，观察电机定子电流的变化。并记录数据，得出结论。①高速运行时(40HZ)定子电流（A）0.2520.2610.2630.2720.2780.284转速（r/min）117511631156114311251116②中速运行时(30HZ)定子电流（A）0.2620.2640.2730.2790.2900.301转速（r/min）873865846828806796③低速运行时(20HZ)定子电流（A）0.2580.2660.2760.2870.3050.321转速（r/min）576558532508461427由表格数据看出：负载越大，负载电流越大，转速变低，负载过大，电机会发生堵转。5.3闭环变频调速构建闭环变频调速系统，异步电机为三角形接法。具体测试内容为：给定电压调定不动，给电机加载，观察转速的变化，并记录定子电流和转速的具体数据。定子电流（A）0.250.30.360.400.440.51转速（r/min）140313851366135413461325由表格数据看出：当给定电压变化时，转速会发生改变，当给定不变，负载发生变化时，转速基本保持不变。测试总结（开环系统和闭环系统的主要区别）：闭环系统遇到干扰时，可以保持系统的稳定性，而开环系统不能。6设计总结 为期两周的毕业设计让我收获很多，这是一个很重要的环节，让我们自己动手去做，跟平时在课堂上上课不同。这次结合了实践，建立了正确的设计思想，掌握了工程设计的一般程序和方法。动过这次毕业设计，我学会了很多。这是跟我们生活息息相关的，跟是对我大学学习的一个很好的总结。在设计的过程中，我进一步的了解了电子电力的知识。更加锻炼了我的学习能力，分析能力和解决问题的能力。我感到很开心。这次的课程设计让我明白了团队合作的重要性，通过我们组员之间的合作解决了很多问题，成功完成了整个设计。特别感谢老师对我们的帮助，期间有一次因为一些原因不能参加一些实验，是老师的帮助让我成功完成了整个设计。参考文献[1]陈伯时.自动控制系统及电力拖动控制.北京：机械工业出版社，2010.[2]李荣生.电气传动控制系统设计指导.北京：机械工业出版社，20