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.doc

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，20135 HavaPerformance Analysis of Reduced Common-Mode Voltage PWM Methods and Comparison With Standard: PWM Methods for Three-Phase Voltage-Source InvertersIEEE Transactions on Power Electronics 2013，24（1）：241-252指导教师（签名）： 20 年 月 目 录1. 课程设计目的和意义 22. 设计方案论证 42.1变频器的主电路方案 42.2系统的原理框图 43. 系统硬件设计 63.1主电路的设计 63.2整流电路设计 63.3滤波电路设计 73.4逆变电路设计 73.5主电路原理 84. 系统软件设计 104.1流程图104.2程序代码115.实践结论155.1变频器的使用155.2开环变频调速系统165.3闭环变频调速166. 设计总结17参考文献181课程设计的目的和意义变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。大家都知道，目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。从大的范围来分，电机有直流电机和交流电机。由于直流机调速容易实现，性能好，因此过去生产机械的调速多用直流电动机。但直流机固有的缺点：由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来太大的麻烦。因此人们希望，让简单可靠廉价的笼式交流电机也像直流电动机那样调速。这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机等。而随着电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，出现了变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢。变频调速被认为是一种理想的交流调速方法。但如何得到一个异步电动机供电的经济可靠的变频电源，一直是交流变频调速的主要课题。20世纪60年代中期，随着普通的晶闸管、小功率管的实用化，出现了静止变频装置，它是将三相的工频电源经变换后，得到频率可调的交流电。这个时期的变频装置，多为分立元件，它体积大、造价高，大多是为特定的控制对象而研制的，容量普遍偏小，控制方式也很不完善，调速后电动机的静、动态性能还有待提高，特别是低速的性能不理想，因此仅用于纺织、磨床等特定场合。20世纪70年代以后，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步，开始出现了通用变频器。它功能丰富，可以适用于不同的负载和场合，特别是进入20世纪90年代，随着半导体开关器件IGBT、矢量控制技术的成熟，微机控制的变频调速成为主流，调速后异步电动机的静、动态特性已经可以和直流调速相媲美。随着变频器的专用大规模集成电路、半导体开关器件、传感器的性能越来越高，进一步提高变频器的性能和功能已成为可能。现在的变频器功能很多，操作也很方便，其寿命和可靠性也较以前有了很大的进步。 所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将50Hz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交-交变频)，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中;间接变频(又称交-直-交变频)，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。 本设计所设计的题目属于间接变频调速技术。它主要包括主电路部分、控制部分及保护部分等。逆变环节为三相SPWM逆变方式。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。2设计方案论证2.1变频器的主电路方案 变频器最早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。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1/31/2,所以不能高速运行。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，所以我们选用了交-直-交变频器。2.2系统的原理框图交直交变频器由以下几部分组成，如图2-1所示。图2-1 系统原理框图系统各组成部分简介： 供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220V，中大功率的采用三相380V电源。因为本设计中采用中等容量的电动机，所以采用三相380V电源。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510mA，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2-2 TLP驱动电路3系统的硬件设计3.1主电路的设计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3.2整流电路设计 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=1.35380V=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滤波电路设计交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的。要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。换句话说，滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。电容器是一个储存电能的仓库。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。3.4逆变电路设计 选用逆变开关管V1-V6组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的交流电，逆变管在这里选用IGBT。续流二极管的作用是：当逆变开关管由导通变为截止时，虽然电压突然变为零，但是由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二极管提供通道，维持电流在线圈中流动。另外，当电动机制动时，续流二极管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。电阻，电容，二极管组成缓冲电路，来保护逆变管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流IC和集电极与发射极间的电压VCE的冲击，因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变管关断时，VCE迅速上升，IC迅速降低，过高增长的电压对逆变管造成危害，所以通过在逆变管两端并联电容来减小电压增长率。当逆变管开通时，VCE迅速下降，IC迅速升高，并联在逆变管两端的电容由于电压降低，将通过逆变管放电，这将加速电流IC的增长率，造成IGBT的损坏。所以增加电阻，限制电容的放电电流。可是当逆变管关断时，该电阻又会阻止电容的充电，为了解决这个矛盾，在电阻两端并联二极管，使电容充电时避开电阻，通过二极管充电。放电时，通过电阻放电，实现缓冲功能。这种缓冲电路的缺点是增加了损耗，所以适用于中小功率变频器。因本次设计所选用的电动机为中容量型，在此选用此种缓冲电路。 3.5主电路原理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。 a) 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：各桥臂上的开关始终处于交替打开、关断的状态如、。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 系统的软件设计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4.2程序代码 #include#include/即可使用其中定义的宏来访问绝对地址#define unit unsigned int#define uchar unsigned char #define KeyPort P2 extern SPWM; #define R0 XBYTE0xdf00/总线方式访问,定义端口地址 #define R1 XBYTE0xdf01 #define R2 XBYTE0xdf02 #define R3 XBYTE0xdf03 #define R4 XBYTE0xdf04 #define R5 XBYTE0xdf05 #define R14 XBYTE0xdf0E#define R15 XBYTE0xdf0F#define DataPort P2sbit LATCH1=P22;/定义锁存使能端口 段锁存sbit LATCH2=P23;/ 位锁存 char ini6=0x40,0x5A,0x2C,0x02,0x00,0x00;/初始化数据 char con6=0xcd,0xcc,0x06,0x80,0x80,0x80;/控制数据 设调制波频率为100HZ， unsigned char code dofly_DuanMa10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/ 显示段码值09 unsigned char code dofly_WeiMa=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f;/分别对应相应 的数码管点亮,即位码 unsigned char TempData8; sbit RST=P10; sbit key=P11; void DelayUs2x(unsigned char t) while(-t); void DelayMs(unsigned char t) while(t-) /大致延时1mSDelayUs2x(245); DelayUs2x(245); unsigned char KeyScan(void) unsigned char keyvalue; if(KeyPort!=0xff) DelayMs(10); if(KeyPort!=0xff) keyvalue=KeyPort; while(KeyPort!=0xff); switch(keyvalue) case 0xfe:return 1;break; case 0xfd:return 2;break; case 0xfb:return 3;break;case 0xf7:return 4;break; case 0xef:return 5;break; case 0xdf:return 6;break;case 0xbf:return 7;break; case 0x7f:return 8;break; default:return 0;break; return 0; void Display(unsigned char FirstBit,unsigned char Num) static unsigned char i=0; DataPort=0; /清空数据，防止有交替重影 LATCH1=1; /段锁存 LATCH1=0; DataPort=dofly_WeiMai+FirstBit; /取位码 LATCH2=1; /位锁存 LATCH2=0; DataPort=TempDatai; /取显示数据，段码 LATCH1=1; /段锁存 LATCH1=0; i+; if(i=Num) i=0; void main() sa4828 /初始化 R0=ini0; R1=ini1; R2=ini2; R3=ini3; R4=ini4; R5=ini5; R14=0;/R0到R5装入初始化寄存器 TMOD=0x01; TH0=(65536-3000)/256; TL0=(65536-3000)%256;while(!key); EA=1; ET0=1; TR0=1; /向sa8248写数据 R0=con0; R1=con1; R2=con2; R3=con3; R4=con4;R5=con5;R15=0;/R0到R5装入控制寄存器IP=0x0b;12 IE=0x9e; SPWM=KeyScan(); /循环调用按键扫描 switch(SPWM) case 1: TempData0=0x5E; TempData1=0x39; TempData2=0x06; TempData5=0x3F; TempData6=0x71; TempData7=0x71; break; while(1);/等待 service_int0();voidservice_int0()interrupt0using0RST=0;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） 20 25 30 40 45转速（r/min） 613 750 872 1203 1333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。高速运行时(40HZ)定子电流（A）0.2520.2610.2630.2720.2780.284转速（r/min）117511631156114311251116中速运行时(30HZ)定子电流（A）0.2620.2640.2730.2790.2900.301转速（r/min）873865846828806796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，2009. 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， 20105 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2007.1-165.6 杜金城.电气变频调速设计技术.北京：中国电力出版社，2001.195-205.课程设计成绩评定表成绩评定项 目比例得 分平时成绩（百分制记分）30%业务考核成绩（百分制记分）70%总评成绩（百分制记分）100%评定等级优 良 中 及格 不及格指导教师（签名）：20 年 月 日