当前位置:首页 >> 电力/水利 >>

交流调速系统课设 电压源型异步电动机双闭环变压变频调速系统设计














交流调速控制系统课程设计(论文)
题目:电压源型异步电动机双闭环变压变频调速系统设计

院(系) : 专业班级: 学 号:

学生姓名: 指导教师: (签字)

/>起止时间:2013.06.24——2013.07.07

I

本科生课程设计(论文)

课程设计(论文)任务及评语
院(系) :电气工程学院 学 号 课程设计 (论文) 题目
课题完成的功能: 完成交-直-交电压源型频率双闭环的异步电动机变压变频调速系统的设计, 并根据给定的参数合理的选 取元件,包括晶闸管、变压器、电容等等。 设计任务及要求:

教研室: 自动化 学生姓名 李航 专业班级 自动化103班

100302075

电压源型异步电动机双闭环变压变频调速系统设计

课 程 设 计 ( 论 文 ) 任 务

1.按已知条件设计交-直-交电压源型频率双闭环的异步电动机变压变频调速系统。 设计出电流调节器参 数,要求电流环按 II 型系统设计。 2.画出频率开环的异步电动机变压变频调速系统方框图及各环节的电器线路图。 3.画出电压源型逆变器异步电动机等值电路。 技术参数: 1、JOS2-6 型、4.5K、380V、9.8A、50HZ、960rpm r1+r2?=0.85Ω 、L1+L2ˊ=13MH。 2、同轴带一台 3KW 直流发电机及一台 ZYS TH 型测速发电机。 3、测得总的飞轮惯量 GD =0.78kg?m ;滤波电抗器电感值 Ld=575MH; 4、电阻 Rd=1.462Ω ;电流调节器的额定电压均为 8V。 1、熟悉课程设计题目,查找及收集相关书籍、资料。 天) (1 ;2、主电路设计。 天) (2 ;3、绘制基本
2 2

计 划 进 度

结构图和自控制原理图。 天) (2 ;4、分析转矩调节和磁链调节原理,选择电压状态。 天) (3 ;5、打印课程 设计说明书。 天) (1 ;6、设计结果考核。 天) (1

指 导 教 师 评 语 及 成 绩

平时: 总成绩:

论文质量:

答辩: 指导教师签字: 年 月 日

注:成绩:平时20%

论文质量60%

答辩20% II

以百分制计算

本科生课程设计(论文)

摘 要
近年来,普通交流异步电动机变频调速系统被广泛应用,交流电机变压变频调速 及其相关技术的研究已成为现代电气传动领域的一个重大课题, 并且随着新的电力电 子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展, 交流变压变频调速技术还将 会取得巨大进步。但是,普通交流异步电动机都是按恒频、恒压设计的,在频率改变 时,电动机的参数和性能都将发生改变。由于异步电动机本身的非线性性,加上工作 频率的改变,使其建模非常困难,因此,长期以来,在设计普通交流异步电动机变频 调速系统时,只是凭借经验确定一些重要参数。 本文对变压变频调速理论,逆变技术进行了研究,并且是针对于电压源型进行了 探讨,在此基础上设计了一个电压型频率双闭环的异步调频电动机,一交流异步电动 机作为被控对象,以单片机为核心,从而设计出来一个符合要求的调速系统。 关键字:变压变频;双闭环;异步电动机;电压型

III

本科生课程设计(论文)

目 录
第 1 章 绪论 ............................................................................................................. 1
1.1 变频调速技术简介 ............................................ 1 1.2 变频器发展现状及趋势 ........................................ 2

第 2 章 课程设计的方案 ...................................................................................... 4
2.1 电压源型频率开环的异步电动机变压变频调速系统 ................ 4 2.2 双闭环调速系统 .............................................. 6

第 3 章 硬件设计 .................................................................................................... 7
3.1 整流电路 ................................................... 7 3.2 变频器主电路设计 ........................................... 7 3.3 保护电路 ................................................... 8 3.4 三相逆变电路 ................................................ 8 3.5 单片机最小系统 ............................................. 9

第 4 章 软件设计 .................................................................................................. 10
4.1 变频器软件设计流程图 ...................................... 10 4.2 V/f 比值恒定控制 ........................................... 10

第 5 章 课程设计总结 ......................................................................................... 12 参考文献 .................................................................................................................. 13

IV

本科生课程设计(论文)

第 1 章 绪论
1.1 变频调速技术简介
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。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。 但如何得到一个单独向异步电动机 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。 世纪 60 年代中期, 20 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 1

本科生课程设计 (论文)

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。它主要包括整流部分、逆变部分、 控制部分及保护部分等。

1.2 变频器发展现状及趋势
进入 90 年代,通用变频器以其优异的控制性能,在调速领域独树一帜,并在工 业领域及家电产品中得到迅速推广。此外,变频技术和变频器制造己经从一般意义的 拖动技术中分离出来, 成为世界各国在工业自动化和机电一体化领域中争强占先的阵 地,各发达国家更是在该技术领域注入了极大的人力、物力、财力,使之目前己经进 入了高新技术行业。就变频技术而言,目前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等国家可 以说是齐头并进,不分伯仲。在这一领域的研制、生产方面,220KW 功率以上的变 频器基本被欧、美等国家垄断,如德国的西门子(SIEMEN)、丹佛斯( DANFOSS),美 国的 AB.OE 公司、 欧洲的 ABB 等。 中小容量的变频器 85%为日本产品和台湾产品所 占领,如富士(FUJI),三垦( SAMCO )、东芝(TOSHIBA)、松下(PANASONIC)、三菱 ( MITSUBISHI)、安川以及台湾的台达。由于这些国家、地区的工业基础好、制造业 发达、开发生产能力强,所以他们生产的变频器适应范围广,生产己经初具规模变频 器应用普及率在 85%以上。我国的变频器深圳华为电气(现己经改名安圣电气)、伴灵 电气、成都森兰、大连普传科技都是变频器研究、开发、生产的高新技术企业,拥有 雄厚的技术实力,相信不久的将来可以取代国外品牌,创建我们自己的国产名牌。 在进入 21 世纪的今天,电力电子器件的基片已从 Si(硅)变换为 SiC(碳化硅), 使电力电子新元件具有耐高压、低功耗、耐高温的优点;并制造出体积小、容量大的 驱动装置;永久磁铁电动机也正在开发研制之中。随着 IT 技术的迅速普及,以及人 类思维理念的改变,变频器相关技术的发展迅速,未来主要朝以下几个方面发展[2]: 1.网络智能化 智能化的变频器买来就可以用,不必进行那么多的设定,而且可以进行故障自诊 断、遥控诊断以及部件自动置换,从而保证变频器的长寿命。利用互联网可以实现多 台变频器联动,甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。 2.专门化和一体化 变频器的制造专门化,可以使变频器在某一领域的性能更强,如风机、水泵用变 频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。除此以外, 2

本科生课程设计 (论文)

变频器有与电动机一体化的趋势,使变频器成为电动机的一部分,可以使体积更小, 控制更方便。 3.环保无公害 保护环境,制造“绿色”产品是人类的新理念。21 世纪的电力拖动装置应着重 考虑:节能,变频器能量转换过程的低公害,使变频器在使用过程中的噪声、电源谐 波对电网的污染等问题减少到最小程度。 4.适应新能源 现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角, 有后来居上之 势。 这些发电设备的最大特点是容量小而分散, 将来的变频器就要适应这样的新能源, 既要高效,又要低耗。现在电力电子技术、微电子技术和现代控制技术以惊人的速度 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。这种进步集中体现在交 流调速装置的大容量化,变频器的高性能化和多功能化,结构的小型化一些方面。

3

本科生课程设计(论文)

第 2 章 课程设计的方案
2.1 电压源型频率开环的异步电动机变压变频调速系统
电压源型变压变频调速系统主电路由两个功率变换环节构成,即整流和逆变电 桥, 整流桥由二极管组成的三相桥式电路, 其直流输出电压为 Ud=2.34UA0(来自电网 的 A 相电压有效值)。调压与调频控制通过逆变器来完成,其给定值来自于同一个给 定环节。 该系统采用 SPWM 控制技术实现变压变频控制,通过改变 IGBT 的占空比(脉 冲宽度)来控制逆变器输出交流电压的大小,而输出频率通过控制逆变电桥的控制周 期就可以实现。由前述可知,为了使异步电动机能合理的、正常的、稳定工作,必须 使逆变器输出给异步电动机的电压 Us 与频率 fs 通过 SPWM 控制来保持严格的比例 协调关系。下面就介绍控制系统中主要控制单元的作用。

Ud检测

U/F特性

Ud校正 SPWM 生成与 光耦 驱动电路

N*

GI I*R补偿 转差 补偿 电流限制 调节器

中 间 直 流 环 节

电流实际 测量值
M

图 2.1.1 电压源型逆变器开环调速系统

(1) 转速给定积分环节(GI) 设置目的:将阶跃给定信号转变为斜坡信号,以消除阶跃给定对系统产生的过大 冲击,使系统中的电压、电流、频率、和电机转速都能稳步上升和下降,以提高系统 4

本科生课程设计 (论文)

的可靠性及满足一些机械的工艺要求。 (2)函数发生器(U/F 特性) 设置目的:实现 Us/fs=C 的控制方式。在变压变频调速系统中,Us=f(fs) ,即电 机定子电压使定子频率的函数。函数发生器就是根据给定积分器输出的频率信号,产 生一个对应于定子电压的给定信号,以实现电压、频率的协调控制。变频器中以下几 项内容与函数发生器有关: 1) 按照不同服在要求设定不同的 Us/fs=C 特性曲线。 2) 当变频器高于基频工作时,采用恒功率控制,这时要保证变频器输出电压不 能高于电机的额定输出电压,可通过 Us/fs=C 函数发生器的输出限幅来保证。 3) 节能控制:电机处于轻载工作时,适当降低电压,可以使输出电流下降,减 小损耗,可通过改变 Us/fs=C 曲线的斜率来实现。 (3)电流实际值检测 通过检测变频器输出电流,进行过流、过载计算,当判断为过流、过载后,发出 触发脉冲封锁信号封锁触发器,停止变频器运行,确保变频器和电动机的安全。 (4)电流限制调节器 由于本系统没有电流闭环控制,不能直接控制变频器输出的电流。电流限制调 节器有相应的输出,使变频器输出电压降低,保证变频器输出不发生过电流。 (5) I·R 补偿环节 在低频时,为了保证磁通恒定,变压器引入了 I·R 补偿环节,根据负载性质及 负载电流值适当提高 Usg,修正 Us/fs=C 特性曲线,达到使 Us/fs=C 接近于 Es/fs=C 的目的。 (6)Ud 校正环节 由图 2.1 可知,变频器没有输出电压反馈,当直流电压 Ud 发生波动时,将引起 Us/fs=C 关系失调。 检测 Ud 变化, 通过 SPWM 调整输出电压脉冲的宽度, 以保证 Us/fs=C 的协调关系 保 护 电 路

供 电 电 源

整 流 电 路

滤 波 电 路
图 2.1.2 系统原理框图

逆 变 电 路

电 机

5

本科生课程设计 (论文)

2.2 双闭环调速系统
N* ASR i* ACR GT TVC M

电流互感器

测速发电机

图 2.2 双闭环调速系统

6

本科生课程设计 (论文)

第 3 章 硬件设计
3.1 整流电路
整流电路是把交流电变换为直流电的电路。目前在各种整流电路中,应用最广泛 的是三相桥式全控整流电路,三相桥式全控整流电路每个时刻均需 2 个晶闸管导通, 而且这两个晶闸管一个是共阴极组,一个是共阳极组,只有它们能同时导通,才能形 成导电回路。由于整流电路原理比较简单,设计中不再做详细的介绍,如图所示。

图 3.1 三相桥式全控整流电路

3.2 变频器主电路设计
VT1 VT3 VT3

M

VT4

VT6

VT2

图 3.2 变频器设计

7

本科生课程设计 (论文)

3.3 保护电路

图 3.3 过电压保护电路

3.4 三相逆变电路

图 3.4 三相逆变器原理图

图中, S 1 ~ S 6 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 2? 的三相交流电压。
3

8

本科生课程设计(论文)

3.5 单片机最小系统
2 3 4

5

单片机是一种集成电路芯片, 是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力 的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、 定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工 业控制领域的广泛应用。从上世纪 80 年代,由当时的 4 位、8 位单片机,发展到现 在的 32 位 300M 的高速单片机。下图是单片机最小系统

1 2 3 4 5 6 7 8 13 12 15 14 31 19 18 9 +5 V 17 16

P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 INT 1 INT 0 T1 T0 EA /VP X1 X2 R ESE T RD WR 80 51

P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7

39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28

R XD TX D A LE/P PS EN

10 11 30 29

图 3.5 单片机最小系统

9

本科生课程设计(论文)

第 4 章 软件设计
4.1 变频器软件设计流程图

图 4.1 变频器设计流程图

4.2 V/f 比值恒定控制
V/f 比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它是在改变变频器 输出电压频率的同时改变输出电压的幅值,以维护电机磁通基本恒定,从而在较宽的 调速范围内,使电动机的效率、功率因数不下降。V/f 控制是目前通用变频器中广泛 采用的控制方式。

10

本科生课程设计 (论文)

三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态, 从而使铁心材料得到充 分的利用。在变频调速的过程中,当电动机电源的频率发生变化时,电动机的阻抗将 随之变化,从而引起励磁电流的变化,使电动机出现励磁不足或励磁过强。在励磁不 足时电动机的输出转矩将降低,而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于饱和状态,是 电动机中流过很大的励磁电流,增加电动机的功率损耗,降低电动机的效率和功率因 数。因此在改变频率进行调速时,必须采取措施保持磁通恒定为额定值。 由电机理论知道,电机定子的感应电势有效值是 E1 ? 4 . 4 f 1 K N ?m (1) 4N 1 1 另外,电机的电磁转矩 ?e ? CT ? m ? 2 cos? 2 其中 CT —与电动机有关的常数; Cos ? 2 —转子每相电路功率因数 (2)

? 2 —转子电压与电流的相位差;
?e — 电机的电磁转矩。

由式(1)推断,若 E1 不变,当定子电源频率 f1 增加,将引起气隙磁通 ? m 减小;而由式 (2)可知, ? m 减小又引起电动机电磁转矩 ?e 减小,这就出现了频率增加,而负载能力 下降的情况。在 E1 不变时,而定子电源频率 f 1 减小,又将引起 ? m 增加, ? m 增加将导 致磁路饱和, 励磁电流升高, 从而导致电动机发热严重时会因绕组过热而损坏电动机。 由以上情况可知:变频调速时,必须使气隙磁通不变。因此,在调节频率的同时,必 须对定子电压进行协调控制,但控制方式随运行频率在基频以下和基频以上而不同。

图 4.2 变压变频调速机械特

11

本科生课程设计(论文)

第 5 章 课程设计总结
近两周的课程设计结束了,这次的课程设计不仅检验了我以前所学习的知识,还 让我学到了很多以前不是很熟悉的知识。 通过做课程设计我了解和掌握了关于交流调速等方面的相关内容,受益匪浅。并 进一步了解和掌握了交直交变频调速系统, 比较全面的将所学的交流调速和电力拖动 等方面的知识运用于设计当中,对设计中一些参数的计算也比较清晰得到。整个交直 交变频调速系统分阶段地完成,从交流调速方面的设计到电力拖动方面的设计,是一 步一步的完成和组合。 在本次设计中,我翻阅了很多资料,并在网上查阅相关知识,然后进行整合和整 理才将设计的课题要求加以总结和完成。同时,我觉得,这次设计不仅仅让我了解和 掌握了相关交直交变频调速系统的相关知识,还学会了如何对资料进行整合和分类。 正所谓“实践是检验真理的唯一标准” ,这次的课程设计对我来说无疑是一次实 践课程的真实体验。所能够学到的东西是平时课本中所没有的。我想,只有把理论知 识和实践知识相结合才能有更大的收获。这次的设计任务让我从中获益很多,虽然有 些知识掌握的还不是特别清晰, 但是这两周里, 通过大量资料的查阅还是很有收获的, 我知道在这次的设计中还存在着很多的不足之处,希望老师给予见谅。

12

本科生课程设计(论文)

参考文献
[1] 何超,交流变频调速技术.北京航空航天出版社,2006.1-65. [2] 孙立志, PWM 与数字电动机控制技术应用.中国电力出版社,2008. [3] 周志敏,周纪海,纪爱华.变频调速系统设计及维护.中国电力出版. [4] 王占奎,交流电机变频调速的应用.电工技术杂志,2004, (03). [5] 张建军,浅谈我国变频器发展技术,科技情报发展与经济.2005.134-135. [5] 王兆安,黄俊,电力电子技术(第 4 版) .机械工业出版社,2000. [6] 刘定建,朱丹霞,实用晶闸管电路大全.机械工业出版社,1996. [7] 郑琼林,耿学文,电力电子电路精选.机械工业出版社,1996. [8] 李华德,白晶,李志民.交流调速控制系统.电子工业出版社,2003.3. [9] 浣喜明,姚为正.电力电子技术.高等教育出版社,2000. [10] 姜泓,赵洪恕.电力拖动交流调速系统.华中科技大学出版社,2003. [11] 莫正康,电力电子技术应用(第 3 版) .机械工业出版社,2000.

13


相关文章:
电压源型异步电动机变压变频调速系统设计
交流调速课设课程设计(论文)任务及评语院(系) :电气工程学院 学号 课程设计 (...1.按已知条件设计交-直-交电压源型频率双闭环异步电动机变压变频调速系统。 ...
电压源型异步电动机变压变频调速系统设计123
交流调速系统课设 电... 暂无评价 17页 4下载券 异步电动机变压变频调速......(论文)题目:电压源型异步电动机变压变频调速系统设计 院(系) : 专业班级: ...
《交流调速系统》课后习题答案
3)闭环交流 变压调速系统的负载变化范围受限于电压 ...第6章 笼型异步电动机变压变频调速系统(VVVF) 6-...VC系统强调Te与Ψr的解耦,有利于分别设计转速与磁链...
异步电动机的双闭环调压调速系统课程设计
0 课程设计(论文) 交流调速控制系统 课程设计(论文) 题目: 题目: 异步电动机双闭环调压调速系统设计 :院(系) 专业班级: 专业班级: 学号: 电气与信息工程...
24kVA电压源型变压变频调速控制系统设计
基础上设计了一个电压型频率双闭环的异步调频电动机,一交流 异步电动机作为被控对象,以单片机为核心,从而设计出来一个符合要求的 24KVA 电压源型变压变频调速系统...
双闭环交流调速系统课程设计
双闭环交流调速系统课程设计_工学_高等教育_教育专区...从式(2-1)中可以看出,调节交流异步电动机的转速有...主电路由三相对称交流电压源、二 极管转子整流器、...
交流异步电动机变频调速系统设计完美版
交流调速系统课设 电压... 暂无评价 17页 10财富值 异步电动机变压变频调速系...安徽理工大学毕业设计(论文) 交流异步电动机变频调速系统设计 摘要 近年来,交流电...
课程设计交流电动机变频调速系统设计
课程设计交流电动机变频调速系统设计_工学_高等教育_...直流环节内阻较小,相当于电压 源,故称电压型变频器...准确 地实现变压变频控制技术, 而且更重要地是抑制...
双闭环三相异步电动机调压调速系统课程设计
双闭环三相异步电动机调压调速系统课程设计_工学_高等...调压电路的设计改变加在定子上的电压是通过交流调压...1 在双闭环调速系统设计中, 转速外环的截止频率 W...
24kVA电压源型变压变频调速控制系统设计
32kVA电压源型变压变频开环... 20页 5财富值 交流调速系统课设 电压... 暂无...课程设计 (论文) 题目 课题完成的功能:设计一个变压变频调速系统,电动机的容量...
更多相关标签:
异步电动机变频调速 | 变压变频调速 | 变压变频调速系统 | 交流变压变频调速 | 三相异步电动机调速 | 异步电动机的调速方法 | 电磁调速异步电动机 | 三相异步电动机的调速 |