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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1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……………………………………………………………………………………1821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。3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。42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1/3～1/2,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。5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63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=1.35×380V=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