课程设计-异步电动机变频调速控制系统设计与实践

自动控制系统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：自动化105学生姓名：学号：指导教师：2014年12月29日至2015年1月9日xxxx大学制《自动控制系统综合课程设计》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（4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12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，汇报进度，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8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8分钟，每人2分钟，内容不得重复；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，进行动手实践，时间为每班两小时；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，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，2010．[5]Hava．PerformanceAnalysisofReducedCommon-ModeVoltagePWMMethodsandComparisonWithStandard:PWMMethodsforThree-PhaseVoltage-SourceInverters．IEEETransactionsonPowerElectronics．2009，24（1）：241-252．指导教师（签名）：20年月目录1绪论……………………………………………………………………………………………12方案设计………………………………………………………………………………………22.1变频器的主电路方案………………………………………………………………………22.2系统的原理框图……………………………………………………………………………23硬件电路设计…………………………………………………………………………………43.1主电路的设计………………………………………………………………………………43.2整流电路设计………………………………………………………………………………43.3滤波电路设计………………………………………………………………………………43.4逆变电路设计………………………………………………………………………………53.5驱动电路设计………………………………………………………………………………53.5.1SPWM调制技术……………………………………………………………………………63.5.2SA4828的工作原理………………………………………………………………………74系统的软件设计………………………………………………………………………………84.1单片机程序设计……………………………………………………………………………84.2程序代码……………………………………………………………………………………85实验结论………………………………………………………………………………………13总结……………………………………………………………………………………………15参考文献…………………………………………………………………………………………1611绪论近年来，电动机作为主要的动力设备被广泛的应用于工农业生产、国防科技、日常生活等各个方面，其负荷约占总发电量的60%-70%，成为用电量最多的电气设备，根据采用的控制方式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类。其中交流电动机形式多样，用途各异，拥有数量最多。交流电动机又分为同步电动机和异步电动机两大类，根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85%左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民生产中的重要地位。异步电机可以采用调压调速、改变极对数调速、串电阻调速、变频调速等。在交流调速诸多方式中，变频调速是最有发展前途的一种交流调速方式，也是交流调速的基础和主干内容，变频装置有交—直—交系统和交—交系统两大类。交—直—交系统在传统电压型和电流型变频器的基础上正向着脉宽调制PWM型变频器和多重化技术方向发展，而交—交变频器应用于低速大容量可逆系统上升趋势现代电力电子、微电子技术和计算机技术的飞速发展，以及控制理论的完善、各种工具的日渐成熟，尤其是专用集成电路、DSP和FPGA近来令人瞩目的发展，促进了交流调速的不断发展。目前异步电机变频调速控制已经成为一门集电机、电力电子、自动化、计算机控制和数字仿真为一体的新兴学科。交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展；现代控制理论、电力电子技术的发展和应用，微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。实践证明，交流调速系统的应用为工农业生产及节省电能方面带来了巨大的经济和社会效益。现在，交流调速系统正在逐步的代替直流调速系统，交流调速系统在电气传动领域占据统治地位已是不争的事实。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。22方案设计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。由于交-直-交型变频器是目前广泛应用的通用变频器，作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。所以本次设计中选用此种间接变频器，在交-直-交变频器的设计中，虽然电流型变频器可以弥补电压型变频器在再生制动时必须加入附加电阻的缺点，并有着无须附加任何设备即可以实现负载的四象限运行的优点，但是考虑到电压型变频器的通用性及其优点，在本次设计中采用电压型变频器。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。整流电路：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。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3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。逆变电路：逆变部分将直流电逆变成交流电。本设计采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。电流电压检测：采集直流端信号，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。43硬件电路设计3.1主电路的设计主电路为单相全桥逆变电路，主开关管采用GTR，输出100V，50-400Hz频率可调的交流电压。由单片机输出两路互补（有一定死区时间）单极性SPWM波来控制该逆变电源。对输出SPWM波的最小脉冲问题进行了处理，采用汇编语言对中断服务子程序进行编程，使得SPWM波形中最小脉冲的宽度达到了3μs，这个宽度（时间）基本达到实验中所用GTR的最小开关周期。该系统主电路如图3.1所示，以8051为控制核心，采用交-直-交电压源变频器结构。图3.1电压型交-直-交变频主电路3.2整流电路设计采用三相桥式不可控整流电路将交流电整流为直流电，电路如图3.1左半部分由6个二极管组成。通过二极管的峰值电流为：Im=2×1.414In=2×1.414×0.5=1.42A流过二极管电流的有效值：)(*21200wtdIfIdm二极管电流定额：In=(1.5or2)×Id/1.57=0.78or1.04A考虑滤波电容充电电流的影响，需要留有较大的电流余量，选用IN=2A，整流二极管电压定额：Ud=(2or3)×Um=(2or3)×1.414×220=622or933V根据上面计算的电压和电流以及市场价格和供货情况，实际选用的整流二极管为5A、1000V。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5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。图3.2滤波电路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。整流电路输出的直流电压的脉动成分较大，此外逆变器部分产生的脉动电流及负载变化也使直流电压脉动，因此要加入大电容滤波环节。滤波电路如图3.2所示：没有加滤波电容时，三相整流输出的平均直流电压为：Vc=3×1.414*Ul/π加上滤波电容后，VDC的最大电压可以达到交流电压的峰值：U=1.414×Ul=1.414×220=311V理论上滤波电容值越大越好，考虑到体积和价格，实际选用了两个47μF/450V的电容相并联使用。3.4逆变电路设计逆变电路的功率器件选用6个GTR和6个快速续流二极管。IGBT正反向峰值电压为：Um=1.414×220=311V考虑到2～3倍安全系数，取耐压值为1000V。通态峰值电流：Im=2×1.414×In=2×1.414×0.5=1.41A考虑1.5～2倍安全系数，取电流定额为5A。续流二级管的耐压和续流计算与上相同，考虑到市场价格供货和价格的情况实际选用GTR为GT25Q101，续流二极管为MUR860。3.5驱动电路设计驱动电路的作用是逆变器中的逆变电路换流器件提供驱动信号