转差频率控制的变频调速系统设计

《控制系统》课程设计课题：转差频率控制的变频调速系统系别：电气与电子工程系专业：电气工程及其自动化姓名：黄敬荣、李涛、王洪远学号：1214061（06、13、26）指导教师：李晓辉、王明杰、刑广成河南城建学院2010年1月15日成绩评定·一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。二、评分（按下表要求评定）评分项目设计报告评分答辩评分平时表现评分合计（100分）任务完成情况（20分）课程设计报告质量（40分）表达情况（10分）回答问题情况（10分）工作态度与纪律（10分）独立工作能力（10分）得分课程设计成绩评定班级姓名学号成绩：分（折合等级）指导教师签字年月日一、设计目的：通过对一个使用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。二、设计要求：设计一个转差频率控制的变频调速系统，确定系统设计方案，画出系统框图，完成元器件的选择和调节器参数整定。三、总体设计：变频调速技术的出现使频率成交流电动机采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅降低电动机的起动电流。增加起动转矩，转差频率控制异步电动机变频调速是公认的一项性能较优越的控制策略。目本文通过分析转差频率控制调速系统原理，将调速系统模块化，达到调速要求。1．转差频率控制原理：当稳态气隙磁通恒定时．异步电机的机械特性参数表达式为：当实际转差额定空载转速相比很小时（），,可以从式中约去，这样式(1)可以简化为：从式(2)中可得，当转差频率较小且磁通恒定时，电机的电磁转矩T与成正比。这时只要控制转差频率就能控制转矩T，从而实现对转速的控制。若要使转差频率较小，只要有提供异步电动机的实际转速反馈即可实现。若要保持为恒值，即保持励磁电流恒定，而励磁电流与定子电流有如下关系，因此若，按照上述规律变化，则恒定，即恒定。f转差频率控制策略是：利用测速环节得到转速与转速给定、比较，限制输出频率，使转差率(即)不太大；控制定子电流，使得励磁电流保持恒定；这时控制实现调速。系统原理图如图l所示。图l转差频率控制变频调速系统原理图从图1可知．系统由速度调节器、电流调节器、函数发生器、加法器，整流与逆变电路，PWM控制电路，异步电动机及测量电路等组成，其中异步电动机由SPWM控制逆变器供电。转速调节器ASR的输出是转差频率给定值,表转矩给定。函数发生器输入转差频率产生。信号，并通过电流调节ACR控制定子电流。以保持为恒值；加法器对转差频率和转速信号求和得到变频器的输出频率。电流调节ACR和加法器的输出分别控制正弦波幅值和频率。从而实现三相异步电机变频调速。2.系统结构设计采用模拟电路。其结构较为复杂。而且有温漂现象影响精度并降低了系统的性能。本文主要采用模拟与数字技术相结合的方法来设计系统。采用模拟电路来设计PI调节器。在系统中，转速通过测发电机以电压的形式输入到转速调节器中，定子电流通过电流互感器以电压的形式输入到电流调节器中，采用单片机控制系统来取代函数发生器、加法器及SPWM控制电路。(1)主电路设计系统主电路采用交一直一交结构，如图2所示。整流器采用不可控整流。输入为ACl39V。功率管采用IPM模块。内部集成驱动电路，过压、过流及过温检测电路。逆变器输出的三相交流电压通过U，V，W3个端口接交流电机。交流电机采用石家庄瑞特电器有限公司销售的RTDJ36型教学用三相交流异步电机，其额定电压为220V，额定电流为0．55A，额定转速为l400r／min，额定功率为100W。图2系统主电路（2）调节器设计图3调节器电路系统采用双闭环控制，外环为转速调节器(ASR)，内环为电流调节器(ACR)，均采用PI调节器，如图3所示，调节电位器RP2和RP3可以设定限幅值。调节电位器RPl可以改变调节器P参数在6-61．5范围内变化，改变可调电容C的值可以改变调节器的I参数。对于ASR，输入分别接速度给定信号与速度反馈信号，4输出为转差频率信号，调节电位器RP2和RP3可以设置转差频率限幅值；对于ACR，输入分别接定子电流给定值与定子电流反馈，输出接单片机控制系统。（3）系统框图设计图4变频调速系统框图系统采用电压和电流环、函数发生器、整流环、逆变器进行控制，转速调节器ASR的输出是转差频率给定值,表转矩给定经过电压环节，函数发生器输入转差频率产生。信号，在经过电流环节、整流环节，加入扰动量然后经过逆变器，再而经过反馈环节从而调节误差量，从而实现三相异步电机变频调速。3.单片机控制系统设计单片机控制系统结构如图4所示。电路主要采由AT89C51和SA8282芯片、A／D转换模块、显示模块等组成。图5控制系统结构图SA8282是英国MITEL公司生产的三相SPWM发生器，可作为AT89C51的可读写的外设阿。在工作之前，先对SA8282进行初始化，即由AT89C51向初始化寄存器和控制寄存器输入控制字进行参数设置。SA8282根据地址信号从波形ROM中读取波形数据。在波形ROM中只存有0。900的波形瞬时值，由于调制波形关于900，1800和2700对称，故在SA8282读取波形数据后通过相位控制逻辑得到0—3600的完整波形。然后再通过脉冲取消电路和脉冲延时电路产生6路SPWM波形。控制系统软件流程图如图5所示。在初始化程序中。AT89C51对SA8282送入初始化控制字。用于确定载波频率、调制频率范围、死区时间和最小脉宽等参数。转差频率。转速信号经A／D转换后接人AT89C51，完成式(3)的计算得到定子给定电流，保证恒定，将实际转速与转差频率相加得到并显示系统的输出频率及电机转速。ACR输出信号经A／D转换后作为SA8282的输出脉宽信号。得到的输出脉宽和频率通过AT89C51输出控制指令到SA8282控制寄存器，完成对SA8282的输出脉宽和频率的控制，产生6路SPWM波形，用于驱动逆变器的6个开关管。图6系统软件流程图4.系统测试整定转速设定(r/min)稳定时间（s）l400r/min13s图6为搭接好该实验装置电路并设置好实验参数后。当给定转速设定为l400r/min波形。从波形可以看出电动机在13s后达到稳定状态．满足要求。图6波形四、设计总结通过这次课程设计我们深刻的认识到：自己在过程控制系统设计的知识远远不够，以前学习过的理论掌握的并不牢固，理论与实践结合的面和点的错位等等。因此我们经过复习课本知识和查阅资料，对过程控制系统的设计有了更深刻的理解。在设计的这几天里，使我们学会了过程控制系统设计的基本理论，提高了自己的工程意识和设计技能；通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在学习和工作上一定要保持刻苦钻研、积极进取的态度，在学术求证中要敢于创想，勇于实践，只有通过自己的刻苦钻研才会取得进步和成功。五、参考文献【1】马志源电力拖动控制系统2004【2】杨耕、罗应立电机与运动控制系统2006【3】梁玉红、黄晓林基于SA8282的三相逆变电源的研制[期刊论文]-微计算机信息2006(29)【4】傅胜阳、陈辉明、王正仕基于AVR单片机的SPWM控制技术[期刊论文]-机电工程2007(9)【5】江世明脉宽调制控制技术中PWM波形程序设计方法[期刊论文]-邵阳学院学报(自然科学版)2006(4)