小容量异步电动机变压变频调速系统—电压采样电路设计

小容量异步电动机变压变频调速系统—电压采样电路设计Small-capacitytransformerasynchronousmotorfrequencycontrolsystem-voltagesamplingcircuitdesign学生姓名:指导教师:小容量异步电动机变压变频调速课程设计I摘要随着国民经济的快速发展，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，交流变频调速技术取得了巨大的技术进步，高性能调速成为电机调速的研究热点，于是广泛地应用于交流调速的异步电动机的设计和分析问题日渐受到人们关注。本课题就是以此为背景介绍了基于单片机的小容量异步电动机变压变频调速系统。本文设计了异步电动机变压变频过程中的电压采样电路，包括2路交流电压和1路直流电压，通过A/D转换电路将采样电路的模拟量转换为数字量，再将数字量交给单片机处理，通过单片机生成的PWM脉冲来控制逆变器的驱动电路。分析了整个采样电路在调速系统中的重要作用。关键词:异步电动机；变压变频调速；电压采样电路小容量异步电动机变压变频调速课程设计IIAbstractAlongwiththefastdevelopmentofthecountry'seconomic,withtheappearanceofnewpowerelectronapparatusandmicroprocessor,alsowiththedevelopmentofthecontroltheoryontheACinductionmotor,thetechnologyofVariable-frequencyhasmadetremendousprogress.SowidelyusedinACinductionmotorspeedcontroldesignandanalysisissueshavebecomeincreasinglysubjecttoattention.ThispaperpresentsaSCM-basedACinductionmotorvariablefrequencysystem,whichbasedonthisbackground.ThispaperpresentstheprocessofinductionmotorVVVFvoltagesamplingcircuit,includingtwo-wayandone-wayACvoltageDCvoltagebyA/Dconvertercircuitsamplinganalogtodigitalconversioncircuitry,digitalandthentothemicrocontrollerprocessing,generatedbythemicrocontrollerPWMpulsestocontroltheinverterdrivecircuit.Itanalyzestheimportantrolethroughoutthesamplingcircuitinthespeedregulationsystem.Keywords：inductionmotor；variablevoltagefrequencyspeedregulation;；voltagesamplingcircuit小容量异步电动机变压变频调速课程设计目录摘要.............................................................IAbstract.........................................................II1绪论...........................................................11.1课题背景和意义..........................................................11.2任务设计及要求..........................................................22系统组成原理...................................................42.1系统结构原理图及分析....................................................42.2系统主要电路............................................................53电压采样电路的设计.............................................63.1电压传感器电路设计......................................................63.2低通滤波电路设计........................................................83.3信号调理电路设计.......................................................103.4限幅电路...............................................................123.5A/D转换电路设计........................................................133.6采样电路的实现..........................................................15总结.............................................................16参考文献..........................................................17附录：电压采样电路小容量异步电动机变压变频调速课程设计11绪论1.1课题背景和意义随着变频调速异步电动机在国内外市场上日益扩大应用。自90年代中期以来，我国有众多电动机生产企业设计、研制和生产适用于不同应用的各种系列变频调速三相异步电动机，例如：通用变频调速电动机系列、起重冶金变频调速电动机系列、隔爆变频调速电动机系列、电梯变频调速电动机系列、辊道变频调速电动机系列、牵引变频调速电动机系列等。从目前情况看，这些系列电动机能基本满足国内市场的需求。据资料显示，我国对于变频凋速三相异步电动机的品种不断扩大，产品设计也不断改进。为了适应不同用途、不同工作条件和使用环境、不同工况等各种要求，专用系列和改型系列变频调速电动机产品不论现在和将来，都在迅速发展。变频器供电电源会存电动机端子和各相绕组的前几匝线圈上产生高频瞬间脉冲峰值电，因此，如果不对绝缘系统采用增强措施．将会使绕组存高电压应力作用下过早失效，从而引起绝缘击穿故障。在电气传动领域中，随着自关断器件技术水平的不断提高，脉宽调制技术（简称PWM技术）也日趋成熟。PMW交流变频调速以其高效率、高功率因数、输出波形好、结构简单等优点，在井下风机、水泵、造纸机等设备中得到了广泛的应用。将单片机应用于交流变频调速系统，可有效地避免传统调速方案中的一些缺点，达到了提高控制精度的目的，其特点：（1）采用单片机可以使绝大多数控制逻辑通过软件实现，简化了电路。（2）单片机具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元，可以实现较为复杂的控制。（3）无零点漂移，控制精度高。（4）可以提供人机界面，多机连网工作。研究表明,工业企业大量使用的风机、水泵、压缩机类负载是用交流电动机拖动的,但由于过去交流电动机本身不能调速,只得靠阀门和挡板来调节风量和流量的,从而造成大量的电能浪费。如果用改变电动机转速的方法来调节风量或者流量,在压力不变的情况下,一般可以节省电能左右。在发达国家,经济型交流电动机变频调速装置己经大量的使用在这类负载中,成为重要的节能手段。现在我国的能源利用率较低,在能源后备储量有限的情况下,发展交流电动机的变频调速技术有着重要的意义。小容量异步电动机变压变频调速课程设计21.2设计任务及要求①设计要求设计一个变压变频调速系统，系统包括速度设定、速度显示、速度测量、速度控制、正反转控制、声光报警等，且根据交流异步电动机的容量采用由三相二极管整流桥、电容滤波、基于全控型开关器件IGBT或MOSFET的三相PWM逆变桥构成的主电路给异步电动机供电。已知（1）异步电动机：额定容量PN=3KW，额定电压UN=380V，额定电流IN=6.9A，额定转速为nN=1400r/min，额定频率fN=50Hz，定子绕组Y联接。由实验测得定子电阻Rs=1.85Ω，转子电阻Rr=2.658Ω，定子自感Ls=0.294H，转子自感Lr=0.2898H，定、转子互感Lm=0.2838H，转子参数已折算到定子侧，系统转动惯量J=0.1284kg.m2。（2）变频电源主要技术指标：1）输入电压额定值：三相、380VAC、50Hz，2）效率：80%以上，3）额定输出容量：4KVA或250VA，4）额定输出电压：三相、380VAC，5）输出频率：5--400Hz，6）控制方式：开环恒压频比控制方式/转速闭环转差频率控制方式，CFPWM、SPWM、SVPWM脉冲产生方式。②设计任务本课题设计总任务如下:（1）系统理论分析（2）系统总体结构设计（3）主电路设计（4）系统仿真分析利用Matlab/Simulink建立转速开环变压变频调速系统和转速闭环转差频率控制变压变频调速系统的仿真模型；对系统在电流跟踪式PWM、自然采样SPWM、规则采样PWM、SVPWM控制方式下，加与不加给定积分器的条件下，对变频器的输出电压和电流波形、电机的转速和转矩波形等进行仿真分析。（5）系统控制电路设计小容量异步电动机变压变频调速课程设计31）单片机（51单片机或DSP）数字控制电路设计2）电压（2路交流电压、1路直流电压）采样电路3）电流（2路交流电压、1路直流电流）采样电路4）电网交流电压同步信号检测电路5）控制系统辅助供电电源电路56）PWM控制脉冲产生、光电隔离放大电路及驱动电路7）过流、过压、过温保护电路和泵升电压限制电路8）逻辑保护电路设计（6）系统软件设计1）系统总体设计（软件功能设计）2）主程序设计3）转速开环恒压频比控制软件设计4）M法、T法、M/T法测速程序5）d转速PI控制算法程序6）电压和电流采样程序7）电流滞环控制程序8）键盘与显示程序9）过流、过压、过热故障检测与保护中断服务程序10）上位机监控软件设计（用VC++或MATLAB等做图形界面软件设计）（7）用Proteus软件进行系统软硬件仿真测试本文主要是在分析系统控制电路原理的基础上，完成电压采样电路的设计，具体任务如下：1）了解电压采样的具体流程；2）完成电压采样电路每一模块电路的设计；3）完成电路中每个器件的选型。小容量异步电动机变压变频调速课程设计42系统组成原理2.1系统结构原理图及分析图2-1为基于微机控制的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统硬件结构图。它包括主电路、驱动电路、微机控制电路、信号采集和故障综合电路，图中未绘出开关器件的吸收电路和其他辅助电路。图2-1数字控制通用变频器-异步电动机调速系统硬件结构图系统原理分析：380V，50Hz的三相交流电经电抗器流入二极管整流桥，为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。从整流桥输出的是直流，经过滤波电路和泵升电路后，直流进入由全控开关器件IGBT组成的PWM逆变器中，输出交流到异步电动机中。控制电路由C51单片机实现，其中电压、电流、温度检测等检测电路综合的故障保护、A/D或D/A转换、键盘显示电路及上位机控制等I/O口