PAGE 電力電子與電力傳動綜合課程設計報告題目：異步電動機變頻調速控制系統設計與實踐院（系）：機電與自動化學院專業班級：學生姓名：學號：指導教師：2016年月日至2016年月日《電力電子與電力傳動綜合課程設計》任務書一、設計（調查報告/論文）題目異步電動機變頻調速控制系統設計與實踐二、設計（調查報告/論文）主要內容（1）完成異步電機變頻調速系統硬件電路設計（開環）；（2）編寫異步電機變頻調速系統SPWM控制程序（開環）；（3）利用“電力電子與電氣傳動控制實驗室實驗平臺”搭建開環的變頻調速系統并運行，不斷加載，觀察電機轉速變化，得出正確結論；（4）利用“電力電子與電氣傳動控制實驗室實驗平臺”搭建閉環的變頻調速系統并運行，對比閉環系統和開環系統的差異，得出正確結論。三、原始資料系統基本結構（供參考）四、要求的設計（調查/論文）成果1系統硬件電路圖；2系統軟件設計流程圖及具體程序3符合規范要求的設計報告電子檔、紙質檔各一份。五、進程安排第一周安排：（上午：8:30-12:00；下午：13:30-17:00）周一~~~周二：分組（3人一組）、查找資料、理解課題的意義（變頻技術的重要性、變頻在交流調速應用中的重要性及應用價值等）、提出初步方案，周二下午1：30，南區實驗室集中，以小組為單位進行課題意義、應用及方案論述，時間9分鐘（每人3分鐘），論述內容不得重復；周三~~~周四：硬件電路設計（每天下午1:30在南區實驗室集中，檢查進度，進行答疑）周五上午：8:30開始，南區實驗室集中，以小組為單位論述硬件電路的設計思路及工作原理，時間6分鐘，每人2分鐘，內容不得重復周五下午：開始控制程序設計。第二周安排：（上午：8:30-12:00；下午：13:30-17:00）周一~~~周二：控制程序設計、理解，周一下午1:30，南區實驗室集中，答疑。周二下午1:30南區實驗室集中，以小組為單位論述程序設計的思路，并解釋程序中SPWM具體的實現方式，時間6分鐘。周三：上午8:30開始，下午1:30開始，南區電力電子與電氣傳動實驗室集中，動手實踐。周四~~~周五：按規范撰寫設計報告并提交電子檔、紙質檔、答辯。六、主要參考資料[1]陳伯時.自動控制系統及電力拖動控制.北京：機械工業出版社，2014.[2]李榮生.電氣傳動控制系統設計指導.北京：機械工業出版社，2012.[3]馮垛生．交流調速系統．北京：機械工業出版社，2012.[4]吳守箴，戚英杰.電氣傳動脈寬調制控制技術.北京：機械工業出版社，2013．[5]Hava．PerformanceAnalysisofReducedCommon-ModeVoltagePWMMethodsandComparisonWithStandard:PWMMethodsforThree-PhaseVoltage-SourceInverters．IEEETransactionsonPowerElectronics．2013，24（1）：241-252．指導教師（簽名）：20年月PAGE183.3濾波電路設計變頻器的使用5.2開環變頻調速系統5.3閉環變頻調速總之，交流電機調速技術的發展，特別是變頻器傳動本身固有的優勢，必將使之應用于社會生產的各個領域，以體現出不同的功能，達到不同的目的，收到相應的效益。因此，本論文通過對變頻器的研究，對于交流變頻調速系統理論的應用，有著實際的意義和一定的應用價值。圖2-1系統原理框圖主電路分為整流部分和逆變部分：整流部分將交流電變為脈動的直流電，必須加以濾波。在本設計中采用三相不可控整流。它可以使電網的功率因數接近1。逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。在設計中采用三相橋逆變，開關器件選用全控型開關管IGBT。濾波電路：因在本設計中采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的電容除了起濾波作用外，還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾。電流電壓檢測：一般在中間直流端采集信號，作為過壓，欠壓，過流保護信號。控制電路：采用8051單片機和SPWM波生成芯片SA4828，控制電路的主要功能是接受各種設定信息和指令，根據這些指令和設定信息形成驅動逆變器工作的信號。這些信號經過光電隔離后去驅動開關管的關斷。驅動電路：查資料之后,使用東芝公司的TLP250，電路非常簡單。TLP250采用8腳的DIP封裝，引腳如圖2-2。輸入端光耦的隔離電壓達到3000V，輸入電流為5~10mA，可以驅動100A/600V的IGBT。它采用單電源供電，使用時須外接一個電阻和一個10V的穩壓管，把25V的隔離電源變為+15V的導通電壓和－10V的關斷電壓。如前所述，為了驅動主電路逆變橋的三個上橋臂的IGBT，必須給每一路提供一個隔離的25V電源而三個下橋臂可以共用一個電源。此外，SA4828及單片機系統還需要+5V電源以及異步通訊所需的±12V電源。圖2-2TLP驅動電路變頻調速實際上是向交流異步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現這個功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，先將交流電轉變為直流電(整流，濾波)，再將直流電轉變為頻率可調的交流電（逆變）。主電路包括整流電路，濾波電路和逆變電路構成，通過對IGBT的控制來控制電機的轉速。主電路圖如3-1所示。圖3-1電壓型交直交變頻調速主電路整流電路是把交流電變換為直流電的電路。本設計中采用了三相橋式不控整流電路，主要優點是電路簡單，功率因數接近于1。選用整流管VD1-VD6組成三相整流橋，對三相交流電進行全波整流。整流后的電壓為Ud=1.35Ul=1.35×380V=513V。濾波電容CF濾除整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持電壓平穩。當變頻器通電時，濾波電容CF的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會損壞三相整流橋中的二極管，為了保護二極管，在電路中串入限流電阻RL，從而使電容CF的充電電流限制在允許的范圍內。當CF充電到一定程度，使SL閉合，將限流電阻短路。在許多下新型的變頻器中，SL已有晶閘管替代。電源指示燈HL除了指示電源通電外，還作為濾波電容放電通路和指示。由于濾波電容的容量較大，放電時間比較長（數分鐘），幾百伏的電壓會威脅人員安全。因此維修時，要等指示燈熄滅后進行。RB為制動電阻，在變頻器的交流調速中，電動機的減速是通過降低變頻器的輸出頻率而實現的，在電動機減速過程中，當變頻器的輸出頻率下降過快時電動機將處于發電制動狀態，拖動系統的動能要回饋到直流電路中，使直流電路電壓（稱泵升電壓）不斷上升，導致變頻器本省過電壓保護動作，切斷變頻器的輸出。為了避免出現這一現象，必須將再生到直流電路的能量消耗掉，RB和VB的作用就是消耗掉這部分能量。如圖3-1所示，當直流中間電路上電壓上升到一定值，制動三極管VB導通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。3.3濾波電路設計變頻調速實際上是為交流異步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現這個功能的裝置稱為變頻器。變頻器由三部分組成：主電路、控制電路和保護電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，先將交流電轉變為直流電(整流，濾波)，再將直流電轉變為頻率可調的交流電（逆變）。三相逆變電路IGBT的原理圖見圖3-2所示。圖3-2中，～組成了橋式逆變電路，這6個開關交替地接通、關斷就可以在輸出端得到一個相位互相差的三相交流電壓。當、閉合時，為正；、閉合時，為負。用同樣的方法得：當、同時閉合和、同時閉合，得到,,同時閉合和、同時閉合，得到。為了使三相交流電、、在相位上依次相差；各開關的接通、關斷需符合一定的規律，其規律在圖3-2b中已標明。根據該規律可得、、波形如圖3-2c所示。結構圖b)開關的通斷規律c)波形圖圖3-2三相逆變器原理圖觀察6個開關的位置及波形圖可以發現以下兩點：①各橋臂上的開關始終處于交替打開、關斷的狀態如、。②各相的開關順序以各相的“首端”為準，互差電角度。如比,滯后，比滯后。上述分析說明，通過6個開關的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調節開關的通斷速度就可調節交流電頻率，當然交流電的幅值可通過的大小來調節。4.1流程圖軟件設計的流程圖如圖4-1。圖4-1程序設計流程圖5實踐結論5.1變頻器的使用選擇模式（不接電機）送200V電源，按PU/EXT鍵，顯示為PU，即為內部模式。顯示為EXT，即為外部模式。內部模式即為只需要用變頻器本身即可控制電機，不需要使用外部的控制面板，控制面板不需要接線。外部模式即為需要用控制面板控制變頻器然后控制電機。圖5-1為變頻器原理圖。參數設置（不接電機）送200V電源，按PU/EXT鍵，顯示為PU，即為內部模式。（1）按MODE鍵，撥動設定旋鈕，顯示P4；按SET鍵，設定為40HZ,再按SET鍵，40HZ閃爍，高速頻率設定完畢。（2）按MODE鍵，撥動設定旋鈕，顯示P5；按SET鍵，設定為30HZ，再按SET鍵，30HZ閃爍，中速頻率設定完畢。（3）同樣將P6由10HZ改為20HZ，低速率設定完畢。圖5-1變頻器原理圖5.2開環變頻調速系統（1）采用內部模式對電機速度進行控制和調節，并一一對應記錄幾組頻率、電機定子電流、轉速的具體數據，觀察數據，得出結論。頻率（HZ）2025304045轉速（r/min）61375087212031333定子電流（A）50.250.25由表格數據看出：當頻率變大時，轉速會變大，調節頻率可以改變電機的轉速。（2）采用外部模式對電機速度進行控制和調節，以正轉為基準，實現電機在高、中、低三個不同頻率下的運行（40HZ,30HZ,20HZ），然后加載，觀察電機定子電流的變化。并記錄數據，得出結論。①高速運行時(40HZ)定子電流（A）0.2520.2610.2630.2720.2780.284轉速（r/min）117511631156114311251116②中速運行時(30HZ)定子電流（A）0.2620.2640.2730.2790.2900.301轉速（r/min）873865846828806796③低速運行時(20HZ)定子電流（A）0.2580.2660.2760.2870.3050.321轉速（r/min）576558532508461427由表格數據看出：負載越大，負載電流越大，轉速變低，負載過大，電機會發生堵轉。5.3閉環變頻調速構建閉環變頻調速系統，異步電機為三角形接法。具體測試內容為：給定電壓調定不動，給電機加載，觀察轉速的變化，并記錄定子電流和轉速的具體數據。定子電流（A）60.400.440.51轉速（r/min）140313851366135413461325由表格數據看出：當給定電壓變化時，轉速會發生改變，當給定不變，負載發生變化時，轉速基本保持不變。測試總結（開環系統和閉環系統的主要區別）：閉環系統遇到干擾時，可以保持系統的穩定性，而開環系統不能。6設計總結 為期兩周的畢業設計讓我收獲很多，這是一個很重要的環節，讓我們自己動手去做，跟平時在課堂上上課不同。這次結合了實踐，建立了正確的設計思想，掌握了工程設計的一般程序和方法。動過這次畢業設計，我學會了很多。這是跟我們生活息息相關的，跟是對我大學學習的一個很好的總結。在設計的過程中，我進一步的了解了電子電力的知識。更加鍛煉了我的學習能力，分析能力和解決問題的能力。我感到很開心。這次的課程設計讓我明白了團隊合作的重要性，通過我們組員之間的合作解決了很多問題，成功完成了整個設計。特別感謝老師對我們的幫助，期間有一次因為一些原因不能參加一些實驗，是老師的幫助讓我成功完成了整個設計。參考文獻[1]陳伯時.自動控制系統及電力拖動控制.北京：機械工業出版社，2010.[2]李榮生.電氣傳動控制系統設計指導.北京：機械工業出版社，2009.[3]馮垛生．交流調速系統．北京：機械工業出版社，2012.[4]吳守箴，戚英杰.電氣傳動脈寬調制控制技術.北京：機械工業出版社，2010．[5]王兆安，黃俊.電力電子技術.北京：機械工業出版社，2007.1-165.[6]杜金城.電氣變頻調速設計技術.北京：中國電力出版社，2001.195-205.課程設計成績評定表成績評定項目比例得分平時成績（百分制記分）30%業務考核成績（百分制記分）70%總評成績（百分制記分）100%評定等級優良中及格不及格指導教師（簽名）：20年月日基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現的供暖系統最佳啟停自校正（STR）調節器單片機控制的二級倒立擺系統的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協議棧的實現基于單片機的蓄電池自動監測系統基于32位嵌入式單片機系統的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養診斷專家系統的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統研究與開發基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統開發基于單片機的液壓動力系統狀態監測儀開發模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數控系統的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統開發基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統單片機系統軟件構件開發的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統的研制基于單片機的數字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現基于單片機的電液伺服控制系統用于單片機系統的MMC卡文件系統研制基于單片機的時控和計數系統性能優化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數據采集系統基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數控改造基于單片機的溫度智能控制系統的設計與實現基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監測系統基于單片機網絡的振動信號的采集系統基于單片機的大容量數據存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現基于AT89S52單片機的通用數據采集系統基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統基于單片機的控制系統在PLC虛擬教學實驗中的應用研究基于單片機系統的網絡通信研究與應用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統設計與研究基于單片機的模糊控制器在工業電阻爐上的應用研究基于雙單片機沖床數控系統的研究與開發基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統研究基于TCP/IP協議的單片機與Internet互聯的研究與實現變頻調速液壓電梯單片機控制器的研究基于單片機γ-免疫計數器自動換樣功能的研究與實現基于單片機的倒立擺控制系統設計與實現單片機嵌入式以太網防盜報警系統基于51單片機的嵌入式Internet系統的設計與實現單片機監測系統在擠壓機上的應用MSP430單片機在智能水表系統上的研究與應用基于單片機的嵌入式系統中TCP/IP協議棧的實現與應用單片機在高樓恒壓供水系統中的應用基于ATmega16單片機的流量控制器的開發基于MSP430單片機的遠程抄表系統及智能網絡水表的設計基于MSP430單片機具有數據存儲與回放功能的嵌入式電子血壓計的設計基于單片機的氨分解率檢測系統的研究與開發鍋爐的單片機控制系統基于單