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课程设计报告书

课程名称:《电力电子技术》

课题名称: 交流电机变频调速系统设计

系部名称: 自 动 控 制 系

专业班级:

姓 名:

学 号:

2014年 06月21日

绪论

20世纪70年代后,大规模集成电路和计算机控制技术的发展,以及现代控制理论的应用,使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能,在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中,变频调速具有绝对优势由于变频器在启动过程中,输出频率由0hz平滑地逐渐上升,电压从0v按比例上升到额定电压,电机无任何启动冲击,避免了由于电机启动产生的大电流对电机、电网、电气元件及所拖动机械设备的冲击和损坏。变频器在停止过程中输出频率由运行频率平滑地逐渐下降到0hz,电压从运行电压按比例逐渐到0v,实现了电动机软停止。变频启动可防止运输机械类载重物体受冲击和翻滚,提高传动设备的使用寿命。无级调速,自动化程度高,可实现无人管理。节能效果明显。保护功能完善,减少设备维修、故障。并且变频调速的调速性能与可靠性不断完善,价格不断降低,特别是变频调速节电效果明显,而且易于实现过程自动化,深受工业行业的青睐。

交流异步电动机的调速方式有多种,诸如调压调速、变级调速、串级调速、滑差调速等,而变频调速优于上述任何一种调速方式,是当今国际上广泛采用的效益高、性能好、应用广的新技术。它采用微机控制、电力电子技术及电机传动技术取得工业交流异步电机的无级调速功能。目前在国内外已广泛应用,是动化电力传动的发展方向。

电气原理图

主电路图

由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形,可以把一个正弦半波分作n等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替,矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样,由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样,正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出spwm波形。由于各脉冲的幅值相等,所以逆变器可由恒定的直流电源供电,也就是说这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时,驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形,这是很容易推断出来的。从理论上讲,这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得,作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。在spwm中常用等腰三角波作为载波,因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形,当它与任何一个光滑的曲线相交时,在交点的时刻控制开关器件的通断,即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲,这正是spwm所需要的结果。

由主电路原理图可知,交直交变频调速系统一般分为整流电路,滤波电路,控制电路,逆变电路。

在主电路图中交流电源为电路提供电力。开关k控制整个电路的通断,d1、d2、d3、.d4是四个二极管,起整流作用产生直流电,而电容c起到滤波的作用,使直流电更加稳定,ug1、ug2、ug3、ug4、ug5、ug6是六个igbt管,ug1、ug4相连并与电机的a相相连,ug2、ug5相连于电机的b相相连,ug3、ug6相连并与电机的c相相连。这六个igbt管由上面的g1、g2、g3、g4、g5、g6,六个脉冲信号提供导通脉冲。通过控制g1、g2、g3、g4、g5、g6的波形频率从而可以控制电机的转动快慢。

图2-1主电路

2.2控制电路图及原理

spwm信号波为正弦波,就是正弦波等效成一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形,其脉冲宽度是由正弦波和三角波自然相交生成的。正弦波波形产生的方法有很多种,但较典型的主要有:对称规则采样法、不对称规则采样法和平均对称规则采样法三种。第一种方法生成的pwm脉宽偏小;第二种方法在一个载波周期里要采样两次正弦波,显然输出电压高于前者,但对于微处理器来说,增加了数据处理量当载波频率较高时,对微机的要求较高;第三种方法应用最为广泛的,它兼顾了前两种方法的优点。spwm虽然可以得到三相正弦电压,但直流侧的电压利用率较低,不过spwm易于硬件电路实现。

spwm信号是通过用三角载波信号和正弦信号相比较的方法产生,当改变正弦参考信号的幅值时,脉宽随之改变,从而改变了主回路输出电压的大小。当改变正弦参考信号的频率时,输出电压的频率即随之改变。spwm调制方式的特点是半个周期内脉冲中心线等距、脉冲等幅调节脉冲的宽度使各脉冲面积之和与正弦波下的面积成正比,因此,其调制波形接近于正弦波,三相逆变器是由一个三相正弦波发生器产生三相参考信号,与一个公用的三角载波信号相比较而产生三相调制波。

正弦波脉宽调制分单极性和双极性脉宽调制,它使每一个输出矩形波的面积与对应的正弦波电压的面积呈正比,获得等幅不等宽的正负脉冲列,这样的逆变器输出的电压波形就与正弦基波电压接近。正弦基波电压作为调制电压,对它要进行调制的三角波称为载波电压,当正弦基波与三角波相交时通过比较两者之间的电压大小来控制逆变器开关的通断,从而得到一系列等幅不等宽正比于正弦基波电压的矩形波,这就是正弦脉宽调制方法(spwm)。

当操作指令发出后,电压矢量发生器和v/f函数电路同时工作发出波形,两者经过幅值控制电路后,变成幅值可以调制的正弦波形,正弦波形在与三角波发生器发出的三角波相交后,经过调制电路,输出的电压波形为等幅不等宽的脉冲列,其特点是中间脉冲宽,两边的脉冲窄,这样的脉冲列信号比较弱,经过功放电放大后,就能控制逆变器输出电压的大小和频率,即可以控制电动机。

图2-2 正弦脉宽调制方法(spwm)

图2-3 spwm正弦脉宽调制控制电路

关键点波形图

频率0.5hz时

点动“增速”按键,将频率设定在0.5hz,在spwm部分观测三相正弦波信号(在测试点“2、3、4”),观测三角载波信号(在测试点“5”),三相spwm调制信号(在测试点“6、7、8”)。

图3-1 测试点2、3、4正弦波

图3-2 测试点5三角波

图3-3测试点6脉冲

图3-4测试点7脉冲

图3-5测试点8脉冲

3.2按下转向键

在点动“转向”按键,改变转动方向,观测上3.1所述各信号的相位关系变化。

测试点2、3、4、5的波形与3.1时一样,6、7、8如下图:

图3-6测试点6脉冲

图3-7测试点7脉冲

图3-8测试点8脉冲

3.3频率50hz时

逐步升高频率,直至到达50hz处,重复以上步骤。

图3-9测试点6脉冲

图3-10测试点7脉冲

图3-11测试点8脉冲

实验现象及分析

按照上面原理并将电机接好线路后,闭合开关k,按加速按钮,可以看到电机转动控制器中的频率显示器的显示在变大,同时电机转速增大,反之按减速按钮,可以看到电机转动控制器中的频率显示器的显示在变小,同时电机转速变慢。当按下反转按钮时电机反转。这是应为三相异步电动机的传速快慢是由其中的磁场控制,磁场的快慢是由供电的频率控制,其频率是由g1、g2、g3、g4、g5、g6控制,而g1、g2、g3、g4、g5、g6的频率受由三角波和正弦波结合控制,因此只要控制三角波得频率就可以控制电机转动的快慢。从而实现交直变频调速。在0.5hz~50hz的范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。频率增大,幅值增大,反之依然。

在50hz~60hz的范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。频率增大,幅值不变,反之依然。

总结

通过这次课程设计,我进一步了解了电力电子应用技术在现实中的巨大作用,也对交直变频调速有了更深一步的了解。同时对自己的电路连接,设计,有了更深一步的了解,对制图软件等一系列软件有了更大的认识。

我也深刻认识到自己对知识的掌握是多么的肤浅,如果没有这一次的亲身实践,是发现不了这些问题的。这次课程设计让我有机会学习书本上没有的知识,增长了我的见识,使我对课程设计的实际操作,也有了一个更为直观的认识。同时,这次课程设计的协同合作,也使我体会到了团队合作精神的重要性,做完实验,然在做课程设计实验前,我以为不会难做,就像以前其后两下子就将实验报告做完。直到按照要求做试实验时,我才知道其实并不容易做,但学到的知识与难度成正比,使我受益匪浅。做实验时,老师还会根据自己的亲身体会,将一些课本上没有的知识教给我们,拓宽我们的眼界,使我们认识到这门课程在生活中的应用是那么的广泛。在这次实验中同学之间的关系得到了不同的的改善,关系也渐渐的加深。使我们意识到奋斗的重要是成功的保证。

主要参考文献

莫正康.电力电子应用技术.机械工业出版社.2000.5

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