交流变频调速系统课程设计.doc

一、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，并且它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，是自动化电力传动的发展方向。 二、交流变频调速2.1、交流变频调速的优异特性 1调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 2调速范围较大，精度高。 3起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。 4变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。 5易于实现过程自动化。 6必须有专用的变频电源，目前造价较高。 7在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。 2.2、与其它调速方法的比较 交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中，变频调速最具优势。这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。 在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行检查，电机安装环境受到限制。例如：不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。此外，也限制了电机向高转速、大容量发展。而交流电机就不存在这些问题，主要表现为以下几点： 第一，直流电机的单机容量一般为12 - 14MW，还常制成双电枢形式，而交流电机单机容量却可以数倍于它。第二，直流电机由于受换向限制，其电枢电压最高只能做到一千多伏，而交流电机可做到610kV。第三，直流电机受换向器部分机械强度的约束，其额定转速随电机额定功率而减小，一般仅为每分钟数百转到一千多转，而交流电机的达到每分钟数千转。第四，直流电机的体积、重量、价格要比同等容量的交流电机大。最后，特别要指出的是交流调速系统在节约能源方面有着很大的优势。一方面，交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以上的比重，这类负荷实现节能，可以获得十分可观的节电效益。另一方面，交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。 2.3、合理应用 交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60% - 65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15% - 20%的电量。 采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。它主要基于下面几个因素： 1变频调速系统自身损耗小，工作效率高。 2电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。 3可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。 交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。目前，国外先进国家的变频技术正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向发展，我国也在加快发展步伐。 三、调速的相关技术和优缺点交流电动机特别是鼠笼式异步电动机，结构简单，坚固耐用，制造方便，价格低廉，容量没有限制，而且维修方便，对环境要求不高等优点，在工农业生产中得到了广泛的应用。但同时交流电机本身是一个非线性、强耦合的多变量系统，其可控性较差；而随着现代交流电机的调速控制理论和电力电子变流技术的发展，交流电机调速取得了突破性的进展，电气传动交流化的时代随之到来。交流异步电机调速系统种类繁多，常见的有：降电压调速；电磁转差离合器调速；绕线转子异步电机串级调速；变级对数调速；变压变频调速；而由电机学可知，交流异步电机的转速公式如下： 式中，为异步电机定子电压供电频率，p为异步电机的极对数，s为异步电机的转差率，为异步电机的同步转速。由上式可以看出，要改变异步电机的转速，可以有三种方案，即改变转差率s、改变极对数p或改变定子电压供电频率根据公式，当极对数不变时，电动机转子转速n与定子电源频率成正比。因此通过连续改变定子电压供电频率，就能平滑、无级地调节异步电动机的转速n，这种调速方法称为变频调速。变频调速的优点：调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无极调速；启动电流小，而启动转矩大；启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备；对电机具有保护功能，降低电机的维修费用；具有显著的节电效果；通过调节电压和频率的关系方便地实现恒转矩或者恒功率调速；目前，变频调速已经成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都得到了广泛的应用；而且随着一些新的交流电机调速理论（如：矢量控制和直接转矩控制）和现代电力电子技术（IGBT、IPM、PIC）以及高效的处理器（如：DSP）等相关技术的发展，它将在很大一段时间内主导电气传动领域，并向更高性能、更大容量以及智能化方向发展。四、交流变频调速控制方法4.1 SPWM控制 PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制就是PWM控制的一种。通常采用等腰三角波作为载波，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻控制电路中功率开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，当调制信号波为正弦波时称其为SPWM调制。SPWM法是从电源的角度出发，着眼于如何生成一个可以调压调频的三相正弦波电源。SPWM波形的生成有许多方法，例如等效面积法、自然采样法、规则采样法等等。自然采样SPWM法采用正弦波作为调制波，以等腰三角波作为载波，利用比较法以正弦波和三角波瞬时值相等的时刻即两个波形交点作为跳变时刻，获得经调制的幅值相等、面积按正弦规律变化的矩形脉冲信号。中值规则采样法的基本思想是，将三角载波周期的中点(三角波的负峰值或正峰值)时刻对正弦采样形成阶梯波来代替正弦波。自然采样SPWM法虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方法，但其开关时刻求取困难，不适合微机实时控制，而中值规则采样法偏离自然采样法较小，脉宽的计算方法简单，用计算机实现比较方便，运算量小，实时性好，是人们常用的一种SPWM方法。4.2 矢量控制（FOC）矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。FOC的调速范围较宽（1：20200），调速精度较高，低速特性连续，响应速度较快，但受参数变化影响较大，且计算复杂，控制相对繁琐。4.3直接转矩控 (DTC)直接转矩控制的基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电动机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。 根据计算得出的反馈值（转速、电流）（没有实际值，因为在电机内部安装传感器并不实用，一般反馈量都是计算出来的）与给定值相比较，根据偏差（两种：磁链和转矩）大小，选择合适的电压矢量（开关状态）。电压矢量对定子磁链进行控制（幅值，相位），从而改变转矩。传统直接转矩控制方法偏差分类：磁链：1，需要增大 2，需要减小转矩：1，需要增大 2，不变 3，需要减小可见共有6中要求控制状态。在4个控制电压矢量和2个零电压矢量中选择合适的，即为滞环比较器的输出。仿真系统中这个功能由滞环比较单元与查表单元结合产生。五、实验装置原理及简介5.1、变频调速主电路介绍主电路如图3-1所示，该系统主要由主电路，驱动电路，检测电路，保护电路及控制回路组成。图1 变频调速主电路变频调速系统由交-直-交电压源型变频器，16位单片机80C196MC所构成的数字控制器，控制键盘与运行指示、磁通测量与保护环节等部分组成。主电路的电压保护功能分为过电压保护和欠电压保护两大类，对于通常电压型逆变器，直流回路是能量传递和转换的通道，电网电压波动通过三相整流桥影响直流电压，减速时因反馈能量来不及释放而生成的再生过电压，使直流电压升高，如不采取相应的保护措施，很容易造成逆变桥的损坏。逆变器功率器件采用智能功率模块IPM，型号为PM10CSJ060.IPM是一种由六个高速、低功耗的IGBT，优化的门极驱动和各种保护电路集成为一体的混合电路器件。由于采用了连续监测电流有传感功能的IGBT芯片，从而实现高效的过流和短路保护，同时IPM还集成了欠压锁定和过流保护电路。该期间的使用使变频系统硬件简单紧凑，并提高了系统的可靠性。对于由线路电感引起的脉冲过电压，采用这种常规的“检测-判断-保护”的方式是来不及保护的，通常采用吸收的方法来解决。一般采用RCD缓冲电路。5.2、变频器MICROMASTER 440 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本系列有多种型号，额定功率范围从120W 到200kW（恒定转矩（CT）控制方式），或者可达250kW（可变转矩（VT）控制方式），供用户选用。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。MICROMASTER 440 具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。由于MICROMASTER 440 具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。MICROMASTER 440 既可用于单机驱动系统，也可集成到自动化系统中。该变频器的主要特性有：(1)易于安装，参数设置和调试(2)易于调试(3)牢固的EMC 设计(4)可由IT（中性点不接地）电源供电(5)对控制信号的响应是快速和可重复的(6)参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置(7)电缆连接简便(8)具有多个继电器输出(9)具有多个模拟量输出（0 - 20mA）(10)6个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP 接线(11)2个模拟输入：1) AIN1：0 - 10 V，0 - 20mA 和-10 至 +10 V2)AIN2：0 - 10 V，0 - 20mA(12)2个模拟输入可以作为第7 和第8个数字输入(13)BiCo（二进制互联连接）技术(14)模块化设计，配置非常灵活(15)脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低(16)详细的变频器状态信息和全面的信息功能(17)有多种可选件供用户选用：用于与PC 通讯的通讯模块，基本操作面板（BOP），高级操作面板（AOP），用于进行现场总线通讯的PROFIBUS 通讯模块性能特征：(1)矢量控制(2)无传感器矢量控制（SLVC）(3)带编码器的矢量控制（VC）(4)V/f 控制(5)磁通电流控制（FCC），改善了动态响应和电动机的控制特性(6)多点V/f 特性(7)快速电流限制（FCL）功能，避免运行中不应有的跳闸(8)内置的直流注入制动(9)复合制动功能改善了制动特性(10)内置的制动单元（仅限外形尺寸为A 至F 的MM440变频器）(11)加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能(12)起始和结束段带平滑圆弧(13)起始和结束段不带平滑圆弧(14)具有比例，积分和微分（PID）控制功能的闭环控制(15)各组参数的设定值可以相互切换(16)电动机数据组（DDS）(17)命令数据组和设定值信号源（CDS）(18)自由功能块(19)动力制动的缓冲功能(20)定位控制的斜坡下降曲线保护特性：(1)过电压/欠电压保护(2)变频器过热保护(3)接地故障保护(4)短路保护(5)电动机过热保护(6)PTC/KTY 电动机保护MICROMASTER 440 变频器有多种运行控制方式，即运行中电动机的速度与变频器的输出电压之间可以有多种不同的控制关系。各种控制方式的简要情况如下所述：(1)线性V/f 控制，可用于可变转矩和恒定转矩的负载，例如，带式运输机和正排量泵类。(2)带磁通电流控制（FCC）的线性V/f 控制，这一控制方式可用于提高电动机的效率和改善其动态响应特性。(3)抛物线V/f 控制,这一方式可用于可变转矩负载，例如，风机和水泵。(4)多点V/f 控制,有关这种运行方式更详细的资料，请参看MM440“参考手册”。(5)纺织机械的V/f 控制,没有滑差补偿或谐振阻尼。电流最大值Imax 控制器从属于电压而不是频率。(6)用于纺织机械的带FCC 功能的V/f 控制。(7)带独立电压设定值的V/f 控制,电压设定值可以由参数P1330 给定，而与斜坡函数发生器（RFG）的输出频率无关。(8)无传感器矢量控制，这一控制方式的特点是，用固有的滑差补偿对电动机的速度进行控制。用这一控制方式时，可以得到大的转矩、改善瞬态响应特性、具有优良的速度稳定性，而且在低频时可以提高电动机的转矩。可以从矢量控制变为转矩控制。(9)带编码器反馈的速度控制，带速度编码器反馈的磁场定向控制可以实现：提高速度控制的精度，改善速度控制的动态响应特性。改善低速时的控制特性。(10)无传感器的矢量转矩控制，这一控制方式的特点是变频器可以控制电动机的转矩。当负载要求恒定转矩时，可以给出一个转矩给定值，而变频器将改变向电动机输出的电流，使转矩维持在设定的数值。(11)带编码器反馈的转矩控制，带编码器反馈的转矩控制可以提高转矩控制的精度，改善转矩控制的动态响应特性。此外该变频器还有扩展功能、故障和报警系统。其他的一些技术参数、高级面板操作等由于篇幅有限，不能一一介绍，可参看SIEMENS的MICROMASTER 440通用型变频器的使用大全，将有详细介绍。该系统用到的变频器接线图如图（2）所示：M变 频 器380V图2（b）变频器外部接线图图2（a） 变频器内部接线图U1/L1V1/L2W1/L3W2/T3V2/T2U2/T1异步电动机电源PE 图2（c）变频器的总体接线图5.3、变频调速测试与实验波形5.4、工业变频器的参数设置用OP操作时的缺省设置值参数 说明 缺省值P0100 运行方式 50 Hz, kWP0307 功率 (电动机额定值) 量纲 (kW (Hp) 取决于P0100 的设定值 数值决定于变量 P0310 电动机的额定频率 50 Hz (或60 Hz) 取决于P0100 的设定值P0311 电动机的额定速度 1395 (1680) rpm 决定于P0100 的设定值决定于变量P1082 最大电动机频率 50 Hz (或60 Hz) 取决于 P0100 的设定值快速调试 P0010=1为了进行快速调试 必须有以下参数 P0010=1参数号 参数名称 访问级 CstatP0100 欧洲/北美 1 CP0300 选择电动机的类型 2 CP0304 电动机的额定电压 1 CP0305 电动机的额定电流 1 CP0307 电动机的额定功率 1 CP0308 电动机的额定功率因数 2 CP0309 电动机的额定效率 2 CP0310 电动机的额定频率 1 CP0311 电动机的额定速度 1 CP0335 电动机的冷却 2 CTP0640 电动机的过载倍数 % 2 CUTP0700 选择命令源 1 CTP1000 选择频率设定值 1 CTP1080 最小速度 1 CUTP1082 最大速度 1 CTP1120 斜坡上升时间 1 CUTP1121 斜坡下降时间 1 CUTP1135 OFF3 停车时的斜坡下降时间 2 CUTP1300 控制方式 2 CTP3900 快速调试结束 1 C5.5、波形实验装置原理图六、实习心得为期一个星期的工程培训实习生活就这样结束了，虽然只有短短的几天，但对我而言有着十分重要的意义。从八十年代，微处理器和微计算机发展极为迅速，它已渗透到各行各业的各个领域，深入到科学计算、信息处理、过程控制、仪器仪表、事务管理、计算机辅助设计、制造、民用产品和家用电器等各个方面，并已转化成巨大的推动社会前进的生产力。掌握微处理器和微计算机技术是现代科技人员和高等院校各专业从八十年代，微处理器和微计算机发展极为迅速，它已渗透到各行各业的各个领域，深入到科学计算、信息处理、过程控制、仪器仪表、事务管理、计算机辅助设计、制造、民用产品和家用电器学生不可缺少的专业素质，为以后的开发研究打下良好的基础。这次的课程设计使我进一步了解了书本知识，加深了对微处理器的基本工作原理，体系结构，指令系统，汇编语言程序设计，存储器、输入/输出技术，中断系统和调用，接口和微机系统设计的基本原理及应用的理解。在设计的过程中，遇到软硬件如何合理分配，密切结合等不少综合性问题，通过老师的指导以及自己查阅相关的资料，问题最终得以解决。两周的课程设计，让我系统的学习了单片机控制系统的设计，初步掌握其设计方法。课程设计使我得到了丰厚的收获，特别是对软硬件设计积累了一些经验。这期间的实训不仅要求我们要有扎实的基础，能将所学的知识运用好，要求的我们还有学习研究时应有的态度。不仅要有耐心，还要细心。我在这方面吃了不少亏，由于粗心大意造成了很多不必要的麻烦。遇到麻烦时，第一考虑的不是自己的粗心大意，而是看器件有没有问题，最后检查，问题在我，而不是别的原因，很懊悔，因为自己的粗心影响了进度。我们将来要从事的是工程技术方面的工作，粗心大意是最大的弊病。不仅如此在日常生活中也不能是“马大哈”，这是我一定要改正的实训是累人的同时也是幸福的，让我感到充实，让我觉得不枉所学的知识，也认识到了自己在理论知识上的不足，以后会更认真的学习知识，让自己更充实。电气与信息工程系课程设计评分表项 目评 价硬件测试或软件调试情况 完成任务情况独立工作能力组织纪律性（出勤率）报告质量综合评分 指导教师签名：_ 日 期：_