电力电子变频调速系统设计样本.doc

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河南机电高等专科学校

课程设计报告书

课程名称: 电力电子应用技术
课题名称: 交直交变频调速系统
系 别: 自动控制系
班 级: 计控111班
姓 名: 李闪雷
学 号:

6月26日

目 录

一、 绪论……………………………………………………………1

二、 电气原理图……………………………………………………1
1、 主电路图……………………………………………………1
2、 控制电路图…………………………………………………2
三、 关键点波形图…………………………………………………2

四、 变频调速系统原理……………………………………………4
1、 主电路原理…………………………………………………4
2、 控制电路原理………………………………………………7
五、 实验现象………………………………………………………8

六、 故障分析………………………………………………………8

七、 心得体会………………………………………………………8

八、 参考文献………………………………………………………9
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, 在调速性能方面能够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。而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。当前在国内外已广泛应用, 是自动化电力传动的发展方向。
二、 电气原理图
1、 主电路图

2、 控制电路图

SPWM正弦脉宽调制控制电路

三、 关键点波形图

三角发生器处的波形

示波器测得2、 3、 4处的波形

能够看出, 2,3, 4处的波形是幅值电压183V, 周期20ms, 相差120度正弦波形。

示波器测得6,7,8处的波形:

能够看出, 6,7,8处得波形是幅值为120V, 周期40Hz, 等幅不等宽的脉冲波形。

四、 变频调速系统原理
变频调速控制系统主要由电控设备、 变频器、 交流电动机、 传动机械及传感器等部分组成。变频控制系统可进行开环控制, 也可进行闭环控制。开环系统的控制是经过设定值的改变, 来实现对被控制对象输出值的直接控制。闭环控制系统是经过被控制对象反馈系统与设定值的动态比较, 自动调节被控电机的转速, 从而实现对被控制对象输出的控制。
1.主电路原理
由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形, 能够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, 因此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能够了。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能够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中常见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。经过控制G1, G2, G3, G4, G5, G6的波形频率从而能够控制电机的转动快慢。

整流电路
整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块。大多数整流电路由变压器、 整流主电路和滤波器等组成, 它在直流电动机的调速、 发电机的励磁调节、 电解、 电镀等领域得到广泛应用。主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成, 滤波器接在主电路与负载之间, 用于滤除脉动直流电压中的交流成分, 变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。

整流电路图

滤波电路
滤波电路常见于滤去整流输出电压中的纹波, 一般由电抗元件组成, 如在负载电阻两端并联电容器C, 或与负载串联电感器L, 以及由电容, 电感组成而成的各种复式滤波电路。
在交流电源转换直流电源后, 电路会有电压波动, 为抑制电压的波动, 采用简单的电容滤波。简单的说, 滤波是利用电容对特定频率的等效容抗小, 近似短路来实现的( 与谐振无关) 。容抗Xc=1/(ωC)=1/(2πfC), 滤高频用0.1uF陶瓷电容---它对1MHz信号的等效容抗只有1.6欧姆, 而对50Hz的工频信号等效容抗有近似32千欧, 因此只能滤高频; 而要滤工频, uF电容的等效容抗才能与0.1uF对1MHz信号的等效容抗相当。利用电容两端电压不能突变只能充放电的特性来达到平滑脉冲的电压的目的. 在正半周D导通时分两个电流:一是电流IL向负载供电,二是IC向电容充电;如忽略D的压降则在电容上的电压等于U2,当U2达到最大的峰值后开始下降, 此时电容C上的电压UC也将由于放电而逐渐下降,当U2<UC时,二极管被反偏而截止,于是UC向负载供电且电压继续下降,直到下一个正半周 U2>UC时二极管再导通,再次循环下去。但半波整流滤波的输出的电压还是带有锯齿装的成分现在多用桥式整流滤波电路;
根据上面的分析可知,采用电容滤波后,有如下特点:
1、 负载电压中的脉动的成分降低了许多;
2、 负载电压的平均值有所提高。在RL一定时滤波电容越大, UL越大。
　电感滤波则是当流过电感的电流变化时, 电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当经过电感线圈的电流增大时, 电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反, 阻止电流的增加, 同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中; 当经过电感线圈的电流减小时, 自感电动势与电流方向相同, 阻止电流的减小, 同时释放出存储的能量, 以补偿电流的减小。因此经电感滤波后, 不但负载电流及电压的脉动减小, 波形变得平滑, 而且整流二极管的导通角增大, 在电感线圈不变的情况下, 负载电阻愈小, 输出电压的交流分量愈小。只有在RL>>ωL时才能获得较好的滤波效果。L愈大, 滤波效果愈好。另外, 由于滤波电感电动势的作用, 能够使二极管的导通角接近π, 减小了二极管的冲击电流, 平滑了流过二极管的电流, 从而延长整流二极管的寿命。本实验采用简单的电容滤波技术。
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滤波电路图

逆变电路
逆变电路同整流电路相反, 逆变电路是将直流电压装换为所要频率的交流电压, 逆变电路是与整流电路相对应, 将低电压变为高电压, 把直流电变成交流电的电路。逆变电路是通用变频器核心部件之一, 起着非常重要的作用。它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源, 将直流电能变换为交流电能的变换电路。可用于构成各种交流电源, 在工业中得到广泛应用。生产中最常见的交流电源是由发电厂供电的公共电网( 中国采用线电压方均根值为380V, 频率为50Hz供电制) 。由公共电网向交流负载供电是最普通的供电方式。但随着生产的发展, 相当多的用电设备对电源质量和参数有特殊要求, 以至难于由公共电网直接供电。为了满足这些要求, 历史上曾经有过电动机－发电机组和离子器件逆变电路, 但由于它们的技术经济指标均不如用电力电子器件( 如晶闸管等) 组成的逆变电路, 因而已经或正在被后者所取代。

逆变电路图

2.控制电路原理
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虽然能够得到三相正弦电压, 但直流侧的电压利用率较低, 不过SPWM易于硬件电路实现。
SPWM信号是经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经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, 变成幅值能够调制的正弦波形, 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, 即能够控制电动机的转速
五、 实验现象
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, 能够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, 能够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能够控制电机转动的快慢。从而实现交直变频调速。
六、 故障分析
观察波形的时发现三角波形和正弦波形并不能同时显示, 即当显示正弦波形的时候, 三角波形几乎成了一条直线; 当显示三角波形的时候, 正弦波形却在示波器中找不到, 经过分析正弦波形和三角波形时候, 注意到正弦波形和三角波形的频率不相同, 相差很大, 因此不能在同一个频率显示两个波形。
七、 心得体会
经过这次课程设计, 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。这次课程设计使我获得了十分宝贵的经验, 对于将来的我来说一定是非常巨大的财富。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. 在做实验前,一定要将课本上的知识吃透,因为这是做实验的基础,否则,在老师讲解时就会听不懂,这将使你在做实验时的难度加大,浪费做实验的宝贵时间.比如你不知道课程设计的电路的工作原理,在做实验时才去摸索,这将使你极大地浪费时间,使你事倍功半.做实验时,一定要亲力亲为,务必要将每个步骤,每个细节弄清楚,弄明白,实验后,还要复习,思考,这样,你的印象才深刻,记得才牢固,否则,过后不久你就会忘得一干二净,这还不如不做.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. 经过这次实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其它的实验是通用的,真正使我们受益匪浅. 实验中有不同的结果可是还是不错的。在这次实验中同学之间的关系得到了不同的的改进, 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.

八 、 参考文献
1. 莫正康 电力电子应用技术 机械工业出版社

2. 董作霖 河南科学技术出版社