电力电子变频调速专业系统设计.doc

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、核心点波形图…………………………………………………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、参照文献………………………………………………………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发展，以及当代控制理论应用，使得交流电力拖动系统逐渐具备了宽调速范畴、高稳速范畴、高稳速精度、快动态响应以及在四象限作可逆运营等良好技术性能，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，变频调速具备绝对优势，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大电流对电机、电网、电气元件及所拖动机械设备冲击和损坏。变频器在停止过程中，输出频率由运营频率平滑地逐渐下降到0Hz，电压从运营电压按比例逐渐到0V，实现了电动机软停止。变频启动可防止运送机械类载重物体受冲击和翻滚，提高传动设备使用寿命。无级调速，自动化限度高，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。并且变频调速调速性能与可靠性不断完善，价格不断减少，特别是变频调速节电效果明显，并且易于实现过程自动化，深受工业行业青睐。
交流异步电动机调速方式有各种，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效益高、性能好、应用广新技术。它采用微机控制、电力电子技术及电机传动技术获得工业交流异步电机无级调速功能。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、核心点波形图

三角发生器处波形

示波器测得2、3、4处波形

可以看出，2,3，4处波形是幅值电压183V，周期20ms，相差120度正弦波形。

示波器测得6,7,8处波形：

可以看出，6,7,8处得波形是幅值为120V，周期40Hz，等幅不等宽脉冲波形。

四、变频调速系统原理
变频调速控制系统重要由电控设备、变频器、交流电动机、传动机械及传感器等某些构成。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控制是通过设定值变化，来实现对被控制对象输出值直接控制。闭环控制系统是通过被控制对象反馈系统与设定值动态比较，自动调节被控电机转速，从而实现对被控制对象输出控制。
1.主电路原理
由于盼望逆变器输出是一种正弦电压波形，可以把一种正弦半波分作N等分。然后把每一等分正弦曲线与横轴所包围面积都用个与此面积相等等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲中点与正弦波每一等分中点重叠。这样，由N个等幅不等宽矩形脉冲所构成波形为正弦半周等效。同样，正弦波负半周也可用相似办法来等效。这一系列脉冲波形就是所盼望逆变器输出SPWM波形。由于各脉冲幅值相等，因此逆变器可由恒定直流电源供电，也就是说，这种交始终一交变频器中整流器采用不可控二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲幅值就是整流器输出电压。当逆变器各开关器件都是在抱负状态下工作时，驱动相应开关器件信号也应为与形状相似一系列脉冲波形，这是很容易推断出来。从理论上讲，这一系列脉冲波形宽度可以严格地用计算办法求得，作为控制逆变器中各开关器件通断根据。在SPWM中惯用等腰三角波作为载波，由于等腰三角波是上下宽度线性对称变化波形，当它与任何一种光滑曲线相交时，在交点时刻控制开关器件通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值矩形脉冲，这正是SPWM所需要成果。
由主电路原理图可知，交直交变频调速系统普通分为整流电路，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A相相连，UG2.UG5相连于电机B相相连，UG3.UG6相连并与电机C相相连。这六个IGBT管由上面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波形频率从而可以控制电机转动快慢。

整流电路
整流电路功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路普通都是单独一块整流模块。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等构成，它在直流电动机调速、发电机励磁调节、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构成，滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中交流成分，变压器设立与否视详细状况而定。变压器作用是实现交流输入电压与直流输出电压间匹配以及交流电网与整流电路之间电隔离。

整流电路图

滤波电路
滤波电路惯用于滤去整流输出电压中纹波，普通由电抗元件构成，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，电感构成而成各种复式滤波电路。
在交流电源转换直流电源后，电路会有电压波动，为抑制电压波动，采用简朴电容滤波。简朴说，滤波是运用电容对特定频率等效容抗小，近似短路来实现（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信号等效容抗只有1.6欧姆，而对50Hz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电容等效容抗才干与0.1uF对1MHz信号等效容抗相称。运用电容两端电压不能突变只能充放电特性来达到平滑脉冲电压目. 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;如忽视D压降则在电容上电压等于U2,当U2达到最大峰值后开始下降，此时电容C上电压UC也将由于放电而逐渐下降,当U2UC时二极管再导通,再次循环下去。但半波整流滤波输出电压还是带有锯齿装成分当前多用桥式整流滤波电路；
依照上面分析可知,采用电容滤波后,有如下特点:
1、负载电压中脉动成分减少了许多；
2、负载电压平均值有所提高。在RL一定期滤波电容越大，UL越大。
　电感滤波则是当流过电感电流变化时，电感线圈中产生感生电动势将制止电流变化。当通过电感线圈电流增大时，电感线圈产生自感电动势与电流方向相反，制止电流增长，同步将一某些电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈电流减小时，自感电动势与电流方向相似，制止电流减小，同步释放出存储能量，以补偿电流减小。因而经电感滤波后，不但负载电流及电压脉动减小，波形变得平滑，并且整流二极管导通角增大，在电感线圈不变状况下，负载电阻愈小，输出电压交流分量愈小。只有在RL>>ωL时才干获得较好滤波效果。L愈大，滤波效果愈好。此外，由于滤波电感电动势作用，可以使二极管导通角接近π，减小了二极管冲击电流，平滑了流过二极管电流，从而延长整流二极管寿命。本实验采用简朴电容滤波技术。
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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交流电压，逆变电路是与整流电路相相应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电电路。逆变电路是通用变频器核心部件之一，起着非常重要作用。它基本作用是在控制电路控制下将中间直流电路输出直流电源转换为频率和电压都任意可调交流电源，将直流电能变换为交流电能变换电路。可用于构成各种交流电源，在工业中得到广泛应用。生产中最常用交流电源是由发电厂供电公共电网（中华人民共和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供电方式。但随着生产发展，相称多用电设备对电源质量和参数有特殊规定，以至难于由公共电网直接供电。为了满足这些规定，历史上曾经有过电动机－发电机组和离子器件逆变电路，但由于它们技术经济指标均不如用电力电子器件（如晶闸管等）构成逆变电路，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。正弦波波形产生办法有诸各种，但较典型重要有: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。第一种办法生成PWM脉宽偏小;第二种办法在一种载波周期里要采样两次正弦波，显然输出电压高于前者，但对于微解决器来说，增长了数据解决量当载波频率较高时，对微机规定较高;第三种办法应用最为广泛，它兼顾了前两种办法长处。 SPWM虽然可以得到三相正弦电压，但直流侧电压运用率较低，但是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办法产生，当变化正弦参照信号幅值时，脉宽随之变化，从而变化了主回路输出电压大小。当变化正弦参照信号频率时，输出电压频率即随之变化。SPWM调制方式特点是半个周期内脉冲中心线等距、脉冲等幅，调节脉冲宽度，使各脉冲面积之和与正弦波下面积成正比，因而，其调制波形接近于正弦波，三相逆变器是由一种三相正弦波发生器产生三相参照信号，与一种公用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，它使每一种输出 矩形波面积与相应正弦波电压面积呈正比，获得等幅不等宽正负脉冲列，这样逆变器输出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电压大小来控制逆变器开关通断，从而得到一系列等幅不等宽正比于正弦基波电压矩形波，这就是正弦脉宽调制办法（SPWM）。
当操作指令发出后，电压矢量发生器和V/f函数电路同步工作发出波形，两者通过幅值控制电路后，变成幅值可以调制正弦波形，正弦波形在与三角波发生器发出三角波相交后，通过调制电路，输出电压波形为等幅不等宽脉冲列，其特点是中间脉冲宽，两边脉冲窄，这样脉冲列信号比较弱，通过功放电放大后，就能控制逆变器输出电压大小和频率，即可以控制电动机转速
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，可以看到电机转动控制器中频率显示屏显示在变大，同步电机转速增大，反之按减速按钮，可以看到电机转动控制器中频率显示屏显示在变小，同步电机转速变慢。当按下反转按钮时电机反转。这是应为三相异步电动机传速快慢是由其中磁场控制，磁场快慢是由供电频率控制，其频率是由G1，G2，G3，G4，G5，G6控制，而G1，G2，G3，G4，G5，G6频率受由三角波和正弦波结合控制，因而只要控制三角波得频率就可以控制电机转动快慢。从而实现交直变频调速。
六、故障分析
观测波形时发现三角波形和正弦波形并不能同步显示，即当显示正弦波形时候，三角波形几乎成了一条直线；当显示三角波形时候，正弦波形却在示波器中找不到，通过度析正弦波形和三角波形时候，注意到正弦波形和三角波形频率不相似，相差很大，因此不能在同一种频率显示两个波形。
七、心得体会
通过这次课程设计，我进一步理解了电力电子应用技术在现实中巨大作用，也对交直变频调速有了更深一步理解。同步对自己电路连接，设计，有了更深一步理解，对制图软件等一系列软件有了更大结识
我也深刻结识到自己对知识掌握是多么肤浅，如果没有这一次亲身实践，是发现不了这些问题。这次课程设计让我有机会学习课本上没有知识，增长了我见识，使我对课程设计实际操作，也有了一种更为直观结识。这次课程设计使我获得了十分宝贵经验，对于将来我来说一定是非常巨大财富。同步，这次课程设计协同合伙，也使我体会到了团队合伙精神重要性，,做完实验,然在做课程设计实验前,我觉得不会难做,就像此前其后两下子就将实验报告做完.直到按照规定做试实验时,我才懂得其实并不容易做,但学到知识与难度成正比,使我受益匪浅. 在做实验前,一定要将课本上知识吃透,由于这是做实验基本,否则,在教师解说时就会听不懂,这将使你在做实验时难度加大,挥霍做实验宝贵时间.例如你不懂得课程设计电路工作原理,在做实验时才去摸索,这将使你极大地挥霍时间,使你事倍功半.做实验时,一定要亲力亲为,务必要将每个环节,每个细节弄清晰,弄明白,实验后,还要复习,思考,这样,你印象才深刻,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,教师还会依照自己亲身体会,将某些课本上没有知识教给咱们,拓宽咱们眼界,使咱们结识到这门课程在生活中应用是那么广泛. 通过这次实验,使我学到了不少实用知识,更重要是,做实验过程,思考问题办法,这与做其她实验是通用,真正使咱们受益匪浅. 实验中有不同成果但是还是不错。在这次实验中同窗之间关系得到了不同改进，关系也徐徐加深。使咱们意识到奋斗重要是成功保证.

八 、参照文献
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