同步电机控制系统功率变换器设计.doc
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1、 内 容 提 要同步电动机因其转速不变,功率因数可调等优点,被广泛的用于大容量、恒定转速的负载。在实际运行中,由于电网波动、负载冲击等的影响,电动机会出现故障。轻则使生命受损,重则造成设备损坏和其他严重事故,引起极大的经济损失。因此,研究同步电机的控制系统对保证同步电动机安全、可靠、稳定运行有十分重要的工程实际意义。本文的主要工作是同步电机控制系统的功率变换器设计。功率变换器电路主电路采用的是桥式电路,功率开关管选用的是MOSFET管,驱动芯片为IR2133。本文还设计了整流电路,光电耦合电路等。该系统结构简单,稳定性高。关键词同步电机;功率变换器;IR2133;空间矢量电压方法The des
2、ign of synchronous motors control system for power converter 100697231 Yan Tongbin Tutor:Cui Jianfeng ProfessorAbstractThe synchronous electromotor is used extensively for dragging the load of big capacity and Invariableness turn because of its advantages of constant turning and adjustable power fac
3、tor. In its performance, the electromotor will breakdown because of influence of power net fluctuations and overload. It at least damages life, and worst of all, equipments may be damaged. And then the equipments break down, which can cause great economic losses. Therefore, the research of synchrono
4、us electro motors control system is very important for protecting the safety and steady of synchronous electromotor.In this paper, the main work is to design the power inverter of synchronous electric motor. Bridge circuit is adopted in the main circuit of the power inverter while MOSFET tube is cho
5、sen in power switching tubes, IR2133 in drive chip. Rectification circuit,coupling circuit and so on are designed in this paper as well. The system has simple structure and high reliability.Key WordsThe synchronous electromotor; Power converter; IR2133; SVPWM目 录1.前言31.1课题的研究背景及意义31.2交流永磁伺服控制系统的国内外发展
6、现状及发展趋势21.3本文主要研究内容42同步电机42.1同步电机的结构模型及其分类42.2工作原理52.3运行方式62.4永磁式同步电机特点及其分类63.整体方案设计83.1功率变换器结构框图83.2系统设计思路93.3本设计的主要任务94.同步电机功率变换器硬件电路设计104.1整流电路104.2逆变电路124.3 MOSFET逆变电路驱动电路144.4光电耦合隔离电路195.控制器和程序设计215.1控制器设计215.2程序设计21总结26致 谢28参考文献29附录 系统整体电路图3028同步电机控制系统功率变换器设计100697231 闫同斌 指导教师:崔建峰 副教授1.前言1.1课题
7、的研究背景及意义随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术和控制理论的发展,交流伺服运动控制系统日益成熟,已逐渐成为工业伺服系统的主流。在交流伺服控制系统中,交流永磁同步电机以其高转矩惯性比、高功率密度、高效率等优势已广泛应用于数控机床、工业机器人、超大规模集成电路制造、柔性制造系统、载人宇宙飞船、电动工具以及家用电器等高科技领域。对交流永磁同步电机及其伺服系统的研究和开发必然是伺服领域内的一个新的研究发展方向1。1.2交流永磁伺服控制系统的国内外发展现状及发展趋势 电机控制系统按照驱动电机的类型主要分为直流传动系统和交流传动系统。在20世纪的大部分年代里,直流传动由于其优越的调速性能,广泛应用
8、于高性能可调速传动,而交流电动机则主要应用于不变速传动领域,这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统虽然早已有多种方案问世,并已获得一些实际应用的领域,但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌,直到本世纪70年代初叶,席卷世界先进工业国家的石油危机迫使他们投入大量人力和财力去研究高效节能的交流调速系统。1971年,德国学者Blaschke提出了交流电机矢量控制,开创了交流伺服系统的新纪元。1978年,西德Indramt公司正式推出MAC永磁交流伺服系统,标志着交流伺服系统进入实用化阶段2。进入80年代以后,由于功率电子器件和微电子技术迅速发展,基于矢量控制理论、电力电子器件和微
9、处理器发展起来的交流伺服系统,以其体积小,转动惯量低,耐高速、频繁制动,过负荷能力强,瞬时转矩大,不受环境影响,可靠性高,无需维护等特点而广泛的用于CNC和工业机器人等场合。到了90年代,交流伺服系统已经在许多场合取代了直流伺服系统,它的性能甚至超过了直流伺服系统,从而取代了直流伺服系统成为电力传动伺服系统的主体。如今在经济发达的国家,交流伺服系统的推广和应用速度相当快,已遍布冶金、电力、铁路、运输、化工、民用等各个领域,在日、美、德等国家,已经开发出商品化的系列交流伺服系统产品3。为进一步提高交流电机控制系统的性能,有关研究工作正围绕以下几个方面展开:(1) 采用新型电力电子器件和脉宽调制(
10、PWM)控制技术电力电子器件的不断进步,为交流电机控制系统的完善提供了物质保证,尤其是新的可关断器件,如双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的实用化,使得高频PWM技术成为可能。目前电力电子器件正向高压、大功率、高频、智能化方向发展。典型的电力电子变频装置有电流型、电压型和交一交型三种。目前,国外正在加紧研制新型变频器,如矩阵式变频器,串、并联谐振式变频器等也开始进入实用阶段,预示着新一代电机控制系统即将产生。(2) 应用矢量控制技术交流电机是一个多变量、非线性的被控对象,过去的电压频率恒定控制都是从电机稳态方程出发研究其控制特
11、性,动态控制效果均不理想。20世纪70年代初提出的用矢量变换的方法研究电机的动态过程,实现了交流电机磁通和转矩的重构和解耦控制,从而促进了交流电机控制系统走向实用化。(3) 开发新型电机和无机械传感器技术各种交流控制系统的发展对电机本身提出了更高的要求。此外,为了更详细地分析电机内部过程,如绕组短路或转子断条等问题,多回路理论应运而生。为了对电机实现计算机实时控制,一些简化模型也脱颖而出。一般来说,为了满足高性能交流传动的需要,需采用机械传感器来使系统形成转速闭环控制,但机械传感器的安装给系统带来了成本增加、可靠性降低、易受工作环境影响等缺陷。近10年来,无机械传感器交流调速系统成为一个研究热
12、点4。1.3本文主要研究内容本文主要研究的是这个控制系统的功率变换器部分。主要包括整流电路,逆变电路,逆变器驱动电路,光耦隔离电路等等。2同步电机2.1同步电机的结构模型及其分类 同步发电机和其它类型的旋转电机一样,由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。最常用的是转场式同步发电机,其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽,槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢,定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。 转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极,磁极上绕有励磁绕组,通以直流电流时,将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场,称为励磁磁
13、场(也称主磁场、转子磁场)。 气隙处于电枢内圆和转子磁极之间,气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机,其磁极安装于定子上,而交流绕组分布于转子表面的槽内,这种同步电机的转子充当了电枢。另外,按磁极类型还可分为凸极式同步电机和隐极式同步电机。2.2工作原理 (1)主磁场的建立:励磁绕组通以直流励磁电流,建立极性相间的励磁磁场,即建立起主磁场。 (2)载流导体:三相对称的电枢绕组充当功率绕组,成为感应电势或者感应电流的载体。 (3)切割运动:原动机拖动转子旋转(给电机输入机械能),极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕
14、组(相当于绕组的导体反向切割励磁磁场)。 (4)交变电势的产生:由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动,电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线,即可提供交流电源。 (5)感应电势频率: 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p ,即 f=np/60 (1)(6)交变性与对称性:由于旋转磁场极性相间,使得感应电势的极性交变;由于电枢绕组的对称性,保证了感应电势的三相对称性。(7)同步转速:从供电品质考虑,由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值,这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ,故有: n=60f/p
15、=3000/p (2)要使得发电机供给电网50Hz的工频电能,发电机的转速必须为某些固定值,这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min,4极电机的同步转速为1500r/min,依次类推。只有运行于同步转速,同步电机才能正常运行,这也是同步电机名称的由来。2.3运行方式同步电机的主要运行方式有三种,即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式,作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节,在不要求调速的场合,应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来,小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电
16、机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载,靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率,以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。2.4永磁式同步电机特点及其分类永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同,使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此,当转子旋转时,在定子上产生的反电动势波形也有两种:一种为正弦波;另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同,为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统,习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)调速系统;而由梯形波(方波)永磁同步电动机
17、组成的调速系统,在原理和控制方法上与直流电动机系统类似,故称这种系统为无刷直流电动机(BLDCM)调速系统。本文里用的是正弦波永磁同步电机。永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高,和直流电机相比,它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比,它由于不需要无功励磁电流,因而效率高,功率因数高,力矩惯量比大,定子电流和定子电阻损耗减小,且转子参数可测、控制性能好;但它与异步电机相比,也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比,它省去了励磁装置,简化了结构,提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制,因此永磁同步电机矢量控制
18、系统引起了国内外学者的广泛关注。 近年来,随着永磁材料性能的不断提高和完善,特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展,加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟,经大力推广和应用已有研究成果,使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方面发展。目前,稀土永磁电机的单台容量已超过1000KW,最高转速已超过300000r/min,最低转速低于0.01r/min,最小电机的外径只有0.8mm,长1.2mm。我国是盛产永磁材料的国家,特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富,稀土矿的储藏量
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- 同步电机 控制系统 功率 变换器 设计