交流异步电动机变频调速设计报告.doc

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1、目录绪论1第1章 系统总方案确定1第2章 主电路的设计与分析2第3章 控制电路的设计与分析5总结与体会11附录13参 考 文 献14应用技术学院课程设计评分表15绪论第1章 系统总方案确定 1.1变频器的选定根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种：（1）电流型变频器电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。（2）电压型变频器电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故

2、称电压型变频器。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。本次设计中选用交-直-交变频器，采用电压型变频器。第2章 主电路的设计与分析2.1主电路工作原理变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将

3、直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。在本设计中采用图2.1的主电路，这也是变频器常用的格式。图2.1 电压型交直交变频调速主电路2.2整流电路整流电路是把交流电变换为直流电的电路。目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，三相桥式全控整流电路每个时刻均需2个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组，一个是共阳极组，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。由于整流电路原理比较简单，设计中不再做详细的介绍，其原理如图2.2所示。图2.2 三相桥式全控整流电路2.4 IGBT简介及驱动要求IGBT是压控器件，栅极输入阻抗高，所需要驱动功率小，驱动较为容易。但必须注意，IGBT的特性

4、与栅极驱动条件密切相关，随驱动条件的变化而变化。(1)随着栅极正向电压的增加，通态压降减小，开通损耗也减小.若固定不变时，通态压降随集电极电流增大而增大，开通损耗随结温升高而增大。(2)随着栅极反向电压的增加，集电极浪涌电流减小，而关断损耗变化不大，IGBT的运行可靠性提高。(3)随着栅极串联电阻增加，将使IGBT的开通和关断时间增加，从而使IGBT开关损耗增加；而减小，则又将使增大，从而使IGBT在开关过程中产生较大的电压或电流尖峰，降低IGBT运行的安全性和可靠性。第3章 控制电路的设计与分析31 驱动电路设计 驱动电路的作用是逆变器中的逆变电路换流器件提供驱动信号。主电路逆变电路设计中采

5、用的电力电子器件是IGBT，故称为门极驱动电路。以下将介绍SPWM技术工作原理和设计中所选用能产生SPWM波芯片SA868的基本结构和工作原理。3.1.1 SPWM调制技术简介 脉宽调制(PWM)技术是利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并消除谐波的技术。 脉宽调制技术在逆变器中的应用，对现代电力电子技术、现代调速系统的发展起到了极大的促进作用。近几年来。由于场控自关断器件的不断涌现。相应高频SPWM(正弦脉宽调制)技术在电机调速中得到了广泛应用，不仅能及时、准确地实现变压变频控制技术，而且更重要地是抑制逆变器输出电压或输出电流中的谐波分量

6、，从而提高了电机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。实际工程中目前主要采用的PWM技术是正弦PWM(SPWM)，这是因为变频器输出的电压或电流波形更接近于正弦波形。 根据电机学原理，交流异步电动机变频调速时，如果按照频率与定子端电压之比为定值的方式进行控制，则机械特性的硬度变化较小，所以在变频的同时，也要相应改变定子的端电压。若采用等脉宽PWM调制技术实现变频与变压，由于输出矩形波中含有较严重的高次谐波，会危害电动机的正常运行。 为减小输出信号中的谐波分量，一种有效的途径是将等脉宽的矩形波变成信号宽度按正弦规律变化的正弦脉宽调制波，即SPWM调制波。 脉宽调制指的是通过对一系列脉冲的宽度进行

7、调制，来等效地获得所需要的波形(含形状和幅值)。在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按照正弦规律变化。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔最小；当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，那么这样的电压脉冲系列就可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，这种调制方式称为正弦波脉宽调制。 产生SPWM信号的方法是用一组等腰三角波(称为载波)与一个正弦波(称为调制波)进行比较，如图4.1所示，两波形的交点作为逆变开关管的开通与关断时间。当调制波的幅值大于载波的幅值时，开关器件导通，当调制波的幅值小于载波的幅值时，开关器件关断。 虽然正弦脉宽调制波与等脉宽PWM信号相比，谐波

8、成份大大减小，但它毕竟不是正弦波。提高载波(三角波)的频率，是减小SPWM调制波中谐波分量的有效方法。而载波频率的提高，受到逆变开关管最高工作频率的限制。第三代绝缘栅双极型晶体管IGBT的工作频率可达30KHz，用IGBT作为逆变开关管，载波频率可以大幅度提高，从而使正弦脉宽调制波更接近正弦波。可由模拟电路分别产生等腰三角波与正弦波，并送入电压比较器，输出即为SPWM调制波。图3.1为SPWM波生成方法： 图3.1 SPWM波生成方法采用模拟电路的优点是完成三角波与正弦波的比较并确定输出脉冲宽度的时间很短，几乎瞬间完成。缺点是电路所用硬件较多，改变参数和调试比较困难。若用单片机直接产生SPWM

9、信号，由于需要通过计算确定正弦脉宽调制波的宽度，使SPWM信号的频率及系统的动态响应都较慢。对于调速精度、调速方式要求较高的交流异步电动机，可以采用各项性能指标都非常完善，但价格也比较昂贵的通用变频器；对一般交流电动机的变频调速，可以直接采用三相SPWM调制信号专用芯片构成调速系统。在本设计中选用SA868。3.1.2 SPWM波生成芯片特点和引脚功能1.SA868的特点无需微处理器：通过10位ADC模拟输入：外接EEPROM编程：大批量的应用可工程掩膜；三种波形选择；线性和风扇规律的V/F特性；外接RC实现平滑加速、减速；恒频调压工作方式适用于静止逆变器；内置大电流输出驱动器；载波频率达24

10、kHz静音工作；工作频率位0-4kHz；最小脉宽和死区脉宽可调；双缘调制；串接接口；自举驱动器预充电，SA868引脚说明如表所示。表3-1 SA868引脚说明引脚意义说明7RESET内部计数器复位端2，3RPHT,RPHBA相高、低端PWM输出4，5YPHT,YPHBB相高、低端PWM输出1，24VDDD,VSSD电源，地（数字）6DIR控制电机转向8Rdecel外接电机减速电阻9，13VSSA,VDDA电源，地（模拟）14，15，16，17SET4,SET3,SET2,SET1速度给定11，12Imonitor,Vmonitor电流、电压检测输入端22，23XTAL1,XTAL2外晶振PWM

11、20，21BPHT,BPHBC相高、低端PWM输出18SET TRIP过电压、过电流控制端19/TRIP指示关闭状态端 2.SA868引脚功能图3.2 SA868引脚极限参数如下：1） 电源电压VDDD：7V。2） 引脚电压：Vss-0.3VVDD+0.3V。3） 引脚输入/输出电流：+10mA。4） 储存温度：-65+1255） 工作温度:-40+853.2 控制电路设计图3.4 SA868应用原理框图SA868需要有外部时钟输入，时钟可以由CPU提供也可以用独立的时钟。外接独立时钟时可用12MHz或24MHz的卧式晶振，同时应尽量靠近SA868芯片。当功率管距离驱动电路大于15cm时，建议

12、用双绞线传送PWM信号。SA868输出PWM波形参数是通过软件设定的，所以要求程序有稳定的运行环境，去耦电容选择适当。启动时的加速电路需要自己进行计算。总结与体会 两周的课程设计结束了，这次的课程设计不仅检验了我以前所学习的知识，还让我学到了很多以前不是很熟悉的知识。通过做课程设计我了解和掌握了关于电力电子等方面的相关内容，受益匪浅。并进一步了解和掌握了交直交变频调速系统，比较全面的将所学的电力电子和电力拖动等方面的知识运用于设计当中，对设计中一些参数的计算也比较清析得到。整个交直交变频调速系统分阶段地完成，从电力电子方面的设计到电力拖动方面的设计，是一步一步的完成和组合。在本次设计中，我和同

13、组人员翻阅了很多资料，并在网上查阅相关知识，然后进行整合和整理才将设计的课题要求加以总结和完成。同时，我觉得，这次设计不仅仅让我了解和掌握了相关交直交变频调速系统的相关知识，还学会了如何对资料进行整合和分类。在整流部分、逆变部分、控制部分及保护部分这几个设计的各个环节当中，我们同组人员都是分工合作，然后总结在一起。这个过程让我体会到了合作的重要性。正所谓“实践是检验真理的唯一标准”，这次的课程设计对我来说无疑是一次实践课程的真实体验。所能够学到的东西是平时课本中所没有的。我想，只有把理论知识和实践知识相结合才能有更大的收获。这次的设计任务让我从中获益很多，虽然有些知识掌握的还不是特别清晰，但是

14、这两周里，通过大量资料的查阅还是很有收获的，我知道在这次的设计中还存在着很多的不足之处，希望老师给予见谅。附录参 考 文 献1石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966 刘定建朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，19967. 刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，1995.8.刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，1999应用技术学院课程设计评分表项目评价设计方案的合理性与创造性硬件制作或软件编程完成情况*硬件制作测试或软件调试结果*设计说明书质量设计图纸质量答辩汇报的条理性和独立见解答辩中对所提问题的回答情况完成任务的情况独立工作能力组织纪律性（出勤率）综合评分 指导教师签名：_ 日 期：_15