异步电动机变压变频调速系统设计.docx
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异步电动机变压变频调速系统设计
横啟理工丈禽华夏禽院
信息工程课程设计报告书
课程名称
课程设计总评成绩
学生姓名.学号
学生专业班级
指导教师姓名课程设计起止日期
课程设计基本要求
课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。
课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。
为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。
1.课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。
2.课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。
课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。
3.项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。
项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。
4.项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。
项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。
5.学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。
文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。
6.答辩是课程设计中十分重要的环节，由课程设计指导教师向答辩学生提出2〜3个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对问题的理解、分析和判断能力。
答辩考核成绩占25%左右。
7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。
课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩（百分制），最后将百分制评分成绩转换为五级分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）总评成绩。
8.课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。
一、课程设计项目名称
异步电动机变压变频调速系统设计
二、项目设计目的及技术要求
设计目的
设计SPWM控制正弦脉宽调制变频控制器，掌握系统结构和工作原理，理解SPWM控制方法。
技术要求及初始条件：
1.三相异步电机参数：
Pn=30KW,f=50Hz,Uab=380V,定子电流Is=60A,电流过载倍数Y=2,nx=1470r/min。
2.进线交流电源：
三相380V,频率50Hz。
3.性能指标：
调速范围5：
1,转速稳态精度在10%以内，额定转速和额定负载时装置效率高于0.9,功率因数高于0.85,电网电压波动10%时，输出电压波动不大于5%。
设计任务：
1.交-直-交三相SPWM逆变器主电路设计。
2.集成SPWM调制波发生器电路设计。
3.集成驱动电路设计。
4.低频补偿电路设计。
5.检测及保护电路设计。
6.提供总电路图。
设计要求：
1.对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。
2.画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。
3.对项目设计结果进行分析。
3.画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。
4.课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。
三、项目设计方案论证（可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和PCB图）
1方案论证
1.1变极调速
变极调速一般是通过改变定子绕组的接线方式来改变电动机的定子绕组极对数，从而达到调速的目的。
它既不是恒转矩调速方式，也不是恒功率调速方式。
优点：
1具有较硬的机械特性，稳定性良好。
2无转差损耗，效率高。
3接线简单、控制方便，易维修、价格低。
缺点：
有级调速，级差较人，不能获得平滑调速，且由于受到电动机结构和制造工艺的限制，通常只能实现2-3种极对数的有级调速，调速范I判相当有限。
1.2变转差率调速
变转差率调速实现方法众多，例如调压调速、转子串电阻调速、串极调速和滑差离合器调速等方法。
交流电动机的输出功率p：
的表达式为：
Pz=Meo=MC0k（i-S）=Pm-sPm（1-1）
其中“一电磁转矩。
3—电机旋转磁场的速度。
血一旋转磁场的同步速度
S—转差率
式（1一1）中"^称为交流电动机的转差功率，这一部分功率主要消耗在转子阻抗上。
因此，当S增大时，电动机的损耗也将会增人。
由此可以看出，调节电机转差率、调速是一种耗能的调速方法，是低效率的调速方式。
1.3变频调速
是通过改变电动机定子电源的频率，来实现调速的方法即调节血来调速。
在转矩恒定时、基本不变，交流电动机的输岀Pz=Mco=M^-s）与输入电磁功率Pm=:
成比例变化，
损耗基本没有增加，是一种高效的调速方法。
优点：
效率高，调速过程中无附加损耗。
应用范鬧广，可用于笼型交流电动机。
调速范I制大,特性硬，精度高。
对于低负载运行时间较多或起停运行较频繁的场合,
缺点：
技术复杂，造价高，维护检修困难。
从上述比较可以看出，与变极调速和变转差率调速相比，变频调速可在宽广的范I韦I内实现无级调速，并可获得很好的起动和运行特性，是一种效率比较高的调速方法。
最冇调速为变频调速
2变频调速系统的u/f控制方式
电机定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结呆，本质上是定子绕组的自感电动势。
其三相交流异步电机每相电动势的有效值是：
Ei=4.44^ixfixNix①m（2-1）
式中：
E—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值；
K/一与绕组结构有关的常数；
fi—定子频率；
N/—定子每相绕组串联匝数；
①m—每极气隙磁通量；
由上式可见，如果定子每相电动势的有效值E不变，改变定子频率时会出现下面两种情况:
如果力人于电机的额定频率厂力N,那么气隙磁通量中、就会小于额定气隙磁通量中、。
其结果是:
尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费，但是在机械条件允许的情况下长期使用不会损坏电机。
（1）基频以卞调速
由式（2-1）可知，要保持中①m不变，当频率关从额定值力向卞调节时，必同时降低石使
=常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。
当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压,则得U,!
fl=常数。
这是恒压频比的控制方式。
在恒压频比的条件卞改变频率f时，我们能证明:
机械特性基本上是平行卞移的，如图2-1所示，当转矩T增大到最大值后，特性曲线就折回来了。
如呆电动机在不同转速n下都具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩T基本上随磁通变化，由于在基频以卞调速时磁通恒定，所以转矩T也恒定。
根据电机与拖动原理，在基频以卞调速属于“恒转矩调速”的性质。
低频时，U和吕都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。
（2）基频以上调速
在基频以上调速时，频率可以从/册往上增高，但电压tA却不能超过额定电压U\n,最多只能保持由式（2-1）可知，这将迫使磁通随频率升高而降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。
在基频关/刖以上变频调速时，由于电压不变，我们不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩T减小，机械特性上移，如图2-2所示。
由于频率提高而电压不变,
气隙磁动势必然减弱，导致转矩T减小。
由于转速n升高了，可以认为输出功率基本不变。
把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得图2-3所示的交流电动机变频调速控制特性。
3SPWM控制技术原理
逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，
产生正弦脉宽调制波SPWM的原理是;用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图3-2所示，其相交的时刻（即交点）来作为开关管“开”或“关”的时刻。
正弦波人于三角波时，使相应的开关器件导通；当正弦波小于三角载波时，使相应的开关器件截止。
图3-1与正弦波等效的等幅脉冲序列波
图3-2SPWM控制的基本原理图
3.1单极性SPWM控制技术
如图3-3所示。
这时的调制情况是：
当正弦调制波电压高于三角载波电压时，相应比较器的输出电压为正电平，反之则为零电平。
只要正弦调制波的最大澎氏于三角载波的由图3-3（A）的调制结果必然形成图3-3（B）所示的等幅不等宽而且两侧窄中间宽的SPW脉宽调制波形。
负半周
（B）
（A）调制波和载波（B）单极性SPWM波形
图3-3单极性脉宽调制波的形成
图3-4单极性调制工作特点卍
单极性调制的工作特点:
每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断的工作，另一个完全截止;而在另半个周期内，两个器件的工作情况正好相反。
流经负载Z的便是正、负交替的交变电流，如图3-4所示。
3.2双极性SPWM控制技术
双极性调制技术与单极性相同，只是功率开关器件通断情况不一样。
绘出了三相双极式的正弦脉宽调制波形。
当A相调制波UA>U,时，VI导通，V2关断，使负载上的相电压为UA二+U/z（假设交流电机定子绕组为星型联接，其中性点0与整流器输出端滤波电容器的中点0相连，那么当逆变器任一相导通时在电机绕组上所获得的相电压为U/2,当，VI关断而V2导通，则UA=-U/2）所以A相电压S是以+U/2和-U/2为幅值作正、负跳变的脉冲波形。
同理，的S是由V3和V4交替导通得到的，的S•是由V5和V6交替导通得到的。
由S和S相减，可得逆变器输出的线电压波形U婕。
Um的脉冲幅值为+U和一U。
尽管相电压是双极性的，但是合成后的线电压脉冲系列与单极性相电压合成的结果一样都是单极性的。
综上所述，双极性调制的工作特点:
逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，而流过负载Z的电流是按线电压规律变化的交变电流，如图3-5所示。
3.3SPWM的调制方法
SPWM波毕竟不是真正的正弦波，它仍然含有高次谐波的成分，因此尽量采取措施减少它。
图3-6是通过电动机绕组的SPWM电流波形。
显然，它仅仅是通过电动机绕组滤波后的近似正弦波。
图中给出了载波在不同频率时的SPWM电流波形，可见载波频率越高，谐波波幅越小，SPWM波形越好。
因此希塑提高载波频率来减小谐波。
另外，高的载波频率使变频器和电机的噪声进入超声范围，超岀人的听觉范围之外，产生“静音”的效果。
但是，提高载波的频率要受逆变开关管的最高开关频率限制，而且也形成对周I韦I电路的干扰源。
〔a）调制频率较低时的电济波形（b）载波频率较高时的电济疲形心
囹3-6SPWM电流妓形心
SPWM的调制方式有三种：
同步调制、异步调制和分段同步调制。
在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数称为载波频率比。
在变频过程中艰II调制信号周期变化过程中，载波个数不变的调制称为同步调制，载波个数才应变化的调制称为异步调制。
3.3.1同步调制
在改变正弦信号周期的同时成比例地改变载波周期，使载波周期与信号频率的比值保持不变。
对于三相系统，为了保证三相之间对称，互差120°相位角，通常取载波频率为3的整数倍。
而且，为了双极性调制时每相波形正负波形对称，上述倍数必须是奇数，这样在信号波180°处,载波的正负半周恰好分布在180°处的左右两侧。
由于波形的左右对称，这就不会出现偶次谐波问题。
但是这种调制，在信号频率较低时，载波的数量显得棉疏，电流波形脉动人，谐波分量剧增,电动机的谐波损耗及脉动转矩也相应增大。
而且，此时载波的边频带靠近信号波，容易干扰基波频域。
为了克服这个缺点，必须在低频时提高载波比，这就是异步调制方式。
3.3.2异步调制
异步调制方式是指在整个变频范I韦I内，载波比都是变化的。
一般在改变调制频率时保持三角载波频率不变，因此提高了低频时的载波比，在低频工作时，逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数可以随着输出频率的降低而增加，相应的减小了负载电机的转矩与噪声，改善了低频时的工作特性。
但是由于载波比随着输出频率的降低而连续变化时，逆变器输出电压的波形其相位也会发生变化，很难保持三相输出的对称关系，因此会引起电动机的工作不稳定。
3.3.3分段同步调制
为了克服同步调制和异步调制的缺点，可以将他们结合起来，组成分段同步调制方式。
分段同步调制是指在一定的频率范卿内，采用同步调制，保持输出波形对称的优点，当频率降低较多时，使载波比分段有级的增加，这样就利用了异步调制的优点。
具体实现方法是把逆变器整个变频范围划分为若干个频段，在每个频段内都维持载波比恒定，对于不同频段取不同的载波比，频率较低载波比取大点，一般有经验参数可取.
4.1变频调速系统的总体设计
图4-1为变频调速系统的总体方框图，其中主电路部分由整流电路、滤波电路、逆变电路和
驱动电路与吸收电路组成
图47主电路方框图心
4.2主电路的设计
主电路原理图如图4-2所示，由整流电路、滤波电路、逆变电路和吸收电路组成。
主电路采用典型的交一直一交电压源型通用变频器结构，输入功率级采用单相桥式不可控整流电路RB1,整流输出经中间坏节人电容（由C1到C4电容组成）滤波，获得平滑的直流电压。
逆变部分通过功率器件IGBT的导通和关断，输出交变的脉冲电压序列。
由于功率器件开关频率过高，会产生电压尖脉冲，因此需要吸收电路来消除该尖峰。
图中C5为C型吸收电路，R6到R11和C6到C11
下面详细介绍各个部分电路及元件参数（被控电动机参数为:
△联接，额定功率为P.v=60W,
额定电压Un=220V,额定电流In=60A,额定频率办二50Hz,额定转速ha*=1470r/min.）
4.2.1逆变电路
三相交流负载需要三相逆变器，在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。
采用
IGBT作为可控元件的电压型三相逆变电路如图4-3所示，可以看出电路由三个半桥组成。
电压型三相逆变桥的基本工作方式与单相逆变桥相同，也是180。
导电方式，即每个桥臂的
导电角度为180°,同一相（同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的时间依次相差180°。
这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。
可能是上面一个臂，下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。
因为每次换流都是在同一相上卞两个桥臂之间进行的，因此，也被称为纵向换流。
囹4-3三相逆变电路d
用T记为周期，只要注意三相之间互隔T/3（T是周期）就可以了，即B相比A相滞后T/3,C
相又比B相滞后T/3。
具体的导通顺序如下:
第1个T/6：
VbV6,
V5导通，
V4,
V3,
V2截止
第2个T/6：
VI,V6,
V2导通,
V4o
V3,
V5截止
第3个T/6：
VbV3,
V2导通,
V4,
V6,
V5截止
第4个T/6：
V4,V3,
V2导通,
VI,
V6,
V5截止
第5个T/6：
V4,V3,
V5导通，
VI,
V6,
V2截止
第6个T/6：
V4,V6,
V5导通，
VI,
V3,
V2截止
卜•面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形。
对于A相输出来说，当桥臂1导通时，UAO=^-U（l
乙
当桥臂巾导通，yAQ
因此，t/八。
的波形是幅值为丄匕的矩形波。
B,C两相的情况和A相类似，U肿8的波形形状
和匕。
相同，只是相位依次相差120%三相逆变电路输出电压波形如图4-4：
A
A
T
Ba
B
B
w
■
1u
L
A
c
c
5
Cd
图「4三相逆变电路输出电压波形3
4.2.2驱动电路
IR2110还设有保护功能SD端（11脚）。
只有当SD端输入为逻辑高电平时，控制信号才有效。
驱
动芯片IR2U0用于驱动半桥电路如图4-5所示：
图4-5IR2110驱动半桥电路
工作过程如卞：
两个输出通道（上通道H0及卞通道L0）通过逻辑电路与输入信号HIN和LIN相对应，当保护输入端SD为高电平时，施密特触发器反相器的输出端为低电平，两个RS触发器的置位信号无效，则两或非门的输出跟随HIN及LIN变化，控制信号有效：
当SD端输入低电平时，因施密特触发器的输出端为高电平，两个RS触发器置位，两或非门输出恒为低电平，控制信号无效。
只有当sD端输入恢复低电平，且HIN和LIN输出脉冲的上升沿到来时，控制信号才有效。
4.2.3吸收电路
开关过电压是IGBT在开关状态转换过程中产生的过电压，也叫瞬态过电压，消除这种电压尖峰的电路叫吸收电路（snubber）。
4.3系统保护电路的设计
电路如图4-6所示。
由于保护电路属于系统的弱电控制部分，而故障信号又是从主电路中取出的，为保证系统工作稳定应实行弱电和强电隔离，即使两者之间既保持控制信号联系，又要隔绝电气方面的联系。
这就要求我们在设计保护电路的同时应该考虑抗干扰问题。
以下将分别介绍各个保护装置。
图4-6系统的保护电路
4.3.1过压、欠压保护电路
系统中设置了直流电压过压、欠压保护电路。
因为IGBT集射极咐压及承受反压的能力有限,而我国电网电压的线性度较差，电压会有一定的波动范闱，这会导致直流回路过压或欠压，因此应设置直流电压过压、欠压保护电路，如图4-7所示。
直流电压保护信号取自主回路滤波电容器两端，经电阻R1,R4分压和光耦隔离后送入控制电路。
光电耦合器是用来抑制输入信号的共模干扰。
利用光电耦合器把各种模拟负载与数字信号源隔离开来，也就是把“模拟地”与'‘数字地”断开。
被测信号通过光电耦合获得通路，而共模干
（1）工作原理
在过（欠）压保护中，当采样电压高（低）于保护参考点V2（VI）,则OVH（OVL）输出低电平，与其它故障信号相与后送入DSP的/PDPINTA中断a,当DSP的}PDPINTA管脚接收到低电平信号,DSP将做出相应的中断处理，立即封锁PWM输出及停止运行。
（2）保护点参数选择，设置电网电压士10%为允许的电压变化范围。
欠压保护电压:
U1=UdcpX（1-10%）=311x（1-10%）=280V（4-16）
过压保护电压;U2二Uxax（1+10%}=311x（1+10$）二342V（4~17）
4.3.2限流启动电路
此电路是用来防止在开启主回路时，由于储能电容人，加之在接入电源时电容器两端的电压为零，故当主电路刚合上电源的瞬间，滤波电容器的充电电流是很人的，过人的冲击电流将可能使整流桥的二极管损坏。
因此为了保护整流桥，在主电路上串接入限流电阻R1,当滤波电容上的电压达到电机正常运行的65%时，电压继电器常开触头闭合，将电阻y短路，结束限流起动过程,进入正常运行状态。
四、项目设计结果分析（分析试验过程中获得的数据、波形、现象或问题的正确性和必然性，分析产生不正确结果的原因和处理方法）
1•在基频以卞的变频调速中，本文通过设定完全转矩补偿的V/F曲线，可以提升变频后的最人转矩，得到较好的控制特性。
2.变频驱动器主电路的逆变采用了SPWM调制技术，理论表明，当载波频率较高时，其输出脉冲序列的基波电压幅值与所要求的等效正弦波幅值相等。
故这种调制方式能很好地满足异步电机变压变频的要求。
通过对其频谱的分析，还证明了提高载波频率，町以有效抑制谐波电压和电流,从而改善电机的运行性能。
3.专为电机控制而设计的单片机80C196MC能方便可靠地实现双极性SPWM调制，特别适用于高频逆变场合。
其SPWM控制信号采用片内WFG外设电路生成，用户只需考虑调制函数表的设定，依靠查表和计算就可以快速确定SPWM占空比，极人地简化了系统结构。
4.开关驱动电路使用IGBT专用混合驱动芯片IR2U0,实验表明，使用集成混合驱动电路具有较高的可靠性。
五、参考文摘（相关文摘不少于5篇，记录每篇文献的作者姓名.文献名称.文献发行城市：
文献出版社，出版年；文献内容摘要，每篇不少于100字）
参考文献
[11阮毅、陈伯时编《电力拖动自动控制系统一运动控制系统》第4版上海：
机械工业出版社2009：
摘要：
《电力拖动自动控制系统:
运动控制系统（第4版）》第3版2003年出版，第3版主要体现了三方面的技术进步：
全控型电力电子器件取代半控型器件，变换技术由相位控制转变成脉宽调制；模拟电子控制已基本上让位于数字电子控制；交流可调拖动系统逐步取代直流拖动系统已经成为不争的爭实，而且交流拖动控制技术本身也有不小的进展。
第4版在继承与发扬第3版特色的基础上，将计算机仿真与辅助设计逐步融入运动控制系统的性能分析与设计中。
第4版共3篇，第1篇直流调速系统，第2篇交流调速系统，第3篇伺服系统。
编写的思路继承了前三版的特色，理论和实际相结合，应用自动控制理论解决运动控制系统的分析和设计问题，以转矩和磁链（或磁通）控制规律为主线，由简入繁、由低及高地循序深入，论述系统的静、动态性能。
为了适应技术的发展，补充和添加了部分新内容，以供选用。
《电力拖动自动控制系统:
运动控制系统（第4版）》可作为高等学校电气工程与自动化、电气工程及其自动化专业和自动化专业的教材，也可供有关工程师和技术人员参考。
[2]阮毅、陈维钧编《运动控制系统》清华人学出版社2006：
摘要：
《运动控制系统》按照《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会制定的要求编写，适用于高等院校自动化专业以及电气工程与自动化、电气工程及其自动化专业本科“运动控制系统”课程，也可供电力电子与电力传动研究生和从爭运动控制系统的工程技术人员参考。
《运动控制系统》共3篇7章，内容涵盖：
可控电源拟电动机系统的特殊问题及机械特性，开坏调速系统的性能指标，交、直流调速系统及伺服系统的工作原理、系统结构，静态和动态性能指标及分析方法，反馈控制的基本特点，调节器结构及参数的设计方法，控制系统的实现，计算机仿真软件在运动控制系统中的应用等。
《运动控制系统》以控制规律为主线，按照从直流到交流、从开环到闭坏、从调速到伺服循序渐进的原则编写。
【3】谢青红、张筱荔编《TMS320F2812DSP原理及其在运动控制系统中的应用》电子工业出版社2009；
摘要：
UMS320F2812DSP原理及其在运动控制系统中的应用》介绍了美国TI公司最新推出的TMS320F2812DSP芯片的原理及其在运动控制系统中的应用。
前5章介绍了TMS320F2812DSP芯片的总体结构及各个硬件功能模块；第6章介绍了一些常用的DSP编程实例：
第7〜11章分别介绍TDSP在机器人、汽车、电力电子、电机控制方面的应用，并阐述了利用DSP对各种控制对彖进行
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