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1、xx 大学信息商务学院 xxx 届毕业设计说明书 第 1 页 共 44 页 1 绪论绪论 1.1 三相变频调速系统的研究背景和意义三相变频调速系统的研究背景和意义 在国民经济建设和国防科技事业的进程当中，交流变频调速的应用极为广泛和重 要。而随着电力电子和微处理器技术的发展，调速系统也成为发展的潮流和目标。三 相异步变频调速系统广泛应用于工业，农业，国防等各个领域。当前国外交流调速系 统发展十分迅速各大商场推出的交流调速系统层出不穷，与国外相比，我国交流调速 控制方式的研究起步较晚，技术基础薄弱，实际产品应用出现更晚。而且多数产品应 用的是基本的 SPWM 控制，在高性能变频技术方面处于劣势。
2、因此研究异步电动机的直 接转矩控制系统对于推动我国高性能变频调速技术的发展具有积极的促进作用和重要 的现实意义。随着新型电力电子器件的不断出现 ,三相异步变频调速系统 将在实际需 要的推动下快速发展 。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使电机的性 能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对电机性能的影响减至最 小,新型的电机技术和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而 可大大的提高工作频率,提高异步电机工作效率。 在交流调速领域中，应用最广的是交流变频调速系统技术。它主要用于需要交流 电源的电压、频率可调(或恒压、恒频)的用电设备，如交流电机、中频电
3、源及各种专 用电源的中间环节等。这一技术的产生和发展为交流调速开拓了广阔的天地。国外交 流调速在电气传动行业已占绝对优势，虽然国内直流调速还在大量使用，但近年来凡 新建的电气传动系统均采用交流调速，其发展势头是迅速的。变频技术在供电电源方 面的应用主要是:（1)将过去用电机、变压器产生交流电的地方用变频电源取代;（2） 将计算机、电焊机、电子装置等用直流电源的地方改为以变频技术为核心的开关电源。 xx 大学信息商务学院 xxx 届毕业设计说明书 第 2 页 共 44 页 变频技术在电源中的应用，极大地减小了电源装置的体积，提高了效率，产生了巨大 的经济效益。 所谓变频就是利用电力电子器件(如功
4、率晶体管 GTR、绝缘栅双极型晶体管 IGBT) 将 5OHz 的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交交 变频)，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中;间接 变频(又称交直交变频)，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它 又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅、等宽和 SPWM 变频。常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的 SPWM 法、磁场跟踪式 SPWM 法和等面积 SPWM 法等。 它是作为 80 年代中发展起来的高性能的新型电机调速方法，在很大程度上解决了 矢量控制中计算控制复杂，实际
5、性能难于达到理论分析结果的一些重大问题。而本文 研究的正是从异步电机的数学模型出发，根据变频调速原理从简单到复杂，利用比较 容易实现的正弦脉宽调制的方法调试了系统的部分硬件电路，然后根据传统直接转矩 的控制原理，对于近似圆形磁链的直接转矩理论进行了实验分析。在硬件方面课题采 用了目前比较流行的数字信号处理器（DSP）作为本实验的控制器，其处理速度高的特 点正好符合本实验的需要；主电路中，本系统采用了集成度高的功率器件；智能模块 作为逆变环节，实现了高开关效率逆变以及故障诊断的功能，从而使控制系统的体积 大大缩小，控制更加灵活。 异步电机变频调速技术就是使用 DSP 器件及电子技术对异步电机进行
6、变频和控制 的技术。是一门综合了电力半导体器件、电力变频技术、现代电子技术、自动控制技 术、DSP 芯片技术等许多学科的交叉学科。随着科学技术的发展，变频调速技术又与现 代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前，它已逐 xx 大学信息商务学院 xxx 届毕业设计说明书 第 3 页 共 44 页 步发展成为一门包含更多学科的综合性技术学科，并在为现代通讯、电子仪器、计算 机工业自动化、电网优化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高 可靠性的电能方面起着关键的作用。 变频调速技术诞生至今已经近 50 年，它对人类的文明起了巨大的推动作用。特别 是在近年来，这
7、种技术更是取得了突飞猛进的发展，己经形成较为完整的学科体系和 理论。 变频调速技术的发展主要是两个方面:一是变频调速系统所需器件的发展，因为变 频调速系统器件是变频调速系统技术的基础和源头，变频调速器件的性能的提高，促 进了变频调速系统技术的应用，提高了变频调速系统装置的功率，减小了体积。另一 方面是变频调速系统技术在不同应用领域具体控制技术的发展。尤其是电机转速变换 技术的发展与应用。异步电机变频调速技术是变频技术中最重要、最基本的共性技术。 为了满足高效、高能量密度、高精度、快速响应、宽调节范围、低谐波失真和低成本 的要求，变频调速技术从不控、半控强迫换流技术发展到普遍采用 PWM 控制和
8、采用自 关断器件的变频技术。 1.2 三相异步电机变频调速系统技术的国内三相异步电机变频调速系统技术的国内发展现状发展现状 20 世纪 60 年代中国三相异步变频系统史上发生了一场革命，异步电机由于其具有 良好的起，制动性能，能够在大范围内平滑调速，因此在当时国际市场中起着绝对的 优势地位。DSP 的数字控制系统也取代了传统的 PID 模拟控制，提高了三相调速系统的 控制性能。 在国内六十年代初期，随着电力及电子技术的进展,电力系统对变频调速系统的控 制功能也不断提出了新的要求,主要体现在对自动励磁调节器的功能要求上。变频调速 系统的主要功能是维持电机转速为恒定值。当时应用的变频调速系统多为机
9、械型的， xx 大学信息商务学院 xxx 届毕业设计说明书 第 4 页 共 44 页 其后又发展为电子型或者电磁型。在这一历史时期中,电机多采用直流励磁机励磁方式,励 磁的调节多作用于直流励磁机励磁绕组侧,须经过具有相当惯性的励磁机功率环节实现 对发电机励磁的调节.为此它属于慢速励磁调节系统。 在六十年代后期，随着电力系统的大型化和发电机单机容量的增长，出于提高电 力系统稳定性的考虑，自动电压调节器的功能已不再局限于维持发电机转速恒定这一 要求上，而更多地体现在提高发电机静态及动态稳定性方面。这标志着对变频调速系 统功能要求已有了根本改变。 在六十年代期间，有一点须说明，当时有一观点认为，在系
10、统事故时，应当限制 励磁的作用，以防止发电机定子电流过载。但是，前苏联的学者经过实验和实践证明： 采用强行励磁可加速切除事故后异步电机的恢复，并缩短定子电流过负载的时间，这 对于缩短事故后系统电机转速的恢复时间及系统稳定都是极为有利的。 自六十年代至今，变频调速系统技术也有了极大的发展。概括地说，变频调速系 统控制方式的演绎大致经历了单变量输入及输出的比例控制方式、线性多变量输入及 输出的多变量反馈控制方式以及伴随控制理论发展起来的非线性多变量控制方式等几 种主要的演绎阶段。 近年来由于调速系统的数字化，其惯性时间常数已经大大减少，由此为通过调速 系统直接抑制有功功率的振荡提供了可能。对于异步
11、电机机系统亦有良好的控制性能。 同时具有自检能力，在硬件故障时可进行自动切换。 变频调速系统的发展与电力电子技术与器件的发展密切相关，它随着现代电力电 子技术的发展而发展。国内近几年，随着电子电力技术的发展，新一代功率器件，如 MOSFET，IGBT 等应用，高频逆变技术的逐步成熟，出现了高压开关异步电机，同线性 电机的相比较突出特点是：效率高、体积小、重量轻、反应快。由于它的优越特性， xx 大学信息商务学院 xxx 届毕业设计说明书 第 5 页 共 44 页 现在已逐渐取代了传统的一系列逆变异步电机调速系统。 世界各国正在大力研制开发新型异步电机调速系统，包含新的理论、新型模块化 电路、新
12、型电子器件等，以满足电机设备小型化、高效化和高性能化的时代发展要求。 而国内现有的异步电机主要采用传统的工频技术，存在体积大、设备重、效率低、自 动化程度低等弊端，已经无法满足现代工业发展的需求。从长远看，三相异步变频调 速体统是电机的发展是方向。但难度大对设计提出了很高的要求，当前三相异步电机 面临的主要问题是提高性能和改善可靠性。 目前随着我国社会生产和人类生活的改进，变频调速技术已逐步发展成为一门多 学科互相渗透的综合性技术学科,它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电 力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电机起着关键作用。 1.3 本课题的主要研究内容本课题的
13、主要研究内容 本课题研究的主要内容是主要通过整流电路，逆变电路，变频器滤波器去外有 DSP 控制下把进入的单相工频交流变成直流电，再通过三相桥式逆变电路逆变成正弦脉宽 可调三相比，从全新的思想出发，尝试的把几种方法结合在一个控制系统中，取长补 短，形成一种新的混合控制方法。以提高控制性能。 研究变频调速系统的原理，及常 用的实现方案。 设计并实现了一个基于 DSP 的变频调速系统控制的异步电机，建立了一个具有通 用性的中小功率的变频调速控制的电机技术平台。 该实验单元的主电路为“交直交”变化形式，如图 1.1 所示。该种整流电路 把输入的单相工频交流电整流变换成为直流电。经降压斩波电路和电容滤
14、波，得到平 直的电压可调直流电源。最后，直流电源经过由新型复合器件绝缘栅双极型晶体管 IGBT 组成的三相桥式逆变电路，逆变成正弦脉宽可调的三相交流电。从电网输入的单 xx 大学信息商务学院 xxx 届毕业设计说明书 第 6 页 共 44 页 相交流电经过变频电路后可以得到谐波含量较小的三相交流电，而且输出的交流电的 大小和频率均可调，提高了电能的利用率，降低了负载（异步电机）对电网电源的影 响。 图 1.1 变频调速系统的系统框图 技术指： 输入电压：220V（110） 输入频率：50 Hz (15%) 输出电压调整范围：036V 输出波形：正弦波 电源容量：2KVA 输出电压稳定度：额定
15、36V 输出时，误差小于 5% 输出频率调整范围：调整范围为 20Hz100Hz 相位和相位相差 120(三相平衡性负载) 保护功能：电源应具有输入及输出过流保护、过热保护、输入输出过压欠压保护 频率和功率的电路：具有输出电压和频率的测量和显示功能。 xx 大学信息商务学院 xxx 届毕业设计说明书 第 7 页 共 44 页 2 2 变频调速系统的结构和设计变频调速系统的结构和设计方案方案 2.12.1 变频调速系统的结构变频调速系统的结构 从结构上看，变频调速系统可分为直接变频和间接变频两类。直接变频又称交 交变频，是一种将工频交流电直接变换为频率可控的交流电，中间没有直流环节的变 频形式；
16、间接变频又称为交直交变频，是将工频交流电先经过整流器整流成直流， 再通过逆变器将直流变换成频率可变的交流的变频形式，因此这种变频方式又被称为 有直流环节的变频。 交交变频调速系统一般使用的开关器件是晶闸管，利用电网电压有自动过零并 变负的特点，将晶闸管直接接在交流电源上，使晶闸管能自然关断。其过程与可控整 流器一样，不需要附加换流元件，方法简单，运行可靠。而且，交交变频器在低频 时输出波形接近正弦，且为一次变流，具有较高的效率，还能实现四象限运行。但是 由于这种方法使用晶闸管数量较多，主回路复杂，且输出频率受电源频率的限制，一 般不能高于电网频率的 1/2,所以交交变频器在交流异步电机调速方面主要用于低速 大功率传动，特别是起动转矩要求高的场合。 交直交变频调速系统框图如图 2.1 所示，是目前变频电机的主要形式，该方 式必须通过两次电能变换。效率稍低。但前级市电的干扰不会影响后级，输出波形好， 变频范围宽。 xx 大学信息商务学院 xxx 届毕业设计说明书 第 8 页 共 44 页 图 2.1 交直交变频调速系统框图 AC/DC：将
