電力電子變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課程名稱： 電力電子應(yīng)用技術(shù) 課題名稱： 交直交變頻調(diào)速系統(tǒng) 系 別： 自動控制系 班 級： 計(jì)控111班 姓 名： 李閃雷 學(xué) 號： 111413108 2013年6月26日目 錄一、緒論1二、電氣原理圖11、主電路圖12、控制電路圖2三、關(guān)鍵點(diǎn)波形圖2四、變頻調(diào)速系統(tǒng)原理41、主電路原理42、控制電路原理7五、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象8六、故障分析8七、心得體會8八、參考文獻(xiàn)9一、緒論20世紀(jì)70年代后，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，使得交流電力拖動系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等

2、良好的技術(shù)性能，在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖動媲美。在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，由于變頻器在啟動過程中，輸出頻率由0Hz平滑地逐漸上升，電壓從0V按比例上升到額定電壓，電機(jī)無任何啟動沖擊，避免了由于電機(jī)啟動產(chǎn)生的大電流對電機(jī)、電網(wǎng)、電氣元件及所拖動機(jī)械設(shè)備的沖擊和損壞。變頻器在停止過程中，輸出頻率由運(yùn)行頻率平滑地逐漸下降到0Hz，電壓從運(yùn)行電壓按比例逐漸到0V，實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)軟停止。變頻啟動可防止運(yùn)輸機(jī)械類載重物體受沖擊和翻滾，提高傳動設(shè)備的使用壽命。無級調(diào)速，自動化程度高，可實(shí)現(xiàn)無人管理。節(jié)能效果明顯。保護(hù)功能完善，減少設(shè)備維修、故障。并且變頻調(diào)速的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價(jià)格

3、不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實(shí)現(xiàn)過程自動化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。交流異步電動機(jī)的調(diào)速方式有多種，諸如調(diào)壓調(diào)速、變級調(diào)速、串級調(diào)速、滑差調(diào)速等，而變頻調(diào)速優(yōu)于上述任何一種調(diào)速方式，是當(dāng)今國際上廣泛采用的效益高、性能好、應(yīng)用廣的新技術(shù)。它采用微機(jī)控制、電力電子技術(shù)及電機(jī)傳動技術(shù)取得工業(yè)交流異步電機(jī)的無級調(diào)速功能。目前在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用，是自動化電力傳動的發(fā)展方向。二、 電氣原理圖1、主電路圖2、控制電路圖SPWM正弦脈寬調(diào)制控制電路三、關(guān)鍵點(diǎn)波形圖三角發(fā)生器處的波形示波器測得2、3、4處的波形 可以看出，2,3，4處的波形是幅值電壓183V，周期20ms，相差120度正弦波形。

4、示波器測得6,7,8處的波形： 可以看出，6,7,8處得波形是幅值為120V，周期40Hz，等幅不等寬的脈沖波形。四、變頻調(diào)速系統(tǒng)原理變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由電控設(shè)備、變頻器、交流電動機(jī)、傳動機(jī)械及傳感器等部分組成。變頻控制系統(tǒng)可進(jìn)行開環(huán)控制，也可進(jìn)行閉環(huán)控制。開環(huán)系統(tǒng)的控制是通過設(shè)定值的改變，來實(shí)現(xiàn)對被控制對象輸出值的直接控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)是通過被控制對象反饋系統(tǒng)與設(shè)定值的動態(tài)比較，自動調(diào)節(jié)被控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對被控制對象輸出的控制。1.主電路原理 由于期望的逆變器輸出是一個(gè)正弦電壓波形，可以把一個(gè)正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用個(gè)與此面積相等的等高矩形脈

5、沖來代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合。這樣，由N個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形為正弦的半周等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法來等效。這一系列脈沖波形就是所期望的逆變器輸出SPWM波形。由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，也就是說，這種交一直一交變頻器中的整流器采用不可控的二極管整流器就可以了。逆變器輸出脈沖的幅值就是整流器的輸出電壓。當(dāng)逆變器各開關(guān)器件都是在理想狀態(tài)下工作時(shí)，驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)器件的信號也應(yīng)為與形狀相似的一系列脈沖波形，這是很容易推斷出來的。從理論上講，這一系列脈沖波形的寬度可以嚴(yán)格地用計(jì)算方法求得，作為控制逆變器中各開關(guān)器件通斷的依據(jù)。

6、在SPWM中常用等腰三角波作為載波，因?yàn)榈妊遣ㄊ巧舷聦挾染€性對稱變化的波形，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑的曲線相交時(shí)，在交點(diǎn)的時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷，即可得到一組等幅而脈沖寬度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這正是SPWM所需要的結(jié)果。 由主電路原理圖可知，交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)一般分為整流電路，濾波電路,控制電路，逆變電路。在主電路圖中交流電源為電路提供電力。開關(guān)k控制整個(gè)電路的通斷，D1.D2.D3.D4.是四個(gè)二極管，起整流作用產(chǎn)生直流電，而電容C起到濾波的作用，使直流電更加穩(wěn)定，是六個(gè)IGBT管，UG1.UG4相連并與電機(jī)的A相相連，UG2.UG5相連于電機(jī)的B相相連，UG3.UG6相連并與電機(jī)的

7、C相相連。這六個(gè)IGBT管由上面的G1，G2，G3，G4，G5，G6， 六個(gè)脈沖信號提供導(dǎo)通脈沖。通過控制G1，G2，G3，G4，G5，G6的波形頻率從而可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動快慢。 整流電路 整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。整流電路一般都是單獨(dú)的一塊整流模塊。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成，它在直流電動機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成，濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分，變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔

8、離。 整流電路圖濾波電路 濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。 在交流電源轉(zhuǎn)換直流電源后，電路會有電壓波動，為抑制電壓的波動，采用簡單的電容濾波。簡單的說，濾波是利用電容對特定頻率的等效容抗小，近似短路來實(shí)現(xiàn)的（與諧振無關(guān)）。容抗Xc=1/(C)=1/(2fC)，濾高頻用0.1uF陶瓷電容-它對1MHz信號的等效容抗只有1.6歐姆，而對50Hz的工頻信號等效容抗有近似32千歐，所以只能濾高頻；而要濾工頻，2000uF電容的等效容抗才能與0.1uF對1MHz信號的等效容抗相當(dāng)。

9、利用電容兩端電壓不能突變只能充放電的特性來達(dá)到平滑脈沖的電壓的目的. 在正半周D導(dǎo)通時(shí)分兩個(gè)電流:一是電流IL向負(fù)載供電,二是IC向電容充電;如忽略D的壓降則在電容上的電壓等于U2,當(dāng)U2達(dá)到最大的峰值后開始下降, 此時(shí)電容C上的電壓UC也將由于放電而逐漸下降,當(dāng)U2<UC時(shí),二極管被反偏而截止,于是UC向負(fù)載供電且電壓繼續(xù)下降,直到下一個(gè)正半周 U2>UC時(shí)二極管再導(dǎo)通,再次循環(huán)下去。但半波整流濾波的輸出的電壓還是帶有鋸齒裝的成分現(xiàn)在多用橋式整流濾波電路； 根據(jù)上面的分析可知,采用電容濾波后,有如下特點(diǎn):1、負(fù)載電壓中的脈動的成分降低了許多；2、負(fù)載電壓的平均值有所提高。在RL一

10、定時(shí)濾波電容越大，UL越大。電感濾波則是當(dāng)流過電感的電流變化時(shí)，電感線圈中產(chǎn)生的感生電動勢將阻止電流的變化。當(dāng)通過電感線圈的電流增大時(shí)，電感線圈產(chǎn)生的自感電動勢與電流方向相反，阻止電流的增加，同時(shí)將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場能存儲于電感之中；當(dāng)通過電感線圈的電流減小時(shí)，自感電動勢與電流方向相同，阻止電流的減小，同時(shí)釋放出存儲的能量，以補(bǔ)償電流的減小。因此經(jīng)電感濾波后，不但負(fù)載電流及電壓的脈動減小，波形變得平滑，而且整流二極管的導(dǎo)通角增大，在電感線圈不變的情況下，負(fù)載電阻愈小，輸出電壓的交流分量愈小。只有在RL>>L時(shí)才能獲得較好的濾波效果。L愈大，濾波效果愈好。另外，由于濾波電感電動勢的

11、作用，可以使二極管的導(dǎo)通角接近，減小了二極管的沖擊電流，平滑了流過二極管的電流，從而延長整流二極管的壽命。本實(shí)驗(yàn)采用簡單的電容濾波技術(shù)。 濾波電路圖 逆變電路 逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓裝換為所要頻率的交流電壓，逆變電路是與整流電路相對應(yīng)，將低電壓變?yōu)楦唠妷?，把直流電變成交流電的電路。逆變電路是通用變頻器核心部件之一，起著非常重要的作用。它的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源，將直流電能變換為交流電能的變換電路。可用于構(gòu)成各種交流電源，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。生產(chǎn)中最常見的交流電源是由發(fā)電廠供電的公共電網(wǎng)（中國采用線電壓

12、方均根值為380V，頻率為50Hz供電制）。由公共電網(wǎng)向交流負(fù)載供電是最普通的供電方式。但隨著生產(chǎn)的發(fā)展，相當(dāng)多的用電設(shè)備對電源質(zhì)量和參數(shù)有特殊要求，以至難于由公共電網(wǎng)直接供電。為了滿足這些要求，歷史上曾經(jīng)有過電動機(jī)發(fā)電機(jī)組和離子器件逆變電路，但由于它們的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均不如用電力電子器件（如晶閘管等）組成的逆變電路，因而已經(jīng)或正在被后者所取代。 逆變電路圖 2.控制電路原理 SPWM信號波為正弦波，就是正弦波等效成一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，其脈沖寬度是由正弦波和三角波自然相交生成的。正弦波波形產(chǎn)生的方法有很多種，但較典型的主要有:對稱規(guī)則采樣法、不對稱規(guī)則采樣法和平均對稱規(guī)則采樣法三種。

13、第一種方法生成的PWM脈寬偏小;第二種方法在一個(gè)載波周期里要采樣兩次正弦波，顯然輸出電壓高于前者，但對于微處理器來說，增加了數(shù)據(jù)處理量當(dāng)載波頻率較高時(shí)，對微機(jī)的要求較高;第三種方法應(yīng)用最為廣泛的，它兼顧了前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。 SPWM雖然可以得到三相正弦電壓，但直流側(cè)的電壓利用率較低，不過SPWM易于硬件電路實(shí)現(xiàn)。 SPWM信號是通過用三角載波信號和正弦信號相比較的方法產(chǎn)生，當(dāng)改變正弦參考信號的幅值時(shí)，脈寬隨之改變，從而改變了主回路輸出電壓的大小。當(dāng)改變正弦參考信號的頻率時(shí)，輸出電壓的頻率即隨之改變。SPWM調(diào)制方式的特點(diǎn)是半個(gè)周期內(nèi)脈沖中心線等距、脈沖等幅，調(diào)節(jié)脈沖的寬度，使各脈沖面積之和與正

14、弦波下的面積成正比，因此，其調(diào)制波形接近于正弦波，三相逆變器是由一個(gè)三相正弦波發(fā)生器產(chǎn)生三相參考信號，與一個(gè)公用的三角載波信號相比較而產(chǎn)生三相調(diào)制波。 正弦波脈寬調(diào)制分單極性和雙極性脈寬調(diào)制，它使每一個(gè)輸出 矩形波的面積與對應(yīng)的正弦波電壓的面積呈正比，獲得等幅不等寬的正負(fù)脈沖列，這樣的逆變器輸出的電壓波形就與正弦基波電壓接近。正弦基波電壓作為調(diào)制電壓，對它要進(jìn)行調(diào)制的三角波稱為載波電壓，當(dāng)正弦基波與三角波相交時(shí)通過比較兩者之間的電壓大小來控制逆變器開關(guān)的通斷，從而得到一系列等幅不等寬正比于正弦基波電壓的矩形波，這就是正弦脈寬調(diào)制方法（SPWM）。 當(dāng)操作指令發(fā)出后，電壓矢量發(fā)生器和V/f函數(shù)電

15、路同時(shí)工作發(fā)出波形，兩者經(jīng)過幅值控制電路后，變成幅值可以調(diào)制的正弦波形，正弦波形在與三角波發(fā)生器發(fā)出的三角波相交后，經(jīng)過調(diào)制電路，輸出的電壓波形為等幅不等寬的脈沖列，其特點(diǎn)是中間脈沖寬，兩邊的脈沖窄，這樣的脈沖列信號比較弱，經(jīng)過功放電放大后，就能控制逆變器輸出電壓的大小和頻率，即可以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速五、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象按照上面原理并將電機(jī)接好線路后，閉合開關(guān)K，按加速按鈕，可以看到電機(jī)轉(zhuǎn)動控制器中的頻率顯示器的顯示在變大，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，反之按減速按鈕，可以看到電機(jī)轉(zhuǎn)動控制器中的頻率顯示器的顯示在變小，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢。當(dāng)按下反轉(zhuǎn)按鈕時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。這是應(yīng)為三相異步電動機(jī)的傳速快慢是由其中的磁場控制，磁

16、場的快慢是由供電的頻率控制，其頻率是由G1，G2，G3，G4，G5，G6控制，而G1，G2，G3，G4，G5，G6的頻率受由三角波和正弦波結(jié)合控制，因此只要控制三角波得頻率就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的快慢。從而實(shí)現(xiàn)交直變頻調(diào)速。六、故障分析 觀察波形的時(shí)發(fā)現(xiàn)三角波形和正弦波形并不能同時(shí)顯示，即當(dāng)顯示正弦波形的時(shí)候，三角波形幾乎成了一條直線；當(dāng)顯示三角波形的時(shí)候，正弦波形卻在示波器中找不到，經(jīng)過分析正弦波形和三角波形時(shí)候，注意到正弦波形和三角波形的頻率不相同，相差很大，所以不能在同一個(gè)頻率顯示兩個(gè)波形。七、心得體會 通過這次課程設(shè)計(jì)，我進(jìn)一步了解了電力電子應(yīng)用技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中的巨大作用，也對交直變頻調(diào)速有了

17、更深一步的了解。同時(shí)對自己的電路連接，設(shè)計(jì)，有了更深一步的了解，對制圖軟件等一系列軟件有了更大的認(rèn)識我也深刻認(rèn)識到自己對知識的掌握是多么的膚淺，如果沒有這一次的親身實(shí)踐，是發(fā)現(xiàn)不了這些問題的。這次課程設(shè)計(jì)讓我有機(jī)會學(xué)習(xí)書本上沒有的知識，增長了我的見識，使我對課程設(shè)計(jì)的實(shí)際操作，也有了一個(gè)更為直觀的認(rèn)識。這次課程設(shè)計(jì)使我獲得了十分寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對于將來的我來說一定是非常巨大的財(cái)富。同時(shí)，這次課程設(shè)計(jì)的協(xié)同合作，也使我體會到了團(tuán)隊(duì)合作精神的重要性，,做完實(shí)驗(yàn),然在做課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)前,我以為不會難做,就像以前其后兩下子就將實(shí)驗(yàn)報(bào)告做完.直到按照要求做試實(shí)驗(yàn)時(shí),我才知道其實(shí)并不容易做,但學(xué)到的知識與難度成正比,使我受益匪淺. 在做實(shí)驗(yàn)前,一定要將課本上的知識吃透,因?yàn)檫@是做實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),否則,在老師講解時(shí)就會聽不懂,這將使你在做實(shí)驗(yàn)時(shí)的難度加大,浪費(fèi)做實(shí)驗(yàn)的寶貴時(shí)間.比如你不知道課程設(shè)計(jì)的電路的工作原理,在做實(shí)驗(yàn)時(shí)才去摸索,這將使你極大地浪費(fèi)時(shí)間,使你事倍功半.做實(shí)驗(yàn)時(shí),一定要親力親為,務(wù)必要將每個(gè)步驟,每個(gè)細(xì)節(jié)弄清楚,弄明白,實(shí)驗(yàn)后,還要復(fù)習(xí),思考,這樣,你的印象才深刻