【蓄電池電機車變頻調速系統(tǒng)設計與應用研究5000字（論文）】

引言蓄電池電機車廣泛應用在農(nóng)業(yè)和礦業(yè)生產(chǎn)中，當前蓄電池電機車常用的兩種調速方式為電樞回路串電阻方式和直流斬波調速。這兩種調速方式各有優(yōu)點，但是也存在一些明顯的缺點，如可靠性較低、能耗較高等。隨著新型電力電子設備的迅速興起，交流調速技術在20世紀80年代得到發(fā)展。隨著當今社會科技的發(fā)展，變頻器驅動的電機車在應用中逐漸展現(xiàn)出了優(yōu)勢，利用變頻器，可以有限減少電機車的能量損耗，可以生產(chǎn)效率和電機車的可靠性。通過對交流調速技術的不斷研究和改進，本世紀為滿足高性能，環(huán)保和節(jié)能要求，異步電動機交流調速系統(tǒng)逐步取代傳統(tǒng)直流電，具有顯著優(yōu)勢的是速度控制系統(tǒng)，交流變頻調速技術的優(yōu)點主要體現(xiàn)在兩個方面。一節(jié)電顯著，另一個是出色的速度調節(jié)性能。本文以基于DSP的變頻調速系統(tǒng)的設計為題目，闡述了異步電機變頻調速的基本原理，進行硬件設計和軟件設計。第1章變頻調速1.1變頻調速的原理變頻調速的調速方式就是通過改變發(fā)電機的供電頻率，其原理就是利用電動機的同步轉速隨頻率變化的特性，從變頻調速的特性曲線可以看出來，我們想要對發(fā)動機的同步轉速做出改變，只需要對發(fā)動機的電源頻率做出改變就可以了，發(fā)動機轉速在一個大范圍內連續(xù)變化。具有調頻特性的任何轉速段的硬度均接近自然機械性能，良好的調速性能；如果有變頻電源，這樣的調速方式可以適用于籠式電動機，因此應用廣泛。當使用異步電機開始變頻調速的時候，若輸入端是電壓和頻率都能夠進行調節(jié)的交流源，便可以得到理想的控制效果。這時依靠電力電子器件的功率變換器，即變頻器便可獲得電壓電流均可調的交流電源。其中涉及到脈沖寬度調制技術，又稱交流PWM變頻技術，這也是當今變頻器用得最多的控制技術。1.2變頻調速的優(yōu)勢交流調速的制動性能強，效率較高，功率因數(shù)高以及良好的節(jié)能，應用廣泛等諸多優(yōu)點被國內外廣泛認可，具有很好的發(fā)展前景。這與當前集成電路的快速發(fā)展有很大的關系。電動機的交流調速逐漸代替了電動機的直流調速。1、調速功率高，變頻調速的特點是在頻率變化后，電動機仍在該頻率的同步轉速鄰近運轉，基本上堅持額外轉差率，轉差丟失不添加。變頻調速時的丟失，只是在變頻設備中發(fā)作的變流丟失，以及因為高次諧波的影響，使電動機的損耗有所添加，相應功率有所降低。所以變頻調速是一種高效調速方法。2.調速規(guī)模寬，通?？蛇_10頤1（50耀5Hz）或20頤1（50耀2.5Hz）。并在全部調速規(guī)模內均具有較高的調速設備功率濁V。所以變頻調速方法適用于調速規(guī)模寬，且經(jīng)常處于低轉速狀態(tài)下運轉的負載。3、必要時，變頻設備能夠退出運轉，改由電網(wǎng)直接供電。這關于泵或風機的安全經(jīng)濟運轉是很有利的。如果變頻設備發(fā)作毛病，就退出運轉，不影響泵與風機的持續(xù)運轉；又如在挨近額外頻率（50Hz）規(guī)模作業(yè)時，由變頻設備調速的經(jīng)濟性并不高，變頻設備可退出運轉，由電網(wǎng)直接供電，改用節(jié)省等慣例的調理方法。4、變頻設備能夠兼作軟起動設備，通過變頻器可將電動機從零速起動連續(xù)滑潤直至全速運轉。變頻軟起動是現(xiàn)在最佳的軟起動方法，變頻器是現(xiàn)在最佳的軟起動設備。第2章調速系統(tǒng)設計2.1變頻器類型選擇變頻器分為交-直-交變頻器和交交變頻器兩種。前者具有的特點：在直流側并聯(lián)濾波電容緩沖無功功率，直流電源阻抗??；二極管不控整流，調頻和調壓由逆變器完成；功率因數(shù)高，調節(jié)速度快；輸出電壓和電流波形接近正弦波。雖然大功率交-交變頻器應用廣，但因其功率因數(shù)低，諧波大，輸出頻率低，使用元件多使其應用受到了限制。而交-直-交變頻器使用元件少，控制簡單，所以本課題中主電路采用交-直-交電壓源型變頻器。2.2主電路設計調速系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓型變頻器，其結構如圖2.2-1所示，由三相橋式不控整流電路對工頻交流電進行整流，經(jīng)電容濾波后提供給逆變電路，由逆變電路將整流電路輸出的直流電轉換成電壓幅值和頻率都可調節(jié)的交流電。這里主電路設計主要包括變壓器、整流電路、中間濾波電路、逆變電路、緩沖電路等的設計。本系統(tǒng)中三相異步電機的主要參數(shù)為Pn=750W，Un=220V，IN=2A，nN=1390r/min。2.2-1電壓型交-直-交變頻主電路2.2.1中間濾波電路這里濾波電路采用電容濾波，其作用為減小逆變器輸出電壓脈動，得到較為平穩(wěn)的輸出電壓。同時還可吸收電子電路工作過程中產(chǎn)生的電流波動和經(jīng)由交流電源串入的干擾，使得電子電路的工作性能更加穩(wěn)定。若主電路中沒有濾波電容，則整流電路的輸出平均電壓為：1.35×220=297V。加上濾波電容后，若電容值足夠大，則直流電壓可達輸出交流線電壓的峰值。Ud=kx√2UL=k×311Vk為考慮功率器件開關損耗等而引入的裕量系數(shù)，一般取k=1.5~2。這里Ud取為600V。2.2.2緩沖電路緩沖電路一般可以分成關斷，開通，復合緩沖電路三種，其組成原件一般有電阻，電容，電感和二極管。關斷緩沖電路一般用于抑制器件上的過電壓，開通緩沖電路一般用于抑制器件上的過電流，而本設計中的緩沖電路需要對電壓進行限制，故選用了關斷緩沖電路。由前段所述，在IGBT的兩端并聯(lián)上關斷緩沖電路可以有效防止電壓過沖從而保護IGBT。而關斷緩沖電路又可以分成RC和RCD兩種形式，如圖圖2.2.2-1所示，因為阻容端電壓不能突變，所以IGBT的端電壓也不能過沖。而且串聯(lián)電阻Rs還能起到防止器件因過電流被損壞的作用。圖2.2.2-1基本緩沖電路2.3DSP控制電路設計DSP芯片是一-種數(shù)字信號處理器，是一-種高速專用微處理器，具有強大的計算能力，可以實行高速輸入與高速傳輸數(shù)據(jù)。DSP數(shù)據(jù)與程序在獨立的哈佛結構中，特別設置了乘法累加器結構，非常多運使用于流水線操作，提供特殊的DSP指令，可使用于實行各種數(shù)字信號處理算法。系統(tǒng)控制電路以TMS320LF2407A型16位定點DSP芯片為核心，由于該芯片引腳多，封裝較小難以焊接。該EVM板主要包括：(1)TMS320LF2407A主控芯片，PGA封裝；(2)外部存儲器擴展電路，使用的SRAM芯片為CY7C1021；(3)電源部分：2407A芯片工作電壓為3.3V，所有這里采用+5V到+3.3V的電壓轉換芯片TPS7333來給DSP供電；(4)晶振電路：采用15M的晶振，通過對DSP內部倍頻系數(shù)的設置可實現(xiàn)所需的執(zhí)行指令的速度；(5)發(fā)光二極管以及方便外部擴展的2407A芯片引腳的引出端。2407A芯片負責采樣電機各相電流，計算電機轉速和位置，并運用矢量控制算法得到SVPWM控制信號，經(jīng)過光耦隔離電路后，驅動逆變器功率開關器件。圖2.3-1電源轉換電路2.4檢測電路設計2.4.1電流檢測電路系統(tǒng)采用轉速/電流雙閉環(huán)的矢量控制，需要三相定子電流ia，ig，ic的值進行坐標變換來獲得電流環(huán)的反饋值ial，iql，另外檢測出的三相定子電流還要用于給過流保護電路提供電流信號。電流檢測里檢測元件有電流互感器，分流器，霍爾電流傳感器，其中霍爾電流傳感器原理圖如圖2.4.1-1所示?；魻栯娏鱾鞲衅饔腥缦聨讉€優(yōu)點：高靈敏度、溫度變化大時也有較好的穩(wěn)定性、很好的抗干擾性、優(yōu)秀的高頻特性、低功耗等。圖2.4.1-1霍爾傳感器原理圖由于TMS320LF2407A芯片允許的輸入電壓信號范圍是0~3.3V，而三相定子電流為交流信號，交流電壓信號必須經(jīng)過信號調理變成單極性的0~3.3V的電壓信號后才能送給2407A芯片。采用的霍爾電流傳感器為LA28-NP，其電源電壓為土15V，原邊電流測量范圍為-36A~+36A，輸出額定電流有效值為25mA。定子電流檢測電路如圖4所示?；魻杺鞲衅髟陔姎猓C電）方面具備很好的性能，是一個尖端的電氣檢驗元器件，它能阻隔主電路和輔助電路。它結合了儀用變壓器，分流器的優(yōu)勢，使用相同的檢驗元器件，能夠一起檢驗DC和AC，以及瞬時峰值的大小，它是替代儀用變壓器和分流器的新器件。霍爾傳感器擁有幾個優(yōu)點：（1）無論是什么樣子的和波形都可以測量?；魻杺鞲衅髟軠y出每一個波形的和參數(shù)，如DC，AC波形。還能測得瞬時峰值的數(shù)值。（2）精確程度比較高?；魻杺鞲衅髟谶\行區(qū)域的精確程度大于1%，能夠檢測每一種波形。（3）良好的動態(tài)特性?；魻栐骷膭討B(tài)反應所需要的時間不超過1μs，追蹤的速度不低頭于50；然而普通的儀用變壓器的動態(tài)反應所需要的時間大約為15μs.補償傳感器元件常見的有這三種類型：CHB-×p，CHB-S和LA-××p，這三種都是電流當作輸出時的信號。根據(jù)所用電壓的數(shù)值在M端子和電源接地之間外部聯(lián)接一個采樣電阻(通常為數(shù)十到數(shù)百歐姆)。圖2.4.1-2定子電流檢測圖圖2.4.1-2中，取樣電阻R1把定子電流轉換為電壓信號，經(jīng)過了由R2，C1構成的一階低通濾波電路濾除了高次諧波到由R3，R4，運放A1構成的電壓跟隨器。再經(jīng)過由R5~R8，運放A2構成的電平抬升電路，把一1.65V~+1.65V的交流電壓變換為0~3.3V的單極性電壓信號，送入DSP的ADCIN1引腳進行AD轉換。而硅二極管D1，D2，電源WCC起到保護作用，防止送入TMS320LF2407A芯片的電壓信號超過3.3V造成DSP芯片的損壞。2.4.2轉速檢測電路體系統(tǒng)控制電路中存在轉速環(huán)，電流環(huán)和閉環(huán)，即根據(jù)反饋控制思想分別對轉速，轉子電流和定子側功率因數(shù)進行閉環(huán)控制，因此需要定時檢測轉速來給轉速環(huán)提供反饋值。所以測速是電機調速系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，故檢測轉速越準確，調速系統(tǒng)的性能越好。M法和T法作為兩種基本測速法，其中M法是把脈沖數(shù)作為頻率，但單位測量時間的開始和結束存在半個脈沖，誤差便可能有兩個脈沖。而當所測速度較低時，誤差比也會變大，故M測速法更適合于高速測量。而T法則是將相鄰脈沖的間隔時間視作周期，于是可得頻率。同樣因為半個單位時間問題，誤差也可能存在一個單位時間差。當所測速度較高時，誤差比也會變大，所以T測速法適合于低速測量。圖2.4.2-1轉速檢測電路第3章實驗裝置的仿真與結果3.1實驗裝置仿真本次采用Matlab仿真軟件進行仿真試驗，Matlab是一個尖端的數(shù)學模型分析和計算機應用程序，能用于動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真，它特別適用于矩陣分析和計算。Matlab具有開放性。在這種情況下，人們研制了很多種有用的工具系統(tǒng)軟件，如控制系統(tǒng)、信號處理、最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識等。按照前文所述，在對原理圖進行繪制的基本上設置了系統(tǒng)的PCB圖，得出了硬件印刷電路板，并焊接調試完成了系統(tǒng)的硬件平臺，系統(tǒng)的硬件電路印刷板如圖3.1-1與3.1-2所示，圖3.1-1包括了系統(tǒng)調試用仿真器、DSP最小系統(tǒng)、主電路、控制與驅動電路、電源電路以及除電流采樣電路以外的其他電路。圖3.1-2是電流信號采樣與處理硬件電路板。圖3.1-1矢量控制系統(tǒng)硬件電路板圖3.1-2電流信號采集與處理硬件電路板3.2實驗結果上面電機與磁粉制動器系統(tǒng)為負載，本次對該矢量控制系統(tǒng)進行了實驗，得出了系統(tǒng)給定輸出頻率為20Hz時測量的波形。圖3.2-1給出了交流電機的相電流波形圖。圖3.2-2與3.2-3給出了示波器在500us/div與50us/div時同一橋臂上下兩個開關管的驅動波形PWM7、PWM8。從圖中可以明顯看出系統(tǒng)的載波頻率，PWM7、PWN8驅動電平及占空比的變化情況。圖3.2-1相電流波形圖3.2-2PWM7、PWM8引腳驅動輸出波形(500us/div)圖3.2-3PWM7、PWM8引腳驅動輸出波形(50us/div)總的來看，測量結果顯示輸出的電流波形正常．在低速和高速時交流電機都能穩(wěn)定運行，且電壓利用率高，輸出電流的諧波少，噪聲低。具有較好的性能，表明本文中硬件和軟件的設計方案是正確和可行的。第4章總結蓄電池電機車為生產(chǎn)中的關鍵運輸設備，伴隨電力電子技術、控制器以及控制技術的發(fā)展，交流調速的采用了越來越非常多。隨著現(xiàn)代電氣控制技術的飛速發(fā)展，電機變頻調速控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代也加速了進程，調速控制技術標準的更新和調速控制技術的日漸提高，蓄電池電機車的變頻調速控制技術會朝著更加安全、可靠、高效的方向發(fā)展。

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