电压源型异步电动机变压变频调速系统设计

课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：

学 号 学生姓名 专业班级 课程设计（论文）题目 电压源型异步电动机变压变频调速系统设计

课程设计（论文）任务

课题完成的功能： 完成交-直-交电压源型频率双闭环的异步电动机变压变频调速系统的设计，并根据给定的参数合理的选取元件，包括晶闸管、变压器、电容等等。 设计任务及要求： 1.按已知条件设计交-直-交电压源型频率双闭环的异步电动机变压变频调速系统。设计出电流调节器参数，要求电流环按II型系统设计。 2.画出频率开环的异步电动机变压变频调速系统方框图及各环节的电器线路图。 3.画出电压源型逆变器异步电动机等值电路。 技术参数： 1、JOS2-6型、4.5K、380V、9.8A、50HZ、960rpm r1+r2´=0.85Ω、L1+L2ˊ=13MH。 2、同轴带一台3KW直流发电机及一台ZYS TH型测速发电机。

3、测得总的飞轮惯量GD2=0.78kg•m2；滤波电抗器电感值Ld=575MH； 4、电阻Rd=1.462Ω；电流调节器的额定电压均为8V。

进度计划 1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料。（1天）；2、主电路设计。（2天）；3、绘制基本结构图和自控制原理图。（2天）；4、分析转矩调节和磁链调节原理，选择电压状态。（3天）；5、打印课程设计说明书。（1天）；6、设计结果考核。（1天）

指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩：

总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） 摘要 近年来，普通交流异步电动机变频调速系统被广泛应用，交流电机变压变频调速及其相关技术的研究已成为现代电气传动领域的一个重大课题，并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变压变频调速技术还将会取得巨大进步。但是，普通交流异步电动机都是按恒频、恒压设计的，在频率改变时，电动机的参数和性能都将发生改变。由于异步电动机本身的非线性性，加上工作频率的改变，使其建模非常困难，因此，长期以来，在设计普通交流异步电动机变频调速系统时，只是凭借经验确定一些重要参数。 本文对变压变频调速理论，逆变技术进行了研究，并且是针对于电压源型进行了探讨，在此基础上设计了一个电压型频率双闭环的异步调频电动机，一交流异步电动机作为被控对象，以单片机为核心，从而设计出来一个符合要求的调速系统。

关键字：变压变频；双闭环；异步电动机；电压型 本科生课程设计（论文） 目录 第1章 绪论 ............................................... 1

第2章 课程设计方案 ....................................... 2

2.1 概述 ......................................................... 2 2.2 电压源型频率开环的异步电动机变压变频调速系统 ................. 2 2.2.1 系统的组成及格控制环节分析 ............................. 2 2.2.2 交直交电压源型逆变器的数学模型 ......................... 4

第3章 控制电路的设计与分析 ............................... 6

3.1 整流电路 ..................................................... 6 3.2 逆变电路 ..................................................... 6 3.3 IGBT简介及驱动要求 .......................................... 8 3.4 保护电路 .................................................... 10

第4章 课程设计总结 ...................................... 13

参 考 文 献 .............................................. 14 本科生课程设计（论文）

1 第1章 绪论

变频调速被认为是一种理想的交流调速方法，是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。大家都知道，目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。从大的范围来分，电机有直流电机和交流电机。由于直流机调速容易实现，性能好，因此过去生产机械的调速多用直流电动机。但直流机固有的缺点：由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来太大的麻烦。因此人们希望，让简单可靠廉价的笼式交流电机也像直流电动机那样调速。这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机。随着电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，出现了变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢。 变频调速用变频器，它的种类多，按使用的电力电子器件及其控制、换流方式分，有基于半控器件晶闸管（Thyristor）移相控制、自然换流的变频器及基于全控器件IGBT、IGCT、IEGT等PWM控制、自关断换流的变频器两大类。所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将50Hz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。 本设计所设计的题目属于变压变频调速技术。它主要包括整流部分、逆变部分、控制部分及保护部分等。是一种电压型双闭环的调速系统。 本科生课程设计（论文）

2 第2章 课程设计方案 2.1 概述 变压变频器的功能是：把恒压恒频的交流电源转化成变压变频的交流电源，以满足交流变频调速的需要。交直交电压源型变频器由整流器和逆变器两部分组成。逆变器的晶闸管起开关作用，它按照一定规律通断。要使晶闸管触发导通时容易实现的，而要使晶闸管及时可靠地关断则比较困难，这需要增设专门的换流电路。换流电路的核心是逆变器的核心部分，它是保证逆变器强迫换流成功的关键，并对变频器装置的性能指标、工作可靠性以及装置的造价、体积等方面起着决定性作用。 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。在多机拖动系统、高精度稳频稳压电源和不停电电源中，常用交直交电压源型变频器。电压源型变频器的换流电路有很多种，本次设计中选用交-直-交变频器，采用电压型变频器。

2.2 电压源型频率开环的异步电动机变压变频调速系统 2.2.1 系统的组成及格控制环节分析

电压源型变压变频调速系统主电路由两个功率变换环节构成，即整流和逆变电桥，整流桥由二极管组成的三相桥式电路，其直流输出电压为Ud=2.34UA0(来自电网的A相电压有效值)。调压与调频控制通过逆变器来完成，其给定值来自于同一个给定环节。 该系统采用SPWM控制技术实现变压变频控制，通过改变IGBT的占空比（脉冲宽度）来控制逆变器输出交流电压的大小，而输出频率通过控制逆变电桥的控 本科生课程设计（论文） 3 制周期就可以实现。由前述可知，为了使异步电动机能合理的、正常的、稳定工作，必须使逆变器输出给异步电动机的电压Us与频率fs通过SPWM控制来保持严格的比例协调关系。下面就介绍控制系统中主要控制单元的作用。

图2.1 电压源型逆变器开环调速系统 （1） 转速给定积分环节(GI) 设置目的：将阶跃给定信号转变为斜坡信号，以消除阶跃给定对系统产生的过大冲击，使系统中的电压、电流、频率、和电机转速都能稳步上升和下降，以提高系统的可靠性及满足一些机械的工艺要求。 （2）函数发生器(U/F特性) 设置目的：实现Us/fs=C的控制方式。在变压变频调速系统中，Us=f(fs) ,即电机定子电压使定子频率的函数。函数发生器就是根据给定积分器输出的频率信号，产生一个对应于定子电压的给定信号，以实现电压、频率的协调控制。变频器中以下几项内容与函数发生器有关： 1) 按照不同服在要求设定不同的Us/fs=C特性曲线。 2) 当变频器高于基频工作时，采用恒功率控制，这时要保证变频器输出电压不能高于电机的额定输出电压，可通过Us/fs=C函数发生器的输出限幅来保证。 3) 节能控制：电机处于轻载工作时，适当降低电压，可以使输出电流下降，减小损耗，可通过改变Us/fs=C曲线的斜率来实现。

IM GI U/F特性 Ud校正 Ud检测 转差补偿 电流限制调节器

SPWM生成与光耦驱动电路

中间直流环节 I*R补偿

电流实际值测量

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