15kW通用变频器的设计大学学士学位论文.docx

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1、学位论文15kW通用变频器的设计摘要变频器在各行业的应用，已经成为改造传统工业、提高生产过程自动化水平、节约能源、推动技术进步的主要手段。恒压频比控制是通用变频器中应用最为广泛的控制方式之一。本文在总结国内外研究成果的基础上，以TI公司生产的TMS320F2812型DSP作为核心，设计了通用变频器，并进行了恒压频比控制算法的设计。主要包括以下内容：在已有通用变频器的拓扑结构的基础上，分析了通用变频器的工作原理，以及基本控制方式。以TI公司生产的TMS320F2812作为核心，设计了通用变频器的硬件电路，其中包括信号采集电路、驱动电路、电源电路、保护电路。在对通用变频器的几种控制算法进行分析的基

2、础上，在MATLAB/Simulink软真环境下，建立了通用变频器的电路仿真模型。在此基础上，应用恒压频比的控制算法实现了通用变频器电路仿真。仿真结果表明，本文所研究的通用变频器能够达到所设计的预期目标。关键词：通用变频器；恒压频比控制；仿真；DSPDesign of 15kW InverterAbstractIn the actual VVVF systems, AC variable speed control system has gradually grown into the mainstream instead of DC drive system. So far, Inverte

3、r has been widely used in all walks of industries, automatic development of production process and saves a great deal of energy and accelerates the improvement of technology. So it with great realistic significance to launch researches on inverter and technologies related to it.Constant Proportion o

4、f Voltage to Frequency is the most widely used ways in all inverter, inverter using this way cost less and control simply. This paper integrates the most lately research results on the inverter system and, on this basis, launches some theoretical study and practical application. Generally, the paper

5、 including five parts with details as following:Complete the frequency controller hardware designation. Hardware side, finish the design and build the frame the hardware, conclude rectifying section, filtering part, inverter part, protection circuit, driving circuit, detection circuit. Introduce the

6、 control algorithm of AC speed regulating system, common algorithm conclude constant pressure frequency , vector, direct torque etc. The paper studies the SPWM technology and general analysis to the result of the matlab emulator to VVVF, and details the current waveform, and launches theoretical stu

7、dy.Keywords：Inverter; Asynchronous machine; Simulink; DSP目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 论文研究意义11.2 国内外发展现状21.3 论文的主要工作4第2章 通用变频器的结构及工作原理52.1 通用变频器的基本结构52.1.1 电流型变频器62.1.2 电压型变频器72.2 通用变频器工作原理72.3 本章小结10第3章 通用变频器的硬件电路和软件设计113.1 通用变频器设计指标113.2 控制器的选型123.3 硬件系统总体设计133.4 主电路设计133.4.1 信号采集电路的设计143.4.2 电压隔离采样电

8、路设计143.4.3 驱动电路的设计163.4.4 电源电路的设计173.4.5 检测和保护电路的设计173.4.6 电源监控电路173.4.7 IGBT温度监测电路183.4.8 母线电流和转矩检测电路193.5 软件结构193.6 本章小结21第4章 通用变频器控制算法研究224.1 转差频率控制224.2 空间矢量控制224.2.1 SVPWM 的基本原理224.2.2 SVPWM 的软件实现254.3 直接转矩控制254.4 本章小结28第5章 通用变频器建模及仿真分析295.1 通用变频器的建模295.1.1 系统仿真的运用295.1.2 MATLAB简介295.1.3 仿真电路设计

9、305.2 变频调速的仿真结果分析325.3 本章小结39总结40致谢42附录A43附录B5062第1章 绪论1.1 论文研究意义直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。直流电动机虽然有调速性能好的优越，但也有一些难于克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。其主要缺点是：1.维修工作量大，事故率高；2.容量、电压、电流和转速上限值，均受到换向条件的制约，在一些大容量、特大容量的调速领域中无法应用；3.使用环境受到限制，特别是在易燃易爆场合难于应用。而交流调速有一些固有的优点：1.容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电

10、动机那样受到限制；2.结构简单、造价低；3.坚固耐用，事故率低，容易维护。它的最大缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。随着交流电动机调速的随着交流调速的理论问题的突破和调速装置（主要是变频器）性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服。工业应用最广的电机为交流电机，交流电机应用范围之广主要因为其拥有其他电机不可比拟的优势，其主要特点是价格低廉便于维修等。要想实现交流电机调速就首先需要知道交流电动机是如何获得转速的，只有在对转速有一定的认识的基础上，才能够对异步电机的速度调节方式进行合理的选择。常见的异步电机主要有两种形式分别是鼠笼与绕线型电机，转速公式如下： (1-1)式中，

11、p电机磁极对数；f供电工频；s电机转差率。从上式可以看出电机转速与供电频率、电机磁极极对数和电机转速转差率有关，可以通过如下三种方法实现调节：改变供电频率，变换电动机磁极极对数，此外还可以通过调整实际转速与同步转速差值与同步转速比值即电机转速转差率。通过以上方法完全可以完成转速变换。虽然上述方法可以实现转速变化，但也受到一定程度的限制，其中就可以分为有极调速与无极调速两种调速方式，比较典型的有极调速如变换电机磁极极对数，其速度变化只能是有极调速即速度不可能平滑调节，只能根据磁极极对数变换为几组固定的速度值，虽然从公式上可以理解为只要磁极极对数足够多，速度就可以实现无极变速，但受电机结构限制，磁

12、极对数不宜过多，故常将其视为有极变速类型。无极调速的主要含义是速度可以实现平滑调节不存在速度跳跃变化，其中变化电机转速转差率的方法虽然可以实现无极变速但其速度变换的代价是昂贵的，其变换过程需要消耗能量，所以经过上述分析可以显示出变换供电电源频率实现速度调节是更为合理的方法，变换供电电源频率大部分需要通过变频器来实现，尤其是对于工业应用广泛的交流电机，能够对其实现稳定经济的速度调节将会提高生产效率等，所以变频调速将会得到更广泛的应用1。电动机作为主要的动力设备而广泛的应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等个个方面，电动机负荷约占总发电量的70%，成为用电量最多的电气设备，电动机的调速性能如何对

13、提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。本文针对工业中应用最多的异步电机变频调速进行研究具有重大意义，主要体现在如下3个方面：1.实时控制的重要性。实际生产过程中，要满足不同的工况，要求电机的转速能够对负载实现快速的响应，以保证企业生产效率的高效。2.控制精度的重要性。采用以 DSP 为核心的数字控制系统比传统的模拟控制系统控制精度高。3.电能利用率的重要性。采用优化的控制算法，可以保证电压利用率，减少谐波成分及开关损耗，提高电能利用率，达到节能环保的要求。综上所述，对于异步电机的变频调速的研究符合高性能、高效率、绿色化的要求，具有重大的研究意义2。1.2 国内外发展现状早

14、期通用变频器如东芝TOSVERT130系列、FUJIFVRG5P5系列、SANKEN、SVF系列等大多数为开环恒压比（V /f =常数）的控制方式其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵调速场合。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电磁转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降、稳定性变差等。对变频器 V /f 控制系统的改造主要经历了三个阶段3。第一阶段：1. 八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或称磁通轨迹法）。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的。2.

15、 引入频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差 。3. 基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流,由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对性能的影响。4. 将输出电压、电流进行闭环控制，可以实现快速的加减速。然而，在上述四种方法中，由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。第二阶段：矢量控制，也称磁场定向控制。矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果。此外它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配备转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。第三阶段：直接转矩控制。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数