本科毕业设计(多级变频调节)附件(含任务书、开题报告、文献综述、外文译文).doc
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1、本科学生毕业设计(论文)本科学生毕业设计(论文)附件重庆大学本科学生毕业设计附件:目录I目目录录任务书.1文献综述.4开题报告.13译文.17译文原文重庆大学本科学生毕业设计(论文)附件 A:任务书1附件 A重庆大学本科学生毕业设计(论文)重庆大学本科学生毕业设计(论文)任任务务书书设计(论文)题目变频多级调速运动控制实验模型开发学院自动化学院专业自动化专业学 生 姓名冯世成指导教师姓名、职称林景栋副教授助理指导教师姓名、职称何安国高级工程师下 发 日期2006年3月18 日教务处重庆大学本科学生毕业设计(论文)附件 A:任务书2设计(论文)的主要内容与要求:主要包括系统设计、组态,系统接线图
2、、PLC 编程调试、实现网络的单机控制和多机控制,交流调速运动控制实验模型的箱体及面板设计;电机负载调节的机械结构设计;PowerFlex40 变频器实验研究;电机二线控制和三线控制的七段速度调节控制电路设计;实验箱体结构设计;控制电路原理图、接线图、系统安装图设计。完成实验指导书。用 AB 变频器,实现二线控制和三线控制的远地七段速度调节,以及负载大小的调节,完成变频多级调速运动控制实验模型一台。并完成相应的实验指导书。进度安排序号设计(论文)工作进度日期(起止周数)1检索相关资料,学习变频调速方面的知识,完成开题报告、翻译和文献综述13 周2学习电力电子技术、变频调速技术、PowerFle
3、x70 变频器的使用及安装注意事项47 周3设计控制电路,分析调速原理及控制方法89 周4进行硬件电路的制作及相关试验1013 周5通过硬件电路实验,完成控制系统的稳定性分析并且安装实物1415 周6完成毕业设计论文16 周重庆大学本科学生毕业设计(论文)附件 A:任务书3主要参考文献:1.满永奎 韩安荣 吴成东 编著通用变频器及其应用 机械工业出版社1998 年2.苏玉刚 电力电子技术 重庆大学出版社3.佟纯厚 主编 近代交流调速 冶金工业出版社 1992 年4.王占奎等编 变频调速应用百例 科学出版社 1999 年5.刘宗富等编写 现代电力电子器件与交流传动 1990 年6.张承慧,杜春水
4、,马永庆.变频调速及其控制技术的现状与发展趋势.变频器世界,20001.12同组设计(论文)者:系负责人意见:签字:年月日学院负责人意见:签字:年月日学生签字:接受任务时间:年月日注:任务书由指导教师填写。重庆大学本科学生毕业设计附件 B:文献综述4附件 B重庆大学本科学生毕业设计(论文)重庆大学本科学生毕业设计(论文)文献综述文献综述题目变频多级调速运动控制实验模型开发学生姓名冯世成学号20024125指导教师评语:指导教师评定成绩签字:交叉评阅教师评语:交叉评阅教师评定成绩签字:教务处重庆大学本科学生毕业设计附件 B:文献综述5文献综述:多级变频调速的研究1.引言:直流电机有其致命弱点体积
5、大、安装拆卸不方便、故障率高、抗干扰能力差等,随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展,变频调速除节电外,还有增产、降耗、优质的效果。由于它具有体积小、重量轻、精度高、通用性强、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便等优点,深受使用人员欢迎,变频调速确是节能、降耗、优质、高产的理想设备,是迈入 21 世纪的首要的传动技术,利国利民变频调速技术已被广泛的应用到电机控制领域。1.1 直流电机缺陷(1)直流电机体积大,安装拆卸不方便,(2)直流电机故障率高,电刷与换向器间容易产生接触不良,电刷磨损较快,电枢容易短路,维修麻烦,费用高,(3)直流调速板可靠性不太好,由于工作环境比较恶劣,
6、水潮气容易使直流电机接地短路,使电机或调速板烧坏,调速板维修又特别困难,(4)直流调速系统性能差,调速比小,特别是在低速运行时,满足不了一定的转矩。(5)调速系统抗干扰性差,直流调速板附近如果有电磁干扰,调速板就不能正常工作。2.变频调速技术的发展回顾随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展,变频调速技术已被广泛的应用到电机控制领域。功率器件的更新换代促使了电力变换技术的不断发展。从 20 世纪 60 年代后期开始,电力电子器件经历了从 SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)到今天的 IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的转变过程。与此同时,变频调
7、速控制技术也发生了由 VVVF 变频、矢量控制变频到直接转矩控制变频的转变过程。20 世纪 70 年代,脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速的研究引起了人们的高度重视。20 世纪 80 年代,作为变频技术核心的 PWM 模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。欧、美、日等发达国家的 VVVF 变频器已投入市场并广泛应用。VVVF 变频器的控制相对简单,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较小,受定子电阻压降的影响比较显著,故造成输出最大转矩重庆大学本科学
8、生毕业设计附件 B:文献综述6减小。另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,因此,人们又研究出矢量控制变频调速。矢量控制变频调速的实现方法为:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流 Ia、Ib、Ic 通过三相二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1、Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1、It1。其中 Im1 相当于直流电动机的励磁电流;It1 相当于与转矩成正比的电枢电流。然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的提出具有划时代的
9、意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。1985 年,德国鲁尔大学的 DePenbrock 教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制方法的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算
10、;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流回路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交-交变频应运而生。由于矩阵式交-交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为 l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。2.1 变频器的构成异步电机的变频调速是通过变频器实现的。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以
11、及控制器(MCU/DSP)等部分组成。图 1 给出了 PWM 型交-直-交变频器的控制原理框图。PWM 型交-直-交变频器原理框图由图 1 可知,这是一个 VVVF 变频调速系统。首先是将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后形成幅值基本稳定的直流电压加在逆变器上,利用逆变器功率元件的通断控制,使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里,重庆大学本科学生毕业设计附件 B:文献综述7通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值;通过改变调制周期控制其输出频率,从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制,而满足变频调速对 U/f 的协调控制的要求。PWM 的优点是能消除与抑制低次谐波,使负载电机
12、在近似正弦波的交变电压下运行,转矩脉动小,调速范围宽。近年来,带驱动和保护电路的各种智能功率模块(IPM)也相继应用在变频系统中。IPM 模块是将三相逆变 IGBT、驱动电路以及保护电路集成在一块芯片上,它的出现推动了变频家电市场的启动和发展。新型 IPM 模块甚至将开关电源也设计在模块内,更加方便用户使用,用户只需要了解接口电路和定义,很快便可以组成并运行系统,从而大大加快了新产品的开发周期。2.2 变频调速基本原理三相异步电动机的转速公式为:n=n1(1-s)=60f(1-s)/p(1)式中:n 电机的转速,r/minn1 同步转速,r/minp 磁极对数s 转差率,%f 频率,Hz由转速
13、公式(1)可知,我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。前两种方法转差损耗大,效率低,对电机特性都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中,从高速到低速可以保持有限的转差率,因而具有高效、调速范围宽(10%100%)和精度高等性能,节电效果 20%30%。实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。因为由异步电机的电势公式可知,外加电压近似与频率和磁通乘积成正比,即:UE=C1f(2)式(2)中,C1 为常数,因此有:E/fU/f(3)若外加电压不变,则磁通随频率而改变,如频率 f 下降,磁通会增加,造成磁路
14、过饱和,励磁电流增加,功率因数下降,铁心和线圈过热,显然这是不允许的。为此,要在降频的同时还要降压,这就要求频率与电压协调控制。此外,在许多场合,为了保持在调速时,电机产生最大转矩不变,需要维持磁通不变,这可由频率和电压协调控制来实现,故称为可变频率可变电压调速(VVVF),简称变频调速。重庆大学本科学生毕业设计附件 B:文献综述8从结构上看,静止变频调速装置可分为交-直-交变频、交-交变频两种方式。前者适用于高速小容量电机,后者适用于低速大容量拖动系统。只要设法改变三相交流电动机的供电频率 f,就可以十分方便地改变电机的转速 n,比改变极对数p 和转差率 s 两个参数简单得多。特别是近二十多
15、年来,静态电力变频调速器突飞猛进的发展,使得三相交流电机变频调速成为当前电机调速的主流。2.3 交流变频调速的优异特性(1)调速时平滑性好,效率高。低速时,特性静关率较高,相对稳定性好。(2)调速范围较大,精度高。(3)起动电流低,对系统及电网无冲击,节电效果明显。(4)变频器体积小,便于安装、调试、维修简便。(5)易于实现过程自动化。(6)必须有专用的变频电源,目前造价较高。(7)在恒转矩调速时,低速段电动机的过载能力大为降低。2.4 与其它调速方法的比较交流电动机的调速方法有三种:变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中,变频调速最具优势。这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。在
16、直流调速系统中,由于直流电动机具有电刷和整流子,因而必须对其进行检查,电机安装环境受到限制。例如:不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。此外,也限制了电机向高转速、大容量发展。而交流电机就不存在这些问题,主要表现为以下几点:第一,直流电机的单机容量一般为 12-14MW,还常制成双电枢形式,而交流电机单机容量却可以数倍于它。第二,直流电机由于受换向限制,其电枢电压最高只能做到一千多伏,而交流电机可做到 6-10kV。第三,直流电机受换向器部分机械强度的约束,其额定转速随电机额定功率而减小,一般仅为每分钟数百转到一千多转,而交流电机的达到每分钟数千转。第四,直流电机的体积、重量、价格要比同等容量的
17、交流电机大。最后,特别要指出的是交流调速系统在节约能源方面有着很大的优势。一方面,交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以上的比重,这类负荷实现节能,可以获得十分可观的节电效益。另一方面,交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中,选用电机时往往留有一定余量,电机又不总是在最大负荷情况下运行;如果利用变频调速技术,轻载时,通过对电机转速进行控制,就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等,其用电量约占工业用电量的 50%;如果采用变频调速技术,既可大大提高其效率,又可减少 10%的电能消耗。2.5 变频器容量的确定重庆大学本科学生毕业设计附件 B:文献综述9变频调速是通过
18、变频器来实现的,对于变频器的容量确定至关重要。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验,比较简便的方法有三种:(1)电机实际功率确定发 首先测定电机的实际功率,以此来选用变频器的容量。(2)公式法 设安全系数取 1.05,则变频器的容量 Pb 为 Pb=1.05Pm/hmcosy(kW)式中,Pm 为电机负载;hm 为电机功率。计算出 Pb 后,按变频器产品目录可选出具体规格。In 为第 n 台电动机的额定电流,n 为电机的台数。在任何情况下,都不能在连续使用时超过额定电流 I。(3)电机额定电流法变频器 变频器容量选定过程,实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程,最常见、也
19、较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率,但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少,通常都是设备所选能力偏大,而实际需要的能力小,因此按电机的实际功率选择变频器是合理的,避免选用的变频器过大,使投资增大。虽然变频调速有诸多优点,但也有其不利因素,主要问题是电流中含高次谐波较多,除对电网有污染外,也使电机自身增加损耗,引起电机发热。再有,变频器价格贵、投资回收器长、技术复杂、尤其在实现闭环自动控制时,还需进行技术处理。此外,不是任何情况下变频器都节电,如果电机负载变化不大,或深井泵配有水塔,节电、节水效果都不大,就不宜使用变频调速。2.6 合理应用交流变频调速技术在工业发达国已
20、得到广泛应用。美国有 60%-65%的发电量用于电机驱动,由于有效地利用了变频调速技术,仅工业传动用电就节约了 15%-20%的电量。采用变频调速,一是根据要求调速用,二是节能。它主要基于下面几个因素:(1)变频调速系统自身损耗小,工作效率高。(2)电机总是保持在低转差率运行状态,减小转子损耗。(3)可实现软启、制动功能,减小启动电流冲击。在采用变频调速时,需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。如果仅从工艺要求、节约效益考虑,下面几种情况选用变频调速较有利:重庆大学本科学生毕业设计附件 B:文献综述10根据工艺要求,生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如:包装机传送系统
21、,根据不同品种的产品,需要改变系统传送速度,使用变频调速可使调速控制系统结构简单,控制准确,并易于实现程序控制。用变频调速代替机械变速。如:机床,不仅可以省去复杂的齿轮变速箱,还能提高精度、满足程序控制要求。用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。例如:锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制,不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门(或挡风板),而且使得整个锅炉锅炉控制系统得到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。3.变频调速应用实例下面以台达 VFD007A21A 在立式钢球光球机上的应用为例来具体说明:1 电路设计料盘调速控制电路如下:2 参数设置
22、(1)负载特性:恒转矩(2)最低频率:3HZ(3)最高频率:50HZ(4)电机停车方式:减速停车(5)加速时间:4S(6)减速时间:4S(7)运转指令来源:外部端子控制(8)电机额定电流选择:73%重庆大学本科学生毕业设计附件 B:文献综述113 设计说明(1)由于使用了交流电机,交流电机本身风扇与电机同轴,当频率降低时,风扇速度也会降低,不利于电机的散热,所以我们把交流电机风扇拆掉,此后面家加一个轴流风机来强制冷却。(行距問題)(2)由于选用了单相变频器,输入电压为单相 220V,输出电压最大为三相220V,功率在 4Kw 以下的普通电机出厂时为星形接法(额定电压为 380V),需改接成三角
23、形接法(额定电压为 220V)。(3)利用变频器异常接点来控制整个机床电气控制回路,当变频器出现故障后,整机停车报警。4 变频器出现问题的一些对策5 应用效果(1)调速范围更宽,是原来直流调速系统的 2.3 倍,以适应不同企业不同的工艺。(2)在整个调速范围内 保证电机恒转矩,避免了料盘出现爬行现象,保证进球均匀,提高了球的质量。(3)系统稳定可靠,降低了维修费用,提高了效益。(4)还有节能效果。参考文献:1.满永奎 韩安荣 吴成东 编著通用变频器及其应用 机械工业出版社 1998年2.苏玉刚 电力电子技术 重庆大学出版社3.佟纯厚 主编 近代交流调速 冶金工业出版社 1992 年4.王占奎等
24、编 变频调速应用百例 科学出版社 1999 年5.刘宗富等编写 现代电力电子器件与交流传动 1990 年6.张承慧、杜春水、马永庆.变频调速及其控制技术的现状与发展趋势.变频器世界,20001.127.FanLiao,JiSheng,ThonasA.Lipo.ANewEnergyRecoverySchemeforDoublyFed,8.程全征.通用变频器能量控制系统.硕士学位论文,济南:山东工业大学,19989.王艳秋,曹勇.AC/DC/AC 变频调速器 PWM 技术的比较研究与发展.变频器世界,2001,5(11)重庆大学本科学生毕业设计附件 B:文献综述1210.KeijuMatsui,U
25、itoMizunoandYoshihiroMurai.ImprovedPowerRegenerativeControlsbyUsingThyristorRectifierBridgeofVoltageSourceInverterandaSwitchingTransistor.IEEETrans.Ind.Applicat.,Vol.28,No.5,199211.丁道宏.电力电子技术.北京:航空工业出版社,199212.CSchauder.ARegenerativeTwo-QuadrantConverterforDc-linkVoltageSourceInverters.IEEE-LAS.ANN.
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