1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化三相异步电动机通用变频器控制算法一、课题研究意义及现状（1）课题研究意义：变频调速的特点、优点：(1) 从基频向下调速，为恒转矩调地方式；从基频向上调速，近似为恒功率调速方式；(2) 调速范围大； (3) 转速稳定性好； (4) 运行时 s 小，效率高； (5) 频率 f 1 可以连续调节，变频调速为无级调速。 异步电动机变频调速具行很好的调速性能，可与直流电动机调速相媲美。 在石油石化行业，石油钻井中的钻机，生产现场的抽油机、风机、水泵、输油泵和泥浆泵等电机的运行都要消耗大量的电能，如何充分合理地利用电能显得非常重要。而采用变频调速技术后，节能效果非
2、常明显。新疆克拉玛依油田多处输油泵采用变频调速装置，如采油三厂在输油泵上应用一台变频器，运行后效果良好，经仪表测试，采用变频调速后，有功节电为 65.73%，无功节电为 78.79%，功率因数达到 0.99。据实际运行统计，变频调速输油节电率为 46.83%，316 天后可收回全部投资。湖南长岭炼油厂催化剂厂微球装置高压泵采用 100kVA 变频器后，输出功率由 18.6kW 降至 7.2kW，节电 61.3%3。在我国，异步电机的变频调速系统有巨大的市场潜能。（2）现状：变频凋速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。随着电力子技术的飞速发展，变频调速互相交流异步电动机的应
3、用越来越广泛。它已在诼步替代其它各种调速电动机，而变频调速i相异步电动机因其结构简单、制造方便、易于维护、性能良好、运行可靠等优点而在T业领域得到广泛应用 7。二、课题研究的主要内容和预期目标本次设计的主要内容如下：（1）三相异步电机变频调速的基本原理，推导通用变频器的控制算法。（2）通过学习 TMS320LF2406A 的基本理论，掌握控制软件编程的方法，设计出三相异步电机通用变频器的核心控制软件部分。掌握三相异步电机变频调速的核心控制算法。变频调速系统的关键，就是要设计一个合理的变频器，而它的核心就是变频调速系统的数字控制算法。变频器的数字控制器包括信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完
4、成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能。变频器数字控制系统的硬件部分，包括 CPU、接口电路及外围设备，其中 CPU 是系统的控制核心，它通过内部控制程序，对从输入接口输入的数据进行处理，完成控制计算等工作，通过输出接口电路向外围发出各种控制信号，外围设备除了检测元件和执行机构，还包括各种操作、显示以及通信设备。三、课题研究的方法及措施首先通过导师推荐的文献和自己找的相关文献了解课题的内容和基本要求，对课题有初步的了解。通过前人的资料和方法归纳总结出自己的算法。熟悉异步电机的变频调速原理：变频凋速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。随着电力子技术的飞速发展，变频调速
5、互相交流异步电动机的应用越来越广泛。它已在诼步替代其它各种调速电动机，而变频调速 i 相异步电动机因其结构简单、制造方便、易于维护、性能良好、运行可靠等优点而在 T 业领域得到广泛应用。分为基频以上调速和基频以下调速。通过 DSP 芯片对变频调速进行矢量控制：异步电机在三相静止坐标系下的数学模型很复杂，关键是由于其复杂的磁链关系。因此，要简化数学模型，必须通过坐标变换将异步电机的数学模型从三相静止坐标系上变换到两相同步旋转坐标系上。从三相静止坐标系（ABC 坐标系）到两相静止坐标系（0ab 坐标系）的变换称为 Clarke 变换，从两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系（OMT 坐标系）的变换称为
6、 Park 变换。矢量控制也叫磁场定向控制，通过坐标变换，在两相同步旋转坐标系上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量 ism 和产生转矩的转矩电流分量 ist，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样，交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了，这就是矢量控制的核心思想。最后进行论文的撰写和修改。四、课题研究进度计划毕业设计期限：自 2010 年 10 月 15 日至 2011 年 4 月 15 日。第一阶段（4 周）：分析任务，收集资料，完成开题报告、文献综述、外文翻译。第二阶段（6 周）：学习掌握 异步电机变频调速控制技术，撰写毕业论文。第三阶段（2 周）：论
7、文修改、准备答辩材料。五、参考文献1 陈伯时. 电力拖动自动控制系统-运动控制系统M.北京：机械工业出版社.2006，5.2 林瑞光. 电机与拖动基础M.杭州：浙江大学出版社.2005，8.3 杨有君. 数控技术M. 北京：机械工业出版社.2005，9.4 李华德交流调速控制系统M 北京：电子工业出版社 ，2006，3.5 张雄伟等.DSP 芯片原理与应用M.北京：机械工业出版社. 2007，5.6 Hisao Kubota ,Kouki Matsuse and Takayoshi Nakano. DSP-Based Speed Adaptive Flux Observer of Induct
8、ion MotorJ.IEEE.TRANS. on IA.2003,29(2).1阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京：机械工业出版社，2009，8.2张永利，李利.三相异步电动机变频调速的原理及发展J.黑龙江科技信息，2008，5：323张树国，李栋，胡竟。变频调速技术的原理及应用J.华北电力大学，2009，1，1，27（1）：83864 Three-phase Induction Motor VVVF briefly the working principle.2010.11.28 http:/ Gierri Waltrich， Ivo Barbi. Three-Phase Casc
9、aded Multilevel Inverter Using Power Cells With Two Inverter Legs in Series J.2010,5,7(8).10松柏.三相电动机修理自学指导M.北京：北京科学技术出版社，2007.毕业论文文献综述电气工程及自动化三相异步电动机的变频调速分析摘要：变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变他的同步转速的调速方法。本文首先从三相异步电动机变频调速的工作原理出发，讨论调速的本质；其次，以变频器为基础，讨论变频原理；最后结合三相异步电动机和变频器，讨论其变频调速的原理。关键词：三相异步电动机 变频器 变频调速 调速分析引言本文主
10、要通过介绍异步电动机的调速原理和变频器调速的原理，再通过结合以后，简单分析三相异步电动机的变频调速的原理，并对某些问题进行探讨和研究。异步电动机的调速在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等效电路来分析异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类 1。所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。三相交流电动机定子绕组中的i相交流电在定子隙圆周上产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速称同步转速，
11、记为n，实际电动机转速n要低于同步转速，故一般称这样的三相交流电动机为三相异步电动机 2。三相异步电动机的的几种常用调速方法有变频调速、变极调速、串电阻调速、串级调速、变压调速等等，各有各的特点和各自的适用场合。变频器的调速原理自上世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度控制领域中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。变频技术具有调速性能好、功率因数高、可实现软启动等优点，这些优点使变频器在实际应用中具有显著的节能效果。变频调速是目前交流电动机最理想、最节能的调速方案 3。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器
12、主要采用交直 交方式（VVVF变频或矢量控制变频） ，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率 4。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的的，当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，
13、使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用N表示：N=60fp (1)式中：f为三相交流电源频率，一般为50Hz：P为磁极对数。当p=1时，N=3000rlmin：P=2时，N=1500rmin。由式(1)可知磁极对数P越多j转速N就会越慢。转子的实际转速n比磁场的同步转速Y要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率S表示：S=(nl11)n1100 (2)在加上电源转子尚未转动瞬间，n=O，这时s=1：启动后的极端情况n=N，则s=O，即S在0l之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=i6。综合式(1)和式(2)可以得出n=60f（1-S)p (3)由式(3)可以看出，对于成品电机，
14、其磁极对数P已经确定，转差率S变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节 5。三相异步电动机的变频调速原理异步电动机由于结构简单，价格低廉，无需经常性维护。运行可靠等一系列优点，在交流传动领域内得到了最广泛的应用 6。变频凋速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。随着电力子技术的飞速发展，变频调速互相交流异步电动机的应用越来越广泛。它已在诼步替代其它各种调速电动机，而变频调速i相异步电动机因其结构简
15、单、制造方便、易于维护、性能良好、运行可靠等优点而在T业领域得到广泛应用 7。由上述（3）式可得。异步电动机变频调速的控制方式基本有以下二种：一、电源频率低于工频范围调节，电源的工频频率在我国为50Hz。电机定子绕组内的感应电动势为E=4.44f lK1N1 (4)式中f l定子绕组中感应电动势的频率，与电源频率f相等，HzK1电机定子绕组的绕组系数，其值取决于绕组结构，K 11N1电机定子绕组每相串联的线圈匝数电机每极磁通定子电压U，与定子绕组感应电动势E的关系为U1=El+I1Z1 (5) 式中Z定子绕组每组阻抗I1定子绕组相电流若忽略定子压降I 1Z1,则U 1E=444f 1K1N1
16、(6)把该式整理成U 1=444f 1K1N1 (7)K=444K 1N1 (8)则=U 1/Kf1 (9)电动机的电磁转矩M与(U 1/f1)2成正比，若下调频率f 1同时也下调U 1，使(U 1/f1)比值保持恒量，则磁通由不变，肉此转矩也保持常值，此时电动机拖动负载的能力不发生改变，这种控制方式称为恒磁通调压调频调速，也叫恒转矩调速 8。二、基频以上调速。当电机的电压随着频率的增加而升高时，若电机的电压已达到电机的额定电压，继续增加电压有可能破坏电机的绝缘，因此，在电机达到额定电压后，即使频率增加，仍维持电机的电压不变。这样，电机所能输出的功率由电机的额定电压和额定电流的乘积所决定，而不
17、随频率的变化而变化。通用变频器对异步电机调速时，输出频率和电压是按一定规律改变的，在额定频率以下，变频器的输出电压随输出频率升高而升高 1。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图：一般认为，异步电动机在不同转速下允许长期运行的电流为额定电流，即能在允许温升下长期运行的电流，额定电流不变时，电动机允许输出的转矩将随磁通变化。在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式；在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，输出功率基本不变，属于“近似的恒功率调速”方式。存在的问题变频器在运行过程中，由于内部的相控整流和不可控二极管整流，使输入电流波形发生
18、严重畸变，不但大大降低了系统的功率因数，还引起严重的高次谐波污染。另外，在使用过程中由于电流和电压的急剧变化，会给周围的其他电子设备造成严重的电磁干扰 9。常见故障分析1) 过流故障：过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。 2) 过载故障：过载故障包括变频过载和电机过载。可能是加速时间太短，电网电压太低、负载过重等原因引起的。可通过延长加速时间、
19、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。3) 欠压：说明变频器电源输入部分有问题，需检查后才可以运行 10。结束语异步电动机的调速方法多种多样，而变频调速由于调速范围广，力能指标好，性能优良等优点，是其中应运相当广泛的一种 。随着当今社会的数字化、智能化、网络化的发展，变频器在电动机的交流调速中将得到广泛的应用。参考文献1阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京：机械工业出版社，2009，8.2张永利，李利.三相异步电动机变频调速的原理及发展J.黑龙江科技信息，
20、2008，5：323张树国，李栋，胡竟。变频调速技术的原理及应用J.华北电力大学，2009，1，1，27（1）：83864 Three-phase Induction Motor VVVF briefly the working principle.2010.11.28 http:/ Gierri Waltrich， Ivo Barbi. Three-Phase Cascaded Multilevel Inverter Using Power Cells With Two Inverter Legs in Series J.2010,5,7(8).10松柏.三相电动机修理自学指导M.北京：北京科学技术出版社，2007.9毕业设计（20_ _届）三相异步电动机通用变频器控制算法
