1、毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 电机变频控制系统设计 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义： 自从发明了电，且电动机实用化之后，由于能源干净，使用方便，电动机给产业机械带来了革命，得以迅速发展与普及，并与控制理论结合起来，成为可变驱动的代表。在我国 60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到重视，加上近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术，长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。 1958 年美国 GE 公司开发成功的晶闸管，使电力电子技术行业开始发展，也带动了与其密切关系的变频器的发展，
2、而当快速晶闸管的出现，促进了变频器的实用化，为感应电动机的可变驱动打开了新门路。 GTO、 IGBT、功率 MOSFET 等高速器件的也逐渐开始了实用化，特别是 IGBT 适于高速开关，扮演了 PWM 控制变频器的主角。 随着功率器件的发展 ,国外的变频调速技术也高速发展，近年来高电压、大电流的SCR、 GTO、 IGBT、 IGCT 等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用 ,使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实；控制理论和微电子技 术的发展、矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础。基础工业和各种制造业的高速发达 ,变频器相关配套件社会化
3、、专业化生产。在大功率交 -交变频调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达 30000kW 的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电动机变频调速技术方面， 意大利 ABB 公司提供了单机容量为 60000kW 的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司 Simovert A电流型晶闸管变频调速设备单机容量为 10 2600kVA和 Simovert P GTO PWM 变频调速设备单机容量为 100 900kVA， 其控制系统已经实现数字化，用于电力机车、风机、水泵传动 ,在小功率交流变频调速技术方面，日本富士 BJT 变频器最大单机容量可达 700kVA，
4、 IGBT 变频器已经形成系列产品其控制系统也已经实现全数字化。 国内变频器的发展大致是这样的， 70 年代初国内出现了以晶闸管为器件组成的变流器， 80 年代出现了循环交流器供电的变频调速传动以及电压或电流型 6 脉冲逆变器供电的变频调速传动， 90 年代新型电力电子器件的出现， PWM 技术的交流调速技术的研制成功，出现了 BJT（ IGBT） PWM 逆变器供电的交流变频调速传动。国内变频调速技术水平较国际先进水平有不小的差距，国内在大功率交交、无换向器电动机等变频技术方面，只有少数科研单位有能力制造，在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距，而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运
5、行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬机方面有很大需求，在中小功率变频技术方面，国内学者作了大量的变频理论的基础研究，早在 80 年代，已成功引入矢量控制的理论，针对交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦和非线性解耦的方法，探讨交 流电机变频调速的控制策略，从事基于 DSP 的非线性解耦交流变频调速控制系统的研究，取得了一定的成果。 当然先进的控制技术的发展和实现是需要相应的硬件做基础的，即控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展自 1991 年 INTEL 公司推出 8X196MC 系列以来专门用于电动机控制的芯片在品种速度功能性价比等方面都有很大的发展，如美国德州仪
6、器的MS320C240DSP 及 TMS320LF24407 等都是颇具代表性的产品。在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础 ,融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论，为高性 能变频调速提供了理论基础， 16 位、 32 位高速微处理器以及信号处理器 (DSP)和专用集成电路 (ASIC)技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。 纵观我国变频调速技术的应用，总的说来走的是一个由试验到实用，由零星到大范围，由辅助系统到生产装置，由单纯考虑节能到全面改善工艺水平，由手动控制到自动控制，由低压中小容量到高压大容量。我国变频调速技术的应用已取得显著成绩，主要表现
7、在下面二个方面： (1)变频调速技术的应用范围已发展到新阶段，以石油、石化、冶金、机械等行业为例，都经过了单系统试用、 大量使用和整套装置系统使用 3 个发展阶段。 (2)变频调速技术已成为节约能源及提高产品质量的有效措施。 2004 年很多用户实践的结果证明节电率一般在 10% 30%，有的高达 40%，更重要的是生产中一些技术难点也得到解决。例如包钢 1150 轧机采用变频装置后，年平均事故时间达到工作时间的 0.1%以下，大幅度提高了产品质量和产量，且年节约电费约 50 万元。 变频器代表着电力电子技术，如果将电动机的功率技术、半导体器件的电力电子技术通过控制技术融合在一起，可以应对市场
8、的各种需求，并不断向前发展。 通过本开题报告来了解变频器 、 变频调速系统的发展和背景，来了解电机变频控制系统的原理和发展现状，再加上运用 DSP 等编程知识和 MODBUS 现场总线的通信方面知识的运用来控制 电机 的启停、加减速、正反转 等运行状态 。此次设计是大学毕业前的最后一次有针对性且有意义的设计，它能让我把理论和实践操作结合起来，让我把大学里所学的专业知识和本专业有关的选修的等理论知识综合运用起来来完成本课题的设计。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： （ 1）了解电机变频控制的发展现状； （ 2）理解变频控制器通信系统的组成结构和工作原理； （ 3）掌握 MODBUS 现场
9、总线的设计方法； （ 4）掌握 DSP 编程实现电机控制的方法； （ 5）完成系统的 DSP 硬件电路设计。 三、研究步骤、方法及措施： 本课题设计采用 DSP 编程等知识并运用 MODBUS 现场总线的设计方法来实现远程终端（ PC 机）与多个变频器的通信与控制功能，使 PC 机能远程控制电机运行状态。实现变频器控制电机的启停、加减速、旋转不同状态等功能并了解和掌握电机变频控制的知识。 首先，从国内外研究的动态和背 景依据来说明本课题的意义，通过了解变频器和变频调速控制技术的发展，来了解电机变频控制的现状；其次，根据电机变频控制系统的组成和原理来设计硬件电路；再次，通过 MODBUS 总线设
10、计的运用和 DSP 编程知识得调试和运用来实现最终的变频控制控制电机的状态运行；最后，加以整理总结论文。 四、参考文献： 1王树 .变频调速系统设 计与应用 M.北京 :机械工业出版社， 2005. 2薛晓明 .变频器技术与应用 M.北京 :北京理工大学出版社， 2009. 3姚锡禄 .变频器控制技术与应用 M.福建：福建科学技术出版社， 2005. 4冯垛生，张淼 .变频器的应用与维护 M.广州：华南理工大学出版社， 2001. 5江明，王伟 .变频调速技术的发展概况及趋势 J.安徽机电学院学报， 2002(17) :73 77. 6王太成 .变频调速技术的现状和发展 . J.山西建筑， 2
11、003(29):160 161. 7原魁，刘伟强，邹伟，朱海兵 .变频器基础及应用（第 2 版） M.北京：冶金工业出版社， 2005. 8赵相宾 ,年培新 .谈我国变频调速技术的发展及应用 J.电气传动， 2002(1):3 6. 9马小亮 .高性能变频调速及其典型控制系统 M.北京：机械工业出版社， 2010. 10丁斗章 .变频调速技术与系统应用 M.北京 :机械工业出版社， 2005. 11戴广平 .电动机变频器与电力拖动 M.北京 :中国石化出版社， 1999. 12吴守箴 ,臧英杰 .电气传动的脉宽调制控制技术 M.北京 :机械工业出版社 , 2004. 13陈国呈 . PWM 变
12、频调速技术 M.北京 :机械工业出版社 ,1998. 14姚天任，江太辉 .数字信号处理 M.武汉：华中科技大学出版社， 2000. 15 Vogelsberger,M.A;Grubic,S. S.;Habetler, T. G.;Wolbank, T. M. Using PWM-Induced Transient Excitation and Advanced Signal Processing for Zero-Speed Sensorless Control of AC MachinesJ. Industrial Electronics, IEEE Transactions on 2010(57): 365 374. 16 Alexa, Lazar. Optimization of PWM technique with partially constant modulating waves J. Electrical Engineering 2000(82): 263 272.
