异步电机变频调速系统设计_开题报告

近年来，交流调速在国内外发展十分迅速，打破了过去直流拖动在调速领域中的统治地位。交流拖动已进入了与直流拖动相媲美、相竞争、相抗衡的时代，并有取而代之的趋势，这是现代电力拖动技术发展的主要特征，其主要原因有电力电子技术的不断发展、电机控制理论和控制策略的不断完善以及全数字化高性能微处理器技术的不断更新等。

（1）电力电子技术的革新为变频调速技术提供了发展平台

由于交流电机的诸多优点，其调速系统早就得到了人们的关注，早期的交流电机调速方法，如绕线式异步电机的转子串电阻调速、鼠笼式异步电机的变极调速、定子绕组串电抗器调速等方式都存在效率低、不经济等缺点[2]。交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就已被人们所认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于投资大，效率低，体积大而未能推广。20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等优点，从而使得交流电机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电机调压调速、串级调速等调速系统。

到20世纪70年代出现了变频调速技术，变频调速具有高效率、高精度和宽范围等特点，是目前运用最广泛且最具有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类也很多，从早期提出的电压源型变频调速开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频调速控制系统。目前变频调速的主要方案有脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）变频调速、矢量控制（Field Oriented Control，简称FOC）变频调速和直接转矩控制（Direct Torque Control，简称DTC）变频调速等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。

随着电力电子技术的发展，特别是门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）以及MOS控制晶闸管（MCT）等具有自关断能力的全控型功率元件的发展，变频装置的快速性、可靠性及经济性得到不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。

（2）控制理论和控制策略的完善为变频调速技术提升了发展空间

现代化的电机控制系统的核心技术是如何控制功率开关元件的开关状态，控制方式依据控制理论的不同而不同。交流调速中采用的SPWM(正弦波PWM)、SVPWM(电压空间矢量PWM)以及矢量控制、直接转矩控制等技术，其最终目的都是产生一系列幅值不同脉宽不同的脉冲列来控制电机的运行[3]。

在交流电机变频调速中应用最为广泛的是PWM控制。可以说PWM控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式来完成的，尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，花样更是不断翻新。从最初追求的正弦电压波形，到正弦电流波形，再到圆形磁场；从效率最优，到转矩脉动最小，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和完善的过程。

20世纪70年代西德的F.Blasschke等人首先提出矢量控制理论，其目的是把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制，通过坐标变换重建异步电机的数学模型，可以使得异步电机等效于直流电机，从而像控制直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。

1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论。与矢量控制不同的是，直接转矩控制摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，而是简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并与给定值比较得出偏差值，实现磁链和转矩的直接控制。

近年来，智能控制研究很活跃。典型的如模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制。由于智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性，因而许多学者将智能控制方法引入到电机控制系统的研究中。比较成熟的是模糊控制，它具有不依赖被控对象精确的数学模型，能克服非线性因素的影响，对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性等优点。模糊控制已在交、直流调速系统和伺服系统中取得了满意的效果。它的典型应用有：用于电机速度控制的模糊控制器；模糊逻辑在电机模型及参数辨识中的应用；基于模糊逻辑的异步电动机效率优化控制；基于模糊逻辑的智能逆变器的研究等[4]。近年来已有一些文献探讨将神经网络或专家系统引入到异步电动机的直接转矩控制系统中。有专家预测，智能控制将在今后的电机控制领域内占据主导地位。

（3）数字化高性能微处理器的应用为变频调速技术提高了发展速度

随着计算机技术和电力电子器件制造技术的不断发展，新型电路变换器的不断出现，现代控制理论向交流调速领域的不断渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。单片机在交流调速系统中已经得到了广泛的应用。例如由Intel公司开发生产的MCS-96系列的8×196KB、8×196KC、8×196MC等型号的单片机，在通用开环交流调速系统中应用较多[5]。

由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂，控制系统的软件化对CPU芯片提出了更高的要求，为了实现高性能的交流调速，要进行矢量的坐标变换、磁通矢量的在线计算和外环控制的在线实时调节等，都需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。因此，DSP芯片在高性能交流调速系统中找到大展身手的舞台，如TI公司的TMS320LF2407A和TMS320C2812就是两块用于电机控制的高性能DSP芯片。由于高性能微处理器的应用，各种总线也在电机控制领域内扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。可以预见，随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快，交流调速系统的性能将得到很大的提高。

从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10～15年，就目前而言，尽管变频调速系统的研发在国内比较活跃，但是市场上的绝大部分产品还是被国外产品所占据。

二、^范文提纲

一、前言

（一）设计目的和意义

（二）设计主要内容

二、系统设计步骤

（一）PLC与变频器接线

（二）I/O分配表

（三）变频器的基本知识

（五）异步电动机变频调速系统真值表

三、变频器设置

（一）变频器的设定方法

（二）变频器操作面板的说明

四、变频器接线图

（一）主电路接线方法

（二）控制电路接线方法

（三）PLC接线图

五、实验结果

六、结论

参考文献

三、参考文献

[1]郭天祥.51单片机C语言教程[M].电子工业出版社，2009.1

[2]李飞，郑郁正.单片机原理及应用技术[M].西安电子科技大学出版社，2007.12 [3]钱明华.变频调速技术及应用[J].电气牵引，2011年第2期

[4]张国文，秦银山，吕玉祥.变频调速系统Matlab仿真及硬件实现[J].科学技术与工程，2011年7月第20期

[5]周海军.变频世界[J].中国计算机用户，2013年9月.

[6]安达.变频调速系统电动机的选用原则[J].内蒙古石油化工，2012年第9期 [7]谢瑶.单片机控制的变频调速系统[J].武汉海阔 科技有限公司，2011年5期 [8]刁亮、朱景伟.基于单片机的异步电动机变频调速系统[J].电机技术，2012年02期

[9]林程森、王中帅.基于单片机控制的变频调速系统[J].科技应用，2011年5期

[10]黄灿胜，杨秀增.基于单片机实现SPWM变频调速系统设计[J].钦州学院学报，2010年6月第3期

[11]高金旺.交流异步电动机变压变频调速系统设计与仿真[J].机械设备，2011年5期

[12]杨玉杰,汪仁先.基于MATLAB的SVPWM变频调速系统的仿真[J].鞍山钢铁学院学报.2012(04) 

[13]谭茀娃,金如麟.展望变频调速及其控制技术的前景[J].电气时代.2012(08)