【蓄电池电机车变频调速系统设计与应用研究4700字（论文）】

蓄电池电机车变频调速系统设计与应用研究目录TOC\o"1-3"\h\u2962引言 121764第1章变频调速 1156351.1变频调速的原理 143281.2变频调速的优势 29681第2章调速系统设计 2226672.1变频器类型选择 2173892.2主电路设计 3317882.2.1中间滤波电路 4251732.2.2缓冲电路 472342.3DSP控制电路设计 4287872.4检测电路设计 5226332.4.1电流检测电路 5295972.4.2转速检测电路 726283第3章实验装置的仿真与结果 7178393.1实验装置仿真 7116613.2实验结果 87908第4章结论 1026875参考文献 11引言蓄电池电机车广泛应用在农业和矿业生产中，当前蓄电池电机车常用的两种调速方式为电枢回路串电阻方式和直流斩波调速。这两种调速方式各有优点，但是也存在一些明显的缺点，如可靠性较低、能耗较高等。随着新型电力电子设备的迅速兴起，交流调速技术在20世纪80年代得到发展。随着当今社会科技的发展，变频器驱动的电机车在应用中逐渐展现出了优势，利用变频器，可以有限减少电机车的能量损耗，可以生产效率和电机车的可靠性。通过对交流调速技术的不断研究和改进，本世纪为满足高性能，环保和节能要求，异步电动机交流调速系统逐步取代传统直流电，具有显着优势的是速度控制系统，交流变频调速技术的优点主要体现在两个方面。一节电显著，另一个是出色的速度调节性能。本文以基于DSP的变频调速系统的设计为题目，阐述了异步电机变频调速的基本原理，进行硬件设计和软件设计。第1章变频调速1.1变频调速的原理变频调速的调速方式就是通过改变发电机的供电频率，其原理就是利用电动机的同步转速随频率变化的特性，从变频调速的特性曲线可以看出来，我们想要对发动机的同步转速做出改变，只需要对发动机的电源频率做出改变就可以了，发动机转速在一个大范围内连续变化。具有调频特性的任何转速段的硬度均接近自然机械性能，良好的调速性能；如果有变频电源，这样的调速方式可以适用于笼式电动机，因此应用广泛。当使用异步电机开始变频调速的时候，若输入端是电压和频率都能够进行调节的交流源，便可以得到理想的控制效果。这时依靠电力电子器件的功率变换器，即变频器便可获得电压电流均可调的交流电源。其中涉及到脉冲宽度调制技术，又称交流PWM变频技术，这也是当今变频器用得最多的控制技术。1.2变频调速的优势交流调速的制动性能强，效率较高，功率因数高以及良好的节能，应用广泛等诸多优点被国内外广泛认可，具有很好的发展前景。这与当前集成电路的快速发展有很大的关系。电动机的交流调速逐渐代替了电动机的直流调速。1、调速功率高，变频调速的特点是在频率变化后，电动机仍在该频率的同步转速邻近运转，基本上坚持额外转差率，转差丢失不添加。变频调速时的丢失，只是在变频设备中发作的变流丢失，以及因为高次谐波的影响，使电动机的损耗有所添加，相应功率有所降低。所以变频调速是一种高效调速方法。2、调速规模宽，通常可达10颐1（50耀5Hz）或20颐1（50耀2.5Hz）。并在全部调速规模内均具有较高的调速设备功率浊V。所以变频调速方法适用于调速规模宽，且经常处于低转速状态下运转的负载。3、必要时，变频设备能够退出运转，改由电网直接供电。这关于泵或风机的安全经济运转是很有利的。如果变频设备发作毛病，就退出运转，不影响泵与风机的持续运转；又如在挨近额外频率（50Hz）规模作业时，由变频设备调速的经济性并不高，变频设备可退出运转，由电网直接供电，改用节省等惯例的调理方法。4、变频设备能够兼作软起动设备，通过变频器可将电动机从零速起动连续滑润直至全速运转。变频软起动是现在最佳的软起动方法，变频器是现在最佳的软起动设备。第2章调速系统设计2.1变频器类型选择变频器分为交-直-交变频器和交交变频器两种。前者具有的特点：在直流侧并联滤波电容缓冲无功功率，直流电源阻抗小；二极管不控整流，调频和调压由逆变器完成；功率因数高，调节速度快；输出电压和电流波形接近正弦波。虽然大功率交-交变频器应用广，但因其功率因数低，谐波大，输出频率低，使用元件多使其应用受到了限制。而交-直-交变频器使用元件少，控制简单，所以本课题中主电路采用交-直-交电压源型变频器。2.2主电路设计调速系统主电路采用交-直-交电压型变频器，其结构如图4-3所示，由三相桥式不控整流电路对工频交流电进行整流，经电容滤波后提供给逆变电路，由逆变电路将整流电路输出的直流电转换成电压幅值和频率都可调节的交流电。这里主电路设计主要包括变压器、整流电路、中间滤波电路、逆变电路、缓冲电路等的设计。本系统中三相异步电机的主要参数为Pn=750W，Un=220V，IN=2A，nN=1390r/min。图1电压型交-直-交变频主电路2.2.1中间滤波电路这里滤波电路采用电容滤波，其作用为减小逆变器输出电压脉动，得到较为平稳的输出电压。同时还可吸收电子电路工作过程中产生的电流波动和经由交流电源串入的干扰，使得电子电路的工作性能更加稳定。若主电路中没有滤波电容，则整流电路的输出平均电压为：1.35×220=297V。加上滤波电容后，若电容值足够大，则直流电压可达输出交流线电压的峰值。Ud=kx√2UL=k×311Vk为考虑功率器件开关损耗等而引入的裕量系数，-般取k=1.5~2。这里Ud取为600V。2.2.2缓冲电路缓冲电路一般可以分成关断，开通，复合缓冲电路三种，其组成原件一般有电阻，电容，电感和二极管。关断缓冲电路一般用于抑制器件上的过电压，开通缓冲电路一般用于抑制器件上的过电流，而本设计中的缓冲电路需要对电压进行限制，故选用了关断缓冲电路。由前段所述，在IGBT的两端并联上关断缓冲电路可以有效防止电压过冲从而保护IGBT。而关断缓冲电路又可以分成RC和RCD两种形式，如图2所示，因为阻容端电压不能突变，所以IGBT的端电压也不能过冲。而且串联电阻Rs还能起到防止器件因过电流被损坏的作用。图2基本缓冲电路2.3DSP控制电路设计DSP芯片是一-种数字信号处理器，是一-种高速专用微处理器，具有强大的计算能力，可以实行高速输入与高速传输数据。DSP数据与程序在独立的哈佛结构中，特别设置了乘法累加器结构，非常多运使用于流水线操作，提供特殊的DSP指令，可使用于实行各种数字信号处理算法。系统控制电路以TMS320LF2407A型16位定点DSP芯片为核心，由于该芯片引脚多，封装较小难以焊接。该EVM板主要包括：(1)TMS320LF2407A主控芯片，PGA封装；(2)外部存储器扩展电路，使用的SRAM芯片为CY7C1021；(3)电源部分：2407A芯片工作电压为3.3V，所有这里采用+5V到+3.3V的电压转换芯片TPS7333来给DSP供电；(4)晶振电路：采用15M的晶振，通过对DSP内部倍频系数的设置可实现所需的执行指令的速度；(5)发光二极管以及方便外部扩展的2407A芯片引脚的引出端。2407A芯片负责采样电机各相电流，计算电机转速和位置，并运用矢量控制算法得到SVPWM控制信号，经过光耦隔离电路后，驱动逆变器功率开关器件。图3电源转换电路2.4检测电路设计2.4.1电流检测电路系统采用转速/电流双闭环的矢量控制，需要三相定子电流ia，ig，ic的值进行坐标变换来获得电流环的反馈值ial，iql，另外检测出的三相定子电流还要用于给过流保护电路提供电流信号。电流检测里检测元件有电流互感器，分流器，霍尔电流传感器，其中霍尔电流传感器原理图如图4所示。霍尔电流传感器有如下几个优点：高灵敏度、温度变化大时也有较好的稳定性、很好的抗干扰性、优秀的高频特性、低功耗等。图4霍尔传感器原理图由于TMS320LF2407A芯片允许的输入电压信号范围是0~3.3V，而三相定子电流为交流信号，交流电压信号必须经过信号调理变成单极性的0~3.3V的电压信号后才能送给2407A芯片。采用的霍尔电流传感器为LA28-NP，其电源电压为土15V，原边电流测量范围为-36A~+36A，输出额定电流有效值为25mA。定子电流检测电路如图4所示。霍尔传感器在电气（机电）方面具备很好的性能，是一个尖端的电气检验元器件，它能阻隔主电路和辅助电路。它结合了仪用变压器，分流器的优势，使用相同的检验元器件，能够一起检验DC和AC，以及瞬时峰值的大小，它是替代仪用变压器和分流器的新器件。霍尔传感器拥有几个优点：（1）无论是什么样子的和波形都可以测量。霍尔传感器元件能测出每一个波形的和参数，如DC，AC波形。还能测得瞬时峰值的数值。（2）精确程度比较高。霍尔传感器元件在运行区域的精确程度大于1%，能够检测每一种波形。（3）良好的动态特性。霍尔元器件的动态反应所需要的时间不超过1μs，追踪的速度不低头于50；然而普通的仪用变压器的动态反应所需要的时间大约为15μs.补偿传感器元件常见的有这三种类型：CHB-×p，CHB-S和LA-××p，这三种都是电流当作输出时的信号。根据所用电压的数值在M端子和电源接地之间外部联接一个采样电阻(通常为数十到数百欧姆)。图5定子电流检测图图5中，取样电阻R1把定子电流转换为电压信号，经过了由R2，C1构成的一阶低通滤波电路滤除了高次谐波到由R3，R4，运放A1构成的电压跟随器。再经过由R5~R8，运放A2构成的电平抬升电路，把一1.65V~+1.65V的交流电压变换为0~3.3V的单极性电压信号，送入DSP的ADCIN1引脚进行AD转换。而硅二极管D1，D2，电源WCC起到保护作用，防止送入TMS320LF2407A芯片的电压信号超过3.3V造成DSP芯片的损坏。2.4.2转速检测电路体系统控制电路中存在转速环，电流环和闭环，即根据反馈控制思想分别对转速，转子电流和定子侧功率因数进行闭环控制，因此需要定时检测转速来给转速环提供反馈值。所以测速是电机调速系统的重要环节，故检测转速越准确，调速系统的性能越好。M法和T法作为两种基本测速法，其中M法是把脉冲数作为频率，但单位测量时间的开始和结束存在半个脉冲，误差便可能有两个脉冲。而当所测速度较低时，误差比也会变大，故M测速法更适合于高速测量。而T法则是将相邻脉冲的间隔时间视作周期，于是可得频率。同样因为半个单位时间问题，误差也可能存在一个单位时间差。当所测速度较高时，误差比也会变大，所以T测速法适合于低速测量。图6转速检测电路第3章实验装置的仿真与结果3.1实验装置仿真按照前文所述，在对原理图进行绘制的基本上设置了系统的PCB图，得出了硬件印刷电路板，并焊接调试完成了系统的硬件平台，系统的硬件电路印刷板如图7与8所示，图7包括了系统调试用仿真器、DSP最小系统、主电路、控制与驱动电路、电源电路以及除电流采样电路以外的其他电路。图8是电流信号采样与处理硬件电路板。图7矢量控制系统硬件电路板图8电流信号采集与处理硬件电路板3.2实验结果上面电机与磁粉制动器系统为负载，本次对该矢量控制系统进行了实验，得出了系统给定输出频率为20Hz时测量的波形。图9给出了交流电机的相电流波形图。图10与11给出了示波器在500us/div与50us/div时同--桥臂上下两个开关管的驱动波形PWM7、PWM8。从图中可以明显看出系统的载波频率，PWM7、PWN8驱动电平及占空比的变化情况。图9相电流波形图10PWM7、PWM8引脚驱动输出波形(500us/div)图11PWM7、PWM8引脚驱动输出波形(50us/div)第4章结论蓄电池电机车为生产中的关键运输设备，伴随电力电子技术、控制器以及控制技术的发展，交流调速的采用了越来越非常多。随着现代电气控制技术的飞速发展，电机变频调速控制系统的更新换代也加速了进程，调速控制技术标准的更新和调速控制技术的日渐提高，蓄电池电机车的变频调速控制技术会朝着更加安全、可靠、高效的方向发展。

参考文献[1]刘宏伟.蓄电池电机车变频调速系统设计与应用[