闭式功率流变速器试验台控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)

闭式功率流变速器试验台控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

由式（ )可知，影响电动机转速的因素有 :电动机的磁极对数 P、转差率 S和电源频率 f。 其中 ,改变电源频率来实现交流异歩电动机调速的方法效果最理想，这就是所谓变频调速。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 主电路和逆变电路的工作原理 变频凋速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。 能实现这一功能的装置称为变频器。 变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交─直─交方式， 即先将交流电转变成直流电（整流、滤波）再将直流电转变成频率可调的矩形波交流电（逆变）。 图 是主电路的原理图。 它是变频器常用的最基本的格式。 图 变频器主电路图 主电路各元件的功能 主电路中各元件功能如下： (1) 交─直电路 整流管 D1～ D6 组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流，整流后的直流电压为： U＝ 179。 380V＝ 513V。 滤波电容 Cr滤除整流后的电压波形，并在负载变化时保持电压平稳。 当变频器通电时，瞬时冲击电流较大 ,为了保护电路元件，加限流电阻 Ra。 延时一段时间后，通过控制电路使开关 JK 闭合，将限流电阻短路。 电源指示灯 LP 除了指示电源通断外，还可以在电源断开时作为滤波电容 Cr 放电通路和指示。 滤波电容 Cr 容量通常很大。 所以放电的时间较长 (数分钟），几百伏的高电压会威胁人员安全，因此，在维修时 ,要等指示灯熄灭后进行。 Rc 是制动电阻。 电动机在制动过程中处于发电状态，由于电路是处在断开情况下，增加的电能无处释放 .使电路电压不断升高，将会损坏电路元件。 所以，应给一个放电通路 ,使这部分再生电流消耗在电阻 Rc 上。 制动时 .通过控制电路使开关管 Tc 导通，形成放电通路。 (2)直 ─ 交电路 逆变开关管 T1～ T6组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的矩形波交流电。 逆变管可以选择绝缘栅双极晶体管 IGBT、功率场效应管 MOSFEI。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 续流二极管 D7～ D12 的作用是：当逆变开关管由通状态变为截止时，虽然电压突变降为零 .但由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放 ,续流二极管提供通道，维持电流继续在线圈中流动。 另外 .当电动机制动时，续流二极管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源： 电阻 R1～ R电容 C1～ C二极管 D13～ D18 组成的缓冲电路，来保护逆变开关管。 由于开关管在开通和关断时要受集电极电流 Ic和集电极与发射极间电压 VCE的冲击，如图 所示，因此要通过缓冲电路进行缓解。 当逆变开关管关断时， VCE迅速升高， Ic 迅速降低，过髙增长率的电压对逆变开关管造成危害，所以通过在逆变开关管两端并联电容 C1～ C6 来减小电压增长率，当逆变开关管开通时， VCE迅速降低，而 Ic则迅速升高，并联在逆变开关管两端的电容 C1～ C6由于电压降低，将通过逆变开关管放电，这将加速电流 Ic 的增长率，造成逆变开关管的损坏。 所以增加电阻 R1～ R6 限制电容的放电电流。 可是当逆变开关管关断时，该电阻又会阻止电容的充电，为了解决这个矛盾，在电阻两端并联二极管 D13～ D18，使电容在充电时 .避开电阻 ,通过二极管充电，在放电时，通过电阻放电，实现缓冲功能。 图 这种缓冲电路的缺点是增加了损耗，所以它只适用于中小功率变频器。 (a) 开关管开通波形 (b) 开关管关断波形 图 开关管开通与关断波形 缓冲电路还有其他形式，图 给出了另外 3种形式，其中图 (a〕是交叉式缓冲电路、它避开了图 所示的缓冲电路的缺点 .适用于中大功率变频器；图 (b)是为了吸收高于直流电压的电压尖峰而设计的，适用于小功率变器； （ c）是在逆变开关管前面串联一个 di/dt 抑制电路 .使缓冲效果更好。 三相逆变桥的工作原理 三相逆变桥的电路简图如图 （ a）所示，图中 R、 Y、 B为逆变桥的输出。 （ b）是各逆变管的时序 ,其中深色部分表示逆变管导通。 从图 (b)可以看出，每一 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 (a) (b) (c) 图 缓冲电路 时刻总有 3只逆变管导通，另 3只逆变管关断。 并且， T1 与 T T2与 T T3 与 T6 每对逆变管不能同时导通。 在 t1 时间段， T T T5 这 3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 R 到 Y和从 B 到 Y(设从 R 到 Y、从 Y 到 B、从 B 到 R 为正方向，下同〕，得到线电压为 URY 和－ UYB。 在 t2 时间段， T T T6 这 3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 R 到 Y从 R到 B，得到线电压为 URY 和－ UBR。 在 t3 时间段， T T T6 这 3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 Y 到 R和从 Y 到 B，得到线电压为－ UBR 和 UYB。 在 t4 时间段， T T T6 这 3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 Y 到 R 和从 Y 到 B，得到线电压为－ URY 和 UYR。 在 t5 时间段， T T T4 这 3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 Y 到 R 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 （ a）电路简图 （ b）逆变管通断时序 图 三相逆变桥工作原理 和从 B 到 R，得到线电压为－ URY 和 UBR。 在 t6 时间段， T T T5 这 3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 B 到 R和从 B 到 Y，得到线电压为 UBR 和－ UYB。 线电压 URY、 UYB、 UBR 的波形见图。 从图中可以看出，三者之间互差 120o，它们的幅值是 U。 因此，只要按图 （ b）的规律控制 6只逆变管的导通和关断，就可以把直流电逆变成矩形波三相交流电；而矩形波三相交流电的频率可在逆变时受到控制。 变频与变压 根据电机学理论，交流异步电动机的定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，其有效值可由下式计算 E＝ KfΦ () 式中 K── 与电动机结构有关的常数； f── 电源频率； Φ──磁通。 而在电源一侧，电源电压的平衡方程式为 U=E+Ir+jIx () 该式表示 .加在电机绕组端的电源电压一部分产牛感应电动势，另一部分消耗在阻抗（线圈电阻 r和漏电感 x）上。 其中定子电流 I＝ I1＋ I2 () T4 T1 T2 T5 T6 T3 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 图 逆变输出线电压波形 分成两部分：少部分（ I1）用于建立主磁场磁通 Φ ，大部分（ I2）用于产生电磁力带动机械负载。 当交流异步电动机进行变频调速时，例如频率 f 下降 ,则由式（ 〕可得 E 降低；在电源电压 U 不变的情况下，根据式 (），定子电流 I 将增加。 此时，如果外负载不变时， I2不变，由式 ()可知， I的增加将使 I1增加，也就是使磁通量 Φ 增加；根据式（ ）， Φ 的增加又使 E增加，达到一个新的平衡点。 理论上这种新的平衡对机械特性影响不大；但实际上，由于电动机的磁通容量与电动机的铁芯大小有关，通常在设计时已达到最大容量，因此，当磁通量增加时，将产生磁饱和，造成实际磁通量增加不上去，产生电流波形畸变 ,削弱电磁力矩，影响机械特性。 为了解决机械特性下降的问题，一种解决方案是设法维持磁通量恒定不变，即设法使 E/f=KΦ= 常数 () 黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 这就要求，当电动机凋速改变电源频率 f 时， E也应该作相应的变化 ,来维持它们的比值不变。 但实际上， E的大小无法进行控制。 由于在阻抗上产生的压降相对于加在绕组端的电源电压 U很小，如果略去的话，则式 ()可简化成 U≈ E () 这说明可以用加在绕组端的电源电压 U来近似地代替 E。 调节电压 U，使其跟随频率 f的变化，从而达到使磁通量恒定不变的目的，即 E/f≈ U/f=KΦ= 常数 () 所以在变频的同时也要变压，这就是所谓 VVVF。 如果频率从 f 调到 fx，则电压 U 也要调到 Ux。 用频率调节比 Kf表示频率的变化，用电压调节比 Ku表示电压的变化，则它们分别可表示为 Kf=fx/fn () Ku=Ux/Un () 式中 fn── 电动机的额定频率； Un── 电动机的额定电压。 要使磁通量保持近似恒定 ,就要使 Ku=Kf () 图 含用等宽载波的脉宽调制波形 黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 为此，可采用脉 宽调制信号（ PWM）来同时满足调频时调压，含用等宽载波的脉宽调制波形如图。 如图所示，脉冲的宽度为 t1，相邻脉冲的间隔为 t2,t1+t2=T2(脉冲波周期 )，则等宽脉冲的占空比α为 α＝211tt t () 调节占空比 α就可以调节输出的平均电压，调节 PWM 的频率 1/T1 就可以改变电源的频率，实现调整，通过控制电路就可以容易的实现对脉冲的占空比和频率分别进行调节。 电机的运转时间原理 要实现电机的运转时间用单片机很易做到，但本设计采用上下位机的结构，故用上位机来控制会更简单，在 VB 参数输入界面中设置一定时器， VB 中自带一定时器Timer，但只能定时约一分钟，先将 Timer 的 Interval 属性设为 60000（即为 1分钟），每次在进入中断时，让 自加一，这样就能实现任意分钟的定时，在时间到了预定时间时，触发一信号，再将此信号通过串口发送 到单片机，单片机收到信号后便停止工作。 电机的转向控制原理 在上位机中的 VB 界面中设置一对 Option，一为正向，一为反向，当选中正向时让变量 change 为 1，当选中反向时让 change 为 2，将此信号送入单片机后，再由单片机将正反信号通过 I/O 口送入变频器的正反转输入端 UI，让变频器控制电机运转的正反向。 本章小结 本章分别从电机的转速控制、电机的运转时间和电机的转向三个方面阐述了闭式功率流变速器实验台控制系统的工作原理，其中电机的转速控制是本设计的控制主要工作，因此本章结合变频器主电路图的工作原理较详细的说明了其控制方案，同时也从总体上阐述了电机的运转时间控制和转向控制的原理。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 16 第 3 章 变速器试验台控制系统硬件部分设计 硬件的选择 由于此实验台的物理结构已由上届学长们做出，在此只选择控制部分的硬件，包括电动机的选择、单片机的选择、变频器的选择、转矩传感器的选择、转速传感器的选择、显示电路的选择以及 PC 机的 选择。 电动机的选择 此实验台的物理结构简图。 图 实验台的物理结构简图 根据能量守恒可得下式： 4453211  TT  () 477444  TT  () 262611112671098677  TTT  () 1515141312111111  TT  () 191920181716151515  TT  () 222222191919  TT  () 24242725262623212222  TTT  () 由由公式（ ）～ ()得出： 黑龙江工程学院本科生毕业设计 17 23212022191886574321272518112321202219262624241)( iiiiTTT () 又∵ 14  () 2624   () 7474 i () 267267 i () ∴ 26774241  ii。