工礦電機車專用變頻器的設(shè)計開題報告.doc
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畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 題 目: 工礦電機車專用變頻器的設(shè)計 學 院: 電氣信息學院 專 業(yè): 電氣工程及其自動 學生姓名: 陳學磊 學 號: 201001019118 指導老師: 楊青 2014 年 3 月 15 日 開題報告填寫要求 1.開題報告(含“文獻綜述”)作為畢業(yè)設(shè)計(論文)答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下,由學生在畢業(yè)設(shè)計(論文)工作前期內(nèi)完成,經(jīng)指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效。 2.開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按此電子文檔標準格式(可從教務處網(wǎng)頁上下載)打印,禁止打印在其它紙上后剪貼,完成后應及時交給指導教師簽署意見。 3.“文獻綜述”應按論文的格式成文,并直接書寫(或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi),學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于10篇(不包括辭典、手冊),其中至少應包括1篇外文資料;對于重要的參考文獻應附原件復印件,作為附件裝訂在開題報告的最后。 4.統(tǒng)一用A4紙,并裝訂單獨成冊,隨《畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書》等資料裝入文件袋中。 畢 業(yè) 設(shè) 計(論 文)開 題 報 告 1.文獻綜述:結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(論文)課題情況,根據(jù)所查閱的文獻資料,每人撰寫2500字以上的文獻綜述,文后應列出所查閱的文獻資料。 文獻綜述 1 前言 隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展,城市建設(shè)發(fā)展十分迅速,同時礦用電機車作為礦產(chǎn)資源開發(fā)的主要運輸設(shè)備,其可靠性和節(jié)能性在某種程度上對礦產(chǎn)資源的開發(fā)效率起著關(guān)鍵性作用。目前,我國礦機車的牽引源主要是直流傳動。由于直流電動機造價高、可靠性低、換向器易磨損,維修周期長,而且,啟動、制動、調(diào)速系統(tǒng)均采用直流電阻直接控制,能耗大。 長期以來,工礦電機車內(nèi)都存在這許多問題。例如:網(wǎng)壓波動范圍一直持續(xù)比較大;直流電源的質(zhì)量不斷下降;不斷自動啟動暫停;頻繁掉電;以及交流變頻技術(shù)人才的缺失等等。這直接導致了牽引電氣設(shè)備分會所屬的企業(yè)減少了對產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)的投入,從而使十分適應工礦電機車的專用變頻器一直處于不斷摸索的階段,而并沒有實質(zhì)性的發(fā)展。面對我國煤炭、金屬等工礦事業(yè)的告訴發(fā)展,性能落后的直流傳動技術(shù),已經(jīng)遠遠不能滿足企業(yè)的需要。因此,將礦用電機車的直流電機調(diào)速系統(tǒng)改造為交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)勢在必行。 本文針對工礦電機車的牽引運行特點,采用U/f控制模式,結(jié)合空間矢量調(diào)制(SUM)算法,設(shè)計了一套基于數(shù)字信號處理器(DSP)的三相異步電機變壓變頻(VVVF)交流變頻調(diào)速方案。本文詳細的介紹了交流調(diào)速的基本原理,闡述了七段式SVM算法的核心,提出了一種優(yōu)化的總線鉗位SVM(BCSVM)控制算法,推到了SPWM算法和SVM算法的區(qū)別,分析了死區(qū)效應對逆變器輸出電壓的影響,并給出了死區(qū)補償方案。在硬件設(shè)計方面,以IT公司的TMS320F2812為核心,設(shè)計了變頻調(diào)速系統(tǒng)的逆變電路、保護電路以及控制電路。在軟件設(shè)計方面,采用32位定點C語言編程方法,編寫了變頻調(diào)速系統(tǒng)的模塊化程序。 2 發(fā)展歷程概述 在當前全球經(jīng)濟高速發(fā)展的過程中,有兩條顯著的相互交織的主線:能源和環(huán)境,而能源的緊張,而能源的緊張,直接制約了經(jīng)濟的增長。因此,對能源的有限利用在我國已經(jīng)迫在眉睫尤其是作為能耗大戶的電機在節(jié)能方面更是有潛力可挖。 七十年代以后,基于電力電子技術(shù)的交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)取得了很大的發(fā)展。一方面,功率半導體器件的制造技術(shù)、基于電力電子電路的電力轉(zhuǎn)化技術(shù)以及微型計算機和大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)的發(fā)展,使各種電力電子裝置的體積縮小、效率提高;另一方面,交流調(diào)速具有優(yōu)良的調(diào)速、啟動、制動性能,較高的效率、功率因數(shù)和顯著節(jié)能的特點,被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防軍事裝備等領(lǐng)域,并且占據(jù)了主導地位。 近年來,交流變頻技術(shù)在國內(nèi)各個行業(yè)中都取得了極大的普及和充分的使用。并且獲得了不容小覷的市場效益和社會效益。在交流變頻技術(shù)方面,國內(nèi)技術(shù)人才的不斷增加,給交流變頻技術(shù)在工礦電機車上的應用提供了充足的人才資源。人才資源得到了滿足,技術(shù)支撐同時可以得到鞏固。 近年來,國內(nèi)經(jīng)濟迅猛發(fā)展,采掘機械化也在不斷的進步優(yōu)化?,F(xiàn)在,小噸位的電機車已經(jīng)不能單獨礦區(qū)運輸任務。因此,電機車要發(fā)展,必然朝著重型、大型、高速和全自動化、免關(guān)鍵部件維護化、機車結(jié)果模塊化以及微機控制交流傳動這些方面不斷前進。 這是因為如此,現(xiàn)在國內(nèi)多數(shù)企業(yè)都決定加大交流變頻技術(shù)在電機車的應用研究,并且已經(jīng)有了一部分已經(jīng)獲得成功。 3 電力電子器件的現(xiàn)狀與發(fā)展 電力電子器件是電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。它主要包括不可控器件、半控型器件和全控型器件。 半控型器件包括晶閘管(SCR)及其派生器件。1958年,SCR的問世標志著電力電子技術(shù)的開端。隨后,雙極性半控器件相繼出現(xiàn),而且其電壓電流額定值不斷提高,特別是70年代NTD硅單晶的試驗成功,使得器件的電壓電流頻率等額定值達到很高水平。目前,晶閘管主要應用于電氣傳動以及感應加熱和靜止無功功率補償?shù)阮I(lǐng)域;特別是在大功率的AC-DC變換裝置中,由于SCR在電流過零時關(guān)斷不會產(chǎn)生大的關(guān)斷損耗,因此SCR具有較大的優(yōu)越性。但SCR不能用門級關(guān)斷,需要繁瑣而復雜的輔助開關(guān)電路,使SCR難以在逆變器中使用。 全控型器件包括絕緣柵極晶體管(IGBT)、場效應管(MOSFET)、大功率晶體管(GTR)、門級可關(guān)斷晶體管(GTO)。GTO和GTR的出現(xiàn)彌補了SCR難以關(guān)斷的缺點,同時,GTO具有SCR高耐壓的特點。GTR是一種電流控制的雙機雙結(jié)功率半導體器件,與GTO相比,GTR的耐壓值低,工作電流小。20世紀80年代出現(xiàn)的絕緣柵極晶體管(IGBT)是MOSFET和GTR復合形成的,除具有功率MOSFET的電壓型驅(qū)動、驅(qū)動功率小的特點,同時具有GTR飽和壓降低和可耐高壓和大電流的優(yōu)點。 MOSFET、IGBT等均是電壓控制型器件,可用一些專業(yè)的高壓集成電路直接控制,甚至可以把主器件和控制保護電路等做在一個芯片或器件中,大大的促進了高壓集成電路和智能功率集成電路的發(fā)展,使得電力電子技術(shù)產(chǎn)生了新的飛躍。 4 變頻調(diào)速系統(tǒng)原理 VFFF變頻器的控制比較簡單。其特點是,機械特性的硬度很好,并且能夠達到正常的傳動平滑的調(diào)速要求。不過們這種控制方式正在低頻時,就會引發(fā)一些問題。這是因為輸出的電壓比較小并且受到定子電阻壓降的影響非常明顯,所以導致成最大輸出轉(zhuǎn)矩的減少。除此之外,相比于直流電動機,它的機械特性相對較差。動態(tài)轉(zhuǎn)矩的能力和靜態(tài)調(diào)速性能也令人擔憂?;谝陨涎芯?,相關(guān)工作人員又提出了矢量控制和變頻調(diào)速。 矢量控制變頻調(diào)速方式的提出對于工礦電機車具有里程碑式的意義。但是在實際應用中,它的控制效果難以達到理想的分析效果。這是因為轉(zhuǎn)子磁鏈很難準確觀測,而且電機車參數(shù)對其系統(tǒng)的影響也很大。因此,在等效直流電動機控制過程中,所用的矢量旋轉(zhuǎn)變換就比較復雜,所以,實際的控制效果就沒有預期中那么好。 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù),是在1985年,由德國教授首次提出來的。直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)在很多方面解決了矢量控制技術(shù)的存在的問題。并且它憑借極其新穎的控制思想和方便簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),以及良好的動靜態(tài)性能,得到了飛速的發(fā)展。到目前為止,此項技術(shù)已經(jīng)非常成功的運用在電機車牽引大功率的交流傳動上面了。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是指直接在定子坐標系下,對交流電動機的數(shù)學模型進行分析,以此控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它既不需要把交流電動機變?yōu)榈刃У闹绷麟妱訖C,也不需要去模仿直流電動機的控制。因此,它可以省去矢量旋轉(zhuǎn)變換中許多復雜計算,并且也不需要為簡化交流電動機的數(shù)學模型。 5 交流電機的調(diào)速控制技術(shù) U/f控制是基于在改變電流頻率進行調(diào)速的同時,保證電動機的磁通不變的思想上提出來的,其主要目的是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性。根據(jù)電機學的理論,交流異步電機定子繞組的感應電動勢是轉(zhuǎn)子繞組切割氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的結(jié)果。電機進行頻繁變速時,在U不變的情況下,如果f下降,Φ將增加,而Φ的增加會造成磁飽和,造成實際磁通增不上去,電流不行產(chǎn)生畸變,削弱了電磁轉(zhuǎn)矩,從而影響機械特性。因此,為了保證Φ的恒定,在改變f的同時改變U。U/f控制一般采用開環(huán)控制,故不能達到較高的控制性能,而在低頻時,必須進行轉(zhuǎn)矩補償,以改善低轉(zhuǎn)矩的特性。此方式的特點是調(diào)節(jié)工作容易,控制電路簡單、成本低、機械特性好。 矢量控制的實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機,分別對速度、磁場進行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)矩磁鏈,以轉(zhuǎn)子磁通定向,然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量,經(jīng)左邊變換,實現(xiàn)正交或解耦控制。然而在實際應用中轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測,系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大,且在等效直流電動機控制過程中所用的矢量旋轉(zhuǎn)變換較為復雜,故使得實際的控制效果難以達到理想的分析效果。這種控制方式雖然調(diào)速范圍寬、啟動轉(zhuǎn)矩大、工作可靠及操作方便,但計算比較復雜,一般需要專門的處理器來計算,因此實用性不是太理想,控制精度也受到計算精度的影響。 在20實際80年代中期,德國教授提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。其思路是把電動機和逆變器統(tǒng)稱為一個整體,利用空間矢量、定子磁場定向分析的方法,直接在定子坐標系中分析異步電動機的數(shù)學模型,計算與控制異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩,采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器,將轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩額定值相比較,使轉(zhuǎn)矩的波動控制在一定范圍內(nèi)。直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩相應快以及參數(shù)性能好的特點,但它是建立在單一矢量、轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)的控制基礎(chǔ)之上的控制方法,不可避免的造成了低速下開關(guān)頻率低、開關(guān)頻率不固定以及轉(zhuǎn)矩脈動大等特點,限制了直接轉(zhuǎn)矩在低速區(qū)的應用。 U/f控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等方式的共同缺點是輸入功率因數(shù)低,諧波電流大,直流回路需要大的儲能電容,再生能量又不能反饋電網(wǎng),即不能進行四象限運行。為此,矩陣式交-交變頻方式應運而生。由于該方式省去了中間直流環(huán)節(jié),從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為1,輸入電流為正弦且能四象限運行,系統(tǒng)的功率密度大。矩陣式交-交方式實質(zhì)上不是簡單的控制電流、磁鏈等量,而是把轉(zhuǎn)矩直接變成被控量來實現(xiàn)的。目前此技術(shù)尚未成熟,仍吸引眾多學者深入研究。 6 交流電機的調(diào)速控制技術(shù) 目前國內(nèi)礦山電機車運行環(huán)境比較惡劣,直流網(wǎng)壓波動大,架線路高低不平,致使電弓脫落頻繁;鐵軌鋪設(shè)欠平整,軌道交線出電纜連接不好,甚至未接,致使回饋電阻增大,遠離變電站的地方電壓遠遠偏低,最低不到額定值的60%,并且無電區(qū)多。尤其是井下,電機車啟動制動頻繁,且連續(xù)超載嚴重。以上環(huán)境都對電氣傳動系統(tǒng)提出了特殊要求,系統(tǒng)過載能力強,啟動力矩大,相應快,對瞬時跳弓,電網(wǎng)電壓波動較大有較強的自適應能力。 本課題通過對目前交流調(diào)速系統(tǒng)的分析,結(jié)合工礦電機車的工作環(huán)境,基于TI公司新推出的DSP芯片TMS320F2812,設(shè)計開發(fā)了一套可有效解決礦井頻繁掉電和電網(wǎng)電壓波動較大等實際問題的電機車變頻調(diào)速系統(tǒng)。圍繞該系統(tǒng)的性能,本文詳細討論了硬件設(shè)計方案和軟件設(shè)計流程。 參考文獻 [1] 劉新輝,李克瑜.直流架線式工礦用軌道維護車電氣系統(tǒng)的設(shè)計與應用.蘭州高等??茖W校學報,2005. 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