小功率变频器设计开题报告 杨帆.doc

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1、 湖南工程学院应用技术学院毕业设计(论文)开题报告学生姓名： 杨帆 学 号： 200713010105 专 业： 电气工程及其自动化 设计(论文)题目： 小功率变频器设计 指导教师： 李春菊 2011年 2 月 15 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3“文献综述”应按

2、论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。4统一用A4纸，并装订单独成册，随毕业设计（论文）说明书等资料装入文件袋中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。文献综述电动机作为主要的动力设备广泛的应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面，其耗电约占总发电量的60%-70%。电动机按照供电电源的不

3、同，分为直流电动机和交流电动机。由这两种电动机作为动力源的传动系统，先后诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，并成为动力机械的主要驱动装置。由于技术上的原因，在很长一段时间内，占整个电力拖动系统80%左右的不变拖动系统中采用的是交流电动机，而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机。但是，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点：1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短；2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；3）结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点：1）结构坚固，工作可

4、靠，易于维护保养；2）不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。因此，很久以来，人们希望在很多场合能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作。随着交流电动机调速的理论问题的突破和调速装置性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服。目前交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流系统。在电气调速传动领域内，由直流电动机占统治地位的局面已经收到了猛烈的冲击。目前，从数百瓦级的家用电器到数千瓦级乃至数万瓦级的调速传动装置，可以说无所不包的都可以用交流调速传动

5、方式来实现。交流调速传动的应用范围己经从最初的只能用风机、泵类的调速过渡到要求具有高精度、快响应等高性能指标的调速控制。从性能价格比的角度看，交流调速装置已经优于直流调速装置。在经过大约30年的发展后，交流调速电气传动己经上升为电气调速传动的主流。现在人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。随着电子控制器和电力电子技术的快速发展，相应的自动控制策略也有了长足的发展，除变频器以外的另一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，虽然仍在特定场合有一定的应用，但由于其性能较差，终将会被调频调速所取代。交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅

6、速，和一些关键性技术的突破性进展有关。在变换器的PWM控制技术方便提出了SPWM（正弦波PWM）、SVPWM(空间电压矢量PWM)方式以及各种相应的优化PWM方式。同时在控制理论上提出一系列新的控制方法使得交流调速系统不断显示出本身的优越性和巨大的社会效益，所以使得变频器交流电动机调速系统具有越来越旺盛的生命力。交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。变频调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。变频调速理论已形成较为完整的科学体系，成为一门相对独

7、立的学科。20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代。最初的交流变频调速理论诞生于20世纪20年代，直到60年代，由于电力电子器件的发展，才促进了变频调速技术向实用方向发展。70年代席卷工业发达国家的石油危机，促使他们投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频器，使变频调速技术有了很大发展并得到推广应用。80年代，变频调速已产品化，性能也不断提高，发挥了交流调速的优越性，广泛地应用于工业各部门，并且部分取代了直流调速。进入90年代，由于新型电力电子器件如IGBT（绝缘栅双极型晶体管InsolatedGateBipolarTransistor）、IGCT（集成门极换流型晶闸管Inte

8、gratedGateCommutatedThyristor）等的发展及性能的提高、计算机技术的发展，如由16位机发展到32位机以及DSP（数字信号处理器DigitalSignalProcessor）的诞生和发展（如磁场定向矢量控制、直接转矩控制）等原因，极大地提高了变频调速的技术性能，促进了变频调速技术的发展，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其它常规交流调速方式，其性能指标亦已超过了直流调速系统，达到取代直流调速系统的地步。变频调速技术的现状具有以下特点1）在功率器件方面，近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT

9、、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。2）在微电子技术方面，16位、32位高速微处理器以及DSP和ASIC（专用集成电路Application Specific IC）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。3）在控制理论方面，矢量控制、磁通控制、转矩控制、智能控制等新的控制理论为研制高性能变频器的发展提供了相关理论基础。4）在产品化生产方面，基础工业和各种制造业的高速发展，促进了变频器相关配套件的社会化、专业化生产。变频调速系统按控制方式分类，已成熟应用的控制方式有：恒压频比控制、磁场定向控制(矢量控制)和直接转矩

10、控制。保持磁通恒定的变压变频(VVVF)控制是较早应用的变频控制方案，现在WVF控制仍广泛应用在低成本、性能要求较低的场合，如风机、泵类等负载拖动。九十年代以后，交流变频凋速技术进入相对成熟的发展阶段，变频调速发展呈现多元化的特点。首先，变频调速系统的控制方案不断完善，随着微电子技术的发展，许多以前无法实时实现的算法都可以应用到控制系统之中，如最近研究十分活跃的专家系统、模糊控制、人工神经元网络控制和自适应控制等。控制理论和方法的日趋成熟，使得变频调速制系统的性能不断提高、功能不断完善。其次，脉宽调制技术不断的发展进步。中、小容量的PWM变换器常用控制技术有：基于正弦波对三角波脉宽调制的SPW

11、M控制；基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；基于电流滞环跟踪的CHPWM控制：电压空间矢量控制(SVPWM控制)或称磁链轨迹跟踪控制。技术发展特点是从输出电压接近正弦波为控制目标的，到以输出正弦波电流为控制目标，再到以被控电机的旋转磁场接近圆形为控制目标，效果越来越好。控制系统的数字化，使得变频调速系统可实现复杂控制策略、智能化和网络化。高电压、大容量变频调速系统成为国内外学者研究的热点之一。使用高功率因数、低谐波的绿色变换器是变频传动发展的重要方向，主要有双PWM交-直-交变换器、多单元串联的中压变换器、多电平中压变换器等。受到普遍重视还在开发的有交-交矩阵式变换器。目前，普遍采用SPWM

12、正弦脉宽调制技术，来调节电动机的电源电压和频率，从而出现了由交流变频电动机与SPWM装置共同构成的新型变频调速系统，并广泛运用于恒转矩调速和驱动水泵、风机等场合。由于交流变频调速系统的输出特性能较好地适应负载机械特性，不仅有助于节能，而且还对自动控制领域的发展起了极大的促进作用；国外许多国家都将此技术列为重点发展项目。我国也将电力电子技术列为90年代高新技术的发展重点。交流变频调速以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，在电力、轧钢、造纸、化工、水泥、煤炭、纺织、铁路、食品、船舶、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术的发展应用中无不看到变频调速技术的踪影，变频调速技术取得了显著的经济效益。

13、参考文献1 吴守箴交流电机的变频调速M北京：中国铁道出版社，19842 原魁,刘伟强通用变频器及其应用M 北京：冶金工业出版社，19973 王延才，王伟变频器原理及应用M北京：机械工业出版社，20054 陈伯时电力拖动自动控制系统M北京：机械工业出版社，19995 张润和电力电子技术及应用M北京：北京大学出版社，20086 陈国呈PWM变频调速技术M北京：机械工业出版社，19987 满永奎.通用变频器及其应用M 北京：机械工业出版社，19958 吴忠智.调速用变频器及配套设备选用指南M 北京：机械工业出版社，20009 王兆安，黄俊.电力电子技术M北京：机械工业出版社，200010 童诗白，华

14、成英.模拟电子技术M北京：高等教育出版社，200111 International IR Rectifier IR2103 Data Sheet NoPD60045-N Page1-5200112 三菱电机株式会社. 变频器原理与应用教程M 北京国防工业出版社，199813 PC POWER INTEGRATIONS,INC TNY264P13-19200114 赵修科.变压器设计M北京：机械工业出版社，200015 布朗（Brown，M）.开关电源计指南M北京：机械工业出版社，200416 Jung-Chien Li and Guan-Chyun Hsieh.Analysis of the

15、Boost Zero-Current-Switched Quasi-Square-Wave ConverterJ.IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS.VOL.7.NO.4 1992:1-10 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施 开 题 报 告一、课题的目的与意义变频器主要用于交流电动机(异步电动机或同步电动机)转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更

16、新换代的理想调速装置。自上世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。在电力、纺织与化纤、建材、石油、化工、冶金、市政、造纸、食品饮料、烟草等行业以及公用工程(中央空调、供水、水处理、电梯等)中，变频器都在发挥着重要作用。变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。随着国家经济的快速发展，能源紧缺问题越来越突出。在电能应用中，一方面，电力供应不足已经影响到人们的日常生活；另一方面，很大一部分电能在实际应用过程中被浪费。根据已知的数据，在2003年的中国电力消耗

17、中，60%-70%动力电，而在总容量为58亿千瓦的电动机总容量中，仅有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的。据分析，在中国，带变动负载、具有节能潜力的电动机至少有18亿千瓦。因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术。除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来越多的关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势。带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等，在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的优势。目前，中国是世界上最主要的家电供应国，但家电采用变频器的比例很低，而在日本，90以上的家电是变频控制。据调查，2003年，中国的变频家

18、电同比增长超过200，但体现在市场中的变频家电并不多见，因此，变频家电具有非常好的发展潜力。目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高，因此提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。以纺织行业为例，中国具有世界最大的纺织产品生产能力，市场范围遍及全球，产业规模庞大。纺织与化纤行业也是变频器应用最多、使用密度最高的行业。在最常见的化纤机械设备中，选用变频器的设备有螺杆挤出机、纺丝机和后加工机等。选用变频器较多的棉纺设备主要有细纱机、粗纱机、精梳机等

19、。这些设备都要求精确速度控制、多单元同步传动或比例同步(牵伸)传动等，应用变频器可以提高工艺要求、提升产品质量，同时减轻了人工的劳动强度、提高了生产效率，可以说，变频器是纺织行业增强国际竞争能力的重要装备。市场调查显示，2003年变频器在纺织与化纤行业的市场规模超过了10亿元。此外，在食品、饮料、包装、造纸、机床、电梯等行业，国内的企业需要扩大生产规模，提高生产技术，因此变频器的应用前景和发展潜力都不可小觑。二、课题发展现状和前景展望交流电动机是一个多变量、强耦合的非线性对象，定子电流同时包含有转矩电流分量和励磁电流分量，因而对其电磁转矩瞬时值进行控制比较困难。近三十余年来，世界各国都在致力于

20、交流电动机调速系统的研究，并不断取得突破。到现在为止，高性能的交流拖动系统正逐步取代直流拖动系统，交流伺服系统也正占据越来越大的市场份额。交流调速的发展可具体归纳为三个方面：首先，转差频率控制、矢量变换控制和直接转矩控制等新的交流调速理论的诞生，使交流调速有了新的理论依据；其次，GTR、MOSFET、IGBT等为代表的新一代大功率电力电子器件的出现，其开关频率、功率容量都有很大的提高，为交流调速装置的发展做好了准备工作；最后，微处理器的飞速发展，使交流调速系统许多复杂的控制算法和控制方式能得以实现。应用变频调速，可以大大提高TPAM转速的控制精度，使其在节能的状态下运行，调速的节电效果非常可观

21、。与此类似，许多变动负载TPAM一般按最大需求来生产TPAM的容量，故设计算量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高，所以使用变频器就等于落实了节能措施，可大大提高轻载运行时的工作效率。因此，变动负载的节能潜力巨大。变频器的另一个广阔市场和应用趋势是家电市场。每个家庭都希望节约家庭开支与生活成本，节约电费、提高家电性能、保护环境成为大家关注的焦点。带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等变频家电，在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的优势。目前，中国是世界上最主要的家电供应国，但家电采用变频器的比例很低，而在日本，90以上的家电是变频控制。据调查，2l世纪以来，

22、中国的变频家电同比增长超过200。可见，不仅是工业控制，而且采用变频调速技术的家电也具有非常好的发展潜力。我国目前变频器的整机技术仍然落后，虽然已有一定数量的生产变频器的企业，却力量分散，没能形成一定的技术和生产规模，变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白，并且相关配套产业及行业落后，产销量少，可靠性及工艺水平不高。中国工控网发布的研究报告显示：过去几年，中国的变频器市场保持着12-20的高速增长。由于工业行业及建筑业的迅猛发展以及各行业的大量投资，2006年中国变频器市场的同比增长达到了近40，市场规模超过了55亿元人民币。2007年变频器市场增长率虽有所回落，但由于经济全球化及中国

23、整体经济的高速发展，变频器越来越多地被用在生产控制上，市场需求仍然热烈。今年以来，我国电力供需矛盾更为突出，多个省份都出现严重的缺电现象，节能引起了上至中央下至地方及民众的普遍关注。因而，中园变频器市场保持10左右的快速增长将不成问题，中国的变频器市场至少要再经历十年时闻才会趋于成熟。中国的变频器市场具有广阔的发展空闻。变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，已经渗透到所有经济领域的技术部门中。要积极应用变频调速来改造传统的产业，节约能源及提高产品质量，获得较好的经济效益和社会效益；要大力发展变频调速技术，必需把我国变频调速技术提高到一个新水平，缩小与世界先进水平的差距，提高自主开发能力

24、，满足国民经济重点工程建设和市场的需求；并规范我国变频调速技术方面的标准，提高产品可靠性及工艺水平，实现规模化、标准化生产。目前，变频调速技术正主要向着两个方向发展：一是实现高功率因数、高效率、无谐波干扰，研制具有良好电磁兼容性能的“绿色电器，二是向变频器应用的深度和广度发展。随着变频器应用领域深度和广度的不断开拓，变频调速技术将越来越清楚地展示它在一个国家国民经济中的重要性。由于现代控制理论和人工智能技术在变频调速技术中的应用和推广，正赋予它更强的生命力和更高的技术含量其发展方向。具体有如下几项：(1)实现高水平的控制；(2)开发清洁电能的变流器；(3)缩小装置的尺寸；(4)高速度的数字控制

25、技术：(5)模拟与计算机辅助设计。三、课题主要内容和要求小功率交流电机的变频调速在许多应用场合例如家用电器、泵类、过程控制、小型机械传动等使用广泛。对有一定应用量的用户而言，小功率通用变频器的选用虽然方便但价格不菲。况且许多复杂的键盘设定功能也用不着。因此人们常常希望有一种硬件成本低、集成度高、可靠性好、简单易制、控制功能满足要求的小型变频器。本设计本文运用了自动控制，电力自动化等相关理论只是对数字智能变频器软硬件系统进行模块化的设计，并给出了有效地软硬件设计方案。本文设计的通用变频器为单相输入交直交电压源型变频器。其主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路。整流电路采用单相桥式不可控整流电路，

26、滤波电路采用电解电容滤波，逆变器是由6个IGBT构成的三相全桥式逆变器，主电路结构简单易调。驱动电路选用与IGBT配套的驱动芯片IR2103，继电器控制电路作为过流保护电路。同时配有电压、电流检测电路。对各个电路进行了参数计算以及器件选择。转速辨识、直接转矩控制、输出波形的仿真与分析，以及整个系统的软硬件设计均是本文将要着重研究的内容。四、课题研究方法、步骤和措施设计的课题是小功率变频器的设计，主要研究方法及步骤：第一，要对变频器的历史，发展，应用，发展方向等进行大概的了解，确定课题的主要研究方向和需要解决的问题。第二，要对需要运用的技术和理论有很深刻的了解，如脉宽调制技术、主电路及保护电路工作原理、主电路及保护电路的参数计算等。第三，进行模拟仿真，在交流变频调速系统中，主回路作为直接执行机构，其可靠性及稳定性直接影响整个系统的运转。因此主电路一般是由整流电路、中间直流电路和逆变器三部分组成。本次选用的是电压型交-直-交变频装置对输入进去的工频电压进行调压调频。最后，设计硬件保护设施。再对整体设计的结果进行分析和总结。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日