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畢業(yè)設計(論文)開題報告 題 目： 工礦電機車專用變頻器的設計 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)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，經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，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)設計（論文）說明書》等資料裝入文件袋中。  畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 1．文獻綜述：結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據所查閱的文獻資料，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 隨著我國社會經濟的發(fā)展，城市建設發(fā)展十分迅速，同時礦用電機車作為礦產資源開發(fā)的主要運輸設備，其可靠性和節(jié)能性在某種程度上對礦產資源的開發(fā)效率起著關鍵性作用。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，工礦電機車內都存在這許多問題。例如：網壓波動范圍一直持續(xù)比較大；直流電源的質量不斷下降；不斷自動啟動暫停；頻繁掉電；以及交流變頻技術人才的缺失等等。這直接導致了牽引電氣設備分會所屬的企業(yè)減少了對產品技術開發(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，已經遠遠不能滿足企業(yè)的需要。因此，將礦用電機車的直流電機調速系統(tǒng)改造為交流電機變頻調速系統(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，結合空間矢量調制（SUM）算法，設計了一套基于數字信號處理器(DSP)的三相異步電機變壓變頻(VVVF)交流變頻調速方案。本文詳細的介紹了交流調速的基本原理，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。在硬件設計方面，以IT公司的TMS320F2812為核心，設計了變頻調速系統(tǒng)的逆變電路、保護電路以及控制電路。在軟件設計方面，采用32位定點C語言編程方法，編寫了變頻調速系統(tǒng)的模塊化程序。 2 發(fā)展歷程概述 在當前全球經濟高速發(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，直接制約了經濟的增長。因此，對能源的有限利用在我國已經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，基于電力電子技術的交流電機變頻調速系統(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、基于電力電子電路的電力轉化技術以及微型計算機和大規(guī)模集成電路為基礎的全數字化控制技術的發(fā)展，使各種電力電子裝置的體積縮小、效率提高；另一方面，交流調速具有優(yōu)良的調速、啟動、制動性能，較高的效率、功率因數和顯著節(jié)能的特點，被廣泛應用于工業(yè)生產、交通運輸、國防軍事裝備等領域，并且占據了主導地位。 近年來，交流變頻技術在國內各個行業(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。在交流變頻技術方面，國內技術人才的不斷增加，給交流變頻技術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，技術支撐同時可以得到鞏固。 近年來，國內經濟迅猛發(fā)展，采掘機械化也在不斷的進步優(yōu)化。現在，小噸位的電機車已經不能單獨礦區(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、免關鍵部件維護化、機車結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，現在國內多數企業(yè)都決定加大交流變頻技術在電機車的應用研究，并且已經有了一部分已經獲得成功。 3 電力電子器件的現狀與發(fā)展 電力電子器件是電力電子技術發(fā)展的基礎。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的開端。隨后，雙極性半控器件相繼出現，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等領域；特別是在大功率的AC-DC變換裝置中，由于SCR在電流過零時關斷不會產生大的關斷損耗，因此SCR具有較大的優(yōu)越性。但SCR不能用門級關斷，需要繁瑣而復雜的輔助開關電路，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）、門級可關斷晶體管(GTO)。GTO和GTR的出現彌補了SCR難以關斷的缺點，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的電壓型驅動、驅動功率小的特點，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，使得電力電子技術產生了新的飛躍。 4 變頻調速系統(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)轉矩的能力和靜態(tài)調速性能也令人擔憂。基于以上研究，相關工作人員又提出了矢量控制和變頻調速。 矢量控制變頻調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。這是因為轉子磁鏈很難準確觀測，而且電機車參數對其系統(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。 直接轉矩控制變頻技術，是在1985年，由德國教授首次提出來的。直接轉矩控制變頻技術在很多方面解決了矢量控制技術的存在的問題。并且它憑借極其新穎的控制思想和方便簡潔的系統(tǒng)結構，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，此項技術已經非常成功的運用在電機車牽引大功率的交流傳動上面了。直接轉矩控制技術是指直接在定子坐標系下，對交流電動機的數學模型進行分析，以此控制電動機的磁鏈和轉矩。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學模型。 5 交流電機的調速控制技術 U/f控制是基于在改變電流頻率進行調速的同時，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矩-速度特性。根據電機學的理論，交流異步電機定子繞組的感應電動勢是轉子繞組切割氣隙旋轉磁場的結果。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，電流不行產生畸變，削弱了電磁轉矩，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，必須進行轉矩補償，以改善低轉矩的特性。此方式的特點是調節(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。通過控制轉矩磁鏈，以轉子磁通定向，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經左邊變換，實現正交或解耦控制。然而在實際應用中轉子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數的影響較大，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速范圍寬、啟動轉矩大、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矩控制變頻技術。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學模型，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉矩，采用離散的兩點式調節(jié)器，將轉矩檢測值與轉矩額定值相比較，使轉矩的波動控制在一定范圍內。直接轉矩控制具有結構簡單、轉矩相應快以及參數性能好的特點，但它是建立在單一矢量、轉矩和磁鏈滯環(huán)的控制基礎之上的控制方法，不可避免的造成了低速下開關頻率低、開關頻率不固定以及轉矩脈動大等特點，限制了直接轉矩在低速區(qū)的應用。 U/f控制、矢量控制、直接轉矩控制等方式的共同缺點是輸入功率因數低，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，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。它能實現功率因數為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-交方式實質上不是簡單的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接變成被控量來實現的。目前此技術尚未成熟，仍吸引眾多學者深入研究。 6 交流電機的調速控制技術 目前國內礦山電機車運行環(huán)境比較惡劣，直流網壓波動大，架線路高低不平，致使電弓脫落頻繁；鐵軌鋪設欠平整，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速系統(tǒng)的分析，結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，設計開發(fā)了一套可有效解決礦井頻繁掉電和電網電壓波動較大等實際問題的電機車變頻調速系統(tǒng)。圍繞該系統(tǒng)的性能，本文詳細討論了硬件設計方案和軟件設計流程。 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)的設計與應用．蘭州高等專科學校學報,2005． [2] 趙煜慧.井下直流架線式電機車變頻改造[J] .礦山機械,2008． [3],陳佳.直流架線式礦用電機車變頻調速控制系統(tǒng)的設計．電機與控制應用,2011． [4] 馬小亮.高性能變頻調速及其典型控制系統(tǒng).機械工業(yè)出版社,2010． [5] 胡崇岳.現代變流調速技術.機械工業(yè)出版社,2011． [6] 韓安榮.通用變頻器及其應用fM1．北京：機械工業(yè)出版社,2009． [7] 林渭勛.現代電力電子技術.北京機械工業(yè)出版社,2005 [8] 張學編.變頻器應用技術及電動機調速.北京人民郵電出版社,1997． [9] 黃德華主編.交流調速控制系統(tǒng).北京：電子工作出版社,2003． [10] 胡崇岳.現代交流調速技術.北京：機械工業(yè)出版社,1998． [11] 林瑞光.電機與拖動.杭州：浙江大學出版社,2002． [12] Maswood A I,Lin JianOptimal Online Algorithm Derivation for PWM-SHE Switching Switching[J].Electronics Leters,1998． [13] Mho Hut,Jinhwan Jung，Kwanghee Nam．A Fast Dynamic DC-link Powe-balancing Scheme for a PWM Converter-inverter System[J]IEEE Trans,Industrial Electronics,2001． 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 ２．開題報告：一、課題的目的與意義；二、課題發(fā)展現狀和前景展望；三、課題主要內容和要求；四、研究方法、步驟和措施 開 題 報 告 一、課題目的與意義 在當前全球經濟高速發(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，直接制約了經濟的增長。因此，對能源的有限利用在我國已經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，基于電力電子技術的交流電機變頻調速系統(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、基于電力電子電路的電力轉化技術以及微型計算機和大規(guī)模集成電路為基礎的全數字化控制技術的發(fā)展，使各種電力電子裝置的體積縮小、效率提高；另一方面，交流調速具有優(yōu)良的調速、啟動、制動性能，較高的效率、功率因數和顯著節(jié)能的特點，被廣泛應用于工業(yè)生產、交通運輸、國防軍事裝備等領域，并且占據了主導地位。 隨著我國社會經濟的發(fā)展，城市建設發(fā)展十分迅速，同時礦用電機車作為礦產資源開發(fā)的主要運輸設備，其可靠性和節(jié)能性在某種程度上對礦產資源的開發(fā)效率起著關鍵性作用。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，工礦電機車內都存在這許多問題。例如：網壓波動范圍一直持續(xù)比較大；直流電源的質量不斷下降；不斷自動啟動暫停；頻繁掉電；以及交流變頻技術人才的缺失等等。這直接導致了牽引電氣設備分會所屬的企業(yè)減少了對產品技術開發(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，已經遠遠不能滿足企業(yè)的需要。因此，將礦用電機車的直流電機調速系統(tǒng)改造為交流電機變頻調速系統(tǒng)勢在必行。 本課題研究的目的在于將最新交流電傳動技術引入我國工礦電機車電氣系統(tǒng)，完成由 直流傳動向交流傳動轉換的任務，從而盡快趕上與發(fā)達國家在牽引電氣設備行業(yè)的水平。本文研究了一種直流架線式工礦電機車電氣控制系統(tǒng)，通過采用交流變頻調速電傳動技術，以脈寬調制(PWM)為理論基礎，采用IGBT功率模塊作為開關元件，組成直一交電壓型逆變器，采用三相高精度PWM波產生器SA4828與單片機構成控制電路，將直流電逆變成三相交流電，供給交流牽引電動機用以驅動軌道維護機車。重點介紹了牽引工礦電機車的電氣原理及電氣控制功能，闡明了該種電機車電路系統(tǒng)的設計思路、工作原理、硬件構成，進行了技術參數的計算、元件選擇等，完成了電機車電氣控制功能的電路系統(tǒng)設計，并開發(fā)投入到實際生產中，運行效果良好。 二、課題發(fā)展現狀和前景展望 隨著社會的不斷發(fā)展，對于工礦電機車的設計要求越來越高，工礦電機車等礦用運輸機車在我國廣泛使用，直流傳動技術則一直應用于它們的電氣系統(tǒng)中，這種技術目前已經不能用于礦產產品的生產中，因為空盒子這些設備的方式不夠先進，所以會導致很多安全問題的產生并且會加大運輸成本。 架線路不平穩(wěn)以及受電器的跳動頻率較高是電網的電壓不穩(wěn)定造成的，另外，回饋線電阻的增大是鐵軌造成的，而且，運輸途中，很多地區(qū)都沒有電，車斗很容易受到撞擊。最后，離變電站越遠，電壓越低。所以，就目前而言，我國工礦電機車的應用環(huán)境較差，而對直流工礦電機車的應用環(huán)境較差，而對直流工礦電機車的需求量越來越多，市場競爭越來越激烈，國內企業(yè)一定要加快步伐，為礦業(yè)運輸行業(yè)造福。 變頻調速技術在牽引電機車行業(yè)屬于基礎技術，變頻系統(tǒng)的節(jié)能性能能夠促進整個行業(yè)經濟的發(fā)展，同時也為人們的生活提供了間接的便利條件?？傊?，直流工礦電機車盡可能采用普遍的成熟的技術，可以保證電機車可靠安全運行，取得良好的效果。 交流變頻技術在三十噸工礦電機車上應用的成功，讓電機車有了零速平滑啟動，調速均勻，無沖擊等特點。隨著國內經濟的告訴發(fā)展以及采掘機械化的飛速具有發(fā)展，在當今能源極其緊張的社會中，交流變頻技術在30噸以下噸位工礦電機車的成功應用意義深遠。 國外工礦電機車的應用現狀：目前，在工礦電機車開發(fā)研究及產業(yè)化方面，美國、日本、德國處于領先地位，這些國家的產品在功率、容量、價格等方面各有各自的特點與優(yōu)勢幾乎占據了整個牽引電機車市場。近年來，國外在工礦電機電氣系統(tǒng)上已廣泛采用交流電傳動技術，其研究和開發(fā)水平日趨成熟，目前這一技術廣泛用于工業(yè)、煤炭、冶金、礦山等行業(yè)的運輸牽引系統(tǒng)，而且核心部件電子功率元件已從晶閘管發(fā)展到TO，IGBT以及IPM智能功率模塊等第三代產品；基于電氣系統(tǒng)控制技術突飛猛進的發(fā)展，其應用領域已擴展到城市快速軌道運輸系統(tǒng)等，從而使交流電傳動電氣控制系統(tǒng)在軌道牽引上實現了全面普及。 國內工礦電機車的應用現狀目前國內牽引用電機車運行環(huán)境通常比較惡劣，～是電網電壓波動大，架線線路高低不平，致使受電器跳動頻繁；二是鐵軌鋪設不是很平整，鐵軌的連接塊質量欠佳，使得回饋線電阻增大；三是遠離變電站的地方電壓偏低，最低處甚至不到額定值的60％；四是無電區(qū)多，車斗的連接簡單，碰撞沖擊大。出于工作的特 殊環(huán)境，尤其是井下的窄軌道運輸，使電機奪．的啟動、制動頻繁，而且經常超載，這些都對電機車的電氣系統(tǒng)提出了特殊的要求，即要求系統(tǒng)過載能力強，啟動力矩大，系統(tǒng)響應快，對瞬時跳弓斷電有自適應能力。國內工礦電機車電氣控制系統(tǒng)大部分采用直流傳動技術，控制方式仍顯落后，近凡年電氣控制雖有改進，采用了可控硅技術，但因其可靠性差使用效果不佳而未得到全面推廣，尤其在窄軌牽引運輸領域交流電傳動電氣控制技術的應用更是貧乏。隨著我國經濟的快速發(fā)展，國內迫切需要一種技術含量高、電氣控制性能優(yōu)越的新型工礦電機車以滿足工業(yè)，煤炭、冶金、隧道工程建設、礦山等窄軌運輸領域快速發(fā)展的需求。 綜上所述，國外窄軌工礦電機車及其配套電機、電控已具有較高技術水平，其值得關注的是其廣泛采用微機控制的交流傳動技術所具有的特點，給窄軌類型交流傳動礦用電機車賦予特有的生命力。而目前，我國窄軌工礦電機車仍處于供大于求的局面，國內市場競爭十分激烈。國內企業(yè)必須抓緊刨撅，打造著名品牌，打入國外市場，贏得一席之地。對于有條件的企業(yè)可預先作好技術貯備，一旦接到訂單就可采用模塊化結構在較短時間內組裝好，如期交貨。還可通過對舊車進行技術改造等措施，來拓展國內、國外兩個市場。 三、課題主要內容和要求 1、掌握變頻器及工礦電機車電氣控制系統(tǒng)的基本原理。 2、確定總體方案，完成總體設計與論證。 3、進行系統(tǒng)主電路設計及控制電路設計。 4、裝置的輸出非常便于調試和整定。 5、編制技術文件。 四、研究方法、步驟和措施： 1.研究方法 明確課題任務以及要求，收集相關的印刷機所需資料，掌握資料查詢方法，了解本課題的研究現狀，存在的問題及研究的工程意義。查閱相關資料，自學相關的內容，確定課題的總體方案，確定個人研究的重點，做好文獻綜述和開題報告，掌握變頻器及工礦電機車電氣控制系統(tǒng)的基本原理，進行系統(tǒng)主電路及控制電路的設計。 2.方案設計步驟 （1）首先通過網上、圖書館查找資料，進行電氣系統(tǒng)主電路的設計，主要是根據載重，功率，速度等，得出牽引曲線及牽引力的數據； （2）根據機車工作環(huán)境，由牽引力數據推算出牽引電動機功率等參數，選擇電動機； （3）進而完成電氣系統(tǒng)核心部分——牽引變頻調速器的結構、原理進行分析、設計及技術參數的計算及器件的選擇； （4）進行電氣系統(tǒng)其他器件的計算及選擇，完成對電壓、電流等等參數的測試； （5）根據測試結果，進行電氣主電路的設計； （6）根據變頻器的選擇及使用方法，進行控制電路的設計； 3.具體措施 （1） 明確設計任務和要求，收集設計資料，查閱有關文獻，了解本課題的研究現狀、存在問題、實際意義和發(fā)展前景，撰寫文獻綜述和開題報告。開題報告上傳到FTP； （2）將所收集方案對比，選擇并確定方案； （3）根據方案確定主系統(tǒng)圖； （4）根據主系統(tǒng)圖來做出控制電路； （5）將設計的結果進行仿真、調試和整定； （6）完成課題，編寫說明書。 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 指導教師意見： 1．對“文獻綜述”的評語： 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果的預測： 指導教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日