工矿电机车专用变频器的设计开题报告

工矿电机车专用变频器的设计开题报告本文简介：毕业设计(论文)开题报告题目：工矿电机车专用变频器的设计学院：电气信息学院专业：电气工程及其自动学生姓名：陈学磊学号：201001019118指导老师：杨青2014年3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

工矿电机车专用变频器的设计开题报告本文内容：

毕业设计(论文)开题报告

题

目：

工矿电机车专用变频器的设计

学

院：

电气信息学院

专

业：

电气工程及其自动

学生姓名：

陈学磊

学

号：

201001019118

指导老师：

杨青

2014年

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15

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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。

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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

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前言

随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅速，同时矿用电机车作为矿产资源开发的主要运输设备，其可靠性和节能性在某种程度上对矿产资源的开发效率起着关键性作用。目前，我国矿机车的牵引源主要是直流传动。由于直流电动机造价高、可靠性低、换向器易磨损，维修周期长，而且，启动、制动、调速系统均采用直流电阻直接控制，能耗大。

长期以来，工矿电机车内都存在这许多问题。例如：网压波动范围一直持续比较大；直流电源的质量不断下降；不断自动启动暂停；频繁掉电；以及交流变频技术人才的缺失等等。这直接导致了牵引电气设备分会所属的企业减少了对产品技术开发的投入，从而使十分适应工矿电机车的专用变频器一直处于不断摸索的阶段，而并没有实质性的发展。面对我国煤炭、金属等工矿事业的告诉发展，性能落后的直流传动技术，已经远远不能满足企业的需要。因此，将矿用电机车的直流电机调速系统改造为交流电机变频调速系统势在必行。

本文针对工矿电机车的牵引运行特点，采用U/f控制模式，结合空间矢量调制（SUM）算法，设计了一套基于数字信号处理器(DSP)的三相异步电机变压变频(VVVF)交流变频调速方案。本文详细的介绍了交流调速的基本原理，阐述了七段式SVM算法的核心，提出了一种优化的总线钳位SVM(BCSVM)控制算法，推到了SPWM算法和SVM算法的区别，分析了死区效应对逆变器输出电压的影响，并给出了死区补偿方案。在硬件设计方面，以IT公司的TMS320F2812为核心，设计了变频调速系统的逆变电路、保护电路以及控制电路。在软件设计方面，采用32位定点C语言编程方法，编写了变频调速系统的模块化程序。

2

发展历程概述

在当前全球经济高速发展的过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境，而能源的紧张，而能源的紧张，直接制约了经济的增长。因此，对能源的有限利用在我国已经迫在眉睫尤其是作为能耗大户的电机在节能方面更是有潜力可挖。

七十年代以后，基于电力电子技术的交流电机变频调速系统取得了很大的发展。一方面，功率半导体器件的制造技术、基于电力电子电路的电力转化技术以及微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术的发展，使各种电力电子装置的体积缩小、效率提高；另一方面，交流调速具有优良的调速、启动、制动性能，较高的效率、功率因数和显著节能的特点，被广泛应用于工业生产、交通运输、国防军事装备等领域，并且占据了主导地位。

近年来，交流变频技术在国内各个行业中都取得了极大的普及和充分的使用。并且获得了不容小觑的市场效益和社会效益。在交流变频技术方面，国内技术人才的不断增加，给交流变频技术在工矿电机车上的应用提供了充足的人才资源。人才资源得到了满足，技术支撑同时可以得到巩固。

近年来，国内经济迅猛发展，采掘机械化也在不断的进步优化。现在，小吨位的电机车已经不能单独矿区运输任务。因此，电机车要发展，必然朝着重型、大型、高速和全自动化、免关键部件维护化、机车结果模块化以及微机控制交流传动这些方面不断前进。

这是因为如此，现在国内多数企业都决定加大交流变频技术在电机车的应用研究，并且已经有了一部分已经获得成功。

3

电力电子器件的现状与发展

电力电子器件是电力电子技术发展的基础。它主要包括不可控器件、半控型器件和全控型器件。

半控型器件包括晶闸管（SCR）及其派生器件。1958年，SCR的问世标志着电力电子技术的开端。随后，双极性半控器件相继出现，而且其电压电流额定值不断提高，特别是70年代NTD硅单晶的试验成功，使得器件的电压电流频率等额定值达到很高水平。目前，晶闸管主要应用于电气传动以及感应加热和静止无功功率补偿等领域；特别是在大功率的AC-DC变换装置中，由于SCR在电流过零时关断不会产生大的关断损耗，因此SCR具有较大的优越性。但SCR不能用门级关断，需要繁琐而复杂的辅助开关电路，使SCR难以在逆变器中使用。

全控型器件包括绝缘栅极晶体管(IGBT)、场效应管(MOSFET)、大功率晶体管（GTR）、门级可关断晶体管(GTO)。GTO和GTR的出现弥补了SCR难以关断的缺点，同时，GTO具有SCR高耐压的特点。GTR是一种电流控制的双机双结功率半导体器件，与GTO相比，GTR的耐压值低，工作电流小。20世纪80年代出现的绝缘栅极晶体管（IGBT）是MOSFET和GTR复合形成的，除具有功率MOSFET的电压型驱动、驱动功率小的特点，同时具有GTR饱和压降低和可耐高压和大电流的优点。

MOSFET、IGBT等均是电压控制型器件，可用一些专业的高压集成电路直接控制，甚至可以把主器件和控制保护电路等做在一个芯片或器件中，大大的促进了高压集成电路和智能功率集成电路的发展，使得电力电子技术产生了新的飞跃。

4

变频调速系统原理

VFFF变频器的控制比较简单。其特点是，机械特性的硬度很好，并且能够达到正常的传动平滑的调速要求。不过们这种控制方式正在低频时，就会引发一些问题。这是因为输出的电压比较小并且受到定子电阻压降的影响非常明显，所以导致成最大输出转矩的减少。除此之外，相比于直流电动机，它的机械特性相对较差。动态转矩的能力和静态调速性能也令人担忧。基于以上研究，相关工作人员又提出了矢量控制和变频调速。

矢量控制变频调速方式的提出对于工矿电机车具有里程碑式的意义。但是在实际应用中，它的控制效果难以达到理想的分析效果。这是因为转子磁链很难准确观测，而且电机车参数对其系统的影响也很大。因此，在等效直流电动机控制过程中，所用的矢量旋转变换就比较复杂，所以，实际的控制效果就没有预期中那么好。

直接转矩控制变频技术，是在1985年，由德国教授首次提出来的。直接转矩控制变频技术在很多方面解决了矢量控制技术的存在的问题。并且它凭借极其新颖的控制思想和方便简洁的系统结构，以及良好的动静态性能，得到了飞速的发展。到目前为止，此项技术已经非常成功的运用在电机车牵引大功率的交流传动上面了。直接转矩控制技术是指直接在定子坐标系下，对交流电动机的数学模型进行分析，以此控制电动机的磁链和转矩。它既不需要把交流电动机变为等效的直流电动机，也不需要去模仿直流电动机的控制。因此，它可以省去矢量旋转变换中许多复杂计算，并且也不需要为简化交流电动机的数学模型。

5

交流电机的调速控制技术

U/f控制是基于在改变电流频率进行调速的同时，保证电动机的磁通不变的思想上提出来的，其主要目的是为了得到理想的转矩-速度特性。根据电机学的理论，交流异步电机定子绕组的感应电动势是转子绕组切割气隙旋转磁场的结果。电机进行频繁变速时，在U不变的情况下，如果f下降，Φ将增加，而Φ的增加会造成磁饱和，造成实际磁通增不上去，电流不行产生畸变，削弱了电磁转矩，从而影响机械特性。因此，为了保证Φ的恒定，在改变f的同时改变U。U/f控制一般采用开环控制，故不能达到较高的控制性能，而在低频时，必须进行转矩补偿，以改善低转矩的特性。此方式的特点是调节工作容易，控制电路简单、成本低、机械特性好。

矢量控制的实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场进行独立控制。通过控制转矩磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经左边变换，实现正交或解耦控制。然而在实际应用中转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用的矢量旋转变换较为复杂，故使得实际的控制效果难以达到理想的分析效果。这种控制方式虽然调速范围宽、启动转矩大、工作可靠及操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来计算，因此实用性不是太理想，控制精度也受到计算精度的影响。

在20实际80年代中期，德国教授提出了直接转矩控制变频技术。其思路是把电动机和逆变器统称为一个整体，利用空间矢量、定子磁场定向分析的方法，直接在定子坐标系中分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器，将转矩检测值与转矩额定值相比较，使转矩的波动控制在一定范围内。直接转矩控制具有结构简单、转矩相应快以及参数性能好的特点，但它是建立在单一矢量、转矩和磁链滞环的控制基础之上的控制方法，不可避免的造成了低速下开关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大等特点，限制了直接转矩在低速区的应用。

U/f控制、矢量控制、直接转矩控制等方式的共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交-交变频方式应运而生。由于该方式省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。矩阵式交-交方式实质上不是简单的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接变成被控量来实现的。目前此技术尚未成熟，仍吸引众多学者深入研究。

6

交流电机的调速控制技术

目前国内矿山电机车运行环境比较恶劣，直流网压波动大，架线路高低不平，致使电弓脱落频繁；铁轨铺设欠平整，轨道交线出电缆连接不好，甚至未接，致使回馈电阻增大，远离变电站的地方电压远远偏低，最低不到额定值的60%，并且无电区多。尤其是井下，电机车启动制动频繁，且连续超载严重。以上环境都对电气传动系统提出了特殊要求，系统过载能力强，启动力矩大，相应快，对瞬时跳弓，电网电压波动较大有较强的自适应能力。

本课题通过对目前交流调速系统的分析，结合工矿电机车的工作环境，基于TI公司新推出的DSP芯片TMS320F2812，设计开发了一套可有效解决矿井频繁掉电和电网电压波动较大等实际问题的电机车变频调速系统。围绕该系统的性能，本文详细讨论了硬件设计方案和软件设计流程。

参考文献

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Electronics,2001．

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２．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

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一、课题目的与意义

在当前全球经济高速发展的过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境，而能源的紧张，而能源的紧张，直接制约了经济的增长。因此，对能源的有限利用在我国已经迫在眉睫尤其是作为能耗大户的电机在节能方面更是有潜力可挖。

七十年代以后，基于电力电子技术的交流电机变频调速系统取得了很大的发展。一方面，功率半导体器件的制造技术、基于电力电子电路的电力转化技术以及微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术的发展，使各种电力电子装置的体积缩小、效率提高；另一方面，交流调速具有优良的调速、启动、制动性能，较高的效率、功率因数和显著节能的特点，被广泛应用于工业生产、交通运输、国防军事装备等领域，并且占据了主导地位。

随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅速，同时矿用电机车作为矿产资源开发的主要运输设备，其可靠性和节能性在某种程度上对矿产资源的开发效率起着关键性作用。目前，我国矿机车的牵引源主要是直流传动。由于直流电动机造价高、可靠性低、换向器易磨损，维修周期长，而且，启动、制动、调速系统均采用直流电阻直接控制，能耗大。

长期以来，工矿电机车内都存在这许多问题。例如：网压波动范围一直持续比较大；直流电源的质量不断下降；不断自动启动暂停；频繁掉电；以及交流变频技术人才的缺失等等。这直接导致了牵引电气设备分会所属的企业减少了对产品技术开发的投入，从而使十分适应工矿电机车的专用变频器一直处于不断摸索的阶段，而并没有实质性的发展。面对我国煤炭、金属等工矿事业的告诉发展，性能落后的直流传动技术，已经远远不能满足企业的需要。因此，将矿用电机车的直流电机调速系统改造为交流电机变频调速系统势在必行。

本课题研究的目的在于将最新交流电传动技术引入我国工矿电机车电气系统，完成由

直流传动向交流传动转换的任务，从而尽快赶上与发达国家在牵引电气设备行业的水平。本文研究了一种直流架线式工矿电机车电气控制系统，通过采用交流变频调速电传动技术，以脉宽调制(PWM)为理论基础，采用IGBT功率模块作为开关元件，组成直一交电压型逆变器，采用三相高精度PWM波产生器SA4828与单片机构成控制电路，将直流电逆变成三相交流电，供给交流牵引电动机用以驱动轨道维护机车。重点介绍了牵引工矿电机车的电气原理及电气控制功能，阐明了该种电机车电路系统的设计思路、工作原理、硬件构成，进行了技术参数的计算、元件选择等，完成了电机车电气控制功能的电路系统设计，并开发投入到实际生产中，运行效果良好。

二、课题发展现状和前景展望

随着社会的不断发展，对于工矿电机车的设计要求越来越高，工矿电机车等矿用运输机车在我国广泛使用，直流传动技术则一直应用于它们的电气系统中，这种技术目前已经不能用于矿产产品的生产中，因为空盒子这些设备的方式不够先进，所以会导致很多安全问题的产生并且会加大运输成本。

架线路不平稳以及受电器的跳动频率较高是电网的电压不稳定造成的，另外，回馈线电阻的增大是铁轨造成的，而且，运输途中，很多地区都没有电，车斗很容易受到撞击。最后，离变电站越远，电压越低。所以，就目前而言，我国工矿电机车的应用环境较差，而对直流工矿电机车的应用环境较差，而对直流工矿电机车的需求量越来越多，市场竞争越来越激烈，国内企业一定要加快步伐，为矿业运输行业造福。

变频调速技术在牵引电机车行业属于基础技术，变频系统的节能性能能够促进整个行业经济的发展，同时也为人们的生活提供了间接的便利条件。总之，直流工矿电机车尽可能采用普遍的成熟的技术，可以保证电机车可靠安全运行，取得良好的效果。

交流变频技术在三十吨工矿电机车上应用的成功，让电机车有了零速平滑启动，调速均匀，无冲击等特点。随着国内经济的告诉发展以及采掘机械化的飞速具有发展，在当今能源极其紧张的社会中，交流变频技术在30吨以下吨位工矿电机车的成功应用意义深远。

国外工矿电机车的应用现状：目前，在工矿电机车开发研究及产业化方面，美国、日本、德国处于领先地位，这些国家的产品在功率、容量、价格等方面各有各自的特点与优势几乎占据了整个牵引电机车市场。近年来，国外在工矿电机电气系统上已广泛采用交流电传动技术，其研究和开发水平日趋成熟，目前这一技术广泛用于工业、煤炭、冶金、矿山等行业的运输牵引系统，而且核心部件电子功率元件已从晶闸管发展到TO，IGBT以及IPM智能功率模块等第三代产品；基于电气系统控制技术突飞猛进的发展，其应用领域已扩展到城市快速轨道运输系统等，从而使交流电传动电气控制系统在轨道牵引上实现了全面普及。

国内工矿电机车的应用现状目前国内牵引用电机车运行环境通常比较恶劣，～是电网电压波动大，架线线路高低不平，致使受电器跳动频繁；二是铁轨铺设不是很平整，铁轨的连接块质量欠佳，使得回馈线电阻增大；三是远离变电站的地方电压偏低，最低处甚至不到额定值的60％；四是无电区多，车斗的连接简单，碰撞冲击大。出于工作的特

殊环境，尤其是井下的窄轨道运输，使电机夺．的启动、制动频繁，而且经常超载，这些都对电机车的电气系统提出了特殊的要求，即要求系统过载能力强，启动力矩大，系统响应快，对瞬时跳弓断电有自适应能力。国内工矿电机车电气控制系统大部分采用直流传动技术，控制方式仍显落后，近凡年电气控制虽有改进，采用了可控硅技术，但因其可靠性差使用效果不佳而未得到全面推广，尤其在窄轨牵引运输领域交流电传动电气控制技术的应用更是贫乏。随着我国经济的快速发展，国内迫切需要一种技术含量高、电气控制性能优越的新型工矿电机车以满足工业，煤炭、冶金、隧道工程建设、矿山等窄轨运输领域快速发展的需求。

综上所述，国外窄轨工矿电机车及其配套电机、电控已具有较高技术水平，其值得关注的是其广泛采用微机控制的交流传动技术所具有的特点，给窄轨类型交流传动矿用电机车赋予特有的生命力。而目前，我国窄轨工矿电机车仍处于供大于求的局面，国内市场竞争十分激烈。国内企业必须抓紧刨撅，打造著名品牌，打入国外市场，赢得一席之地。对于有条件的企业可预先作好技术贮备，一旦接到订单就可采用模块化结构在较短时间内组装好，如期交货。还可通过对旧车进行技术改造等措施，来拓展国内、国外两个市场。

三、课题主要内容和要求

1、掌握变频器及工矿电机车电气控制系统的基本原理。

2、确定总体方案，完成总体设计与论证。

3、进行系统主电路设计及控制电路设计。

4、装置的输出非常便于调试和整定。

5、编制技术文件。

四、研究方法、步骤和措施：

1.研究方法

明确课题任务以及要求，收集相关的印刷机所需资料，掌握资料查询方法，了解本课题的研究现状，存在的问题及研究的工程意义。查阅相关资料，自学相关的内容，确定课题的总体方案，确定个人研究的重点，做好文献综述和开题报告，掌握变频器及工矿电机车电气控制系统的基本原理，进行系统主电路及控制电路的设计。

2.方案设计步骤

（1）首先通过网上、图书馆查找资料，进行电气系统主电路的设计，主要是根据载重，功率，速度等，得出牵引曲线及牵引力的数据；

（2）根据机车工作环境，由牵引力数据推算出牵引电动机功率等参数，选择电动机；

（3）进而完成电气系统核心部分——牵引变频调速器的结构、原理进行分析、设计及技术参数的计算及器件的选择；

（4）进行电气系统其他器件的计算及选择，完成对电压、电流等等参数的测试；

（5）根据测试结果，进行电气主电路的设计；

（6）根据变频器的选择及使用方法，进行控制电路的设计；

3.具体措施

（1）

明确设计任务和要求，收集设计资料，查阅有关文献，了解本课题的研究现状、存在问题、实际意义和发展前景，撰写文献综述和开题报告。开题报告上传到FTP；

（2）将所收集方案对比，选择并确定方案；

（3）根据方案确定主系统图；

（4）根据主系统图来做出控制电路；

（5）将设计的结果进行仿真、调试和整定；

（6）完成课题，编写说明书。

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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