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1、全數(shù)字起重機(jī)專用變頻器的研究摘 要:本文分析了異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換,并介紹了空間矢量法的基本原理和軟件設(shè)計(jì)的一些新思想。實(shí)驗(yàn)表明該方案是可行的。 關(guān)鍵詞:逆變器 空間矢量 脈寬調(diào)制 制動(dòng) Abstract: The model of motor is analyzed in the paper, the basic principals of space-vector and some new ideas of software designing are also introduced. The result of this experiment is satisfied. Key

2、words: inverter space-vector PWM brake 1 異步電機(jī)的建模和坐標(biāo) 眾所周知,異步電機(jī)是一個(gè)高階,非線性,強(qiáng)耦和的多變量系統(tǒng)。因而其數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜,對(duì)其進(jìn)行分析時(shí),常做某些假設(shè),此時(shí)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可由下述電壓方程,磁鏈方程,轉(zhuǎn)矩方程組成。1.1 壓方程 u=Ri+p _(1) u-表示定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值。 R-表示定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻。 i-表示定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值。 -表示定子和轉(zhuǎn)子各相繞組的全磁鏈。1.2 磁鏈方程 =Li _(2) L-表示定子和轉(zhuǎn)子的電感矩陣。(6X6階)如果把磁鏈方程代入電壓方程,則的展開(kāi)后的電壓方程如下: -(3) 1.

3、3 運(yùn)動(dòng)方程。 式中 -(4) 1.4 轉(zhuǎn)矩方程。 1.5 坐標(biāo)變換。 -(5) 上面雖已給出異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,但是要分析和求解這組非線性方程顯然是十分困難的。如果能將交流電機(jī)的物理模型等效地變換成類似直流電機(jī)的模式,分析和控制 問(wèn)題就大為簡(jiǎn)化。因?yàn)榭刂苾上嗑捅热嗪?jiǎn)單;用直流控制就比交流控制更方便,為此對(duì)電機(jī)的參考坐標(biāo)系進(jìn)行變換,即三相靜止坐標(biāo)系(3S)到兩相靜止坐標(biāo)系(2S)的變換。下圖中,U、V、W為三相對(duì)稱靜止繞組,通以三相平衡的正弦電流,產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢(shì)F,以同步轉(zhuǎn)速w1旋轉(zhuǎn),U、V、W軸稱為三相靜止坐標(biāo)系。d、q為兩相靜止坐標(biāo)系,它們?cè)诳臻g互差九十度,且通入時(shí)間上互差九十度的兩

4、相交流,也產(chǎn)生與上相同的磁動(dòng)勢(shì)F。由于它們的磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)速都相等,故可認(rèn)為這兩種坐標(biāo)系等效。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出由靜止U、V、W系到d、q系的變換矩陣如下。(公式推導(dǎo)略) 2 電壓空間矢量法的基本原理 電壓空間矢量SVPWM法是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā),著眼于如何使電動(dòng)機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng),以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想磁通圓為基準(zhǔn),用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通,由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開(kāi)關(guān),從而形成PWM波形。它把電動(dòng)機(jī)看成一個(gè)整體加以處理,所得數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單,便于由微機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理,從而可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)時(shí)性強(qiáng),能獲得更好的性能。并具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小

5、、噪音低、電壓利用率高的優(yōu)點(diǎn)。 以下圖(2)、(3)為例,其中:上橋臂功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通用“1”表示;下橋臂功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通用“0”表示;由于同一相的上下橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通,又不能缺相,所以有八種開(kāi)關(guān)矢量模式,其中有效模式六種,U0(000),U7(111)為無(wú)效模式,系統(tǒng)在這些矢量模式間作適當(dāng)切換,控制每個(gè)矢量的導(dǎo)通時(shí)間,即可據(jù)此形成實(shí)際磁鏈來(lái)追蹤理想的理想磁通圓。因此按照三段逼近式磁鏈追蹤型PWM法,依平行四邊形法,則有: 又由于三相交流電的自然換相點(diǎn)為每隔60度,所以一個(gè)磁通圓分為六個(gè)扇區(qū)。那么,落在矢量圓的任一區(qū)域的空間矢量就可以由這八種開(kāi)關(guān)模式的不同組合得到。從而可確定出各區(qū)內(nèi)各橋臂的開(kāi)

6、關(guān)波形,如下圖(4)所示。 從圖(4)可看出,每個(gè)扇區(qū)均有一對(duì)管全導(dǎo)通或全不導(dǎo)通,變化的只是另兩對(duì)管的導(dǎo)通時(shí)間,把這些時(shí)間常數(shù)送給TA0(控制U相), TA1(控制V相), TA2(控制W相), TB2(控制采樣周期),即可得不同的脈寬Tl,Tm(Tl對(duì)應(yīng)每一扇區(qū)的前一矢量,Tm對(duì)應(yīng)每一扇區(qū)的后一矢量),形成PWM波 。 3 軟件設(shè)計(jì)的新思想 針對(duì)本項(xiàng)目對(duì)上升時(shí)間、下降時(shí)間、壓頻比曲線的選擇、制動(dòng)等有特殊要求,因而采取了一些相應(yīng)的方法。 3.1 上、下降時(shí)間 為了保證足夠的精度,防止電機(jī)啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)發(fā)生脈動(dòng)。我們采取的方案如下。把上升的時(shí)間分為幾段,每段時(shí)間內(nèi)頻率變化率是相同的,從而得到時(shí)間的

7、變化率。如Tup小于60秒、150秒、300秒、600秒、1500秒等,頻率變化率f取為0.5Hz、0.2Hz、0.1Hz、 0. 05Hz、0.02Hz等,則t=Tupf/Fb (Fb為基頻),t作為定時(shí)單元。 3.2 壓頻比曲線的選擇 由公式(1)電壓方程可知,低頻時(shí),定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著,不能再忽略。這時(shí)為了保持m不變,可以人為把電壓U抬高一些,以便近似的補(bǔ)償定子壓降,另外所帶負(fù)載也各種各樣,因而壓頻比曲線比較多。但單片機(jī)ROM有限,不可能每一條壓頻比曲線均作成一張表。為了解決此問(wèn)題,我們采取適時(shí)查表法如下: TBLPARAK1:Vm Vm-V1 Vm-V2 Vm-V3 Vm

8、-V4 Vm-V5 Vm-V6 Vm-V7 Vm-V8 Vm-V9 V1 TBLPARAB1: 0 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V2 則壓頻比系數(shù)計(jì)算公式如下:VF_COEFF=V1+V2Fout/Fb 3.3 直流制動(dòng) 逆變器向異步電機(jī)的定子通直流電時(shí),異步電機(jī)便處于能耗制動(dòng)狀態(tài),這時(shí)逆變器的輸出頻率為零,定子磁場(chǎng)不再旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子切割這個(gè)靜止磁場(chǎng)而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,旋轉(zhuǎn)系統(tǒng) 存儲(chǔ)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能消耗于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中,主要用于準(zhǔn)確停車控制。為了實(shí)現(xiàn)此功能,主要通過(guò)設(shè)定直流制動(dòng)起始頻率,制動(dòng)電壓和制動(dòng)時(shí)間,但起始制動(dòng)頻率不宜設(shè)定的太高,否則沖擊電流太大,導(dǎo)致電機(jī)發(fā)

9、熱嚴(yán)重,容易引起IPM模塊保護(hù)。下面即為第六扇區(qū)里正常逆變同制動(dòng)時(shí)的波形對(duì)照和分析。圖5 變頻器制動(dòng)時(shí)同正常逆變時(shí)所加脈寬對(duì)比圖 假如我們?cè)诿總€(gè)扇區(qū)里,只有一個(gè)主矢量動(dòng)作,而不形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),那么加在電機(jī)上的電壓就為直流電壓。但是又不能直接把直流母線上的電壓一直加在電機(jī)上,而仍要以脈寬的形式出現(xiàn)。正常時(shí),在第六扇區(qū)里,U相全導(dǎo)通,V相脈寬逐漸減小,W相脈寬逐漸增大。而在制動(dòng)時(shí),U相仍全導(dǎo)通,V、W相脈寬恒定不變(當(dāng)然,這個(gè)脈寬可根據(jù)所需制動(dòng)電壓的大小而調(diào)整,這里我們采用的脈寬為一個(gè)載波周期的百分之二十),即不旋轉(zhuǎn),形成直流制動(dòng)電壓。也就是說(shuō)在逆變中斷子程序里,在脈寬、扇區(qū)計(jì)算子程序之前,判斷有無(wú)

10、快速制動(dòng)標(biāo)志位,如果有,則不執(zhí)行脈寬、扇區(qū)計(jì)算子程序,這樣就保證了制動(dòng)前后扇區(qū)的不變,使制動(dòng)前后電機(jī)電流方向的狀態(tài)不變,避免了沖擊電流的產(chǎn)生。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論 由于電機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速成正比,控制精度不必很高,所以無(wú)需采用矢量控制方式,而采取開(kāi)環(huán)方式,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此方案完全滿足項(xiàng)目要求。電流波形如下。 載波頻率2667Hz/輸出頻率4。4Hz 載波頻率2667Hz/輸出頻率25Hz 參考文獻(xiàn): 1 三菱單片機(jī)應(yīng)用指南。復(fù)旦大學(xué)出版社。1997。11 2 吳守箴、臧英杰著。電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù)。機(jī)工出版社。1995。1 3 陳伯時(shí)、陳敏遜著。交流調(diào)速系統(tǒng)。機(jī)工出版社。1998。5 4 滿永奎、韓安榮、吳成東著。通用變頻器及其應(yīng)用。機(jī)工出版社。1995。8 5 于泳、宋海龍等。全數(shù)字空間矢量PWM逆變器。電氣自動(dòng)化,2001(1):24 作者簡(jiǎn)介: 江友華

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