轉速開環(huán)的交-直-交電壓源變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計說明

./學號：7中州大學電機及拖動課程設計題目：轉速開環(huán)的交-直-交電壓源變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計姓名：阿順利專業(yè)：電氣自動化班級：電氣自動化對口二班指導教師：靜路2010年06月30日一摘要：中文摘要轉速開環(huán)交直交電流源型變頻調(diào)速逆變器頻系統(tǒng)的變頻器有兩個功率變換環(huán)節(jié),即整流橋與逆變橋,它們分別有相應的控制回路,為了作方便采用一個給定來控制,并通過函數(shù)發(fā)生器,使兩個回路協(xié)調(diào)地工作。在電流源型逆變器頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,除了設置電流調(diào)節(jié)環(huán)外,仍需要設置電壓閉環(huán),以保證調(diào)壓調(diào)頻過程中對逆變器輸出電壓的穩(wěn)定性要求,實現(xiàn)恒壓頻比的控制方式。電流源型逆變器頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的顯著特點是容易實現(xiàn)回饋制動,從而便于四象限運行。適用于需要制動和經(jīng)常正、反轉的機械。此系統(tǒng)對負載電流變化的反應遲緩,因而適用于單臺電機傳動,但可以滿足快速起、制動和可逆運行的要求。因為這種系統(tǒng)有著很高的性能價格比,因此在以節(jié)能為目的的各種用途中和對轉速精度要求不高的各種場合下得到了廣泛的應用。AbstractSpeedZhiJiaointotheopenloopcurrentsourcetypeinverterfrequencyinverterpowerconvertersystemhastwolinks,namelythetransformationofrectifierbridgeandinverterbridge,theyhavethecorrespondingcontrolcircuitisadoptedforagiventocontrol,andthroughthefunctiongenerator,maketwoloopcoordinationwork.Inthecurrentsourcetypeinverterfrequencyopen-loopcontrolsystem,inadditiontoadjustcurrentringset,stillneedtoset,inordertoensurethattheclosed-loopvoltageregulatingFMprocesstothestabilityoftheoutputvoltageinverter,realizetheconstant-voltagefrequencyratiocontrolmode.Currentsourcetypeinverterfrequencyopen-loopcontrolsystemiseasytorealizetheremarkablecharacteristicsofregenerativebraking,facilitatesquadrantoperation.Applicabletoneedbrakeandisoften,thereversalofthemachinery.Thissystemtoloadcurrentslowresponse,thuschangingthesuitableforsinglemotordrive,butquickly,cansatisfytherequirementsofbrakeandreversibleoperation.Becausethissystemhashighperformance-priceratio,thereforeinthevariousUSESforthepurposeofenergy-savingandhighspeedprecisionrequirementsofvarioussituationsnotwidelyapplication.關鍵詞Keywords:開環(huán)open-loop,電流源current,變頻source,調(diào)速inverter。二、目錄一摘要：-2-二、目錄-3-三正文：-4-〔一轉速開環(huán)的交-直-交電壓源變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：-4-〔二轉速開環(huán)的交-直-交電壓源變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理：-5-1、設計系統(tǒng)的原理圖與分析：-5-2、電壓源變頻器主電路：-7-3、變頻器的效率與損耗：-8-4、變頻調(diào)速后電動機效率的變化：-8-5、轉速調(diào)節(jié)器參數(shù)-9-6、變頻調(diào)速基本原理與特點-10-四、參考文獻：-12-三正文：〔一轉速開環(huán)的交-直-交電壓源變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：在用電系統(tǒng)中,電動機作為主要的動機設備之一而廣泛地應用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技及社會活動等各個方面。電動機負荷越戰(zhàn)總發(fā)電量地60%~70%,成為電量最多的電器設備。根據(jù)采用的電流制式不同,電動機分為直流電動機和交流電動機兩大類,其流電動機擁有量最多,提供給工業(yè)生產(chǎn)地電量多半是通過交流電動機加以利用的。交流電動機的誕生和發(fā)展已有一百多年的歷史,至今已經(jīng)研究、制造了樣式多樣、用途各異地各種容量、各種品種地交流發(fā)電機。交流發(fā)電機分為同步電動機和異步〔感應電動機兩大類。電動機地轉子轉速與定子電流地頻率保持嚴格不變地關系,即是同步電東動機；反之,若保持這種關系,即是異步電動機。根據(jù)統(tǒng)計,交流電動機用電量占電機總量地85%左右,可見交流電動機應用地廣泛性及其在國民經(jīng)濟中地重要地位。電動機作為吧電能轉換為機械能地主要設備,在實際應用中,一是要使電動機具有較高的機電能量轉換地運行效率；二是根據(jù)生產(chǎn)機械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機的旋轉速度。電動機的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接地決定性影響。為了控制電動機的運行,就要為電動機配上控制裝置。電動機+控制裝置=電力轉動自動控制系統(tǒng)。以直流電動機作為控制對象的電力轉動自動控制系統(tǒng)稱之為直流調(diào)速系統(tǒng)；以交流電動機作為控制對象地電力自動控制系統(tǒng)稱之為交流調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)交流電機地分類,相應有同步電機調(diào)速系統(tǒng)和異步電機調(diào)速系統(tǒng)。高性能化。產(chǎn)品將普遍采用矢量控制技術,提高調(diào)速性能,達到和超過直流調(diào)速水平。全控型大功率快速電力電子器件的發(fā)展為現(xiàn)代化的變頻裝置提供了物質(zhì)保證。〔二轉速開環(huán)的交-直-交電壓源變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理：1、設計系統(tǒng)的原理圖與分析：電流源型變頻器<CSI：CurrentSourceInverter>采用大電感作為中間直流濾波環(huán)節(jié)。整流電路一般采用晶閘管和GTO做為功率器件,通過采取電流PWM控制,以改善輸入電流波形,為了降低諧波,可采取多重化技術,利用12或18脈沖整流技術,有效地消除11或17次以下的諧波,保證良好的輸入波形。逆變部分一般使用晶閘管或GTO作為功率器件,采用功率器件串接的方法,達到系統(tǒng)的耐壓要求,并且由于其通態(tài)壓降一般較低,門極觸發(fā)電路比較簡單,驅動功率較低。由于存在著大的平波電抗器和快速電流調(diào)節(jié)器,所以過電流保護比較容易。當逆變側出現(xiàn)短路等故障時,由于電抗器存在,電流不會突變,而電流調(diào)節(jié)器則會迅速響應,使整流電路晶閘管的觸發(fā)角迅速后移,電流能控制在安全圍,因此無需熔斷器和熔斷保護電路,減少了器件數(shù)量,提高了系統(tǒng)可靠性。同時,由于采用了對稱的整流電路,雖然直流環(huán)節(jié)電流的方向不能改變,但整流電壓可以反向<當整流電路工作在有源逆變狀態(tài)時>,可以使在降速工況下負載反饋的能量回饋電網(wǎng),實現(xiàn)系統(tǒng)的四象限運行。電流源型逆變器頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的變頻器有兩個功率變換環(huán)節(jié),即整流橋與逆變橋,它們分別有相應的控制回路,為了作方便采用一個給定來控制,并通過函數(shù)發(fā)生器,使兩個回路協(xié)調(diào)地工作。在電流源型逆變器頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,除了設置電流調(diào)節(jié)環(huán)外,仍需要設置電壓閉環(huán),以保證調(diào)壓調(diào)頻過程中對逆變器輸出電壓的穩(wěn)定性要求,實現(xiàn)恒壓頻比的控制方式。電流源型逆變器頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是由電流源型變頻器主電路、給定積分、函數(shù)發(fā)生器、電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器、瞬態(tài)校正環(huán)節(jié)等幾部分組成的。如圖〔一所示。圖一晶閘管交-直-交電壓源變頻器轉速開環(huán)系統(tǒng)結構圖2、電壓源變頻器主電路：變頻器根據(jù)有無直流環(huán)節(jié)而將高壓變頻器分為兩大類：1無直流環(huán)節(jié)的變頻器,即交—交變頻器；2有直流環(huán)節(jié)的變頻器稱為交—直—交變頻器,其中直流環(huán)節(jié)采用大電感以平抑電流脈動的變頻器稱為電流源型變頻器；直流環(huán)節(jié)采用大電容以抑制電壓波動的變頻器則稱為電壓源型變頻器。

電流源變頻器主電路的中間直流環(huán)節(jié)采用電抗器濾波,其主電路由兩個功率變換環(huán)節(jié)構成,即三相橋式整流器和逆變器,它們分別有相應的控制回路,即電壓控制回路及頻率控制回路,分別進行調(diào)壓與調(diào)頻控制。如圖二所示。圖二交-直-交變頻器主電路3、變頻器的效率與損耗：效率是指其本身變換效率。就變頻器的兩種形式而言。交-交變頻器盡管效率較高,但調(diào)頻圍受到限制,應用受到限制,目前通用的變頻器主要是交-直-交型,其工作原理是先把工頻交流電通過整流器變換成直流,然后用逆變器再變換成所需頻率的交流電。所以變頻器的損耗有三部分組成,整流損耗約占40%,逆變損耗約占50%,控制回路損耗占10%。其前兩項損耗是隨著變頻器的容量、負荷、拓撲結構的不同而變化的,而控制回路損耗不隨變頻器容量、負荷而變化。變頻器采用大功率自關斷開關器件等現(xiàn)代電力電子技術,其整流損耗、逆變損耗等都比傳統(tǒng)電子技術中整流損耗力量小,根據(jù)文獻[1>提供資料,變頻器在額定狀態(tài)運行時,其效率為86.4%～96%,隨著變頻器功率增大而得以提高。4、變頻調(diào)速后電動機效率的變化：變頻調(diào)速后,電動機的各種損耗和效率均有所變化,根據(jù)電機學理論,電動機的損耗可分為鐵芯損耗〔包括磁滯損耗和渦流損耗、軸承摩擦損耗、風阻損耗、定子繞組銅耗、轉子繞組銅耗、雜散損耗等幾種。鐵芯中的磁滯損耗表達式為:說明磁滯損耗Pn與磁通的交變頻率f成正比,與磁通密度的幅值Bm的α次方成正比,α對于一般硅鋼片,當Bm=0.8～1.6W/m2時,α=2。由風機和泵類理論,其流量Q與所需電動機軸功率P與轉速n的關系為:Q∝n;P∝n3;P∝Q3變頻調(diào)速后,磁滯損耗減少速度比電動機有功減少,速度慢,損耗所占比例有所提高。渦流損耗表達式為:Pe∝af2;式中a=〔Bm2d2/rw;Bm磁通密度的幅值Bm;d鐵心厚度;rw渦流回路等效電阻。軸承摩擦損耗:Pz∝f1.5風阻損耗:Pf∝f3定子繞組銅耗和轉子繞組銅耗其大小與電源頻率f沒有直接關系,但高次諧波及脈動電流增加了電動機的銅耗。雜散損耗及附加損耗:不論何種形式的變頻器,變頻后除基波外,都產(chǎn)生現(xiàn)諧波,這些附加的高次諧波,許多諧波的轉矩方向是與基波轉矩方向相反的,另外高次諧波也會增加渦流損耗。綜上所述,變頻調(diào)速后,電動機的磁滯損耗、渦流損耗、軸承摩擦損耗、定轉子銅損及雜散損耗在功率中所占比例都有所增加,有關文獻指出,變頻調(diào)速后電動機電流增加10%,溫升增加2ASPASPGVFGVFDPIDCRARCDPIDCRARCTGTGAPAPMCSIURMCSIUR圖三轉差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結構圖5、轉速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則,取h=5,則ASR的超前時間常數(shù)為τn=hT∑n=5×0.0174s=0.087s轉速開環(huán)增益KN=<h+1>/2h2T∑n2=6/2×52×0.0174=396.4s-2ASR的比例系數(shù)為Kn=<h+1>βCeTm/2hαRT∑n=6×6.06×0.155×0.04/2×5×0.00625×52.3×0.0174=3.966、變頻調(diào)速基本原理與特點變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)速的目的。常用三相交流異步電動機的結構為圖〔四所示。定子由鐵心及繞組構成,轉子繞組做成籠型〔見圖五,俗稱鼠籠型電動機。當在定子繞組上接入三相交流電時,在定子與轉子之間的空氣隙產(chǎn)生一個旋轉磁場,它與轉子繞組產(chǎn)生相對運動,使轉子繞組產(chǎn)生感應電勢,出現(xiàn)感應電流,此電流與旋轉磁場相互作用,產(chǎn)生電磁轉矩,使電動機轉動起來。電機磁場的轉速稱為同步轉速,用n1表示n1=60f/p<r/min><1>式中：f——三相交流電源頻率,一般為50Hz。p——磁極對數(shù)。當p=1時,n1=3000r/min；p=2時,n1=1500r/min?？梢姶艠O對數(shù)p越多,轉速n1越慢。轉子的實際轉速n比磁場的同步轉速n1要慢一點,所以稱為異步電機,這個差別用轉差率s表示：s=[n1－n/n1]×100％〔2當加上電源轉子尚未轉動瞬間,n=0,這時s=1；起動后的極端情況n=n1,則s=0,即s在0～1之間變化。一般異步電機在額定負載下的s=〔1～6％。綜合式〔1和式〔2可以得出n=60f〔1－s/p〔3圖四三相異步電動機結構示意圖

圖五籠型電動機的轉

子繞組1—銅環(huán)；2—銅條1—機座；2—定子鐵心；

3—定子繞組；4—轉子鐵心；

5—轉子繞組由式〔3可以看出,對于成品電機,其磁極對數(shù)p已經(jīng)確定,轉差率s變化不大,則電機的轉速n與電源頻率f成正比,因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉速,進而達到異步電機調(diào)速的目的。但是,