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

./學(xué)號：7中州大學(xué)電機及拖動課程設(shè)計題目：轉(zhuǎn)速開環(huán)的交-直-交電壓源變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)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(dǎo)教師：靜路2010年06月30日一摘要：中文摘要轉(zhuǎn)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(yīng)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(shè)置電流調(diào)節(jié)環(huán)外,仍需要設(shè)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(zhuǎn)的機械。此系統(tǒng)對負(fù)載電流變化的反應(yīng)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(zhuǎn)速精度要求不高的各種場合下得到了廣泛的應(yīng)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(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)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(xiàn)：-12-三正文：〔一轉(zhuǎn)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(shè)備之一而廣泛地應(yīng)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(fù)荷越戰(zhàn)總發(fā)電量地60%~70%,成為電量最多的電器設(shè)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(yīng)電動機兩大類。電動機地轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電流地頻率保持嚴(yán)格不變地關(guān)系,即是同步電東動機；反之,若保持這種關(guān)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(yīng)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(zhuǎn)換為機械能地主要設(shè)備,在實際應(yīng)用中,一是要使電動機具有較高的機電能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動自動控制系統(tǒng)。以直流電動機作為控制對象的電力轉(zhuǎn)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(yīng)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(shù),提高調(diào)速性能,達(dá)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(zhuǎn)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(shè)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(shù),利用12或18脈沖整流技術(shù),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(dá)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(qū)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(hù)比較容易。當(dāng)逆變側(cè)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(yīng),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(hù)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(dāng)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(fù)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(yīng)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(shè)置電流調(diào)節(jié)環(huán)外,仍需要設(shè)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(zhuǎn)速開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gòu)成,即三相橋式整流器和逆變器,它們分別有相應(yīng)的控制回路,即電壓控制回路及頻率控制回路,分別進(jìn)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(yīng)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(fù)荷、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同而變化的,而控制回路損耗不隨變頻器容量、負(fù)荷而變化。變頻器采用大功率自關(guān)斷開關(guān)器件等現(xiàn)代電力電子技術(shù),其整流損耗、逆變損耗等都比傳統(tǒng)電子技術(shù)中整流損耗力量小,根據(jù)文獻(xiàn)[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(xué)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(fēng)阻損耗、定子繞組銅耗、轉(zhuǎn)子繞組銅耗、雜散損耗等幾種。鐵芯中的磁滯損耗表達(dá)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(dāng)Bm=0.8～1.6W/m2時,α=2。由風(fēng)機和泵類理論,其流量Q與所需電動機軸功率P與轉(zhuǎn)速n的關(guān)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(dá)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(fēng)阻損耗:Pf∝f3定子繞組銅耗和轉(zhuǎn)子繞組銅耗其大小與電源頻率f沒有直接關(guān)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(zhuǎn)矩方向是與基波轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子銅損及雜散損耗在功率中所占比例都有所增加,有關(guān)文獻(xiàn)指出,變頻調(diào)速后電動機電流增加10%,溫升增加2ASPASPGVFGVFDPIDCRARCDPIDCRARCTGTGAPAPMCSIURMCSIUR圖三轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dá)到調(diào)速的目的。常用三相交流異步電動機的結(jié)構(gòu)為圖〔四所示。定子由鐵心及繞組構(gòu)成,轉(zhuǎn)子繞組做成籠型〔見圖五,俗稱鼠籠型電動機。當(dāng)在定子繞組上接入三相交流電時,在定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場,它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生相對運動,使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢,出現(xiàn)感應(yīng)電流,此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使電動機轉(zhuǎn)動起來。電機磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)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(dāng)p=1時,n1=3000r/min；p=2時,n1=1500r/min?？梢姶艠O對數(shù)p越多,轉(zhuǎn)速n1越慢。轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速n比磁場的同步轉(zhuǎn)速n1要慢一點,所以稱為異步電機,這個差別用轉(zhuǎn)差率s表示：s=[n1－n/n1]×100％〔2當(dāng)加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)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(fù)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(jié)構(gòu)示意圖

圖五籠型電動機的轉(zhuǎn)

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(zhuǎn)子鐵心；

5—轉(zhuǎn)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(zhuǎn)差率s變化不大,則電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速,進(jìn)而達(dá)到異步電機調(diào)速的目的。但是,