恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)

一、設(shè)計目的：通過對一個使用控制系統(tǒng)的設(shè)計，綜合運用科學(xué)理論知識，提高工程意識和實踐技能，使學(xué)生獲得控制技術(shù)工程的基本訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、分析解決實際問題的初步應(yīng)用能力。二、設(shè)計要求：設(shè)計控制系統(tǒng)，根據(jù)控制磁通不變的方法，對恒壓頻比的系統(tǒng)設(shè)計方案進行論證。畫出系統(tǒng)原理圖，進行元器件的選擇和相關(guān)參數(shù)的計算。三、總體設(shè)計：異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)在電動機調(diào)速時，一個重要的因素是希望保持每級的磁通量為額定值不變，磁通太弱沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費，若要增大磁通，又會使鐵心飽和。從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機。對于直流電機。勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應(yīng)的補償合適，保持磁通不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生的。我們知道，三相異步電機定子每相電動勢的有效值是：（1）式中——氣隙磁通和定子每相中感應(yīng)電動勢有效值，單位為V；——定子頻率，單位為Hz；——定子每相繞組內(nèi)聯(lián)匝數(shù)；——基波繞組系數(shù)；——每極氣隙磁通量，單位為Wb；由式（1-1）可知，只要控制好和，便可達到控制磁通的目的，對此，需要考慮額定頻率以下和額定頻率以上兩種情況。1.1額定頻率以下調(diào)速由式（1-1）可知，要保持不變，當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低，使常值，即采用恒定的電動勢頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當(dāng)電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)定定子相電壓則得：常值，這是恒壓頻比的控制方式。低頻時，和都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，可以人為地把電壓抬高一些，以便近似地補償定子壓降，帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性見圖1。圖1恒壓頻比控制特性a——不帶定子壓降補償b——帶定子壓降補償1.2基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從往上增高，但電壓卻不能增加得比額定電壓還要大，最多只能保持。由式（1-1）可知這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得圖所示的異步電動機變頻調(diào)速控制特性。如果電動機在不同轉(zhuǎn)速下具有額定電流，則電機都能在溫升允許條件下長期運行，這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，按照電機拖動原理，在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。圖2異步電動機變頻調(diào)速控制特性2.1靜止式變頻裝置上節(jié)討論的控制方式表明，必須同時改變電源的電壓和頻率。才能滿足變頻調(diào)速的要求?，F(xiàn)有的交流供電電源都是恒壓恒頻的，必須通過變頻裝置，以獲得變壓變頻的電源。這樣的裝置通稱變壓變頻（VVVF)裝置，其中VVVF是英文VariableVoltageVariableFrequency的縮寫。最早的VVVF裝置是旋轉(zhuǎn)變流機組，現(xiàn)在已經(jīng)幾乎無例外地讓位給應(yīng)用電力電子技術(shù)的靜止式變頻裝置。從結(jié)構(gòu)上看，靜止變頻裝置可分為間接變頻和直接變頻兩類。間接變頻裝置先將工頻交流電源通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換為可控頻率的交流，因此又稱有中間直流環(huán)節(jié)的變頻裝置。直接變頻裝置則將工頻交流—次變換成可控頻率的交流，沒有中間直流環(huán)節(jié)。目前應(yīng)用較多的還是間接變頻裝置。2.1.1間接變頻裝置(交—直—交變頻裝置)圖2繪出了間接變頻裝置的主要構(gòu)成環(huán)節(jié)。圖3間接變頻裝置（交——直——交變頻裝置）按照不同的控制方式，又可分為以下三種。1.用可控整流器變壓，用逆變器變頻的交-直-交變頻裝置。調(diào)壓和調(diào)頻分別在兩個環(huán)節(jié)上進行，兩者要在控制回路上協(xié)調(diào)配合。這種裝置結(jié)構(gòu)簡單.控制方便。但是，由于輸入環(huán)節(jié)采用可控整流器，當(dāng)電壓和頻率調(diào)得較低時，電網(wǎng)端的功率因數(shù)較??；輸出環(huán)節(jié)多用由晶閘管組成的三相六拍逆變器(每周換流六次)，輸出的諧波較大。這就是這類變頻裝置的主要缺點。2.用不控整流器整流，斬波器變壓，逆變器變頻的交-直-交變頻裝置。整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流器，再增設(shè)斬波器，用脈寬調(diào)壓。這樣雖然多了—個環(huán)節(jié)。但輸入功率因數(shù)高。克服了用可控整流器變壓，用逆變器變頻的交-直-交變頻裝置的第一個缺點。輸出逆變環(huán)節(jié)不變，仍有諧波較大的問題。3.用不控整流器整流，SPWM逆變器同時變壓變頻的交-直-交變頻裝置。用不控整流，則功率因數(shù)高；用SPWM逆變，則諧波可以減少。這樣，用可控整流器變壓.用逆變器變頻的交-直-交變頻裝置的兩個缺點都解決了。諧波能夠減少的程度取決于開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率則受器件開關(guān)時間的限制。如果仍采用普通晶閘管，開關(guān)頻率比六拍逆變器也高不了多少，只有采用可控關(guān)斷的全控式器件以后，開關(guān)頻率才得以大大提高，輸出波形幾乎可以得到非常逼真的正弦波，因而又稱正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)逆變器。成為當(dāng)前最有發(fā)展前途的一種結(jié)構(gòu)形式。2.1.2直接變頻裝置(交-交-變頻裝置)直接變頻裝置只用一個變換環(huán)節(jié)就可以把恒壓恒頻(CVCF)的交流電源變換成VVVF電源，因此又稱交交變頻裝置或周波變換器。2.1.3電壓源和電流源變頻器從變頻電源性質(zhì)來看，無論是交—交變頻，還是交—直—交變頻，都可分為電壓源變頻器器和電流源變頻器兩大類，它們的主要區(qū)別在于用什么儲能元件來緩沖無功能量。1.電壓源變頻器：對于交—直—交變頻器，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)主要采用大電容濾波時，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一種內(nèi)阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，這叫做電壓源變頻器。2.電流源變頻器：對于交—直—交變頻器，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)主要采用大電感濾波時，直流回路中電流波形比較平直，對負(fù)載來說基本是一個恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這叫做電流源變頻器。2.2正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)逆變器在一般的交—直—交變頻器供電的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，為了獲得變頻調(diào)速所要求的電壓頻率協(xié)調(diào)控制，整流器必須是可控的，調(diào)速時須同時控制整流器UR和逆變器UI，這樣就帶來了一系列的問題。主要是：(1)主電路有兩個可控的功率環(huán)節(jié)。相對來說比較復(fù)雜；(2)由于中間直流環(huán)節(jié)有濾波電容或電抗器等大慣性元件存在，使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)緩慢；(3)由于整流器是可控的，使供電電源的功率因數(shù)隨變頻裝置輸出頻率的降低而變差，并產(chǎn)生高次諧波電流；(4)逆變器輸出為六拍階梯波交變電壓(電流)。在拖動電動機小形成較多的各次諧波，從而產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩。影響電機的穩(wěn)定工作，低速時尤為嚴(yán)重。因此，由第一代電力電子器件所組成的變頻器已不能令人滿意地適應(yīng)近代交流調(diào)速系統(tǒng)對變頻電源的需要。隨著第二代電力電子器件(如GTO，GTR，P—MOSFET)的出現(xiàn)以及微電子技米的發(fā)展，出現(xiàn)了解決這個問題的良好條件。圖4常規(guī)交—直—交變頻器原理圖圖5SPWM交—直—交變頻器原理圖2.2.1SPWM逆變器的工作原理名為SPWM逆變器，就是期望其輸出電壓是純粹的正弦波形，那么，可以把一個正弦半波分作N等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合。這樣，由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法來等效。這樣就可以得到所期望的逆變器輸出SPWM波形的一系列脈沖波形就是所期望的逆變器輸出SPWM波形。可以看到，由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，也就是說，這種交—直—交變頻器中的整流器采用不可控的二極管整流器就可以了。逆變器輸出脈沖的幅值就是整流器的輸出電壓。當(dāng)逆變器各開關(guān)器件都是在理想狀態(tài)下工作時，驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)器件的信號也應(yīng)為相似的一系列脈沖波形，這是很容易推斷出來的。從理論上講，這一系列脈沖波形的寬度可以嚴(yán)格地用計算方法求得，作為控制逆變器中各開關(guān)器件通斷的依據(jù)。但較為使用的辦法是引用通訊技術(shù)中的“調(diào)制”這一概念，以所期望的波形(在這里是正弦波)作為調(diào)制波，而受它調(diào)制的信號稱為載波。在SPWM中常J用等腰三角波作為載波.因為等腰三角波上下寬度線性對稱變化的波形，當(dāng)它與任何一個光滑的曲線相交時，在交點的時刻控制開關(guān)器件的通斷，即可得到一組等幅而脈沖寬度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這正是SPWM所需要的結(jié)果。2.2.2工作原理圖6SPWM變頻器電路原理框圖圖6是SPWM變頻用的主電路，圖中是逆變器的六個功率開關(guān)器件，各又一個續(xù)流二極管反并聯(lián)接，整個逆變器由三相整流器提供的恒值直流電壓供電。它的控制電路，是由一組三相對稱的正弦參考電壓信號由參考信號發(fā)生器提供，共頻率決定逆變器輸出的基波頻率，應(yīng)在所要求助輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)。參考信號的幅值也在一定范圍內(nèi)變化，以決定輸出電壓的大小。三角波載波信號是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波，作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制信號?？刂品绞娇梢允菃螛O式，也可以是雙極式。采用單極式控制時在正弦波的半個周期內(nèi)每相只有一開關(guān)器件開通或關(guān)斷，例如A相的反復(fù)通斷，三相SPWM逆變器工作在雙極式控制方式的制方式和單級式相同，輸出基波電壓的大小和頻率也是通過改變正弦參考信號的幅值和頻率而改變的，只是功率開關(guān)器件通斷的情況不一樣。雙極式控制時逆變器同一橋臂上下兩個開關(guān)器件交替同斷，處于互補的工作方式。2.3.1恒壓頻比控制下的機械特性異步電動機帶載穩(wěn)態(tài)運行時，有（2）此式表明，對于同一負(fù)載要求，即以一定的轉(zhuǎn)速在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下運行時，電壓和頻率可以有多種組合，其中恒壓頻比（恒值）最容易實現(xiàn)的。它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能滿足一般的調(diào)速要求。但是低速帶載能力還較差，需對定子壓降實行補償為了近似的保持氣隙磁通不便，以便充分利用電機鐵心，發(fā)揮電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下采用恒壓頻比控制，實行恒壓頻比控制時，同步轉(zhuǎn)速自然也隨著頻率變化（3）因此帶負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降落為在式（3）中所表示的機械特性近似直線段上。可以導(dǎo)出（4）由此可見，當(dāng)為恒值時，對同一轉(zhuǎn)矩，是基本不變的，因而也是基本不變的，也就是說，在恒壓頻比條件下改變頻率時，機械特性基本上是平行下移的，它們和直流他激電機調(diào)速時特性變化情況近似，所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩達到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低的時候轉(zhuǎn)矩越小對前式整理可得出為恒值時最大轉(zhuǎn)矩隨角頻率的變化關(guān)系為（5）可見，是隨著的降低而減小的，頻率很低時，太小將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶載能力，采用定子壓降補償，適當(dāng)提高電壓可以增強帶載能力。圖7恒壓頻比的異步電動機的機械特性3.1恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖8恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理結(jié)構(gòu)如圖8所示，系統(tǒng)由升降速時間設(shè)定，u/f曲線，SPWM調(diào)制和驅(qū)動等環(huán)節(jié)組成。其中升降速時間設(shè)定用來限制電動機的升頻速度，避免轉(zhuǎn)速上升過快而造成電流和轉(zhuǎn)矩的沖擊，起軟啟動控制的作用。u/f曲線用于根據(jù)頻率確定相應(yīng)的電壓，以保持壓頻比不變，并在低頻時進行適當(dāng)?shù)碾妷貉a償。SPWM和驅(qū)動環(huán)節(jié)將根據(jù)頻率和電壓要求產(chǎn)生按正弦脈寬調(diào)制的驅(qū)動信號，控制控制逆變器以實現(xiàn)電動機的變壓變頻調(diào)速。3.2恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖9恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型由圖9，依次從simulink庫中找出各個模塊，其中給定積分器GI中的Gain設(shè)置參數(shù)為1e4，Saturation設(shè)置為-10——+10，取整模塊設(shè)為round，仿真算法用Ode23tb，逆變器直流側(cè)電壓為514V，PWM發(fā)生器中的載波頻率為1500Hz，仿真精度為1e-3。放大器的放大倍數(shù)設(shè)為1e4；saturation為-10到+10；取整模塊設(shè)為round；變器直流側(cè)電壓為514V，用IGBT；交流異步電機為鼠籠式；PWM發(fā)生器中的載波頻率為1500Hz；仿真精度為1e-3，仿真算法用Ode23tb。根據(jù)三相調(diào)制信號，由PWM發(fā)生器產(chǎn)生逆變驅(qū)動脈沖，經(jīng)逆變器得到頻率和幅值可調(diào)的三相電壓，使交流電機按給定要求啟動和運行。恒壓頻比結(jié)果圖：1.圖16定子電流2.圖17轉(zhuǎn)速波形3.圖18轉(zhuǎn)矩波形由波形可知，系統(tǒng)穩(wěn)定，并且可以通過電壓頻率協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，符合設(shè)計要求。四、設(shè)計總結(jié)電壓和頻率是電動機系統(tǒng)的兩個獨立的控制變量，在再變頻調(diào)速中，要對這兩個控制變量協(xié)調(diào)控制。恒壓頻比控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求但是低速帶載