毕业设计说明书(基于交流双馈电机的提升机可逆交直交变频调速系统设计)

1、 / 69 文档可自由编辑打印本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书基于交流双馈电机的提升机可逆交直交变频调速系统设计基于交流双馈电机的提升机可逆交直交变频调速系统设计MINE HOIST REVERSIBLE EXCHANGE OF DOUBLY-FED MACHINE AC-DC-AC FREQUENCY CONTROL SYSTEM DESIGN学院（部）：电气与信息工程学院专业班级： 电气 学生姓名： 指导教师： 2009 年 6 月 8 日 / 69 文档可自由编辑打印基于交流双馈电机的提升机可逆交-直-交变频调速系统设计摘要本文分析了矿井提升机电力拖动方案的发展历史，根据矿井提升机的

2、工作特性和拖动系统的现状, 提出了将双 PWM 交-直-交可逆变频变频调速系统运用在矿井提升机上， 研究了其基于双 PWM 结构的绕线式异步电动机交直交可逆变频调速拖动方案，通过建立三相异步电动机在旋转坐标系下的数学模型,论述了空间矢量脉宽调制技术原理。PWM 整流器部分采用电压、电流双闭环矢量控制策略;逆变器部分采用按电机转子磁通定向的矢量控制方法。建立了控制系统模型,并深入分析了其原理。 本文首先讨论了变频器及逆变器的基本工作原理以及相应的矢量控制理论，然后然后结合矿井提升机交-直-交可逆变频调速的具体要求，分别对三相PWM整流器以及逆变器进行主电路元件参数计算及选择。最后DSP(TMS3

3、20LF2407)为核心，设计系统硬件和软件，完成了三相VSR控制系统的数字化实现。 该文简要分析了变频技术的发展状况，揭示了其控制原理;随着变频技术的日益发展和成熟,可以实现节能、增产、降耗的目的,有着非常广阔的应用前景。 关键词：矿井提升机，绕线式异步电机，可逆变频调速，矢量控制关键词：矿井提升机，绕线式异步电机，可逆变频调速，矢量控制 I / 69 文档可自由编辑打印MINE HOIST REVERSIBLE EXCHANGE OF DOUBLY-FED MACHINE AC-DC-AC FREQUENCY CONTROL SYSTEM DESIGNAbstract This paper

4、 analyzes the power drag mine hoist the history of the development program, according to the work of mine hoist drive system features and the status quo, will be made to pay double PWM inverter has a reversible cross-Frequency Control System used in the mine hoist,Study of its structure based on dua

5、l PWM induction motor winding AC-DC-AC Frequency Control reversible drag the program, through the establishment of three-phase asynchronous motor in the rotating coordinate system of the mathematical model, discusses the space vector pulse width modulation technique. Part of the use of PWM rectifier

6、 voltage and current double closed-loop vector control strategies; inverter part of the introduction of rotor flux-oriented vector control method. Established a control system model, and its principle-depth analysis.This article first discusses the inverter and the inverters basic working principle

7、and the corresponding vector control theory, and then mine hoist and then combined with a pay settlement has been reversible Frequency specific requirements, respectively, on the three-phase PWM rectifier and inverter for main circuit parameters and select Components. Finally, DSP (TMS320LF2407) as

8、the core, the design of system hardware and software, completed a three-phase VSR digital control system to achieve.In this paper, a brief analysis of the development of frequency conversion technology, revealing the principles of its control; with increasing frequency technologies develop and matur

9、e, can achieve energy saving, production, saving the end, has a very broad application prospects. KEYWARDS：mine hoist, wound-induction motor,reversible, vector II / 69 文档可自由编辑打印control / 69 文档可自由编辑打印目录摘要（中文）.I摘要（外文）.II1 绪论.11.1 前言 .11.2 矿井提升机的工作特点及其对电力传动系统的要求 .11.3 国内外研究现状及发展 .31.4 方案选择 .51.4.1 变频电路

10、方案选择.51.4.2 电机拖动系统方案.72 矿井提升机电力传动系统的理论分析.112.1 系统结构图.112.2 三相电压源型 PWM 整流器控制系统的理论研究 .112.2.1 三相电压源型 PWM 整流器的电路分析.112.2.2 控制系统理论分析.132.2.3 矢量控制理论.152.2.4 及的物理概念及检测.17dE2.3 变频器的理论分析 .182.3.1 异步电动机定向矢量控制理论.182.3.2 异步电动机四象限运行状态.223 PWM 整流器设计.253.1 PWM 整流器的主电路元器件参数计算及选择 .253.1.1 原始参数.253.1.2 主电路图.253.1.3

11、整流变压器的设计.253.1.4 器件的选择.253.2 IGBT 驱动电路设计 .303.3 控制电路设计 .323.3.1 基于 DSP 处理器的控制电路图.323.3.2 电信号检测电路.36i / 69 文档可自由编辑打印3.3.3 控制电源.383.4 控制系统的软件设计.403.4.1 DSP 简介.403.4.2 程序模块组成.424 变频器的设计及原理.494. 1 元件参数计算及选择.494. 1. 1 原始参数.494. 1. 2 主电路图.494. 1. 3 开关器件的选择.494. 2 IGBT 驱动电路设计.504.3 矿井提升机异步电动机矢量控制系统的设计 .514

12、.3.1 转子电流调节器 ACR 的设计.514.3.2 磁链调节器的设计.534.4 控制电路设计.544.4.1 基于 DSP 处理器的控制电路图.554.4.2 电信号检测电路.564.4.3 控制电源.58结 论.60参考文献.61致 谢.620 / 69 文档可自由编辑打印1 绪论1.1 前言 矿井提升机是煤矿的关键设备，它肩负着井上井下的物体运输的重任。矿井提升有主井提升和副井提升之分，主井提升的作用是沿井筒提升有益矿物如煤炭等);副井提升的主要作用是沿井筒提升矸石、下放材料、升降人员或设备等。矿井提升机在整个煤矿生产中占有重要的地位。因此，要求矿井提升机拖动系统具有安全可靠，运行

13、高效且定位准确的能力。矿井提升机作为矿山最大的电气设备之一，其耗电量占矿山总耗电量的 3040%，并且运行特性复杂，速度决，惯性大，一旦提升运行失去控制，不能按照给穿速度运行，就可能发生超速、过卷等重大安全事故，造成设备损坏甚至人员伤亡，给矿山带来重大人生和财产损失。因此矿井提升机的电控系统的技术性能和可靠性直接影响煤矿的安全生产。1.2 矿井提升机的工作特点及其对电力传动系统的要求矿井提升机的工作特点是在一定的距离内，以较高的速度往复运行，完成上升与下降的任务。为确保提升机能够达到高效、安全、可靠地连续工作，其必须具备良好的机械性能，良好的电气控制设备和完善的保护装置。鉴于在矿井提升机的工作

14、特点，因此要求矿井提升机的电力拖动系统具有安全可靠、运行高效且定位准确的能力，以满足矿井提升工艺过程的需要。图1-1是矿井提升机拖动系统的结构图。 为电压期望值，即通常意义上的速度给定，T为驱动轮，1为牵引钢丝绳，2为提升容器，3为平衡钢丝绳，M为驱动电动机。U*nMT1223图1-1 矿井提升机拖动系统的结构图1 / 69 文档可自由编辑打印 矿井提升的整个过程可以分为 5 个阶段：加速阶段、等速阶段、减速阶段、爬行阶段、停车抱闸阶段。加速阶段是矿井提升机从静止状态起动加速到最高速度；等速阶段是提升机的主要运行阶段，提升机以最高速度运行；减速阶段是提升机从最高速度减小到爬行速度；爬行阶段是箕

15、斗定位和准备安全停车考虑。根据矿井生产安全规程的要求，要限制提升过程的加速度以及爬行速度。根据动力学方程式： （1-1）2375eLGD dnTTdt式中：电动机转矩，NmeT静负载力矩，NmLT拖动系统正转矩，N2GD2m 可得到如图2（a）速度给定下，不同大小的力图，如图2（b） 、 （c） 、 （d）所示。其中图2（b）为静负载力矩比较大的情况;图(c)为静负载力矩比较小的情况;图（d）为下放重物的情况。显然，随着提升物料的重量不同，要求电动机的拖动力不同，且在一个提升循环中，在不同阶段电动机的拖动力的极性也在变化，实现四象限运行。 n0F0F0F0ttt(a)(b)(c)(d)图 1-

16、2 给定速度下不同的力图为满足提升机速度图的要求，提升机电气传动系统必须保证电动机在1:25的调速范围内有0.5%以上的特性硬度。按一般多绳提升机的工艺要求，其最高运行速度2 / 69 文档可自由编辑打印，爬行速度，则调速范围为。max11.75/Vm smin0.5/Vm smaxmin11.75/0.5=23V /V1.3 国内外研究现状及发展矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技术水平,因此世界各大公司纷纷将新的、成熟的技术应用于提升机电控系统。下面就国内外计算机控制在矿井提升机中的应用情况作一介绍。一、国外矿

17、井提升机的应用现状从70年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术己逐步应用于矿井提升机中。目前，国外己达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次变革。其应用主要体现在以下几方面:1) 提升工艺过程微机控制在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机控制。由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。2) 提升行程控制提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高，目前可达到误差2cm左右。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，计算出容器准

18、确的位置而施以控制和保护。在罐笼提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力。如SIEMENS, ABB, AEG等公司已采用32位微机来构成行程给定器。除此之外还提供性能不尽相同的机械行程控制器。一般过程控制用微机作监视，行程控制也采用单独微机完成，从而提高了系统的可靠性。3) 提升过程监视由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视:a、提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视;b、各主要设备运行状态监视;c、各传感器(如位置开关、停车开关)信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事

19、故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中。4) 安全回路安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态极为重要的环节。为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法。安全3 / 69 文档可自由编辑打印回路极为重要，它是保护的最后环节之一，英、德几家公司都采用两台PC微机构成安全回路，使安全回路具有完善的故障监视功能，无论是提升机还是安全回路本身出项故障时都能准确地实施安全制动。5) 全数字化系统调速控制德国AEG公司的Logidyn D(32位机)、西门子公司的Siemadyn D(16位机)以及ABB公司的Ty

20、rak(16位机)系统都已应用与提升机上。全数字化系统具有硬件结构单一、参数稳定且调整方便、可方便地与上位机联网等优点。当然此类系统要求维护人员有更高的技术水平和计算机知识。二、国内提升机应用的现状由于种种原因，国内提升机行程控制的水平还较低，对速度给定以时间给定和机械式行程给定为主，而以计算机为核心的矿井提升机行程监控和保护的研究还处于尝试阶段闹。“九五，期间国产全数字直流提升机已成为煤矿提升机的首选机型。其中我国研究成功的具有自主知识产权的全数字化直流提升机，其核心部分ASCS是由双CPU构成的计算机系统。此外我国还应用SIMADYND和S7研制成功第一台交-交变频器供电的交流提升机。由于

21、采用了计算机技术，提升机的安全保护系统更为完善。但到目前为止，还未见采用高档微机或其他控制装置实现高性能的行程控制系统的成套装置，对于我国的矿井提升机，实现高精度深度指示器和行程控制器是一个急待解决的课题。在本系统中我们研制开发的多功能数字深度指示器填补了国内空白，达到同类产品同期国际上的先进水平。总的来说，我国近年来开展的对提升机数字电控系统的研究，采用了先进的控制设备和控制策略，无论在驱动方式上还是在控制技术上都取得了长足进展，取得了很大成绩。由于异步电动机在低速运行时特性曲线软，在次同步状态下无法产生有效的制动力矩，因而难于准确地控制提升机的停车位置。目前多采取动力制动或低频拖动加制动的

22、方式来完成减速、爬行和停车。目前在用的动力制动及低频电源大多为采用模拟技术控制的晶闸管装置，仍存在调试困难、维护量大的问题。传统交流电控系统可靠性差的另一原因是安全保护、闭锁及监测系统不完善，均为单线系统，且与控制系统相混联，多数共用一套线路，互相影响。1986年以来，针对制约提升安全的主要环节，陆续增设了经常影响提升安全的深度指示器、自动减速、限速等安全监测及后备保护功能，初步实现了对提升容器的定点位置监测及几项重要安全保护的双限制，使提升安全状况有所改善。在实施提升机电气控制系统技术改造时，既要紧盯国际先进水平，也要考虑我国国情，依靠自己的力量，加强与先进国家的合作，采取引进消化、吸收、合

23、作生产、联合改造等多种形式，实现符合中国国情的煤矿提升机电控系统现代化。4 / 69 文档可自由编辑打印1.4 方案选择1.4.1 变频电路方案选择 目前应用较多的变频电路有：交交变频电路、矩阵式变频电路和交直交变频电路。1交交变频电路1）电路构成和基本原理单相交交变频电路的基本原理如图 1-1 所示。电路有 P 组和 N 组反并联的晶闸管交流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路相同。变流器 P 和 N 都是相控整流电路，P 组工作时，负载电流 为正，N 组工作时， 为负。让两组变流器按0i0i一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频

24、率。改变交流电路工作时的控制角，就可以改变交流输出电压的0w幅值。 NPZU图 1-1 单相交交变频电路原理图和输出电压波形为了使输出电压的波形接近正弦波，可以按正弦规律对进行调试。如上图所0u示，可以在半个周期内让正组变流器 p 的角按一定的规律从逐渐减小到或某个0900o值，然后再逐渐增大到。这样，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规变化。090另外半个周期可对变流器 N 进行同样的控制。2）交交变频电路的优缺点和交直交变频电路比较，交交变频电路的优点是：只用一次变流，效率较高：可方便实现四象限工作；低频输出波形接近正弦波。缺点是：接线复杂，受电网频率和交流脉冲数的限制，输出频率低，输出

25、功率因数低；输入电流谐波大，频谱复杂。2.矩阵式变频电路矩阵式变频电路是近年来出现的一种新颖的变频电路，其电路图如图 1-2 所示。这种电路也是一种直接变频电路，电路使用全控型开关器件，控制方式不是传统的相5 / 69 文档可自由编辑打印控方式，而是斩空方式。该种变流器是一个由交流开关组成矩阵，她允许从任意输入相到任意输出相的连接。这些开关经 PWM 控制产生输出基波电压，并可以改变基波电压的幅值和频率来控制一台交流电机。在任一瞬间，每组只有一个开关闭合，共有 23 种可能的开关状态。线路 LC 滤波器是必须的，一是为了完成交流开关的换相，使负载的感性电流可以在各相之间切换；二是为了滤掉线路电

26、流的谐波。SSSABCLCabcnS1S2S3S4S5S6S7S8S9图 1-2 三相三相矩阵式变流器矩阵式变频电路的优点是输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率的限制；输入电流也可控制为正弦波且可以和电压相同，功率因数为 1，也可以控制为需要的功率因数；能量双向流动，适用于交流电动机的四象限运行；不通过中间环节而直接实现变频，效率较高。缺点：目前来看，矩阵式开关电路所用的开关器件为 18 个，电路结构复杂，成本较高，控制方式还不成熟，电路的输出输入最大电压比只有 0.866.用于交流电机调速是输出电压偏低。3.交直交变频电路交直交变频器的工作原理是：先通过整流器将工频交流电换成直流电，再通过

27、逆变器将直流电变成交流电。变频器输出的交流电的幅值和频率均可调节。交直交变频器由整流环节、直流环节和逆变环节 3 部分构成。电路图如图 1-3 所示。整流环节 6 个晶闸管构成三相桥式可控整流电路，采取自然换相方式。整流电路的作用是：将三相交流电整流成幅值可调的直流电，其中幅值的调节时通过调dUdU6 / 69 文档可自由编辑打印节晶闸管的控制角的大小来实现的，角越小，就越大，两者的关系用公式可控dU整流电路接电感型负载：。直流环节为直流大电容，能够滤除高频谐22.34cosdUU波，可使直流电压的波形更为平直。因为直流环节中并接大电容，所以这种变频器dU属于电压型。逆变环节由 6 个晶闸管构

28、成三相桥式逆变电路，采用强迫换流方式。强迫换流电路由线路中电容和电感构成，作用是：当某个晶闸管需要关断时，强迫换流电路会在此晶闸管两端形成反压，迫使其关断。逆变电路的作用是：将直流电逆变dU成频率可调的三相交流电。图 1-3 交直交变频电路简图交直交变频电路具有以下特点：（1）此电路采用电压型变频方式，这是变频器中最常用的一种方式。（2）变频器输出的三相电压幅值和频率的调节方法。幅值的调节方法在整流环节中完成，通过调节整流管-控制角的大小来实1VT6VT现；频率的调节方法在逆变环节中完成，通过调节逆变管-的触发脉冲的频率的1VT6VT大小来实现。触发脉冲的频率增加，则输出电压的频率会增加。可见

29、，这种变频器属于 PAM 型变频器，PAM 方式的特点是：输出电压的幅值和频率的调节在不同环节中完成。（3）整流管和逆变管均由晶闸管构成，而产生和使用晶闸管的技术已经很成熟。1.4.2 电机拖动系统方案目前正在应用的矿山电力拖动系统方案有交流电动机转子串电阻调速、晶闸管供电的直流电动机调速、晶闸管交一交变频同步电动机矢量控制方案、交流电动机双PWM交-直-交直接转矩控制系统等。1. 交流电动机转子回路串电阻调速系统转子回路串电阻调速的主电路结构如图1-4所示。在加速过程中，交流接触器KM1,KM2,KM3,KM4逐级吸合，转子回路电阻依次减小，7 / 69 文档可自由编辑打印以保证加速力矩的平

30、均值不变。如果要求电动机低速运行，则需在转子回路串较大电阻。为了解决减速段的负力要求，通常采用动力制动方案，即将定子侧的高压电源切除，施加直流电压，或在定子绕组上施力A1低频电源，让电动机工作在发电状态。这种托动方案存在的问题是:1)开环有级调速，加速度难以准确控制，调速精度差;2)触点控制，大量使用大容量开关，系统维护工作量大，可靠性差;3)运行效率低，在低速时大部分功率都消耗在电阻上;4)电机的机械特性偏软，一般电阻上消耗的功率约为电动机输出功率的20-30%.KM4KM3KM2KM1R1R2R3R4T图1-4 转子串电阻调速图虽然这种调速方案技术性能和运行效率低，但控制方式简单、初期设备

31、投资较低，许多中小矿井的提升机仍采用这种调速方案。2. 晶闸管供电的直流电动机调速系统(亦称V-M 系统)由直流电动机的转矩公式：8 / 69 文档可自由编辑打印 （1-1）emdTCI式中，直流电动机的转矩，Nm;eT 磁通，Wb； 直流电动机的电枢电流，A。dI可知 ，改变直流电动机的转矩极性有两种方法，一是改变电流的极性，称为eTdI电枢换向方案;二是改变励磁电流的极性，称为磁场换向方案。改变直流电流极性的fIV-M调速系统结构如图5所示。在使用时通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发cU脉冲的相位，可改变平均整流电压，从而实现平渭调速。但是，由于晶闸管的单向dU导电性，不允许电流反向

32、，要实现系统的可逆行，必须使用正反两组全控整流申路，使得系统装置复杂。GTM=+VTUC+-图1-5 V-M可逆调速系统这种拖动系统的特点是调速性能好 (可实现无静差调速)、运行效率高(变流器的效率可达0.96% 以上)。但这种方案采用的是晶闸管相控整流电路，其输入电流滞后于电压，滞后角随着触发延迟角a的增大而增大，位移因数也随之降低（） 。coscos所以功率因数低、谐波电流大、会对电网造成污染，影响电网的电能质量，干扰了其它设备的正常运行。所以当系统处于深度调速状态，晶闸管导通角很小的时候，要添置无功补偿和谐波滤波装置。3. 晶闸管交一交变频同步电动机矢量控制系统为了解决大容量矿井提升机V

33、 -M 直流调速系统存在的缺点，德国西门子等公司开发了晶闸管交一交变频同步电动机矢量控制系统，其主主路结构如图所示。由两组晶闸管反并联构成单相交一交变频电源，变频器的输出频率在7HZ以下，改变三相变频器的输出频率即可改变同步电动机的转速。采用矢量控制技术对三相定子电流幅相进行控制，从而控制电动机的转矩。为了保证同步电动机的功率因数为1，在控制三相定子电流的同时，也控制励磁电流的大小。我国的矿井提机从90年代初开始采用西门fI子公司的交一交变频同步电动机矢量控制系统。该拖动方案的特点是转子重量轻、拖动系统的飞轮矩小、转矩的动态响应快。同9 / 69 文档可自由编辑打印步电动机的运行效率高，维护工

34、作量小。但是这种拖动方案的电网侧功率因数低、谐波电流大,对电网的污染严重，为此，需增设谐波补偿装置、无功动态补偿装置，使整个系统的投资大。三相三相三相6KVUVWifMS图1-6 晶闸管交交变频同步电动机矢量控制系统4. 双PWM交直交变频调速方案绕线式异步电机双PWM交直交变频调速系统的主电路结构图如图所示。图中，ARU 为PWM 可逆整流器，电网侧的功率因数近似为1，能够将交流电源的能量转变成直流电能，也可以把直流侧的电能逆变成交流电回馈电网。交流侧的电流波形接近正弦波，谐波电流较小。（图）10KVARUINUMSif图1-7 双PW交直交变频调速系统的主电图INU 为PWM逆变器，它将直

35、流你变成三相交流电供给异步电动机的定子绕组，为了改善对矿井提升机的转矩控制的性能，可采用直接转矩控制方案，扭矩响应时间达10 / 69 文档可自由编辑打印到3.5ms (ABB公司)，转矩脉动分量也大大减小。2 矿井提升机电力传动系统的理论分析2.1 系统结构图 本课题的矿井提升机电控系统的系统结构图如图所示。ACACACs1s2s3id32SSCC32SSCC32SSCC32SSCC32SSCC32SSCCdUdU-AVRACRllACRqiqipqUpdUpaUpbUpcUdidi1n23rsCCddE检测dU 检测PWM调制dUPWM调制50HZ50HZaUbUcUAUBUCUAiBiC

36、iaibicirturtirtirtermermuA C R TACRMASRrmirmismistismissp1mLeTnnTKKnK221tgsussLPG锁相VAsu1psisisusue运算电 压 模 型3M图 2-1 系统控制结构图2.2 三相电压源型 PWM 整流器控制系统的理论研究 PWM 整流器按其主电路结构可分为电压源型（VSR）和电流源型（ISR）两种。电压源型整流器和电流源型整流器相比，直流脉动小，输入电流连续且简单易行，因此电压源型整流器成为当今主要研究对象。2.2.1 三相电压源型 PWM 整流器的电路分析PWM 脉宽调制可逆整流器具有功率因数可调、谐波电流小的突出

37、优点，它克服了晶闸管可控整流器的缺点。目前已在交直交可逆交流传动系统、高压直流输电系统、电力系统无功动态补偿装置中应用。11 / 69 文档可自由编辑打印三相 PWM 整流器的主电路如图 2-1 所示。在电源电压 uab为正半周时，驱动 V3，使其导通，则 Uab经交流回路电感器 L 短路，ia增加。当 V3关断时，L 向直流回路释放能量，同时 Uab也向直流回路输出能量。输出能量的大小取决于 V3导通的时间。此为斩波升压电路。三相桥工作在脉宽调制状态，三相桥的交流侧为被调制的三相交流电压 upa 、upb、 upc。其基波分量与电网侧的电压同频率。在调节 upa 、upb、 upc的基波分量

38、的幅值和相位时，可调节交流侧电流的幅值和相位RaLaRbLbRcLcV1V3V5V4V6V2RLudOOC/2C/2PaPbPciaabc图 2-2 三相 PWM 整流器主电路交流侧 a 相等效电路如图 2-2 所示。回路电势平衡方程为 （2-1）paaaaudtdiLRie式中：a 相交流电源电压；aea 相交流电流；aiLa 相回路总电感，含进线滤波器电感、电源漏感；R交流回路总电阻；a 相调制电压。pauLaeaupaiaR图 2-3 交流侧 a 相等效电路相量表达式为 paaaaUILjIRE.在调节 upa 的幅值和相位时，改变 ia的幅值和相位，可得到以下四种典型的相量12 / 6

39、9 文档可自由编辑打印图，每种相量图对应于一种典型的应用，如图 2-4 所示。 IaEaULUPaUR.oIaEaULUPaUR.o(1) ia与 ea同相 (2) ia与 ea反向 IaEaULUPaUR.oIaEaULUPaUR.o(3) ia超前 ea 90 (4) ia滞后 ea 90图 2-4 调节 upa时的 ea与 ia相量图1）整流状态相量图的图 2-3(1), 比滞后，与同相，功率因数角 为 0。此paU.aE.aI.aE时，是理想的整流状态，将三相交流电源变成直流电源。2）逆变状态相量图的图 2-3(2), 比超前，与反相，功率因数角 为 180。paU.aE.aI.aE此

40、时，是理想的逆变状态，将直流电源变成交流电，回馈电网。3）容性负载相量图的图 2-3(3), 比滞后，比超前 90，整流器为纯容性负载。paU.aE.aI.aE可用作无功动态补偿。4）感性负载相量图如图 2-3(4)所示, 比超前，比滞后 90，整流器为纯感性paU.aE.aI.aE负载。可用作无功动态补偿。2.2.2 控制系统理论分析1）电流开环、电压闭环控制系统理论分析：根据式（2-5） 、式（2-6）可建立直流电压 ud闭环、电流开环的 PWM 整流器的系统控制结构如图 2-5 所示若作为整流器使用，希望直流输出电压 ud稳定，因此采用 ud闭环控制结构。电压调节器 AUR 采用 PI

41、调节器。调节器的输出量表示期望的交流电流有功分量id*。无功分量期望值iq*取决于期望的功率因数角*。若*=0，iq*=013 / 69 文档可自由编辑打印 RSLLRSLtg*di*qi+dE*pdu+-qE+-矢矢量量运运算算SPWM调调制制AUR同同步步电电路路*dudu*pqu*pduupa*upb*upc*+-电电压压检检测测UdUd检检测测L 图 2-5 电压闭环、电流开环的 PWM 整流器系统控制结构由式（2-5） 、式（2-6）的运算可得到在旋转坐标系中的调制电压upd*、upq*，经矢量运算得到三相调制电压期望值 upa*、upb*、upc*，再经正弦波脉宽调制电路，得到六相

42、调制脉冲，去驱动六个桥臂的开关器件。2）电压闭环、电流闭环控制系统理论分析： 电压闭环、电流闭环控制系统的优点是不要检测交流电流、系统结构简单、存在的缺点是电流有功分量、无功分量的响应比较慢，影响整流器的动态抗扰性能。diqi电压闭环、电流闭环控制的整流器结构如图 2-6 所示。id、iq检测环节的原理是通过检测三相交流电流 ia、ib、ic，经 3/2 变换，旋转变换得到 id、iq。3/2 变换矩阵见下式：112233221203ii 旋转变换矩阵见下式：cossinsincosdqiiii ACDR 调节器是调节 id的，采用 PI 调节器，调节器的输出量 upd1*。ACQR 调节器是

43、调节 iq的，亦采用 PI 调节器，调节器的输出量是 upq1*。为提高系统的跟随性能和抗扰性能，增加前馈控制环节。Ed、Liq、Lid为前馈控制量。14 / 69 文档可自由编辑打印ACDRACQRLL*di*qi+dE+-矢矢量量运运算算SPWM调调制制AUR同同步步*dudu*pqu*pduupa*upb*upc*+-id、iq检检测测UdUd检检测测Ed检检测测-idiqia,b,c*tgL-+图 2-6 电压闭环、电流闭环控制系统结构从图中可见：电流闭环控制系统比起电流开环控制系统，动态性能有了明显的改善。对比图 2-7，比较结果如下：输出直流电压响应。启动时电流开环控制系统输出直流

44、电压跟随时间为 0.1 秒，无超调，但有明显波动，而电流闭环控制系统跟随时间减少至 0.09 秒，有少许超调，但只波动一次，波形较平滑。负载扰动时电流开环控制系统输出直流电压降落 28 伏，恢复时间 0.16 秒，而电流闭环控制系统电压降落 23 伏，恢复时间仅 0.1 秒。电流响应。启动时电流开环控制系统三相电流波形较乱，幅值过大，响应时间为 0.1秒，无论启动还是扰动时，电流有功、无功分量跟随均不理想，响应时间较长且不明显，因此功率因数波动时间长；电流闭环控制系统三相电流波形较好，响应时间仅0.04 秒，电流有功、无功分量跟随快，功率因数动态跟随性好。2.2.3 矢量控制理论对于 PWM

45、整流器的控制，主要是控制调制电压up。对于up的控制方法有两种，一是交流幅相控制，另一种是矢量控制。前者是通过对交流回路计算得到up的大小和相位，后者是通过旋转坐标系中计算up的两个分量upd、upq。这两个分量是直流量，经坐标变换后变成三相交流量。前者的技术性能不如后者。下面仅介绍基于矢量控制技术的 PWM 整流器理论。借助于三相对称交流电源的空间电压矢量概念，由三相交流电压 ea、eb、ec合成以同步速 旋转的空间电压矢量 E。 就是交流电源的角速度 2f。在以 速度旋转的直角坐标系 dq 中，定义 d 轴与 E 轴重合。d 轴相对于发电机 a 相绕组轴线的夹角为 。E 是空间电压矢量的幅

46、值，与相电压幅值对应。显然，E 在 q 轴上的分量Eq=0,Ed=E。矢量图如图 2-5 所示。15 / 69 文档可自由编辑打印dqEd(E)aiupupq0upd图 2-7 E、up、I 矢量图根据坐标变换原理，三相交流电源 ea、eb、ec与电压空间矢量 E 的两个分量 Ed、Eq之间的关系为： （2-2）0000cossin2cos(120 )sin(120 )3cos(120 ) sin(120 )adbqceEeEe式中：E 与 a 轴之间的夹角，。dt同理，被调制的三相交流电压upa 、upb、 upc与经坐标变换得到的调制电压空间矢量up的两个分量upd、upq之间的关系为 （

47、2-3）0000cossin2cos(120 )sin(120 )3cos(120 ) sin(120 )papdpbpqpcuuuuu三相交流电流 ia、ib、ic与经坐标变换得到的电流空间矢量 i 的两个分量 id、iq之间的关系为： （2-4）0000cossin2cos(120 )sin(120 )3cos(120 ) sin(120 )adbqciiiii 由式（2-2）式（2-4）求出 ea、upa、ia，然后代入式（2-1） ，可得到 （2-5）dpdddqtdiuELRiLidi （2-6）dpddqtdiuLRiLidi 式（2-5） 、式（2-6）表示在旋转坐标系中调制电压

48、upd、upq与交流电源的电压空间矢量的幅值 Ed、电流有功分量与无功分量之间的关系。16 / 69 文档可自由编辑打印2.2.4 及及的物理概念及检测dE1）的物理概念及检测在矢量运算中，需要用到交流电压空间矢量 E 相对于 a 相绕组轴线的空间位置角。根据电压空间矢量的概念，就是交流电源的相位角t。100Kuac6v1uFE+15V-15V*2K20K5V5.5KFGuFuEttttuGuacua0000图 2-8 检测电路及波形分析由式（2-2）可得ea= (cosEdsinEq)32因为Eq0，EdEea = EcosEamcost32式中，E 三相交流电源合成的电压空间矢量幅值；Ea

49、m a 相电源、电压幅值。由式（2-3）可得 （2-7）22cossincos()33papdpdpuuuu17 / 69 文档可自由编辑打印显然，upa比 ea滞后，这与幅相控制理论是吻合的。当采用式（2-4）计算三相调制电压的期望值时，的起算点应是 a 相电源电压的峰值处，据此，设计的检测电路如图 2-6 所示。uG的正跳为的起始点。2）的物理概念及检测dE在矢量运算中，需用到电压空间矢量的幅 E 及 E 在 d 轴上的分量 Ed。由于 d 轴与矢量 E 重合，Ed=E，Eq=0。由式（2-2）可得（2-9）avmmEEUE91. 122. 123式中，Eav相电源电压的平均值。2.3 变

50、频器的理论分析2.3.1 异步电动机定向矢量控制理论 异步电动机交直交矢量控制系统的主电路如图 2-9 所示。整流器部分 ARU 可采用 PWM整流器，PWM 逆变器 INU 为三相桥式接法。这种两电平的拓扑结构适用于较小的场合，如 660V 电压等级的井下防爆绞车或矸石山绞车。变频器的输出电压应为 660V，所以桥臂开关器件应采用 1700V 的 IGBT。为了检测变频器的三相输出电流，需设置三只霍尔电流传感器。ACACACARUINU1S2S3S4S5S6SdeUCCTATGaibicinM图 2-9 异步电动机交直交矢量控制系统主电路1)在 MT 旋转坐标系上的数学模型 （2-10）1s

51、ms smsmstuR i （2-11）1sts ststsmuR i （2-12）rmr rmstsrtuR i （2-13）rtr rtrtsrmuR i18 / 69 文档可自由编辑打印 （2-14）sms smm rmL iL i （2-15） sts stm rtL iL i （2-16） rmm smr rmL iL i （2-17）rtm str rtL iL i2）矢量图 异步电动机按转子磁通定向的矢量控制的矢量图如图 2-10。图中，坐标系 MT 的磁链轴 M 位于转子磁链的轴线上，定子电流矢量是等效的定子电流空间矢量，由三rsi相定子电流、合成，它们都以同步速旋转。轴为转子

52、轴，以速度旋转。saisbiscisdr是静止的二相坐标系，其中轴与三相定子绕组的轴重合，轴与轴之间的夹d角转子相对于定子绕组的轴之间的位置角，M 轴与轴之间的夹角。d()srtd那么磁链轴 M 相对于定子绕组 轴的空间位置角。s Tistisismdss图 2-10 异步电动机按转子磁通定向控制的矢量图 由（2-16） 、 （2-17）两式得转子合成磁链，与 M 同轴。由（2-14） 、 （2-15）两rr式得定子合成磁链。在定子绕组产生感应电势，其中ssse （2-18）1smsme （2-19）1stsme3）在 MT 坐标系中定子电压的计算19 / 69 文档可自由编辑打印 (2-20

53、)211mrsmssmsmstsssmsmrLR puR IRLp ieT p (2-21)2()mstssststrLuRLp ieL4）转矩 在旋转坐标系 MT 中，将定子电流分解为、励磁分量。异步电动机的转矩为sistismieT (2-22)emr stTKi式中，比例系数；mK 转子磁链。r而转子磁链与的关系为smi （2-23）rrrm smtdTL id （2-24）mrrrrrLLLTRR式中，定子绕组的互感；mL 转子绕组时间常数；rT 转子绕组电阻；rR 转子绕组漏阻。rL 在保证不变，即保证不变的条件下，异步电动机的转矩仅与有关。所以可smirsti分别对电流转矩分量、励

54、磁分量进行控制，从而实现对转矩、转速的控制。stismi5）的计算1 （2-25）11td （2-26）12s （2-27）12s （2-28）mrsstrrmL RiL 采用电流模型的矢量控制系统的结构如图 2-11 所示。外环为速度环，速度调节器ASR 的输出是拖动系统的转矩期望值。的极性表示期望值的极性。由于 ASR 为 PIeTeT调节器，可实现无静差调速。由式（2-22）知，除以得。在旋转坐标系中有个eTrsti20 / 69 文档可自由编辑打印内环即磁链控制环，通过电压模型检测到电动机转子磁链与期望值相比较（对于rr恒转矩负载，为固定值） ，经过 ASR 调节，其输出电压作为定子电

55、流的励磁分量期r望值。smiU*nVD2/3电流控制变频器M3ACACAC磁链模型电流模型PATG/ASRT*ei*styus*r*is1*i.*iR.S.T*Un-图 2-11 电流模型的矢量控制系统的结构图 、到、的两相旋转变换关系为：seismisisi （2-29）2cossin2sincosssssmsmrsssseseiiiCsiii、到、的两相三相关系式为：sisisAisBisCi （2-30）2 30121332 21322sAsssBsssCiiiiCiii 在旋转变换中用到的磁链轴的空间位置角由电流模型得到。电流模型结构如图 2-s12 所示。21 / 69 文档可自由编

56、辑打印siniaic3/2变换isaisbcossinscoss2s/2r变换ist/srrss1/pTr/LmLm/(Trp+1)ismib图 2-12 按转子磁链定向两相旋转坐标系上的转子磁链的电流模型转差角速度与的关系为：ssti （2-31）msstsrrrLiT由此可得旋转磁通链的同步角速度，经积分运算得到磁链轴的空间位置角。ss经矢量运算得到的、，与实测的三相定子电流、相比较后，分别sAisBisCisAisBisCi经电流调节器 ASR1、ASR2、ASR3 调节，得到期望值的三相定子电压、。这AUBUCU三个交流量经 PWM 调制电路得到逆变器六个桥臂的驱动信号。本系统可以运行

57、在四象限，的极性表示正、反转，的极性表示转矩的极性。reT2.3.2 异步电动机四象限运行状态三相异步电动机各种运行状态的定义方法与直流电动机是一致的，若电磁转矩 T与转速 n 的方向一致时，电动机处于电动状态，若电磁转矩 T 与转速 n 的方向相反时，电动机处于制动状态。在运行状态中，根据 T 与 n 的不同情况，又分为正向电动、反向电动、正向制动、反向制动等。 1.电动运行 由三相异步电动机机械特性知，当电动机工作在第一象限时，电动机为正向电动状态，其矢量图如 2-13 所示。当工作在第三象限时，电动机工作为方向运行状态，其矢量图如图 2-14 所示。电动运行状态下，电磁转矩为拖动性转矩。

58、22 / 69 文档可自由编辑打印istisMismd(A)fsTdistisisaMa(A)rsrr图 2-13 正向电动矢量图 图 2-14 反向电动矢量图2.正向回馈制动运行正向回馈制动中，电动机的转速，转差率，从三相异步电动机等效1nn11nnsn电路看来，电动机输出的机械功率为 （2-32）222130mspIrs （2-33）22230MrpIs从及知道，实际是系统减少了动能而向电动机输入机械功率，扣除0mp 0Mp了转子回路电阻铜损耗后，变成了从转子送往定子的电磁功率了。而22223cupI r 1p222222cos0rsrxs22222rEIj Ixs根据以上两式，画出正向回

59、馈制动是异步电动机的向量图，如图 2-15 所示。得出2902cos0从向量图可以看出 1cos023 / 69 文档可自由编辑打印Tdistis(A)Mrisms图 2-15 正向回馈矢量图这样一来，电动机的输如功率则为 (2-34)11 113cos0PU I ，说明有功功率是电动机送出给交流电网了。这也就是说，回馈制动10P 1P过程中，转子边送过来的电磁功率，除了定子绕组上铜耗消耗外，其余的回馈MP1cup给电源。3.反向回馈制动运行反向回馈制动运行时，电动机的功率关系与正向回馈制动过程是一样的，电动机是一台发电机，它把从负载位能减少而输入的机械功率转变为电功率，然后送回给电网，其矢量

60、图如图 2-16 所示。TMris(A)distism图 2-16 反向回馈矢量图24 / 69 文档可自由编辑打印3 PWM 整流器设计3.1 PWM 整流器的主电路元器件参数计算及选择3.1.1 原始参数 本设计中给出的交流鼠笼电动机原始参数为：=300KW, =660V, NPNU=280A，=980rpm。1NINn3.1.2 主电路图RaLaRbLbRcLcV1V3V5V4V6V2RLudOOC/2C/2PaPbPciaabc图 3-1 三相 PWM 整流器主电路 如上图所示，整流器侧主电路图，V1-V6 为六个开关器件，且每个开关器件分别反并联二极管，交流侧含有滤波电感，直流侧含有