转速开环的交-直-交电压源变频调速系统的设计说明

./学号：7中州大学电机及拖动课程设计题目：转速开环的交-直-交电压源变频调速系统的设计姓名：阿顺利专业：电气自动化班级：电气自动化对口二班指导教师：静路2010年06月30日一摘要：中文摘要转速开环交直交电流源型变频调速逆变器频系统的变频器有两个功率变换环节,即整流桥与逆变桥,它们分别有相应的控制回路,为了作方便采用一个给定来控制,并通过函数发生器,使两个回路协调地工作。在电流源型逆变器频率开环调速系统中,除了设置电流调节环外,仍需要设置电压闭环,以保证调压调频过程中对逆变器输出电压的稳定性要求,实现恒压频比的控制方式。电流源型逆变器频率开环调速系统的显著特点是容易实现回馈制动,从而便于四象限运行。适用于需要制动和经常正、反转的机械。此系统对负载电流变化的反应迟缓,因而适用于单台电机传动,但可以满足快速起、制动和可逆运行的要求。因为这种系统有着很高的性能价格比,因此在以节能为目的的各种用途中和对转速精度要求不高的各种场合下得到了广泛的应用。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.关键词Keywords:开环open-loop,电流源current,变频source,调速inverter。二、目录一摘要：-2-二、目录-3-三正文：-4-〔一转速开环的交-直-交电压源变频调速系统的发展趋势：-4-〔二转速开环的交-直-交电压源变频调速系统的工作原理：-5-1、设计系统的原理图与分析：-5-2、电压源变频器主电路：-7-3、变频器的效率与损耗：-8-4、变频调速后电动机效率的变化：-8-5、转速调节器参数-9-6、变频调速基本原理与特点-10-四、参考文献：-12-三正文：〔一转速开环的交-直-交电压源变频调速系统的发展趋势：在用电系统中,电动机作为主要的动机设备之一而广泛地应用与农业生产、国防、科技及社会活动等各个方面。电动机负荷越战总发电量地60%~70%,成为电量最多的电器设备。根据采用的电流制式不同,电动机分为直流电动机和交流电动机两大类,其流电动机拥有量最多,提供给工业生产地电量多半是通过交流电动机加以利用的。交流电动机的诞生和发展已有一百多年的历史,至今已经研究、制造了样式多样、用途各异地各种容量、各种品种地交流发电机。交流发电机分为同步电动机和异步〔感应电动机两大类。电动机地转子转速与定子电流地频率保持严格不变地关系,即是同步电东动机；反之,若保持这种关系,即是异步电动机。根据统计,交流电动机用电量占电机总量地85%左右,可见交流电动机应用地广泛性及其在国民经济中地重要地位。电动机作为吧电能转换为机械能地主要设备,在实际应用中,一是要使电动机具有较高的机电能量转换地运行效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接地决定性影响。为了控制电动机的运行,就要为电动机配上控制装置。电动机+控制装置=电力转动自动控制系统。以直流电动机作为控制对象的电力转动自动控制系统称之为直流调速系统；以交流电动机作为控制对象地电力自动控制系统称之为交流调速系统。根据交流电机地分类,相应有同步电机调速系统和异步电机调速系统。高性能化。产品将普遍采用矢量控制技术,提高调速性能,达到和超过直流调速水平。全控型大功率快速电力电子器件的发展为现代化的变频装置提供了物质保证。〔二转速开环的交-直-交电压源变频调速系统的工作原理：1、设计系统的原理图与分析：电流源型变频器<CSI：CurrentSourceInverter>采用大电感作为中间直流滤波环节。整流电路一般采用晶闸管和GTO做为功率器件,通过采取电流PWM控制,以改善输入电流波形,为了降低谐波,可采取多重化技术,利用12或18脉冲整流技术,有效地消除11或17次以下的谐波,保证良好的输入波形。逆变部分一般使用晶闸管或GTO作为功率器件,采用功率器件串接的方法,达到系统的耐压要求,并且由于其通态压降一般较低,门极触发电路比较简单,驱动功率较低。由于存在着大的平波电抗器和快速电流调节器,所以过电流保护比较容易。当逆变侧出现短路等故障时,由于电抗器存在,电流不会突变,而电流调节器则会迅速响应,使整流电路晶闸管的触发角迅速后移,电流能控制在安全围,因此无需熔断器和熔断保护电路,减少了器件数量,提高了系统可靠性。同时,由于采用了对称的整流电路,虽然直流环节电流的方向不能改变,但整流电压可以反向<当整流电路工作在有源逆变状态时>,可以使在降速工况下负载反馈的能量回馈电网,实现系统的四象限运行。电流源型逆变器频率开环调速系统的变频器有两个功率变换环节,即整流桥与逆变桥,它们分别有相应的控制回路,为了作方便采用一个给定来控制,并通过函数发生器,使两个回路协调地工作。在电流源型逆变器频率开环调速系统中,除了设置电流调节环外,仍需要设置电压闭环,以保证调压调频过程中对逆变器输出电压的稳定性要求,实现恒压频比的控制方式。电流源型逆变器频率开环调速系统是由电流源型变频器主电路、给定积分、函数发生器、电压调节器和电流调节器、瞬态校正环节等几部分组成的。如图〔一所示。图一晶闸管交-直-交电压源变频器转速开环系统结构图2、电压源变频器主电路：变频器根据有无直流环节而将高压变频器分为两大类：1无直流环节的变频器,即交—交变频器；2有直流环节的变频器称为交—直—交变频器,其中直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流源型变频器；直流环节采用大电容以抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频器。

电流源变频器主电路的中间直流环节采用电抗器滤波,其主电路由两个功率变换环节构成,即三相桥式整流器和逆变器,它们分别有相应的控制回路,即电压控制回路及频率控制回路,分别进行调压与调频控制。如图二所示。图二交-直-交变频器主电路3、变频器的效率与损耗：效率是指其本身变换效率。就变频器的两种形式而言。交-交变频器尽管效率较高,但调频围受到限制,应用受到限制,目前通用的变频器主要是交-直-交型,其工作原理是先把工频交流电通过整流器变换成直流,然后用逆变器再变换成所需频率的交流电。所以变频器的损耗有三部分组成,整流损耗约占40%,逆变损耗约占50%,控制回路损耗占10%。其前两项损耗是随着变频器的容量、负荷、拓扑结构的不同而变化的,而控制回路损耗不随变频器容量、负荷而变化。变频器采用大功率自关断开关器件等现代电力电子技术,其整流损耗、逆变损耗等都比传统电子技术中整流损耗力量小,根据文献[1>提供资料,变频器在额定状态运行时,其效率为86.4%～96%,随着变频器功率增大而得以提高。4、变频调速后电动机效率的变化：变频调速后,电动机的各种损耗和效率均有所变化,根据电机学理论,电动机的损耗可分为铁芯损耗〔包括磁滞损耗和涡流损耗、轴承摩擦损耗、风阻损耗、定子绕组铜耗、转子绕组铜耗、杂散损耗等几种。铁芯中的磁滞损耗表达式为:说明磁滞损耗Pn与磁通的交变频率f成正比,与磁通密度的幅值Bm的α次方成正比,α对于一般硅钢片,当Bm=0.8～1.6W/m2时,α=2。由风机和泵类理论,其流量Q与所需电动机轴功率P与转速n的关系为:Q∝n;P∝n3;P∝Q3变频调速后,磁滞损耗减少速度比电动机有功减少,速度慢,损耗所占比例有所提高。涡流损耗表达式为:Pe∝af2;式中a=〔Bm2d2/rw;Bm磁通密度的幅值Bm;d铁心厚度;rw涡流回路等效电阻。轴承摩擦损耗:Pz∝f1.5风阻损耗:Pf∝f3定子绕组铜耗和转子绕组铜耗其大小与电源频率f没有直接关系,但高次谐波及脉动电流增加了电动机的铜耗。杂散损耗及附加损耗:不论何种形式的变频器,变频后除基波外,都产生现谐波,这些附加的高次谐波,许多谐波的转矩方向是与基波转矩方向相反的,另外高次谐波也会增加涡流损耗。综上所述,变频调速后,电动机的磁滞损耗、涡流损耗、轴承摩擦损耗、定转子铜损及杂散损耗在功率中所占比例都有所增加,有关文献指出,变频调速后电动机电流增加10%,温升增加2ASPASPGVFGVFDPIDCRARCDPIDCRARCTGTGAPAPMCSIURMCSIUR图三转差频率控制的变压变频调速系统结构图5、转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则,取h=5,则ASR的超前时间常数为τn=hT∑n=5×0.0174s=0.087s转速开环增益KN=<h+1>/2h2T∑n2=6/2×52×0.0174=396.4s-2ASR的比例系数为Kn=<h+1>βCeTm/2hαRT∑n=6×6.06×0.155×0.04/2×5×0.00625×52.3×0.0174=3.966、变频调速基本原理与特点变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图〔四所示。定子由铁心及绕组构成,转子绕组做成笼型〔见图五,俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时,在定子与转子之间的空气隙产生一个旋转磁场,它与转子绕组产生相对运动,使转子绕组产生感应电势,出现感应电流,此电流与旋转磁场相互作用,产生电磁转矩,使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速,用n1表示n1=60f/p<r/min><1>式中：f——三相交流电源频率,一般为50Hz。p——磁极对数。当p=1时,n1=3000r/min；p=2时,n1=1500r/min。可见磁极对数p越多,转速n1越慢。转子的实际转速n比磁场的同步转速n1要慢一点,所以称为异步电机,这个差别用转差率s表示：s=[n1－n/n1]×100％〔2当加上电源转子尚未转动瞬间,n=0,这时s=1；起动后的极端情况n=n1,则s=0,即s在0～1之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=〔1～6％。综合式〔1和式〔2可以得出n=60f〔1－s/p〔3图四三相异步电动机结构示意图

图五笼型电动机的转

子绕组1—铜环；2—铜条1—机座；2—定子铁心；

3—定子绕组；4—转子铁心；

5—转子绕组由式〔3可以看出,对于成品电机,其磁极对数p已经确定,转差率s变化不大,则电机的转速n与电源频率f成正比,因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速,进而达到异步电机调速的目的。但是,