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(jì)

1、學(xué)號(hào)： 200925180207 中州大學(xué)電機(jī)及拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)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(jì)姓 名： 阿順利專 業(yè)： 電氣自動(dòng)化班 級(jí)： 電氣自動(dòng)化對(duì)口二班 指導(dǎo)教師： 趙靜 路銀川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(gè)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(gè)給定來(lái)控制，并通過(guò)函數(shù)發(fā)生器，使兩個(gè)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(guò)程中對(duì)逆變器輸出電壓的穩(wěn)定性要求，實(shí)現(xiàn)恒壓頻比的控制方式。電流源型逆變

2、器頻率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，從而便于四象限運(yùn)行。適用于需要制動(dòng)和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的機(jī)械。此系統(tǒng)對(duì)負(fù)載電流變化的反應(yīng)遲緩，因而適用于單臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)，但可以滿足快速起、制動(dòng)和可逆運(yùn)行的要求。因?yàn)檫@種系統(tǒng)有著很高的性能價(jià)格比，因此在以節(jié)能為目的的各種用途中和對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求不高的各種場(chǎng)合下得到了廣泛的應(yīng)用。AbstractSpeed ZhiJiao into the open loop current source type inverter frequency inverter power converter system has two links, namely the trans

3、formation of rectifier bridge and inverter bridge, they have the corresponding control circuit is adopted for a given to control, and through the function generator, make two loop coordination work. In the current source type inverter frequency open-loop control system, in addition to adjust current

4、 ring set, still need to set, in order to ensure that the closed-loop voltage regulating FM process to the stability of the output voltage inverter, realize the constant-voltage frequency ratio control mode. Current source type inverter frequency open-loop control system is easy to realize the remar

5、kable characteristics of regenerative braking, facilitates quadrant operation. Applicable to need brake and is often, the reversal of the machinery. This system to load current slow response, thus changing the suitable for single motor drive, but quickly, can satisfy the requirements of brake and re

6、versible operation. Because this system has high performance-price ratio, therefore in the various USES for the purpose of energy-saving and high speed precision requirements of various situations not widely application.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-

7、 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(shì)：- 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(jì)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(dòng)機(jī)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(diǎn)- 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(shì)： 在用電系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)機(jī)設(shè)備之一而廣泛地應(yīng)用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科技及社會(huì)活動(dòng)等各個(gè)方面。電動(dòng)機(jī)負(fù)荷越戰(zhàn)總發(fā)電量地6

8、0%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(dòng)機(jī)分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類，其中交流電動(dòng)機(jī)擁有量最多，提供給工業(yè)生產(chǎn)地電量多半是通過(guò)交流電動(dòng)機(jī)加以利用的。交流電動(dòng)機(jī)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(jī)。交流發(fā)電機(jī)分為同步電動(dòng)機(jī)和異步（感應(yīng)）電動(dòng)機(jī)兩大類。電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)；反之，若保持這種關(guān)系，即是異步電動(dòng)機(jī)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，交流電動(dòng)機(jī)用電量占電機(jī)總量地85%左右，可見交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用地廣泛性及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中地重要地位。電動(dòng)機(jī)作為吧電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能地主要設(shè)備，在實(shí)

9、際應(yīng)用中，一是要使電動(dòng)機(jī)具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換地運(yùn)行效率；二是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)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(dòng)機(jī)的運(yùn)行，就要為電動(dòng)機(jī)配上控制裝置。電動(dòng)機(jī)+控制裝置=電力轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。以直流電動(dòng)機(jī)作為控制對(duì)象的電力轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)稱之為直流調(diào)速系統(tǒng)；以交流電動(dòng)機(jī)作為控制對(duì)象地電力自動(dòng)控制系統(tǒng)稱之為交流調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)交流電機(jī)地分類，相應(yīng)有同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和異步電機(jī)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(guò)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

10、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(jì)系統(tǒng)的原理圖與分析：電流源型變頻器(CSI：Current Source Inverter)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(guò)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(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)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)

11、器，所以過(guò)電流保護(hù)比較容易。當(dāng)逆變側(cè)出現(xiàn)短路等故障時(shí)，由于電抗器存在，電流不會(huì)突變，而電流調(diào)節(jié)器則會(huì)迅速響應(yīng)，使整流電路晶閘管的觸發(fā)角迅速后移，電流能控制在安全范圍內(nèi)，因此無(wú)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(shí)，由于采用了對(duì)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(shí))，可以使在降速工況下負(fù)載反饋的能量回饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的四象限運(yùn)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(gè)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(gè)給定來(lái)控制，并通過(guò)函數(shù)發(fā)生器，使兩個(gè)回路協(xié)調(diào)地工作。在電流源型逆變

12、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(guò)程中對(duì)逆變器輸出電壓的穩(wěn)定性要求，實(shí)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(wú)直流環(huán)節(jié)而將高壓變頻器分為兩大類：1）無(wú)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(dòng)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(dòng)的變頻器則稱為電

13、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(gè)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)頻范圍受到限制，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(guò)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(xiàng)損耗

14、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(yùn)行時(shí)，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(dòng)機(jī)效率的變化： 變頻調(diào)速后，電動(dòng)機(jī)的各種損耗和效率均有所變化，根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，電動(dòng)機(jī)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(shuō)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

15、值Bm的次方成正比，對(duì)于一般硅鋼片，當(dāng)Bm=0.81.6W/m2時(shí)，=2。 由風(fēng)機(jī)和泵類理論，其流量Q與所需電動(dòng)機(jī)軸功率P與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為: Qn; Pn3; PQ3 變頻調(diào)速后，磁滯損耗減少速度比電動(dòng)機(jī)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: Peaf2; 式中a=（Bm）2d2/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: Pzf1.5 風(fēng)阻損耗: Pff3定子繞組銅耗和轉(zhuǎn)子繞組銅耗其大小與電源頻率f沒(méi)有直接關(guān)系，但高次諧波及脈動(dòng)電流增加了電動(dòng)機(jī)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

16、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(huì)增加渦流損耗。綜上所述，變頻調(diào)速后，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)電流增加10%，溫升增加2ASPGVFDPIDCRARCTG APMCSIUR 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(shí)間常數(shù)為 n=hTn=50.0174s=0.087s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 KN=(h+1)/2h2Tn2=6/2520.0174=396.4s-2ASR的比例系數(shù)為 Kn=(h+1

17、)CeTm/2hRTn=66.060.1550.04 / 250.00625 52.3 0.0174=3.966、變頻調(diào)速基本原理與特點(diǎn)變頻調(diào)速是通過(guò)改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。常用三相交流異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。當(dāng)在定子繞組上接入三相交流電時(shí)，在定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn) 生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。電機(jī)磁場(chǎng)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

18、電源頻率，一般為50Hz。p磁極對(duì)數(shù)。當(dāng)p=1時(shí)，n1=3000r/min；p=2時(shí)，n1=1500r/min?？梢姶艠O對(duì)數(shù)p越多，轉(zhuǎn)速n1越慢。轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速n比磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速n1要慢一點(diǎn)，所以稱為異步電機(jī)，這個(gè)差別用轉(zhuǎn)差率s表示：s=n1n）/n1100（2）當(dāng)加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間，n=0，這時(shí)s=1；起動(dòng)后的極端情況n=n1，則s=0，即s在01之間變化。一般異步電機(jī)在額定負(fù)載下的s=（16）。綜合式（1）和式（2）可以得出n=60f（1s）/p（3） 圖四三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 圖五籠型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 子繞組1銅環(huán)；2銅條1機(jī)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(duì)于成品電機(jī)，其磁極對(duì)數(shù)p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率s變化不大，則電機(jī)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(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的目的。但是，為了保持在調(diào)速時(shí)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電機(jī)的磁通量恒定，因此定子的供電電壓也要作相應(yīng)