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)說明

./學(xué)號(hào)：7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：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(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)給定來控制,并通過函數(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)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。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(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(dòng)機(jī)分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類,其流電動(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)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(jì)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(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)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(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(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)給定來控制,并通過函數(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(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(xiàng)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(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(duì)于一般硅鋼片,當(dāng)Bm=0.8～1.6W/m2時(shí),α=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:Q∝n;P∝n3;P∝Q3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: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(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(shí)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(diǎn)變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)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(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。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=[n1－n/n1]×100％〔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0～1之間變化。一般異步電機(jī)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(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,