恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)

一、設(shè)計(jì)目的：通過(guò)對(duì)一個(gè)使用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用科學(xué)理論知識(shí)，提高工程意識(shí)和實(shí)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(shí)際、分析解決實(shí)際問(wèn)題的初步應(yīng)用能力。二、設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，根據(jù)控制磁通不變的方法，對(duì)恒壓頻比的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證。畫出系統(tǒng)原理圖，進(jìn)行元器件的選擇和相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。三、總體設(shè)計(jì)：異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素是希望保持每級(jí)的磁通量為額定值不變，磁通太弱沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)，若要增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和。從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)。勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對(duì)電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持磁通不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生的。我們知道，三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是：（1）式中——?dú)庀洞磐ê投ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dá)到控制磁通的目的，對(duì)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(shí)，必須同時(shí)降低，使常值，即采用恒定的電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，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(shí)，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(shí)，可以人為地把電壓抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降，帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性見(jiàn)圖1。圖1恒壓頻比控制特性a——不帶定子壓降補(bǔ)償b——帶定子壓降補(bǔ)償1.2基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，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(jī)弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來(lái)，可得圖所示的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性。如果電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下具有額定電流，則電機(jī)都能在溫升允許條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，按照電機(jī)拖動(dòng)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(dòng)機(jī)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(shí)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(guò)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(jī)組，現(xiàn)在已經(jīng)幾乎無(wú)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(guò)整流器變成直流，然后再經(jīng)過(guò)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(méi)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(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)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(jiǎn)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(shí)，電網(wǎng)端的功率因數(shù)較?。惠敵霏h(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(diǎn)。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(gè)環(huán)節(jié)。但輸入功率因數(shù)高?？朔擞每煽卣髌髯儔海媚孀兤髯冾l的交-直-交變頻裝置的第一個(gè)缺點(diǎn)。輸出逆變環(huán)節(jié)不變，仍有諧波較大的問(wèn)題。3.用不控整流器整流，SPWM逆變器同時(shí)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(gè)缺點(diǎn)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(shí)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(gè)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(lái)看，無(wú)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(chǔ)能元件來(lái)緩沖無(wú)功能量。1.電壓源變頻器：對(duì)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(shí)，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(duì)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(shí)，直流回路中電流波形比較平直，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)基本是一個(gè)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(shí)須同時(shí)控制整流器UR和逆變器UI，這樣就帶來(lái)了一系列的問(wèn)題。主要是：(1)主電路有兩個(gè)可控的功率環(huán)節(jié)。相對(duì)來(lái)說(shuō)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(dòng)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(dòng)電動(dòng)機(jī)小形成較多的各次諧波，從而產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。影響電機(jī)的穩(wěn)定工作，低速時(shí)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(duì)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(gè)問(wèn)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(gè)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(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合。這樣，由N個(gè)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(lái)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?？梢钥吹剑捎诟髅}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(shuō)，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(shí)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)開關(guān)器件的信號(hào)也應(yīng)為相似的一系列脈沖波形，這是很容易推斷出來(lái)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(jì)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(hào)稱為載波。在SPWM中常J用等腰三角波作為載波.因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾染€性對(duì)稱變化的波形，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑的曲線相交時(shí)，在交點(diǎn)的時(shí)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(gè)功率開關(guān)器件，各又一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)接，整個(gè)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(duì)稱的正弦參考電壓信號(hào)由參考信號(hào)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(hào)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(hào)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(dòng)控制信號(hào)?？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(shí)在正弦波的半個(gè)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(jí)式相同，輸出基波電壓的大小和頻率也是通過(guò)改變正弦參考信號(hào)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(shí)逆變器同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)器件交替同斷，處于互補(bǔ)的工作方式。2.3.1恒壓頻比控制下的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)帶載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，有（2）此式表明，對(duì)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(yùn)行時(shí)，電壓和頻率可以有多種組合，其中恒壓頻比（恒值）最容易實(shí)現(xiàn)的。它的變頻機(jī)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(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)償為了近似的保持氣隙磁通不便，以便充分利用電機(jī)鐵心，發(fā)揮電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下采用恒壓頻比控制，實(shí)行恒壓頻比控制時(shí)，同步轉(zhuǎn)速自然也隨著頻率變化（3）因此帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為在式（3）中所表示的機(jī)械特性近似直線段上。可以導(dǎo)出（4）由此可見(jiàn)，當(dāng)為恒值時(shí)，對(duì)同一轉(zhuǎn)矩，是基本不變的，因而也是基本不變的，也就是說(shuō)，在恒壓頻比條件下改變頻率時(shí)，機(jī)械特性基本上是平行下移的，它們和直流他激電機(jī)調(diào)速時(shí)特性變化情況近似，所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來(lái)了。而且頻率越低的時(shí)候轉(zhuǎn)矩越小對(duì)前式整理可得出為恒值時(shí)最大轉(zhuǎn)矩隨角頻率的變化關(guān)系為（5）可見(jiàn)，是隨著的降低而減小的，頻率很低時(shí)，太小將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶載能力，采用定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)提高電壓可以增強(qiáng)帶載能力。圖7恒壓頻比的異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(shí)間設(shè)定，u/f曲線，SPWM調(diào)制和驅(qū)動(dòng)等環(huán)節(jié)組成。其中升降速時(shí)間設(shè)定用來(lái)限制電動(dòng)機(jī)的升頻速度，避免轉(zhuǎn)速上升過(guò)快而造成電流和轉(zhuǎn)矩的沖擊，起軟啟動(dòng)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(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償。SPWM和驅(qū)動(dòng)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(dòng)信號(hào)，控制控制逆變器以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)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(kù)中找出各個(gè)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(jī)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(hào)，由PWM發(fā)生器產(chǎn)生逆變驅(qū)動(dòng)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(jī)按給定要求啟動(dòng)和運(yùn)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(guò)電壓頻率協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，符合設(shè)計(jì)要求。四、設(shè)計(jì)總結(jié)電壓和頻率是電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的兩個(gè)獨(dú)立的控制變量，在再變頻調(diào)速中，要對(duì)這兩個(gè)控制變量協(xié)調(diào)控制。恒壓頻比控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)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