24kva電壓源型變壓變頻開環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計論文

1、<p>　　交流調(diào)速控制系統(tǒng)課程設(shè)計（論文）</p><p>　　題目：24kVA電壓源型變壓變頻開環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語</p><p>　　院（系）：電氣工程學院 教研室：自動化</p><p>　　第一章 電壓源型開

2、環(huán)電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)概述</p><p>　　1.1電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用意義</p><p>　　變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為節(jié)能和提高產(chǎn)晶質(zhì)量的有效措施。變頻調(diào)速的重要性日益得到國家的重視，在國內(nèi)推廣變頻調(diào)速技術(shù)有著非常重大的現(xiàn)實意義和巨大的經(jīng)濟價值和社會價值。高壓變頻調(diào)速技術(shù)是電力電子領(lǐng)域的一個制高點技術(shù)，高壓大功率變頻器是電力電子行監(jiān)中尚未解決的一個難題。低壓變頹器技術(shù)已經(jīng)成熟，但

3、高壓變頻器的前景沒有一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，在眾多解決方案中串聯(lián)多電平高壓變頻器以其在輸入與輸邀諧波、效率秘輸入功率因數(shù)等方的明顯優(yōu)勢，在實際應(yīng)用領(lǐng)域中占有一席之地，特別在風機、泵類的行業(yè)具有良好的市場前景。主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變

4、換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 </p><p>　　變頻器集成了高壓大功率晶體管技術(shù)和電子控制技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用。變頻器的作用是改變交流電機供電的頻率和幅值，因而改變其運動磁場的周期，達到平滑控制電動機轉(zhuǎn)速的目的。變頻器的出現(xiàn)，使得復雜的調(diào)速控制簡單化，用變頻器+交流鼠籠式感應(yīng)電動機組合替代了大部分原先只能用直流電機完成的工

5、作，縮小了體積，降低了維修率，使傳動技術(shù)發(fā)展到新階段。</p><p>　　1.2變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)方案論證　 </p><p>　　電壓源型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波元件是電容.</p><p>　　交—直—交變壓變頻裝置主電路結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　采用電壓源型變頻器的調(diào)速系統(tǒng)要實現(xiàn)回饋制動和四象限運行是比較困

6、難的，因為其中間直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓，使之無法迅速反應(yīng)，而電流也不能反向，所以無法實現(xiàn)回饋制動。需要制動時，對于小容量的變頻器，采用在直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻的能耗制動。對于中大容量的變頻器，可在整流器的輸出端反并聯(lián)另一組可控整流器，制動時使其工作在有源逆變狀態(tài)，以通過反向的制動電流，而維持電壓極性不變，實現(xiàn)回饋制動。電壓源型變頻器屬于恒壓源，電壓控制相應(yīng)慢，所以適合于作為多臺電機同步運行時的供電電源，而不要求快速加減速的場合。<

7、/p><p><b>　　電動運行</b></p><p><b>　　回饋制動</b></p><p>　　1.3電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) </p><p>　　本實驗采用了PWM控制，

8、因而使其輸出電壓波形接近正弦波形。逆變器輸出電流波形由輸出電壓和電動機反電動勢之差形成，也接近正弦波。</p><p>　　交流脈寬調(diào)制是建立在直流脈寬調(diào)制基礎(chǔ)上的通過一定的方式（載波和調(diào)制波，后面講到）將正弦波改為幅值相等，而占空比有規(guī)律變化的方波來進行的對交流的調(diào)制?；竟ぷ髟硎窍葘?0Hz交流電經(jīng)整流變壓器變壓得到所需電壓，經(jīng)二極管不可控交流和電容濾波，形成恒定直流電壓，而后送入由大功率晶體管構(gòu)成的逆變器

9、主電路，輸出三相電壓和頻率均可調(diào)整的等效于正弦波的脈寬調(diào)制波(SPWM波)，即可拖動三相電機運轉(zhuǎn)。</p><p>　　以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulation wave），當調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列

10、等幅不等寬的矩形波，矩形波的面積按正弦規(guī)率變化。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidal pulse width modulation，簡稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。</p><p><b>　　SPWM調(diào)制原理 </b></p><p><b>　　方波的產(chǎn)生</b></p><p>　　圖

11、中比較器的A端輸入正弦交流信號（前面講的調(diào)制波）；B端輸入三角波信號（如前所述的載波）；經(jīng)過比較器比較由采樣法則得出當A＞B時輸出高電平的信號,如果A＜B,則輸出為低電平信號。于是就產(chǎn)生了方波。</p><p>　　第二章 電壓源型開環(huán)電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計</p><p><b>　　2．1控制器 </b></p><p>　　AT

12、MEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機采用高性能的靜態(tài)設(shè)計，并采用先進工藝制造，還帶有非易失性Flash程序存儲器。它是一種高性能、低功耗的8位CMOS微處理芯片，市場應(yīng)用最多。</p><p><b>　　最小系統(tǒng)</b></p><p>　　8KB Flash ROM，可以擦除1000次以上，數(shù)據(jù)保存10年 <

13、;/p><p>　　256字節(jié)內(nèi)部RAM；</p><p><b>　　電源控制模式；</b></p><p><b>　　時鐘可停止和恢復；</b></p><p><b>　　空閑模式；</b></p><p><b>　　掉電模式；</

14、b></p><p><b>　　6個中斷源；</b></p><p><b>　　4個中斷優(yōu)先級；</b></p><p><b>　　4個8位I/O口；</b></p><p>　　全雙工增強型TUAR；</p><p>　　3個16位定時/計

15、數(shù)器：T0、T1(標準80C51)和增加的T2（捕獲和比較）</p><p>　　全靜態(tài)工作方式：0～24MHZ</p><p><b>　　2.2變頻器選擇</b></p><p>　　電力電子學、微電子學、計算機技術(shù)和控制理論迅速發(fā)展，交流傳動系統(tǒng)，寬調(diào)速、高精度、快速響應(yīng)和四象限運行等性能方面也達到了與直流調(diào)速相媲美效果。尤其是以變頻器為

16、核心變頻調(diào)速因其優(yōu)異調(diào)速性能而被公認為最有發(fā)展前途調(diào)速方式。目前，變頻器已邁進了高性能、多功能、小型化和廉價化階段。為便于變頻器合理使用。</p><p>　　變頻器容量選擇是一個重要且復雜問題，要考慮變頻器容量與電動機容量匹配，容量偏小會影響電動機有效力矩輸出，影響系統(tǒng)正常運行，損壞裝置，而容量偏大則電流諧波分量會增大，也增加了設(shè)備投資。</p><p>　　TD3200變頻器參數(shù)<

17、;/p><p>　　根據(jù)圖示參數(shù)看可以選用TD3200型號變頻器</p><p>　　2.3變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　電壓源型頻率開環(huán)的電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本組成</p><p>　　圖 電壓源型逆變器開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　變頻器有兩個功率變換環(huán)節(jié)，即整流橋和逆變橋，它們分別有相應(yīng)的控制回路，

18、為了操作方便采用一個給定來控制，并通過函數(shù)發(fā)生器，使兩個回路協(xié)調(diào)的工作。在電流源型逆變器頻率開環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)中，除了設(shè)置電流調(diào)節(jié)環(huán)外，仍需設(shè)置電壓閉環(huán)，以保證調(diào)壓調(diào)頻過程中對逆變器輸出電壓的穩(wěn)定要求，實現(xiàn)恒壓頻比的控制方式。</p><p>　　1.電壓源型變頻器主電路</p><p>　　電流源型變頻器主電路的中間直流環(huán)節(jié)采用電抗器濾波,其主電路由兩個功率變換環(huán)節(jié)構(gòu)成,即三相橋式整流器和逆

19、變器,它們分別有相應(yīng)的控制電路,即電壓控制回路及頻率控制回路,分別進行調(diào)壓與調(diào)頻控制。</p><p><b>　　2.給定積分</b></p><p>　　設(shè)置目的:將階躍給定信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾逼滦盘?以消除階躍給定對系統(tǒng)產(chǎn)生的過大沖擊,使系統(tǒng)中的電壓電流頻率和電機轉(zhuǎn)速都能穩(wěn)步上升和下降,以提高系統(tǒng)的可靠性及滿足一些生產(chǎn)機械的工藝要求。</p><p&

20、gt;<b>　　3.函數(shù)發(fā)生器</b></p><p>　　設(shè)置目的:前面討論過,在變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中Us=f(fs),即定子電壓是定子頻率的函數(shù), 函數(shù)發(fā)生器就是根據(jù)給定積分器輸出的頻率信號,產(chǎn)生一個對應(yīng)于定子電壓的給定值,實現(xiàn)Us/fs=C。</p><p>　　4.電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　電壓調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)器,

21、其輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定值。</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)器, 根據(jù)電壓調(diào)節(jié)器輸出的電流給定值與實際電流信號值的偏差,實時調(diào)整觸發(fā)角,使實際電流跟隨給定電流。</p><p>　　現(xiàn)代異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng) 均為數(shù)字化系統(tǒng),為此給出數(shù)字PID控制算法</p><p>　　u(k)=Kp{e(k)+ </p><p>　　式中

22、給出的這種算法需要對e(k)進行累加,計算機運算工作量大。一般采用增量式PID控制算法</p><p>　　△u(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)</p><p><b>　　式中,</b></p><p><b>　　A=Kp</b></p><p><b>　　B=Kp

23、(1+2</b></p><p><b>　　C=KpTd/T</b></p><p>　　式中,T為采樣周期;Kp為比例系數(shù); Ti為積分時間常數(shù); Td為微分時間常數(shù).</p><p><b>　　5.瞬時校正環(huán)節(jié)</b></p><p>　　瞬時校正環(huán)節(jié)是一個微分環(huán)節(jié),具有超前校正

24、作用.設(shè)置的目的是為了在瞬時調(diào)節(jié)過程中仍使系統(tǒng)基本保持Us/fs=C的關(guān)系。</p><p>　　當電源電壓波動而引起逆變器輸出發(fā)生變化時,電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)電壓給定值自動調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓。但是在電壓調(diào)節(jié)過程中逆變器輸出頻率并沒有變化,因此Us/fs=C的關(guān)系在瞬態(tài)過程中不能得到維持。這將導致磁場過激或欠激不斷交替的現(xiàn)象,使得電機輸出轉(zhuǎn)矩大幅度波動,從而造成電動機轉(zhuǎn)速波動。為了避免上述情況的發(fā)生 ,加入了瞬態(tài)校

25、正環(huán)節(jié)。</p><p>　　瞬態(tài)校正環(huán)節(jié)的輸入信號取自于電流調(diào)節(jié)器的輸出信號。當電流調(diào)節(jié)器的輸出發(fā)生變化時,整流橋的觸發(fā)角α將改變,使整流電壓改變,而逆變橋輸出的三相交流電壓Us的大小又直接與整流電壓的大小成正比,因此,電流調(diào)節(jié)器輸出的改變量正比與逆變橋輸出電壓的改變量,將這個信號取來,經(jīng)微分運算后與頻率給定信號Ufg相疊加(),從而使輸出電壓Us瞬時改變時,頻率fs也隨著作相應(yīng)的改變,實現(xiàn)在瞬時過程中也能保證

26、恒壓頻比的控制方式.當一旦系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后,微分校正環(huán)節(jié)不起作用。</p><p>　　的是,由于電流源輸出的交流電流是矩形波或階梯波,因而波形中含大量諧波分量,由此帶來了電機內(nèi)部損耗增大和諧波矩形影響嚴重的問題.近幾年來,為提高電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能,對電流型逆變器的每一相輸出電流也采用SPWM控制,以改善電流波形。</p><p>　　第三章 交-直-交電壓源型逆變器變壓變頻調(diào)

27、速系統(tǒng)數(shù)學模型</p><p>　　是近些年發(fā)展起來的新學科，是數(shù)學理論與實際問題相結(jié)合的一門科學。它將現(xiàn)實問題歸結(jié)為相應(yīng)的數(shù)學問題，并在此基礎(chǔ)上利用數(shù)學的概念、方法和理論進行深入的分析和研究，從而從定性或定量的角度來刻畫實際問題，并為解決現(xiàn)實問題提供精確的數(shù)據(jù)或可靠的指導。</p><p>　　120度導通型的電壓型逆變器-電動機的等值電路,如圖所示:</p><p&

28、gt;　　電壓型逆變器-電動機的等值電路</p><p>　　假設(shè)電動機工作在小轉(zhuǎn)差下,并忽略電動機反電動勢對電流Id的影響,即認為△e≈0,則可求得在小信號作用下整流電壓Ud與Id之間的傳遞函數(shù)</p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　　,</b></p><p>　　

29、假設(shè)電機工作在小傳差下,可得如下近似結(jié)果</p><p>　　UE=4.44φ=4.44</p><p>　　電磁轉(zhuǎn)矩 T≈ C≈C</p><p><b>　　式中C=C</b></p><p>　　帶載時的運動方程式 </p><p><b>　　U(p)=</b&g

30、t;</p><p><b>　　式中T</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　?。?］王艷秋，現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)，沈陽：東北大學出版社，2000年</p><p>　?。?］張燕賓，變頻調(diào)速應(yīng)用實踐，北京：機械工業(yè)出版社，2000年</p><p