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1、 交流調速控制系統(tǒng) 課程設計（論文） 題目： 24kVA電壓源型變壓變頻開環(huán)調速控制系統(tǒng)設計 課 程 設 計 說 明 書 （論文） 課程設計（論文）任務及評語 院（系）：電氣工程學院 教研室：自動化 學 號 學生姓名 專業(yè)班級 自動化 074 課程設計（論 文）題 目 24KVA電壓源型變壓變頻開環(huán)調速控制系統(tǒng)設計 課程設計（論文）任務 設計技術參數(shù)： 1.輸入側額定數(shù)據(jù)：電壓 380V允許波動 +10%-10%，頻率 50HZ相數(shù)位三相 2.輸出端額定數(shù)據(jù)：電壓 380V電流 30A容量 24kVA過載能力電流 120%時間 1.5分鐘 3.輸出頻率指標：設定頻 率范圍 0.2HZ400HZ

2、 設計要求： 1.方案論證：給出系統(tǒng)的原理圖和原理說明。 2.按時完成課程設計所規(guī)定的全部內容。 3.設計方案合理，理論闡述詳盡，設計計算正確，圖形，符號符合國家標準。 4.說明書正文 4000字以上，字跡工整，語言通順，層次分明。 指導教師評語及成績 成績： 指導教師簽字： 年 月 日 課 程 設 計 說 明 書 （論文） 第一章 電 壓 源型開環(huán)電動機變壓變頻調速系統(tǒng) 概述 1.1 電動機變壓變頻調速系統(tǒng)應用意義 變頻調速技術已經(jīng)成為節(jié)能和提高產(chǎn)晶質量的有效措施。變頻調速的重要性日益得到國家的重視，在國內推廣變頻調速技術有著非常重大的現(xiàn)實意義和巨大的經(jīng)濟價值和社會價值。高壓變頻調速技術是電

3、力電子領域的一個制高點技術，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。低壓變頹器技術已經(jīng)成熟，但高壓變頻器的前景沒有一個統(tǒng)一的結構，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 ，在實際應用領域中占有一席之地，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壓調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。 它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)

4、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”。 變頻器集成了高壓大功率晶體管技術和電子控制技術，得到廣泛應用。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速的目的。變頻器的出現(xiàn)，使得復雜的調速控制簡單化，用變頻器 +交流鼠籠式感應電動機組合替代了大部分原先只能用直流電機完成的工作，縮小了體積，降低了維修率，使傳動技術發(fā)展到新階段。 1.2 變壓變頻調速系統(tǒng)方案論證 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 . 交 直 交變壓變頻裝置主電路結構框圖 采用電壓源型變頻器的調速系統(tǒng)要實現(xiàn)回饋制動和四象

5、限運行是比較困難整流 中間 直流 環(huán)節(jié) 逆變 課 程 設 計 說 明 書 （論文） 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，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。 電動運行 回饋制動 課 程 設 計 說 明 書 （論文） 1.3 電壓源型變壓變頻

6、調速系統(tǒng) 本實驗采用了 PWM控制，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。 交流脈寬調制是建立在直流脈寬調制基礎上的通過一定的方式（載波和調制波，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制。基本工作原理是先將 50Hz 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成的逆變器 主電路，輸出三相電壓和頻率均可調整的等效于正弦波的脈寬調制波(SPWM波 )，即可拖動三相電機運轉。 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

7、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制波（ Modulation wave），當調制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調制波的半個周期內呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波，矩形波的面積按正弦規(guī)率變化。這種調制方法稱作正弦波脈寬調制（ Sinusoidal pulse width modulation，簡稱 SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。 SPWM調制原理 課 程 設 計 說 明 書 （論文） 方波的產(chǎn)生 圖中比較器的 A 端輸入正弦交流信號（前面講的調制波）； B 端輸入三角波信號（如前所述的

8、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。 第二章 電 壓 源型開環(huán)電動機變壓變頻調速系統(tǒng) 總體設計 2 1 控制器 ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89C51單片機采用高性能的靜態(tài)設計，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，市場應用最多。 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9P3.7(RD)17P3.6(WR)16P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P1.01P1.12P1.23P

9、1.34P1.45P1.56P1.67P1.78(AD0)P0.039(AD1)P0.138(AD2)P0.237(AD3)P0.336(AD4)P0.435(AD5)P0.534(AD6)P0.633(AD7)P0.732(A8)P2.021(A9)P2.122(A10)P2.223(A11)P2.324(A12)P2.425(A13)P2.526(A14)P2.627(A15)P2.728PSEN29ALE/PROG30(TXD)P3.111(RXD)P3.010GND20VCC40AT89C51+5V最小系統(tǒng) 8KB Flash ROM，可以擦除 1000次以上，數(shù)據(jù)保存 10年 256

10、字節(jié)內部 RAM； 電源控制模式； 時鐘可停止和恢復； 空閑模式； 掉電模式； 課 程 設 計 說 明 書 （論文） 6個中斷源； 4個中斷優(yōu)先級； 4個 8位 I/O 口； 全雙工增強型 TUAR； 11 3個 16 位定時 /計數(shù)器： T0、 T1(標準 80C51)和增加的 T2（捕獲和比較） 12 全靜態(tài)工作方式： 0 24MHZ 2.2 變頻器選擇 電力電子學、微電子學、計算機技術和控制理論迅速發(fā)展，交流傳動系統(tǒng)，寬調速、高精度、快速響應和四象限運行等性能方面也達到了與直流調速相媲美效果。尤其是以變頻器為核心變頻調速因其優(yōu)異調速性能而被公認為最有發(fā)展前途調速方式。目前，變頻器已邁進了

11、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 。 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，也增加了設備投資。 TD3200 變頻器參數(shù) 根據(jù)圖示參數(shù)看可以選用 TD3200 型號變頻器 2.3 變壓變頻調速系統(tǒng) 電壓源型頻率開環(huán)的電動機變壓變頻調速系統(tǒng)的基本組成 課 程 設 計 說 明 書 （論文） 圖 電壓源型逆變器開環(huán)調速系統(tǒng) 變頻器有兩個功率變換環(huán)節(jié)，即整流橋和逆變橋，它們分別有相應的控制回路，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

12、回路協(xié)調的工作。在電流源型逆變器頻率開環(huán)的調速系統(tǒng)中，除了設置電流調節(jié)環(huán)外，仍需設置電壓閉環(huán)，以保證調壓調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。 1.電壓源型變頻器主電路 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)構成 ,即三相橋式整流器和逆變器 ,它們分別有相應的控制電路 ,即電壓控制回路及頻率控制回路 ,分別進行調壓與調頻控制。 2.給定積分 設置目的 :將階躍給定信號轉變?yōu)樾逼滦盘?,以消除階躍給定對系統(tǒng)產(chǎn)生的過大課 程 設 計 說 明 書 （論文） 沖擊 ,使系統(tǒng)中的電壓電流頻率 和電機轉速都能穩(wěn)步上升和下降 ,以提高系統(tǒng)的可靠

13、性及滿足一些生產(chǎn)機械的工藝要求。 3.函數(shù)發(fā)生器 設置目的 :前面討論過 ,在變壓變頻調速系統(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)生一個對應于定子電壓的給定值 ,實現(xiàn) Us/fs=C。 4.電壓調節(jié)器和電流調節(jié)器 電壓調節(jié)器采用 PID 調節(jié)器 ,其輸出作為電流調節(jié)器的給定值。 電流調節(jié)器采用 PID 調節(jié)器 , 根據(jù)電壓調節(jié)器輸出的電流給定值與實際電流信號值的偏差 ,實時調整觸發(fā)角 ,使實際電流跟隨給定電流。 現(xiàn)代異步電動機 變頻調速系統(tǒng) 均為數(shù)字化系統(tǒng) ,為此給出數(shù)字 PID 控制算法 u(k)=Kpe(k)+ )1()()

14、(0jejeTTdjeTiT kj式中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 u(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) 式中 , A=Kp )1(TTdTiT B=Kp(1+2 )TTdC=KpTd/T 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) . 5.瞬時校正環(huán)節(jié) 瞬時校正環(huán)節(jié)是一個微分環(huán)節(jié) ,具有超前校正作用 .設置的目的是為了在瞬時調節(jié)過程中仍使系統(tǒng)基本保持 Us/fs=C的關系。 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)電壓給定值自動調節(jié)逆變器的輸出電

15、壓。但是在電壓調節(jié)過程中逆變器輸出頻率并沒有變化 ,因此 Us/fs=C的關系在瞬態(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 ,使得電機輸出轉矩大 幅度波動 ,從而造成電動機轉速波動。為了避免課 程 設 計 說 明 書 （論文） 上述情況的發(fā)生 ,加入了瞬態(tài)校正環(huán)節(jié)。 瞬態(tài)校正環(huán)節(jié)的輸入信號取自于電流調節(jié)器的輸出信號。當電流調節(jié)器的輸出發(fā)生變化時 ,整流橋的觸發(fā)角將改變 ,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

16、疊加 (dtdK UUU kfgfg * ),從而使輸出電壓 Us 瞬時改變時 ,頻率fs 也隨著作相應的改變 ,實現(xiàn)在瞬時過程中也能保 證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。 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。 課 程 設 計 說 明 書 （論文） 第三章 交 -直 -交電壓源型逆變器變壓變頻調速系統(tǒng)數(shù)學模型 是近些年發(fā)展起來的新學科，是 數(shù)

17、學 理論與實際問題相結合的一門科學。它將現(xiàn)實問題歸結為相應的數(shù)學問題，并在此基礎上利用數(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。 120度導通型的電壓型逆變器 -電動機的等值電路 ,如圖所示 : R s + R rR s + R rR s + R rRd1 16L s + L rA1 16L s + L rA1 16L s + L rAE s aE s bE s cLdUdIdR s + R rR s + R rR s + R rRd1 16L s + L rA1 16L s + L rA1 16L s + L

18、 rAE s aE s bE s cLdUdId電壓型逆變器 -電動機的等值電路 假設電動機工作在小轉差下 ,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) 1)()( pTKpUdpIdDLDL式中 )(2 1 RrRsRK DDL ,)(2)(RrRsRdLraLLdT SaDL 課 程 設 計 說 明 書 （論文） 假設電機工作在小傳差下 ,可得如下近似結果 Us Es=4.44ssNfs=4.4460spnn ses nCss KN 電磁轉矩 T co sI rmmei C C cosI smm CdmI式中 CM

19、 =C m 帶載時的運動方程式 LdMLeis TICTTdtdnGD 3 7 5 2 Us(p)= )()(1)(375)(37522 pTpKpIpTpTpGDCpIpGDCCLedmLedeM 式中 Tm22 375,375 GDCKCCGD eeme 課 程 設 計 說 明 書 （論文） 參考文獻 1 王艷秋，現(xiàn)代交流調速系統(tǒng)，沈陽：東北大學出版社， 2000年 2 張燕賓，變頻調速應用實踐，北京：機械工業(yè)出版社， 2000年 3 劉純厚主編，近代交流調速，北京：冶金工業(yè)出版社， 1995年 4 陳國呈編著， PWM變頻調速及軟開關電力變換技術，北京：機械工 業(yè)出版社， 2001年 5基礎自動化、電氣傳動、電力電子技術等雜志。