交流調(diào)速控制系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì)（論文） 題目： 24kVA電壓源型變壓變頻開(kāi)環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （論文） 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ) 院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化 074 課程設(shè)計(jì)（論 文）題 目 24KVA電壓源型變壓變頻開(kāi)環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù) 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)： 1.輸入側(cè)額定數(shù)據(jù)：電壓 380V允許波動(dòng) +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(guò)載能力電流 120%時(shí)間 1.5分鐘 3.輸出頻率指標(biāo)：設(shè)定頻 率范圍 0.2HZ400HZ 設(shè)計(jì)要求： 1.方案論證：給出系統(tǒng)的原理圖和原理說(shuō)明。 2.按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)所規(guī)定的全部?jī)?nèi)容。 3.設(shè)計(jì)方案合理，理論闡述詳盡，設(shè)計(jì)計(jì)算正確，圖形，符號(hào)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 4.說(shuō)明書正文 4000字以上，字跡工整，語(yǔ)言通順，層次分明。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī) 成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （論文） 第一章 電 壓 源型開(kāi)環(huán)電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 概述 1.1 電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用意義 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(guó)家的重視，在國(guó)內(nèi)推廣變頻調(diào)速技術(shù)有著非常重大的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。高壓變頻調(diào)速技術(shù)是電力電子領(lǐng)域的一個(gè)制高點(diǎn)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(gè)難題。低壓變頹器技術(shù)已經(jīng)成熟，但高壓變頻器的前景沒(méi)有一個(gè)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(shì) ，在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中占有一席之地，特別在風(fēng)機(jī)、泵類的行業(yè)具有良好的市場(chǎng)前景。 主電路是給異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)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(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(jī)供電的頻率和幅值，因而改變其運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的周期，達(dá)到平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器的出現(xiàn)，使得復(fù)雜的調(diào)速控制簡(jiǎn)單化，用變頻器 +交流鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)組合替代了大部分原先只能用直流電機(jī)完成的工作，縮小了體積，降低了維修率，使傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展到新階段。 1.2 變壓變頻調(diào)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(jié)構(gòu)框圖 采用電壓源型變頻器的調(diào)速系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)和四象限運(yùn)行是比較困難整流 中間 直流 環(huán)節(jié) 逆變 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （論文） 的，因?yàn)?其中間直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓，使之無(wú)法迅速反應(yīng)，而電流也不能反向，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。需要制動(dòng)時(shí)，對(duì)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(dòng)。對(duì)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(dòng)時(shí)使其工作在有源逆變狀態(tài)，以通過(guò)反向的制動(dòng)電流，而維持電壓極性不變，實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。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(tái)電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)的供電電源，而不要求快速加減速的場(chǎng)合。 電動(dòng)運(yùn)行 回饋制動(dòng) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （論文） 1.3 電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)之差形成，也接近正弦波。 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(guò)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(lái)進(jìn)行的對(duì)交流的調(diào)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(gòu)成的逆變器 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(dòng)三相電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 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(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)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(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（ Sinusoidal pulse width modulation，簡(jiǎn)稱 SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。 SPWM調(diào)制原理 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 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(hào)（前面講的調(diào)制波）； B 端輸入三角波信號(hào)（如前所述的載波）；經(jīng)過(guò)比較器比較由采樣法則得出當(dāng) A B 時(shí)輸出高電平的信號(hào) ,如果 A B,則輸出為低電平信號(hào)。于是就產(chǎn)生了方波。 第二章 電 壓 源型開(kāi)環(huán)電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 2 1 控制器 ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89C51單片機(jī)采用高性能的靜態(tài)設(shè)計(jì)，并采用先進(jìn)工藝制造，還帶有非易失性 Flash程序存儲(chǔ)器。它是一種高性能、低功耗的 8位 CMOS微處理芯片，市場(chǎng)應(yīng)用最多。 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9P3.7(RD)17P3.6(WR)16P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78(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字節(jié)內(nèi)部 RAM； 電源控制模式； 時(shí)鐘可停止和恢復(fù)； 空閑模式； 掉電模式； 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （論文） 6個(gè)中斷源； 4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)； 4個(gè) 8位 I/O 口； 全雙工增強(qiáng)型 TUAR； 11 3個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器： T0、 T1(標(biāo)準(zhǔn) 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(xué)、微電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論迅速發(fā)展，交流傳動(dòng)系統(tǒng)，寬調(diào)速、高精度、快速響應(yīng)和四象限運(yùn)行等性能方面也達(dá)到了與直流調(diào)速相媲美效果。尤其是以變頻器為核心變頻調(diào)速因其優(yōu)異調(diào)速性能而被公認(rèn)為最有發(fā)展前途調(diào)速方式。目前，變頻器已邁進(jìn)了高性能、多功能、小型化和廉價(jià)化階段。為便于變頻器合理使用 。 變頻器容量選擇是一個(gè)重要且復(fù)雜問(wèn)題，要考慮變頻器 容量與電動(dòng)機(jī)容量匹配，容量偏小會(huì)影響電動(dòng)機(jī)有效力矩輸出，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，損壞裝置，而容量偏大則電流諧波分量會(huì)增大，也增加了設(shè)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(hào)變頻器 2.3 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 電壓源型頻率開(kāi)環(huán)的電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本組成 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （論文） 圖 電壓源型逆變器開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 變頻器有兩個(gè)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，為了操作方便采用一個(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)的工作。在電流源型逆變器頻率開(kāi)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(guò)程中對(duì)逆變器輸出電壓的穩(wěn)定要求，實(shí)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(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)的控制電路 ,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。 2.給定積分 設(shè)置目的 :將階躍給定信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樾逼滦盘?hào) ,以消除階躍給定對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的過(guò)大課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （論文） 沖擊 ,使系統(tǒng)中的電壓電流頻率 和電機(jī)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(jī)械的工藝要求。 3.函數(shù)發(fā)生器 設(shè)置目的 :前面討論過(guò) ,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(hào) ,產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于定子電壓的給定值 ,實(shí)現(xiàn) Us/fs=C。 4.電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器 電壓調(diào)節(jié)器采用 PID 調(diào)節(jié)器 ,其輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定值。 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(shí)際電流信號(hào)值的偏差 ,實(shí)時(shí)調(diào)整觸發(fā)角 ,使實(shí)際電流跟隨給定電流。 現(xiàn)代異步電動(dòng)機(jī) 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 u(k)=Kpe(k)+ )1()()(0jejeTTdjeTiT kj式中給出的這種算法需要對(duì) e(k)進(jìn)行累加 ,計(jì)算機(jī)運(yùn)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(shí)間常數(shù) ； Td 為微分時(shí)間常數(shù) . 5.瞬時(shí)校正環(huán)節(jié) 瞬時(shí)校正環(huán)節(jié)是一個(gè)微分環(huán)節(jié) ,具有超前校正作用 .設(shè)置的目的是為了在瞬時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)程中仍使系統(tǒng)基本保持 Us/fs=C的關(guān)系。 當(dāng)電源電壓波動(dòng)而引起逆變器輸出發(fā)生變化時(shí) ,電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)電壓給定值自動(dòng)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓。但是在電壓調(diào)節(jié)過(guò)程中逆變器輸出頻率并沒(méi)有變化 ,因此 Us/fs=C的關(guān)系在瞬態(tài)過(guò)程中不能得到維持。這將導(dǎo)致磁場(chǎng)過(guò)激或欠激不斷交替的現(xiàn)象 ,使得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大 幅度波動(dòng) ,從而造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。為了避免課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 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(hào)取自于電流調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)。當(dāng)電流調(diào)節(jié)器的輸出發(fā)生變化時(shí) ,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(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(gè)信號(hào)取來(lái) ,經(jīng)微分運(yùn)算后與頻率給定信號(hào) Ufg 相疊加 (dtdK UUU kfgfg * ),從而使輸出電壓 Us 瞬時(shí)改變時(shí) ,頻率fs 也隨著作相應(yīng)的改變 ,實(shí)現(xiàn)在瞬時(shí)過(guò)程中也能保 證恒壓頻比的控制方式 .當(dāng)一旦系統(tǒng)進(jìn)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(lái)了電機(jī)內(nèi)部損耗增大和諧波矩形影響嚴(yán)重的問(wèn)題 .近幾年來(lái) ,為提高電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能 ,對(duì)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(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （論文） 第三章 交 -直 -交電壓源型逆變器變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 是近些年發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科，是 數(shù)學(xué) 理論與實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合的一門科學(xué)。它將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題歸結(jié)為相應(yīng)的數(shù)學(xué)問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上利用數(shù)學(xué)的概念、方法和理論進(jìn)行深入的分析和研究，從而從定性或定量的角度來(lái)刻畫實(shí)際問(wèn)題，并為解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題提供精確的數(shù)據(jù)或可靠的指導(dǎo)。 120度導(dǎo)通型的電壓型逆變器 -電動(dòng)機(jī)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 rAE s aE s bE s cLdUdId電壓型逆變器 -電動(dòng)機(jī)的等值電路 假設(shè)電動(dòng)機(jī)工作在小轉(zhuǎn)差下 ,并忽略電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流 Id 的影響 ,即認(rèn)為e 0,則可求得在小信號(hào)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(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （論文） 假設(shè)電機(jī)工作在小傳差下 ,可得如下近似結(jié)果 Us Es=4.44ssNfs=4.4460spnn ses nCss KN 電磁轉(zhuǎn)矩 T co sI rmmei C C cosI smm CdmI式中 CM =C m 帶載時(shí)的運(yùn)動(dòng)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(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （論文） 參考文獻(xiàn) 1 王艷秋，現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)，沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社， 2000年 2 張燕賓，變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐，北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2000年 3 劉純厚主編，近代交流調(diào)速，北京：冶金工業(yè)出版社， 1995年 4 陳國(guó)呈編著， PWM變頻調(diào)速及軟開(kāi)關(guān)電力變換技術(shù)，北京：機(jī)械工 業(yè)出版社， 2001年 5基礎(chǔ)自動(dòng)化、電氣傳動(dòng)、電力電子技術(shù)等雜志。