交流变频调速系统的设计

郑州华信学院1交流调速系统交流变频调速系统设计姓名：梁佰中（18）王香赢（31）王德龄（29）宋鹏程（27）郭辉（13）朱淮滨（41）指导老师：苏琦郑州华信学院2摘要：电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能-机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能（节约15%～20%或更多），改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。1电流型变频器主电路串联二极管式逆变电路的电流型变频器的主电路图1-1串联二极管式逆变电路如图1-1所示，本系统为交直交见解式变频，有晶闸管整流器、支流滤波电抗器及逆郑州华信学院3变器三部分组成。这种电流型电路的特点是中间环节采用电抗器滤波，因此电源阻抗很大，类似于电流源。逆变器输出电流比较平直，为矩形波。输出电压波形由电动机感应电动势决定，电压波形类似于正弦波。逆变器为120通电型换流电路，任意瞬间只有两个晶闸管导通，电动机轮流形成两相通电（换流过程有短时三相通电）。电动机的转向有晶闸管的导通顺序决定，正转是出发顺序为VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6，反转是触发顺序为VT6，VT5，VT4，VT3，VT2，VT1。各个触发间隔60度电度角，每个晶闸管导通120度，三相对称，各相互差120度。在强迫换流电路中，C为幻想电容，他的作用是给欲关断的晶闸管施以反压，以使其强迫关断。VD为隔离二极管，作用是反之充电电压经负载放掉，并把换流电路与负载隔离。由于隔离二极管与主晶闸管相串，故成为串联二极管式换流电路。这种系统中，当突然降低逆变器出现户频率时，电动机可以从电动状态自动地进入再生发电状态。现在来说明不同的工作系统的工作状态。在正常的运转状态下。电动机定子电压频率即逆变器输出频率1f大于异步电动机旋转频率nf，转差率s的变化范围为10s，电动机转速落后于旋转磁场的转速，电动机的功率因数cos，90。电动机运行于电动状态，逆变器工作于逆变状态，整流器工作于整流状态。当定子频率突然降低时，)(11nnffn，转差率s0，旋转磁场转速小于电动机转速，cos，〉90，电动机运行于再生发电状态。由于电流不能反向而逆变器输出电压反向，因此逆变器工作于整流状态，整流器工作于逆变状态。系统把电动机的机械能转变电能，反馈到交流电网。郑州华信学院42电流型变频器的换流换流就是从一个晶闸管中的电流转移到另一个晶闸管中去。众所周知，普通晶闸管在导通以后就失去了自关断能力，要使其阻断可以有两种方法，一是在主电路中加进去大的阻抗（或者断开主电路），使电流少于晶闸管的维持电流，这样做就要在主回路中设置开关，所以很少应用；另一种方法是在晶闸管阳极间施加反电压，这就是通常采用的方法。郑州华信学院5施加反压的时间0t应大于晶闸管的关断时间gt。晶闸管的关断时间gt与许多的因素有关，如温度，负载大小，重加电压变化率等。因此，考虑到实际工作条件与测试条件不尽相同，为了保证晶闸管可靠地关断，一般要求换六电路所提供的反压时间应满足gtt0。电流型变频器多采用串联二极管式换流电路。正常运行时，由于采用了这种强迫换流，系统可以在较宽的范围内调速工作。电动机高速运行时强迫换流可以使系统输出频率高于工频。低速运行时，由于直流电压随频率而降低，换流电流充电电压相应不足，致使换流不可靠。为此，需采取低频换流措施。电动机在低频下启动或低频运行时，由于直流电压降低，随之电容充电电压也降低，使换流能量不够，以至VT关断不可靠，为此需要采取低频换流措施。一般采取断续换流方式及附加辅助充电回路方式来改善低频换流。图2-1串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形3参数计算与元件选择3.1串联整流器式电流型逆变器参数计算串联整流器式电流型逆变器和串联整流器式电压型逆变器的主要区别是：负载所需的无功能量由滤波器的电抗吸收，dI在L中方向不变，故不需要反馈整流器。电流型逆变器郑州华信学院6在工作中，负载电动机的绕组参与换流。线路的结构简单、工作可靠，实现再生运行方便。同时换流电容器在换流时的充放电电流受滤波电抗L的抑制，所以换流裕量比较大。这种线路对晶闸管的要求不高。3.1.1直流侧电压dUdfdnUAUU2cos（3-1）式中U----电动机的线电压；A----三相整流桥电压转换系数（取1.35）；cos----负载功率因数；dfU----晶闸管管压降（约2~1V）；n----同一桥臂晶闸管串联元件数。3.1.2直流侧电流dI逆变器输出电流是矩形波，其基波成分为电动机所需要的负载电流，基波电流有效值I与输出的电流dI的关系见图，并可以下式计算IId6（3-2）而最大直流电流dmI以下式计算mdmII6（3-3）或取ddmII0.2~5.1。3.1.3换流电容参数计算1）换流电容值计算)(320FLtC（3-4）郑州华信学院7式中0t----晶闸管计算用反压时间)(sL----电动机的相漏感（μH）2）电容器峰-峰电压)(ppcU，为cmU2。)(sin234[2])(VUCLIUmNdmppc（3-5）式中msin----电动机最大负载电流滞后角的正弦；CmU----电容器应能承受的电压（V）。3.1.4逆变器晶闸管承受的电压、电流1）逆变侧晶闸管承受的正反电压)(sin234VUCLIUNdVT（3-6）逆变侧晶闸管承受的最大正反电压为CmVTmUU（3-7）2）逆变侧晶闸管流过的电流VTI在晶闸管导电角为120度时，以下是式计算：3dVTII（3-8）3.1.5隔离整流器的电压与电流隔离整流器所承受的最大反向电压VDU为NCVDUUU24323（3-9）隔离整流器的电流参数与主晶闸管相同的参数。3.2换流电容器过电压吸收电路参数技术逆变晶闸管的电压很高时，工程上很难接受。以加大换流电容来降低晶闸管工作耐压，会延长换流过程，并不可取，因为换流过程的延长可能会出现逆变器在工作于高频是的换流重叠；作为替代办法可以专门设计漏抗小的电动机，此种非标准电动机，成本价格均高、效益差，这种解决方案不易实现；设置的换流电容过充电吸收环节是较容易实施的方案。郑州华信学院8过充电压吸收的限幅电压值FU保证两相换流不发生重叠是计算过充电压吸收限幅电压值的依据，故需满足下式：CLIUULCUCUICdNFNFd34sin2[arcsin*3sin223{3]}sin2)sin2()34(22NFNFdUUUUCLI（3-10）式中FU----限幅电压值。22KUUNF（3-11）式中2K----过电压倍数，选1.5左右。FU选择得低，对晶闸管要求降低，但是换流电容要增大。当换流电容充电电压CU达到FU后，若dI增加，则晶闸管反压时间0t减少。因此换流电容C的计算要考虑限幅后电流达到最大值时所需要的换流能力，这样的C值计算公式为)(320FUtICFd（3-12）相应的晶闸管的最大反向电压也是FU，而隔离整流器的最大的反电压为NFRUUU24323（3-13）过电压吸收电源的功率对三相桥式逆变器，过充电压吸收电源功率FP为sin2)sin2()34(2922NFNFdFFUUUUCLICfUP（3-14）式中f----逆变器工作频率（HZ）；L----换流电抗值（H）；C----换流电容值（F）。郑州华信学院93.3滤波电抗器的选择与参数计算设置在中间直流环节的滤波电抗器dL的参数选择影响到电流型变频器的静态以及动态工作状态。该电抗器不仅要抑制直流的脉动，而且用来抑制电动机侧因滞后功率因数的变化所引起的脉动。按照电流连续原则选择电抗dL)(22)(35.1121mHLLUKUKILMSLCNLCdmd（3-15）式中NU----交流电源电压（V）；1U----变频器在50HZ时的输出线电压（V）；SL----电源侧等效电感（mH）；ML----负载电动机相电感（mH）；21,LCLCKK----决定于cos,cos的系数按照限制电流脉动选择电抗dL在确定允许电流脉动率后，在系统的额定直流电流时考虑了电源侧整流器等效电感SL、及负载侧电动机漏感ML对脉动的影响，电感dL可以采用下式计算：)(22)(35.1121mHLLUKUKILMSLPLPdd（3-16）式中21,LPLPKK----电感计算系数。在选择电动机侧变流器的2LPK时，取e=0时的曲线。选择的电抗值越大，电流型特点越突出，对抑制系统过电流及保护越有利，但是损耗相应加大，装置效率随dL增加而下降。郑州华信学院104交流变频调速系统4.1交流电动机选型直流电动机数据：200kW，400/1200rpm，440V，498A，原电阻起动时（电阻为0.38Ω/0.15Ω/0.1Ω），效率为91.2%，过载倍数2.5倍（基速）/1.6倍（高速），弱磁调速范围为400～1200rpm。直流电机工作在弱磁区，恒功率运行，电机的功率与转矩是按最大转速时的工作情况设计的，电机的实际输出转矩远小于额定转矩。电机参数如下：计算的电机额定转矩：Te=9550*Pe/Ne=4775N•M电机输出转矩（高速时）：Tmax=Te*（Ne/Nmax）=1592N•M电机过载转矩（高速时）：Tcmax=1.6*Tmax=2547N•M电机起动电流：Is=Uo/（Rs+Ro）=440/（0.04+0.15+0.38+0.1）≤660A电机起动转矩：Ts=Te*（Is/Ie）≤6328N•M更换交流电机后，性能指标必须满足以下条件：电机最高转速≥Nmax=1200rpm；电机额定转矩≥Tmax=1592N•M；电机过载转矩≥Tcmax=2547N•M；电机起动转矩≥Ts=6328N•M。为了满足上述条件并考虑到今后提产因素，对以上计算取适当转矩（功率）裕量，预选380V、355kW、670A、992rpm、50HzIP54YPBF列变频电机（电机调速范围：1～100Hz；电机额定转矩：3417N•M；电机最大转矩/额定转矩：2.8），转矩核算如下:交流电机的额定转矩为直流电机的2.15倍；过载转矩为直流电机的3.75倍；起动转矩为直流电机的1.5倍；为了满足前述最高转速条件，电机运行转速将达到1200rpm，电机允许的长期运行转矩降低为2800N•M，电机允许的过载转矩降低为7842N•M。这些参数远远大于前述转速和转矩条件，满足应用要求。4.2变频器选型ACS800变频器具有DTC和主从控制技术两个重要功能，是选择双交流传动的主要依据。（1）DTC技术DTC技术是目前最先进的变频技术，能实现低速大力矩、低电流大力矩，独有的“零速满转矩”特性。在DTC技术中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量，能够在没有光码盘或测速电机的反馈的条件下，精确控制任何标准鼠笼电机的速度和转矩。高速数字信郑州华信学院11号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新40,000次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味者传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。在DTC中不需要对电压、频率分别控制的PWM调制器。因此没有固定的斩波频率，在实际运行中，不会产生其它变频器驱动电机时所发出的那种高频噪声，同时也降低了变频器本身的功耗。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度，（2）主从控制技术主从控制技术是ABB公司专门为多电机传动应用而设计的，变频器之间通过光纤连接，其中一台变频器被设置为主机，其他变频器被设为从机，电机硬轴连接。主机实行速度控制，从机实