恒压频比变频调速系统

一、设计目的：通过对一个使用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。二、设计要求：设计控制系统，根据控制磁通不变的方法，对恒压频比的系统设计方案进行论证。画出系统原理图，进行元器件的选择和相关参数的计算。三、总体设计：异步电动机变频调速系统在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每级的磁通量m为额定值不变，磁通太弱没有充分利用电机的铁心，是一种浪费，若要增大磁通，又会使铁心饱和。从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机。励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持磁通m不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的。我们知道，三相异步电机定子每相电动势的有效值是：1114.44gNmEfNk（1）式中gE——气隙磁通和定子每相中感应电动势有效值，单位为V；1f——定子频率，单位为Hz；1N——定子每相绕组内联匝数；1Nk——基波绕组系数；m——每极气隙磁通量，单位为Wb；由式（1-1）可知，只要控制好gE和1f，便可达到控制磁通m的目的，对此，需要考虑额定频率以下和额定频率以上两种情况。1.1额定频率以下调速由式（1-1）可知，要保持m不变，当频率1f从额定值1nf向下调节时，必须同时降低gE，使1gEf常值，即采用恒定的电动势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认定定子相电压1gUE则得：11Uf常值，这是恒压频比的控制方式。低频时，1U和gE都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，可以人为地把电压1U抬高一些，以便近似地补偿定子压降，带定子压降补偿的恒压频比控制特性见图1。图1恒压频比控制特性a——不带定子压降补偿b——带定子压降补偿1.2基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从1nf往上增高，但电压1U却不能增加得比额定电压1nU还要大，最多只能保持11nUU。由式（1-1）可知这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得图所示的异步电动机变频调速控制特性。如果电动机在不同转速下具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化，按照电机拖动原理，在基频以下，属于“恒转矩调速”的性质，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”。图2异步电动机变频调速控制特性2.1静止式变频装置上节讨论的控制方式表明，必须同时改变电源的电压和频率。才能满足变频调速的要求。现有的交流供电电源都是恒压恒频的，必须通过变频装置，以获得变压变频的电源。这样的装置通称变压变频（VVVF)装置，其中VVVF是英文VariableVoltageVariableFrequency的缩写。最早的VVVF装置是旋转变流机组，现在已经几乎无例外地让位给应用电力电子技术的静止式变频装置。从结构上看，静止变频装置可分为间接变频和直接变频两类。间接变频装置先将工频交流电源通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换为可控频率的交流，因此又称有中间直流环节的变频装置。直接变频装置则将工频交流—次变换成可控频率的交流，没有中间直流环节。目前应用较多的还是间接变频装置。2.1.1间接变频装置(交—直—交变频装置)图2绘出了间接变频装置的主要构成环节。图3间接变频装置（交——直——交变频装置）按照不同的控制方式，又可分为以下三种。1.用可控整流器变压，用逆变器变频的交-直-交变频装置。调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控制回路上协调配合。这种装置结构简单.控制方便。但是，由于输入环节采用可控整流器，当电压和频率调得较低时，电网端的功率因数较小；输出环节多用由晶闸管组成的三相六拍逆变器(每周换流六次)，输出的谐波较大。这就是这类变频装置的主要缺点。2.用不控整流器整流，斩波器变压，逆变器变频的交-直-交变频装置。整流环节采用二极管不控整流器，再增设斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了—个环节。但输入功率因数高。克服了用可控整流器变压，用逆变器变频的交-直-交变频装置的第一个缺点。输出逆变环节不变，仍有谐波较大的问题。3.用不控整流器整流，SPWM逆变器同时变压变频的交-直-交变频装置。用不控整流，则功率因数高；用SPWM逆变，则谐波可以减少。这样，用可控整流器变压.用逆变器变频的交-直-交变频装置的两个缺点都解决了。谐波能够减少的程度取决于开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。如果仍采用普通晶闸管，开关频率比六拍逆变器也高不了多少，只有采用可控关断的全控式器件以后，开关频率才得以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼真的正弦波，因而又称正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器。成为当前最有发展前途的一种结构形式。2.1.2直接变频装置(交-交-变频装置)直接变频装置只用一个变换环节就可以把恒压恒频(CVCF)的交流电源变换成VVVF电源，因此又称交交变频装置或周波变换器。2.1.3电压源和电流源变频器从变频电源性质来看，无论是交—交变频，还是交—直—交变频，都可分为电压源变频器器和电流源变频器两大类，它们的主要区别在于用什么储能元件来缓冲无功能量。1.电压源变频器：对于交—直—交变频器，当中间直流环节主要采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这叫做电压源变频器。2.电流源变频器：对于交—直—交变频器，当中间直流环节主要采用大电感滤波时，直流回路中电流波形比较平直，对负载来说基本是一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这叫做电流源变频器。2.2正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器在一般的交—直—交变频器供电的变压变频调速系统中，为了获得变频调速所要求的电压频率协调控制，整流器必须是可控的，调速时须同时控制整流器UR和逆变器UI，这样就带来了一系列的问题。主要是：(1)主电路有两个可控的功率环节。相对来说比较复杂；(2)由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等大惯性元件存在，使系统的动态响应缓慢；(3)由于整流器是可控的，使供电电源的功率因数随变频装置输出频率的降低而变差，并产生高次谐波电流；(4)逆变器输出为六拍阶梯波交变电压(电流)。在拖动电动机小形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩。影响电机的稳定工作，低速时尤为严重。因此，由第一代电力电子器件所组成的变频器已不能令人满意地适应近代交流调速系统对变频电源的需要。随着第二代电力电子器件(如GTO，GTR，P—MOSFET)的出现以及微电子技米的发展，出现了解决这个问题的良好条件。图4常规交—直—交变频器原理图图5SPWM交—直—交变频器原理图2.2.1SPWM逆变器的工作原理名为SPWM逆变器，就是期望其输出电压是纯粹的正弦波形，那么，可以把一个正弦半波分作N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。这样就可以得到所期望的逆变器输出SPWM波形的一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。可以看到，由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，也就是说，这种交—直—交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。但较为使用的办法是引用通讯技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制波，而受它调制的信号称为载波。在SPWM中常J用等腰三角波作为载波.因为等腰三角波上下宽度线性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是SPWM所需要的结果。2.2.2工作原理图6SPWM变频器电路原理框图图6是SPWM变频用的主电路，图中18VTVT是逆变器的六个功率开关器件，各又一个续流二极管反并联接，整个逆变器由三相整流器提供的恒值直流电压供电。它的控制电路，是由一组三相对称的正弦参考电压信号,,rarbrcUUU由参考信号发生器提供，共频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求助输出频率范围内可调。参考信号的幅值也在一定范围内变化，以决定输出电压的大小。三角波载波信号是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波,,dadbdcUUU，作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。控制方式可以是单极式，也可以是双极式。采用单极式控制时在正弦波的半个周期内每相只有一开关器件开通或关断，例如A相的1VT反复通断，三相SPWM逆变器工作在双极式控制方式的制方式和单级式相同，输出基波电压的大小和频率也是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的，只是功率开关器件通断的情况不一样。双极式控制时逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替同断，处于互补的工作方式。2.3.1恒压频比控制下的机械特性异步电动机带载稳态运行时，有21122222112112'3''lpllUsRTnsRRsLL（2）此式表明，对于同一负载要求，即以一定的转速An在一定的负载转矩lAT下运行时，电压和频率可以有多种组合，其中恒压频比（11/U恒值）最容易实现的。它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能满足一般的调速要求。但是低速带载能力还较差，需对定子压降实行补偿为了近似的保持气隙磁通不便，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下采用恒压频比控制，实行恒压频比控制时，同步转速自然也随着频率变化10602pnn/minr（3）因此带负载时的转速降落为01602pnsnsn/minr在式（3）中所表示的机械特性近似直线段上。可以导出21211'3epRTsUn（4）由此可见，当11/U为恒值时，对同一转矩T，1s是基本不变的，因而n也是基本不变的，也就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本上是平行下移的，它们和直流他激电机调速时特性变化情况近似，所不同的是，当转矩达到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低的时候转矩越小对前式整理可得出11/U为恒值时最大转矩maxeT随角频率1的变化关系为21max212111211312'epllUTnRRLL（5）可见，maxeT是随着1的降低而减小的，频率很低时，maxeT太小将限制调速系统的带载能力，采用定子压降补偿，适当提高电压1U可以增强带载能力。图7恒压频比的异步电动机的机械特性3.1恒压频比变频调速系统原理图图8恒压频比变频调速系统原理图恒压频比变频调速系统的基本原理结构如图8所示，系统由升降速时间设定，u/f曲线，SPWM调制和驱动等环节组成。其中升降速时间设定用来限制电动机的升频速度，避免转速上升过快而造成电流和转矩的冲击，起软启动控制的作用。u/f曲线用于根据频率确定相应的电压，以保持压频比不变，并在低频时进行适当的电压补偿。SPWM和驱动环节将根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，控制控制逆变器以实现电动机的变压变频调速。3.2恒压频比变频调速系统的仿真模型图9恒压频比变频调速系统的仿真模型由图9，依次从simulink库中找出各个模块，其中给定积分器GI中的Gain设置参数为1e4，Saturation设置为-10——+10，取整模块设为round，仿真算法用Ode23tb，逆变器直流侧电压为