【正文】 容量和耐壓的限制，濾波電路通常由若干個電容器并聯(lián)成一組，又由兩個電容器組串聯(lián)而成。 （ 5）軟啟動電路：限制啟動電流，保護功率器件。 武漢工程大學 畢業(yè)設計 9 第二章 系統(tǒng)主電路設計 變頻調速系統(tǒng)組成原理框圖如圖 所示， 分為 主電路和控制電路兩 大 部分 。但是，其控制器武漢工程大學 畢業(yè)設計 7 的設計在某種程度上依賴于電機的參數(shù)，為了減少控制上對電機參數(shù)的敏感性，已經(jīng)提出了許多參數(shù)辨識、參數(shù)補償和參數(shù)自適應方案，取得了良好的效果 [10]。 圖 開環(huán)控制系統(tǒng)結構原理框圖 （ 2）矢量控制 1971年德國的 ，這是一種新的控制理論和控制技術，它解決了交流電機的瞬時轉矩控制問題。 根據(jù)生產(chǎn)的要求，變頻器的型式和電動機的種類，會出現(xiàn)多種多樣的變頻調速控制方案。同時，無須采用均壓電路、吸收電路與輸入、輸出濾波器；輸入功率因數(shù) ,總效率 (包括隔離變壓器 )96%。、 24176。這類變頻 器的特點是 :系統(tǒng)結構簡單、可靠性高、效率高 (98%)；采用直接矢量控制 ,電機轉矩可快速變化而不影響磁通 ,其運行效果接近于直流傳動裝置。 其主電路一般為電壓源型的交 直 交結構 , 形式上多采用中心點鉗位型三電平逆變電路（從圖 ，用的是兩電平逆變器 ,只是上下橋臂各有 3個器件串聯(lián)） 以避免整流及逆變器件串聯(lián)引起的動態(tài)均壓問題 ,主電路如圖 。 由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動機提供交流電功率， 因此其主要優(yōu)點是運行幾乎不受負載的功率因數(shù)或換流的影響， 它主要適用于中、小容量的交流傳動系統(tǒng)。靜止式變頻器從變換環(huán)節(jié)分為兩大類： 交 直 交 變頻器 和交 交 變頻器 。 在國民經(jīng)濟建設和國防科技事業(yè)的進程當中，交流調速的應用極為 廣泛和重要。 80年代 GTR(自關斷器件 大功率雙極性晶閘管 )的問世 ,出現(xiàn)了高性能 GTR變頻器 ,其性能大大優(yōu)于晶閘管變頻器 ,很快就在工業(yè)領域得到廣泛應用 ,并盛行一時。根據(jù)采用的電流制式不同，電動機分為直流電動機和交流電動機兩大類，其中交流電動機形式多樣、用途各異、擁有量最多，交流電動機又分為同步電動機和異步 (感應 )電動機兩大類。采用 MATLAB 軟件包中的 SIMULINK 對基于數(shù)學模型基礎上的電氣傳動控 制系統(tǒng)進行仿真建模，具有建模簡便、結構直觀、操作靈活等優(yōu)點，并且仿真結果具有較高的精度。電力電子和微電子技術的發(fā)展 ,推動了變頻技術的發(fā)展 ,反過來變頻技術的發(fā)展又對電力電子 變換器件提出了新的要求。因為 IGBT具有開關頻率高、并聯(lián)容易、易實現(xiàn)高壓大容量化、控制方便的 特點 ,所以一登場就體現(xiàn)了強大的生命力 ,很快取代了 GTR,其應用從通用變頻器（ INV)、不間斷電源 (UPS)、伺服 (SV)、機器人 ,以至擴大到家用電器、辦公自動化、醫(yī)療器械、太陽能發(fā)電等眾多領域。隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數(shù)字控制技術取代模擬控制技術己成為必然的發(fā)展趨勢。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉窯、軋鋼機等。低壓變頻器是指輸出電壓 ≤500V 的變頻器。 ,這樣 5次、 7次諧波會在初級抵消 , 17次、 19次諧波也會互相抵消。如果輸入端用可控器件實現(xiàn) PWM 整流 ,會使電網(wǎng)側的諧波增大 ,需加進線電抗器濾波 [6]。 )的 4個繞組。 177。這種控制方案結構簡單，可靠性高。矢量控制系統(tǒng)基本結構原理框圖如圖 。由于它省掉了矢量變換方式的坐 標變換與計算和為解耦而簡化異步電動機數(shù)學模型 ,沒有通常的 PWM 脈寬調制信號發(fā)生器 ,因此它的控制結構簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉矩響應迅速且無超調 ,是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調速控制方式。 圖 變頻電源硬件結構框圖 主電路結構設計 380V/5KVA 矢量控制交流變頻調速系統(tǒng) 的主電路結構如圖 所示， 主 要 由 三相整流橋、軟啟動電路、直流濾波電路、指示燈電路、制動電路、 PWM 逆變器、輸出濾 波器等組成。采用晶閘管半控、全控整流既可以在開機上電后使整流電壓逐漸上升到最大值 ,實現(xiàn)軟啟動；又可以在電源出現(xiàn)故障時 ,關斷晶閘管 ,從而關閉直流環(huán)節(jié)。當變頻器通電時，濾波電容的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會損壞三相整流橋中的二極管，為了保護二極管，在電路中串入限流電阻 R5，從而使電容的充電電流限制在允許的范圍內。 電流定額： AIKI IMP M N ???? () 電壓耐量： VUKU UMRM 8 0 63 8 l ????? () 其中 IMK 、 UMK 分別為電流、電壓安全裕量系數(shù)。又有 ： 01 050 6 ????? ?RC? ，則： WTREP |e2250t22 ??? ?????????? ?? ?? () 實際設計中選用 兩個 100? , W5 的水泥電阻并聯(lián) 。 PWM 逆變器的 PWM 輸出電壓會產(chǎn)生很高的 dv/dt，損壞電機絕緣。開關器件的工作環(huán)境與測試條件是不同的 ,通常實際應用中指標會有所下降。 盡量低的 損耗。 武漢工程大學 畢業(yè)設計 15 第三章 三相異步電動機的矢量控制數(shù)學模型 一般來說，交流變速傳動系統(tǒng)，特別是變頻傳動系統(tǒng)的控制是比較復雜的，要設計研制一個品質優(yōu)良的系統(tǒng)，要確定最佳的控制方式，都必須對系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性進行充分的研究。 在研究異步電動機的多變量數(shù)學模型時，常做如下假設： 忽略空間 諧波，設三相繞組對稱 (在空間互差 120176。這時，異步電動機的數(shù)學模型由下述的電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程和運動方程組成。 定子自感矩陣： ??????????????????????????lsmsmsmsmslsmsmsmsmslsmsssLLLLLLLLLLLLL212121212121 （ ） 轉子自感矩陣： ??????????????????????????lrmsmsmsmslrmsmsmsmslrmsrrLLLLLLLLLLLLL212121212121 （ ） 定子、轉子之間的互感矩陣 ?????????????????????????????????c o s)1 2 0c o s ()1 2 0c o s ()1 2 0c o s (c o s)1 2 0c o s ()1 2 0c o s ()1 2 0c o s (c o smsTsrrs LLL （ ） srrs LL ? 兩個分塊矩陣互為轉置，且均與轉子位置 ? 有關，它們的元素都是變參數(shù)，這是系統(tǒng)非線性的一個根源。 （ 3）異步電動機數(shù)學模 型是一個非線性系統(tǒng) 由式（ ） ~（ ）可知，定子、轉子之間的互感為 ? 的余弦函數(shù)，是變參數(shù)，這是數(shù)學模型非線性的一個根源；由（ ）可知，式中有定子、轉子瞬時電流相乘的武漢工程大學 畢業(yè)設計 20 項，這是數(shù)學模型中又一個非線性根源。 兩相靜止 /兩相同步旋轉的坐標變換（ 2S/2R） 在兩相靜止坐標系上的兩相交流繞組 ? 、 ? 和在同步旋轉坐標系上的兩個直流繞組M 、 T 之間的變換屬于矢量變換。 以 M 軸為基準，把 si 分解為 M 軸重合和正交的兩個分量 sMi 、 sTi ，分別稱為定子電流的勵磁分量和轉矩分量。 磁鏈方程 數(shù)學模型的簡化的根本原因可從磁鏈方程和圖 所示的 dq 坐標系物理模型上看出，其磁鏈方程為 武漢工程大學 畢業(yè)設計 24 ?????????????????????????????????????????rqrdsqsdrmrmmsmsrqrdsqsdiiiiLLLLLLLL00000000???? （ ） 由于變換到 dq 坐標系上以后，定子和轉子 等效繞組都落在兩根軸上，而且兩軸相互垂直，它們之間沒有互感的耦合關系，互感磁鏈只在同軸繞組之間存在，因此式中每個磁鏈分量只剩下兩項了。 異步電動機在兩相 dq同步旋轉坐標系上的數(shù)學模型 式（ ）的異步電動機數(shù)學模型建立在三相靜止的 A B C 坐標系下，如果把它變換到兩相同步旋轉坐標系，由于兩相坐標軸互相垂直，兩相繞組之間沒有磁的耦合，僅此一項，就會使數(shù)學模型簡單了許多。圖中 M 、 T 是任意同步旋轉軸系，旋轉角速度為同步角速度 1? 。 坐標變換 三相靜止 /兩相靜止坐標變換（ 3S/2S） 三相軸系和兩相軸系之間的關系如圖 所示，為了方便起見，令三相的 A 軸與兩相的 a 軸重合，假設磁動勢波形是按正弦分布，或只計其基波分量，當兩者的旋轉磁場完全等效時，合成磁動勢沿相同軸的分量必定相等，即三相繞組和兩相繞組的瞬時磁動勢沿 ? 、 ? 軸的投影相等，即 ???????????34s i n32s i n0 34c o s32c o s3323332??????CBsCBAsiNiNiNiNiNiNiN （ ） 式中， 2N ， 3N 分別為三相電機和兩相電機每相定子繞組的有效匝數(shù)。 電力拖動系統(tǒng)運動方程 作用在電動機軸上的轉矩與電動機速度變化之間的關系可以用運動方程來表達，一般情況下，電氣傳動系統(tǒng)的運動方程為 ???pppLe nKnDdtdnJTT ???? （ ） 式中， LT — 負載阻力矩， J — 機組的轉動慣量， ? — 轉子旋轉電角速度， D — 旋轉阻尼系數(shù)， K — 扭轉彈性轉矩系數(shù)?；ジ杏址譃閮深悾阂活愂嵌ㄗ尤啾舜酥g和轉子三相彼此之間位置都是固定的，因此互感為常數(shù)；二類是定子任一相與轉子任一相之間位置是變化的，因此互感是角位移 ? 的函數(shù)。圖中，定子三相繞組軸線 A 、 B 、 C 在空間是固定的，故定義為三相靜止坐標系。而在輸出變量中，除轉速以外，由于在調速過程中必須保持磁通為恒定，所以磁通也是一個控制量，而且是一個獨立的輸出量。因此 ,應當在保證濾波效果的前提條件下 ,盡量提高濾波器的截止頻率。輸出濾波電路常用的是 L型或 ? 型濾 波器。正確選用 IGBT 有兩個關鍵環(huán)節(jié) :一是開關器件關斷時 ,在任何被要求的過載條件下 ,集電極峰值電流都必須處于開關安全工作區(qū)的規(guī)定之內 (即小于額定電流的兩倍 )；二 是 IGBT 工作時的內部結點溫度必須始終保持在 150℃以下 (包括過載情況 )。三相四橋臂逆變器雖然帶不平衡負載的能力較強 ,但其電路拓撲較復雜，所用功率器件數(shù)較多，控制也復雜。F/ V900 的電容。 (1)直流電壓 Ud 輸入為三相交流電壓 V380 ,其峰值電壓為 2 380 537 V?? ,公式（ ）是三相橋式可控整流電路的公式 , Ud 是整流出來的直流電壓值 ,U 是輸入整流橋的交流相電壓有效值 ,ɑ是觸發(fā)角。濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持電壓平穩(wěn)。 （ 4）直流濾波電路：整流部分和逆變部分的中間環(huán)節(jié)，起到穩(wěn)定電壓的作用。 圖 直接轉矩控制系統(tǒng)原理結 構圖 武漢工程大學 畢業(yè)設計 8 設計任務與要求 本設計主要是完成 380V/5KVA 矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)的主電路結構及參數(shù)設計、控制器結構和參數(shù)設計，并用 MATLAB/SIMULINK 軟件平臺建立系統(tǒng)仿真模型，進行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能分析。目前，實用中較多采用后者，由于其沒有實現(xiàn)直接磁鏈的閉環(huán)控制，無需檢測出轉子磁鏈，因而容易實現(xiàn)。異步電動機存在轉差率，轉速隨負荷力矩變化而變動，即使目前有些變頻器具有轉差補償功能及轉矩提升功能，也難以達到 %的精度，因此，采用這種控制方法只適用于一般調速要求不高的場合 [9]。 武漢工程大學 畢業(yè)設計 5 圖 高壓變頻器主電路結構 圖 功率單元電路 武漢工程大學 畢業(yè)設