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矢量控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)_畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-在線瀏覽

2024-11-01 11:36本頁面
  

【正文】 相當(dāng)于電壓源,故稱電壓型變頻器。與之相比 , 電流型變頻器施加于負(fù)載上的電流值穩(wěn)定不變,其特性類似于電流源 ,它主要應(yīng)用在大容量的電機(jī)傳動系統(tǒng)以及大容量風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中 [4]。低壓變頻器是指輸出電壓 ≤500V 的變頻器。它具有運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)速范圍寬、輸出波形好、輸入電流諧波含量低、功率因數(shù)高、效率高、電路簡單的特點(diǎn) , 因而應(yīng)用十分廣泛。 圖 低壓變頻器主電路結(jié)構(gòu) 中壓變頻器是指輸出電壓 ≤6kV的變頻器。其整流電路一般是 12脈沖 ,整流變壓器初級接成三角形 ,次級需要兩個繞組 ,一個接成三角形 ,另一個接成 星型。 ,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。如果要求更高 , 整流電路還可以采用 24脈沖 , 此時整流變壓器次級需 4個繞組 , 整流橋需 4個串聯(lián)。經(jīng) LC濾波后 ,總諧波畸變率 THD1%,已符合規(guī)定要求。另外 ,由于是直接變頻 ,電網(wǎng)電壓與電機(jī)電壓相同 ,容易實(shí)現(xiàn)旁路控制。如果輸入端用可控器件實(shí)現(xiàn) PWM 整流 ,會使電網(wǎng)側(cè)的諧波增大 ,需加進(jìn)線電抗器濾波 [6]。其主電路一般采用單元串聯(lián)多重化技術(shù) ,即每相由幾個低壓 PWM 變頻功率單元串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出 ,如圖 。中間一套 3個繞組采用三角形接法 ,上下各有兩套分別超前 (12176。 )與滯后 (12176。 )的 4個繞組。的三角載波對基波電壓進(jìn)行調(diào)制 ,A、B、 C各相基波調(diào)制所得的 5個信號 ,分別控制該相的 5個功率單元 ,每相經(jīng)疊加后可得到具有 11級階梯電平的相電壓、 21級階梯電平的線電壓 ,相當(dāng)于 30脈沖變頻。這類變頻器的特點(diǎn)是 :輸出諧波很小 (有完美無諧波的美稱 ),消除了諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動 ,電機(jī)的發(fā)熱與噪聲大大減少。其中,功率單元電路如圖 ,每個功率單元輸出電壓為 0、 - 1三種狀態(tài)電平,每相 5個單元疊加,就可產(chǎn)生 11種不同的電平等級,分別 為177。 177。 177。 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 圖 高壓變頻器主電路結(jié)構(gòu) 圖 功率單元電路 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 變 頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方法 隨著交流電機(jī)控制等各種技術(shù)的發(fā)展,矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等高性能調(diào)速系統(tǒng)相繼出現(xiàn),其中矢量控制以其優(yōu)良的性能成為目前實(shí)際應(yīng)用最為廣泛的調(diào)速方法 [8]。目前,交 直 交變頻器常用的三種控制方法是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制、轉(zhuǎn)速閉環(huán)矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制方法。這種控制方案結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高。但是,由于是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制方式,其調(diào)速精度和動態(tài)響應(yīng)特性并不是十分理想。異步電動機(jī)存在轉(zhuǎn)差率,轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷力矩變化而變動,即使目前有些變頻器具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能及轉(zhuǎn)矩提升功能,也難以達(dá)到 %的精度,因此,采用這種控制方法只適用于一般調(diào)速要求不高的場合 [9]。矢量控制技術(shù)根據(jù)磁動勢等效原則,通過坐標(biāo)變換將交流異步電機(jī)模型等效為直流電動機(jī)模型,實(shí)現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦,對交流電機(jī)的磁鏈和電流進(jìn)行分別控制,從而達(dá)到控制瞬時電磁轉(zhuǎn)矩的目的。矢量控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)原理框圖如圖 。然后,通過電流閉環(huán)的跟隨控制,輸出異步電動機(jī)所需的三相定子電流。目前,實(shí)用中較多采用后者,由于其沒有實(shí)現(xiàn)直接磁鏈的閉環(huán)控制,無需檢測出轉(zhuǎn)子磁鏈,因而容易實(shí)現(xiàn)。 控 制 器反 旋轉(zhuǎn) 變 換2 r / 2 s2 / 3變 換電 流跟 隨控 制3 / 2變 換旋 轉(zhuǎn)變 換2 s / 2 r等 效 直流 電 動機(jī) 模 型Ψ r *ω *i * s mi * s ti * s αi s βi * Ai * Bi * Ci Ai Bi Ci s α i s mi s tΨ rωφ φi * s β 圖 矢量控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)原理框圖 ( 3)直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) ,是利用空間矢量、定子磁場定向的方法 ,在定子坐標(biāo) 系下分析異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ,計(jì)算與控制異步電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩 ,采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器(BandBand 控制 ),把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較 ,使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi) ,容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制 ,并產(chǎn)生 PWM 脈寬調(diào)制信號 ,直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制 ,以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出,其控制原理如圖 。由于它省掉了矢量變換方式的坐 標(biāo)變換與計(jì)算和為解耦而簡化異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型 ,沒有通常的 PWM 脈寬調(diào)制信號發(fā)生器 ,因此它的控制結(jié)構(gòu)簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào) ,是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。 一方面 控制器采用 BangBang 控制,實(shí)際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動; 另一方面 調(diào)速范圍受限 , 低速時,轉(zhuǎn)矩脈動會增加,而且定子磁鏈觀測值會不準(zhǔn)。 圖 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理結(jié) 構(gòu)圖 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 本設(shè)計(jì)主要是完成 380V/5KVA 矢量控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)、控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì),并用 MATLAB/SIMULINK 軟件平臺建立系統(tǒng)仿真模型,進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能分析。 主電路 主要 由三相整流橋、 直流側(cè) 濾波電路 、 PWM 逆變器、輸出濾波器 組成;控制電路是以 DSP 控制器為核心, 由 PWM 波形發(fā)生器、隔離電路、保護(hù)電路、 信號 采樣電路、液晶 顯示與 鍵盤 電路等組成。 圖 變頻電源硬件結(jié)構(gòu)框圖 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 380V/5KVA 矢量控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 的主電路結(jié)構(gòu)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。 ( 2)三相逆變電路:將 DC530V 電壓逆變?yōu)轭l率、幅值可調(diào)的三相交流電,提供給負(fù)載。 ( 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。 ( 6)制動電路:實(shí)現(xiàn)能耗制動,避免產(chǎn)生泵升電壓,損壞功率器件。采用晶閘管半控、全控整流既可以在開機(jī)上電后使整流電壓逐漸上升到最大值 ,實(shí)現(xiàn)軟啟動;又可以在電源出現(xiàn)故障時 ,關(guān)斷晶閘管 ,從而關(guān)閉直流環(huán)節(jié)。 本設(shè)計(jì)中采用了三相橋式不控整流電路,主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡單,功率因數(shù)接近于 1。濾波電容濾除整流后的電壓波紋,并在負(fù)載變化時保持電壓平穩(wěn)。如圖 中的 C1 和 C2。當(dāng)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(hù)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(nèi)。電源指示燈DS除了指示電源通電外,還作為濾波電容放電通路和指示。 (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。 (2)額定狀態(tài)下直流側(cè)的平均功率 avP 本電源的額定容量為 KVA5 ,功率因素此處計(jì)算取 ,考慮到實(shí)際中功率開關(guān)管等會有損耗,功率因數(shù)按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取 。 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)。 儲能電容的設(shè)計(jì) 儲能電容的參數(shù)通常按如下公式計(jì)算: L3~5 /C T R?() ( ) 式中 T為輸入側(cè)直流電壓的脈動周期 , LR 為直流側(cè)等效負(fù)載電阻 ,裝置的額 定容量為 KVA5 ,考慮阻性負(fù)載 ,直流母線電壓為 VVE 514? ,則: ???? 22EEL PVR () 直流側(cè)為交流電壓 (50Hz)經(jīng)三相全橋整流后的電壓 ,其輸出 電壓一周期內(nèi)有 6 個脈波 ,則 1 ???T ,代入式 ()可得: L3 ~ 5 / ( 3 ~ 5 ) 0 . 0 0 3 3 3 / 5 2 . 8 4 1 8 9 ~ 3 1 5 μFC T R? ? ? ?() () 考慮到為了提供更穩(wěn)定的直流母線電壓 ,實(shí)際設(shè)計(jì)中取 560 181。F/ V900 的電容。 而且水泥電阻比較便宜 ,因此經(jīng)常被選作為電源上的充電限流電阻 。又有 : 01 050 6 ????? ?RC? ,則: WTREP |e2250t22 ??? ?????????? ?? ?? () 實(shí)際設(shè)計(jì)中選用 兩個 100? , W5 的水泥電阻并聯(lián) 。 三相全橋逆變器具有電路拓?fù)浜啙?,所用功率器件?shù)少,功率開關(guān)電壓應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn),但為了提高帶不平衡負(fù)載的能力,必須在其 輸出端增加中點(diǎn)形成變壓器 ,從而在一定程度上增加了逆變器的體積和重量。三相四橋臂逆變器雖然帶不平衡負(fù)載的能力較強(qiáng) ,但其電路拓?fù)漭^復(fù)雜,所用功率器件數(shù)較多,控制也復(fù)雜。由于每相可分別獨(dú)立控制 ,易實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu),模塊冗余技術(shù) ,因此系統(tǒng)的可靠性高 ,具有極強(qiáng)的帶不平衡負(fù)載能力。 PWM 逆變器的 PWM 輸出電壓會產(chǎn)生很高的 dv/dt,損壞電機(jī)絕緣。 逆變部分主要元件為 IGBT。正確選用 IGBT 有兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié) :一是開關(guān)器件關(guān)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(guān)安全工作區(qū)的規(guī)定之內(nèi) (即小于額定電流的兩倍 );二 是 IGBT 工作時的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)溫度必須始終保持在 150℃以下 (包括過載情況 )。實(shí)質(zhì)上是防止因過電壓或過電流引起 IGBT 損壞或工作不穩(wěn)定。開關(guān)器件的工作環(huán)境與測試條件是不同的 ,通常實(shí)際應(yīng)用中指標(biāo)會有所下降。為了使電路工作更加安全可靠 ,這里取兩倍電流電壓安全裕量 ,綜合考慮元器件性價比等因素, 本課題選取 Infineon 公司生產(chǎn)的 SGW25N12O 型 IGBT,該器件具有封裝小 、 功耗低 、 功率壽命周期高等優(yōu)點(diǎn) ,規(guī)格為 1200V/25A。輸出濾波電路常用的是 L型或 ? 型濾 波器。 濾波器參數(shù)選擇時 ,應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)要求 : 在滿足輸出電壓波形失真度要 求的前提下 ,盡量提高濾波器的諧振頻率 ,以減小其體積和重量。 盡量低的 損耗。 忽略電感線圈內(nèi)阻和電容漏電阻 ,帶純阻性負(fù)載 R的 L型濾波器傳遞函數(shù)為 : 22nn2n210 s2sj)s( ?????? ??????? LL C RR RVVGLLL ( ) 式中 n? 表示無 阻尼震蕩頻率,LC1n??; ? 為阻尼比, CLRL21?? ; 由式( )得: 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 ? ?? ? ? ?222101 LLCRRVVLL?? ??? () 由式( ) 可知高頻信號通過濾 波器的衰減倍數(shù)為 LC21?,低頻信號則不衰減, 由此可見 L型濾波器是低通濾波器 ,其截至頻率: LC??? 2 12f nc ?? () 逆變輸出電壓基波頻率 f0《 fc時 ,濾波器對基波信號阻力小 ,允許其通過;最低次諧波頻率丘 fcfk1》 時 ,濾波器對最低次諧波阻力大 ,不允許其以及高于其頻率的信號通過。因此 ,應(yīng)當(dāng)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。 由式( )可得: 2c2π LLCf? ???, () 式中 ? 為特性阻抗,CLCL nn1??? ??? 。 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 第三章 三相異步電動機(jī)的矢量控制數(shù)學(xué)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(fù)雜的,要設(shè)計(jì)研制一個品質(zhì)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(jìn)行充分的研究。 異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型和性質(zhì) 異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 異步電動機(jī)是一個高階、非線性和強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。而在輸出變量中,除轉(zhuǎn)速以外,由于在調(diào)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(dú)立的輸出量。其次,異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是磁通和電流相互作用產(chǎn)生的,旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動勢是轉(zhuǎn)速和磁通相互作用產(chǎn)生的,因此,在數(shù)學(xué)模型中會含有兩個變量的乘積項(xiàng),再考慮磁飽和的因素,所以異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個非線性的系統(tǒng)。 在研究異步電動機(jī)的多變量數(shù)學(xué)模型時,常做如下假設(shè): 忽略空間 諧波,設(shè)三相繞組
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