24kVA电压源型变压变频开环调速控制系统设计论文

交流调速控制系统 课程设计（论文） 题目： 24kVA电压源型变压变频开环调速控制系统设计 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号 学生姓名 专业班级 自动化 074 课程设计（论 文）题 目 24KVA电压源型变压变频开环调速控制系统设计 课程设计（论文）任务 设计技术参数： 1.输入侧额定数据：电压 380V允许波动 +10%-10%，频率 50HZ相数位三相 2.输出端额定数据：电压 380V电流 30A容量 24kVA过载能力电流 120%时间 1.5分钟 3.输出频率指标：设定频 率范围 0.2HZ400HZ 设计要求： 1.方案论证：给出系统的原理图和原理说明。 2.按时完成课程设计所规定的全部内容。 3.设计方案合理，理论阐述详尽，设计计算正确，图形，符号符合国家标准。 4.说明书正文 4000字以上，字迹工整，语言通顺，层次分明。 指导教师评语及成绩 成绩： 指导教师签字： 年 月 日 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 第一章 电 压 源型开环电动机变压变频调速系统 概述 1.1 电动机变压变频调速系统应用意义 变频调速技术已经成为节能和提高产晶质量的有效措施。变频调速的重要性日益得到国家的重视，在国内推广变频调速技术有着非常重大的现实意义和巨大的经济价值和社会价值。高压变频调速技术是电力电子领域的一个制高点技术，高压大功率变频器是电力电子行监中尚未解决的一个难题。低压变颓器技术已经成熟，但高压变频器的前景没有一个统一的结构，在众多解决方案中 串联多电平高压变频器以其在输入与输邀谐波、效率秘输入功率因数等方的明显优势 ，在实际应用领域中占有一席之地，特别在风机、泵类的行业具有良好的市场前景。 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是 改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器 +交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。 1.2 变压变频调速系统方案论证 电压源型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波元件是电容 . 交 直 交变压变频装置主电路结构框图 采用电压源型变频器的调速系统要实现回馈制动和四象限运行是比较困难整流 中间 直流 环节 逆变 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 的，因为 其中间直流环节有大电容钳制着电压，使之无法迅速反应，而电流也不能反向，所以无法实现回馈制动。需要制动时，对于小容量的变频器，采用在直流环节中并联电阻的能耗制动。对于中大容量的变频器，可在整流器的输出端反并联另一组可控整流器，制动时使其工作在有源逆变状态，以通过反向的制动电流，而维持电压极性不变，实现回馈制动。电压源型变频器属于恒压源，电压控制相应慢，所以适合于作为多台电机同步运行时的供电电源，而不要求快速加减速的场合。 电动运行 回馈制动 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 1.3 电压源型变压变频调速系统 本实验采用了 PWM控制，因而使其输出电压波形接近正弦波形。逆变器输出电流波形由输出电压和电动机反电动势之差形成，也接近正弦波。 交流脉宽调制是建立在直流脉宽调制基础上的通过一定的方式（载波和调制波，后面讲到）将正弦波改为幅值相等，而占空比有规律变化的方波来进行的对交流的调制。基本工作原理是先将 50Hz 交流电经整流变压器变压得到所需电压，经二极管不可控交流和电容滤波，形成恒定直流电压，而后送入由大功率晶体管构成的逆变器 主电路，输出三相电压和频率均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波 )，即可拖动三相电机运转。 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（ Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（ Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波，矩形波的面积按正弦规率变化。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（ Sinusoidal pulse width modulation，简称 SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。 SPWM调制原理 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 方波的产生 图中比较器的 A 端输入正弦交流信号（前面讲的调制波）； B 端输入三角波信号（如前所述的载波）；经过比较器比较由采样法则得出当 A B 时输出高电平的信号 ,如果 A B,则输出为低电平信号。于是就产生了方波。 第二章 电 压 源型开环电动机变压变频调速系统 总体设计 2 1 控制器 ATMEL公司生产的 AT89C51单片机采用高性能的静态设计，并采用先进工艺制造，还带有非易失性 Flash程序存储器。它是一种高性能、低功耗的 8位 CMOS微处理芯片，市场应用最多。 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最小系统 8KB Flash ROM，可以擦除 1000次以上，数据保存 10年 256字节内部 RAM； 电源控制模式； 时钟可停止和恢复； 空闲模式； 掉电模式； 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 6个中断源； 4个中断优先级； 4个 8位 I/O 口； 全双工增强型 TUAR； 11 3个 16 位定时 /计数器： T0、 T1(标准 80C51)和增加的 T2（捕获和比较） 12 全静态工作方式： 0 24MHZ 2.2 变频器选择 电力电子学、微电子学、计算机技术和控制理论迅速发展，交流传动系统，宽调速、高精度、快速响应和四象限运行等性能方面也达到了与直流调速相媲美效果。尤其是以变频器为核心变频调速因其优异调速性能而被公认为最有发展前途调速方式。目前，变频器已迈进了高性能、多功能、小型化和廉价化阶段。为便于变频器合理使用 。 变频器容量选择是一个重要且复杂问题，要考虑变频器 容量与电动机容量匹配，容量偏小会影响电动机有效力矩输出，影响系统正常运行，损坏装置，而容量偏大则电流谐波分量会增大，也增加了设备投资。 TD3200 变频器参数 根据图示参数看可以选用 TD3200 型号变频器 2.3 变压变频调速系统 电压源型频率开环的电动机变压变频调速系统的基本组成 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 图 电压源型逆变器开环调速系统 变频器有两个功率变换环节，即整流桥和逆变桥，它们分别有相应的控制回路，为了操作方便采用一个给定来控制，并通过函 数发生器，使两个回路协调的工作。在电流源型逆变器频率开环的调速系统中，除了设置电流调节环外，仍需设置电压闭环，以保证调压调频过程中对逆变器输出电压的稳定要求，实现恒压频比的控制方式。 1.电压源型变频器主电路 电流源型变频器主电路的中间直流环节采用电抗器滤波 ,其主电路由两个功率变换环节构成 ,即三相桥式整流器和逆变器 ,它们分别有相应的控制电路 ,即电压控制回路及频率控制回路 ,分别进行调压与调频控制。 2.给定积分 设置目的 :将阶跃给定信号转变为斜坡信号 ,以消除阶跃给定对系统产生的过大课 程 设 计 说 明 书 （论文） 冲击 ,使系统中的电压电流频率 和电机转速都能稳步上升和下降 ,以提高系统的可靠性及满足一些生产机械的工艺要求。 3.函数发生器 设置目的 :前面讨论过 ,在变压变频调速系统中 Us=f(fs),即定子电压是定子频率的函数 , 函数发生器就是根据给定积分器输出的频率信号 ,产生一个对应于定子电压的给定值 ,实现 Us/fs=C。 4.电压调节器和电流调节器 电压调节器采用 PID 调节器 ,其输出作为电流调节器的给定值。 电流调节器采用 PID 调节器 , 根据电压调节器输出的电流给定值与实际电流信号值的偏差 ,实时调整触发角 ,使实际电流跟随给定电流。 现代异步电动机 变频调速系统 均为数字化系统 ,为此给出数字 PID 控制算法 u(k)=Kpe(k)+ )1()()(0jejeTTdjeTiT kj式中给出的这种算法需要对 e(k)进行累加 ,计算机运算工作量大。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为采样周期 ；Kp为比例系数 ； Ti 为积分时间常数 ； Td 为微分时间常数 . 5.瞬时校正环节 瞬时校正环节是一个微分环节 ,具有超前校正作用 .设置的目的是为了在瞬时调节过程中仍使系统基本保持 Us/fs=C的关系。 当电源电压波动而引起逆变器输出发生变化时 ,电压闭环控制系统电压给定值自动调节逆变器的输出电压。但是在电压调节过程中逆变器输出频率并没有变化 ,因此 Us/fs=C的关系在瞬态过程中不能得到维持。这将导致磁场过激或欠激不断交替的现象 ,使得电机输出转矩大 幅度波动 ,从而造成电动机转速波动。为了避免课 程 设 计 说 明 书 （论文） 上述情况的发生 ,加入了瞬态校正环节。 瞬态校正环节的输入信号取自于电流调节器的输出信号。当电流调节器的输出发生变化时 ,整流桥的触发角将改变 ,使整流电压改变 ,而逆变桥输出的三相交流电压 Us 的大小又直接与整流电压的大小成正比 ,因此 ,电流调节器输出的改变量正比与逆变桥输出电压的改变量 ,将这个信号取来 ,经微分运算后与频率给定信号 Ufg 相叠加 (dtdK UUU kfgfg * ),从而使输出电压 Us 瞬时改变时 ,频率fs 也随着作相应的改变 ,实现在瞬时过程中也能保 证恒压频比的控制方式 .当一旦系统进入稳态后 ,微分校正环节不起作用。 的是 ,由于电流源输出的交流电流是矩形波或阶梯波 ,因而波形中含大量谐波分量 ,由此带来了电机内部损耗增大和谐波矩形影响严重的问题 .近几年来 ,为提高电流源型变压变频调速系统的性能 ,对电流型逆变器的每一相输出电流也采用 SPWM控制 ,以改善电流波形。 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 第三章 交 -直 -交电压源型逆变器变压变频调速系统数学模型 是近些年发展起来的新学科，是 数学 理论与实际问题相结合的一门科学。它将现实问题归结为相应的数学问题，并在此基础上利用数学的概念、方法和理论进行深入的分析和研究，从而从定性或定量的角度来刻画实际问题，并为解决现实问题提供精确的数据或可靠的指导。 120度导通型的电压型逆变器 -电动机的等值电路 ,如图所示 : 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电压型逆变器 -电动机的等值电路 假设电动机工作在小转差下 ,并忽略电动机反电动势对电流 Id 的影响 ,即认为e 0,则可求得在小信号作用下整流电压 Ud 与 Id之间的传递函数 1)()( pTKpUdpIdDLDL式中 )(2 1 RrRsRK DDL ,)(2)(RrRsRdLraLLdT SaDL 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 假设电机工作在小传差下 ,可得如下近似结果 Us Es=4.44ssNfs=4.4460spnn ses nCss KN 电磁转矩 T co sI rmmei C C cosI smm CdmI式中 CM =C m 带载时的运动方程式 LdMLeis TICTTdtdnGD