电流源型变压变频开环调速系统设计

本科毕业设计（论文）交流调速控制系统课程设计（论文）题目：32kVA 电流源型变压变频开环调速系统设计院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间： 本科毕业设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）： 教研室： 学 号 学生姓名 专业班级课程设计（论 文）题 目32kVA 电流源型变压变频开环调速系统设计课程设计（论文）任务1、输入侧的额定数据额定电压 380V，允许波动+10%，额定频率 f=50HZ，相数为三相。2、输出侧的额定数据额定电压 380V（指输出最大线电压）额定电流 40A（指长时间输出的最大线电流）额定容量 SN=32kVA过载能力 电流 120%，时间 1.5 分钟（指输出电流允许超过额定电流的倍数和时间）3、输出频率指标设定频率范围 2HZ-120HZ 1，给出电流源型变压变频开环控制的变频调速控制系统设计的原理图。2，主电路设计。包括整流，逆变电路及开关管额定电压/电流计算。控制方案设计及原理介绍。包括：3，速度调节器，电流调节器的 PI 算法及程序框图， 4，其它有关部分的设计。5，系统的数学模型6，对系统原理做总体说明介绍。7，按照学院课程设计要求，撰写课程设计说明书。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科毕业设计（论文）目 录第 1 章 概述.11.1 设计方案论证.11.2 概述.11.3 设计系统的原理图.1第 2 章 系统的各单元电路及参数的设计 .42.1 主电路设计.42.2 电压调节器、电流调节器的 PI 算法及程序框图设计.82.3 其他有关部分的设计.102.4 系统的数学模型.13第 3 章 系统原理总体说明.153.1 系统原理的总体说明介绍.15参考文献 .17本科毕业设计（论文）第一章 概述1.1 设计方案论证电流源型逆变器频率开环调速系统的显著特点是容易实现回馈制动，从而便于四象限运行。适用于需要制动和经常正、反转的机械。此系统对负载电流变化的反应迟缓，因而适用于单台电机传动，但可以满足快速起、制动和可逆运行的要求。因为这种系统有着很高的性能价格比，因此在以节能为目的的各种用途中和对转速精度要求不高的各种场合下得到了广泛的应用。1.2 概述 电流源型逆变器频率开环调速系统的变频器有两个功率变换环节，即整流桥与逆变桥，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，使两个回路协调地工作。在电流源型逆变器频率开环调速系统中，除了设置电流调节环外，仍需要设置电压闭环，以保证调压调频过程中对逆变器输出电压的稳定性要求，实现恒压频比的控制方式。1.3 设计系统的原理图 电流源型逆变器频率开环调速系统的原理图，如图 1.1 所示：本科毕业设计（论文）IM图 1.1 电流源型逆变器频率开环调速系统的原理图电流源型逆变器频率开环调速系统是由电流源型变频器主电路、给定积分、函数发生器、电压调节器和电流调节器、瞬态校正环节等几部分组成的。1. 电流源型变频器主电路电流源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回路，即电压控制回路及函数发生器电压调节电流调节触发器SCR 整流桥电流反馈电压反馈 瞬态校正SPWM绝对值器给定积分逻辑开关驱动电路SGCT 逆变桥 本科毕业设计（论文）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：在变压变频调速系统中 Us=f ，即定子电压是定子频率的函数，函数sf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/ =C。sf4. 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。电流调节器也是采用 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。5. 瞬态校正环节瞬态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态调节过程中仍使系统基本保持 Us/ =C 的关系。sf本科毕业设计（论文）第二章 各单元电路及参数的设计2.1 主电路设计 交直交变频器的主电路如图 2.1 所示：图 2.1 交直交变频器的主电路图本科毕业设计（论文）现说明如下：2.1.1 交直部分1.晶闸管 VT11VT61 VT11VT61 组成三相整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流电。2.滤波电容器 ，其功能是：fC（1）滤平全波整流后的电压纹波；（2）当负载变化时，使直流电压保持平稳。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成，如图中 的 Cf1 和 Cf2。因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组 Cf1 和 Cf2 的电容量常不能完全相等。这将使它们承受的电压 Ud1 和 Ud2 不相等。为了使 Ud1 和 Ud2 相等，在 Cf1 和 Cf2 旁各并联一个阻值相等的均压电阻 Rc1 和 Rc2。3.限流电阻 与晶闸管 VT1R当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器 的充电电流是很大的。过大的冲击电流fC将可能使三相整流桥的二极管损坏；同时，也使电源电压瞬间下降而受到“污染” ，为了减小冲击电流，在变频器刚接通电源后的一段时间里，电路内串入限流电阻 ，其作用1R是将电容器 的充电电流限制在允许的范围以内。fC晶闸管 VT 的功能是：当 充电到一定程度时，令 VT 接通，将 短路。fC14.电源指示灯 HLHL 除了表示电源是否接通外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器 上的电荷是否已经释放完毕。f由于 的容量较大，而切断电源由必须在逆变电路停止的状态下进行，所以 没有fC fC快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于 上的电压较高，如不放完，对fC人身安全将构成威胁。故在维修变频器时，必须等 HL 完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。2.1.2 直交部分1.逆变管 VT12VT62本科毕业设计（论文）VT12VT62 组成逆变桥，把 VD 1VD6 整流所得到的直流电再“逆变”成频率可调的交流电。这是变频器实现变频的具体执行环节，因而是变频器的核心部分。图中的逆变管为门极关断（GT0）晶闸管。2.续流二极管 VD1VD6. 其主要功能有：（1）电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。VD1VD6.为无功电流返回直流电源时提供“通道” 。（2）当频率下降，电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过 VD1VD6 整流后返回给直流电路。（3）VT12VT62 进行逆变的基本工作过程是，同一桥臂的两个逆变管处于不停地交替导通和截止的状态。在这交替导通和截止的换相过程中，也不时地需要 VD1VD6 提供通路。3.缓冲电路（R01、VD01、C01R06、VD06、C06）逆变管在关断和导通的瞬间，其电压和电流的变化率是很大的，有可能使逆变管受到损坏。因此，每个逆变管的旁边还应该接入缓冲电路，以减缓电压和电流的变化率。缓冲电路的结构因逆变管的特性和容量等的不同而有较大差异。各元件的功能如下：（1）C01C06 逆变管 VT12VT62 每次由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极（C 极）和发射极（E 极）间的电压 将极为迅速地由近乎 0V 上升至直流电压值 。CEUDU这过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。因此，C01C06 的功能是减小 VT12VT62 每次关断时的电压增长率。 （2）R01R06 VT12VT62 每次由截止状态切换成导通状态的瞬间，C01C06 上所充的电压（等于 ）将向 VT12VT62 放电。此放电电流的初始值将是很大的，并且将叠DU加到负载电流上，导致 VT12VT62 的损坏。因此，R01R06 的功能是限制逆变管在接通瞬间 C01C06 的放电电流。（3）VD01VD06 R01R06 的接入，又会影响 C01C06 在 VT12VT62 关断时减小电压增长率的效果。VD01VD06 接入后，在 VT12VT62 的关断过程中，使 R01R06 不起作用；而在 VT12VT6 的关断过程中，又迫使 C01C06 的放电电流流经 R01R06。2.1.3 制动电阻和制动单元1.制动电阻 BR电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直本科毕业设计（论文）流电路中，使直流电压 不断上升，甚至有可能达到危险的地步。因此，必须将再生到DU直流电路的能量消耗掉，使 保持在允许的范围内。制动电阻 就是用来消耗这部分能BR量的。2.制动单元 BV制动单元 由 GTR 或 IGBT 及其驱动电路构成。其功能是为放电电流 流经 提供通路。BIR2.1.4 参数计算（1）对于整流桥电路1. 时60整流后输出的电压平均值 =dU)(sin6322td=2.34 co22. 60时整流后输出的电压平均值 =dU)(sin632td=2.34)3co(12整流后输出的电流平均值 =dIR整流桥所用的晶闸管的电流有效值 =VTI3d整流桥所用的晶闸管的电流额定电流 NNI= =)25.1(7.VT )25.1(357.1)cos(42RU整流桥所用的晶闸管的电流额定 =NI式 =380 V；2U%)10(本科毕业设计（论文）为晶闸管的触发角；R 为负载电阻。由上面的计算公式，易知：需要根据负载 R 的大小来选取适当的晶闸管用在整流桥中。（2）对于逆变桥电路晶闸管能承受的最大极限电流 =40 =48AmaxI%120晶闸管能承受的电流有效值 = 34AVTI晶闸管的额定电流 NI= 21.7A57.1综上，应选取额定电流不小于 21.7A 的晶闸管用在设计的逆变桥电路中。2.2 电压调节器、电流调节器的 PI 算法及程序框图电压调节器、电流调节器的 PI 算法：当执行机构需要的是控制量（电压调节器为电压，电流调节器为电流）的增量时，可由式= e（k）+ + e（k）-e（k-1） （2)(kuPKIkje0)(DK1）式中 k采样序号，k=0，1，2，；U（k）第 k 次采样时刻的计算机输出值（电压调节器为电压，电流调节器为电流） ；e（k）第 k 次采样时刻输入的偏差值（电压调节器为电压，电流调节器为电流）；e（k-1）第（k-1）次采样时刻输入的偏差值（电压调节器为电压，电流调节器为电流） ；积分系数， = T/ ；IKIKPIT微分系数， = /T.DD导出提供增量的 PID 控制算法式，根据递推原理可得：= e（k-1）+ + e（k-1）-e（k-2） （2-)1(kuPKI10)(kjeDK本科毕业设计（论文）2）用式（2-1）减去（2-2） ，可得= e（k）-e（k-1）+ e（k）+ e（k）-2e（k-1）+e（k-2）)(kuPKIKD= + e（k）+ - （2-)(ID)()1(3） 式中 =e（k）-e（k-1）)(式（2-3）称为增量式 PID 控制算法。图 2.2 给出了增量式 PID 控制系统示意图。)(kr )(ku)(t )(tc-异步调速电动机)(kcT图 2.2 增量式 PID 控制系统示意图可将式（2-3）进一步改写为=Ae（k）-Be（k-1）+Ce（k-2） （2-4） )(u式中 A= （1+ + ）PK1TDB= （1+2 ）PC= /TKDT它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量U（k）对应的是本次执行机构位置的增量（电压调节器为电压，电流调节器为电流） 。增量式 PID 控制算法有以下优点：（1） 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。PID 增量算法 执行机构被空对象本科毕业设计（论文）（2） 手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。（3） 算式中不需要累加。控制增量U（k）的确定仅与最近 k 次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。增量式 PID 控制算法程序框图如图 2.3 所示：N开始计算控制参数 A、B、C设初值 e（k-1）=e（k-2）=0本次采样输入c（k）计算偏差值 e（k）=r（k）-c（k）计算控制量U（k）U（k）=Ae（k）-Be（k-1）+Ce（k-2）输出U（k）为下一时刻作准备e（k-1）e（k-2） ，e（k）e（k-1）采样时刻到吗？A/DD/A被控制对象（包括异步调速电动机）本科毕业设计（论文）Y图 2.3 增量式 PID 控制算法程序框图2.3 其他有关部分的设计1.电流源型变频器主电路电流源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回路，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：在变压变频调速系统中 Us=f ，即定子电压是定子频率的函数，函数sf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/ =C。sf4.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。电流调节器也是采用 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。5.瞬态校正环节瞬态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态调节过程中仍使系统基本保持 Us/ =C 的关系。sf当电源电压波动而引起逆变器输出电压变化时，电压闭环控制系统按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发生交替的情况，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电流调节器的输出信号。当电流调节器输出发生改变时，整流桥触发角将改变，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本科毕业设计（论文）大小成正比，因此，电流调节器输出的改变量正比于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 相叠加（ *= +K*） 。 ，从而使输出电压fgUfgfUUs 瞬时改变时，频率 也相应的改变，实现在瞬态过程中也能保证恒压频比的控制方式。sf当一旦系统进入稳态后，微分校正环节不起作用。6. 外接电位器变频器内部的控制电压，由外接电位器取出电压给定。由于变频器的外接电压给定信号为10V+10V，故变频器可根据给定的电压信号的极性来决定电动机的旋转方向。电位器的阻值不宜过大或过小。若过小，因为阻值太小了，将增加变频器内部控制电源的电流，有可能造成过流而导致变频器的烧毁。若阻值太大，电位器取用的电流太小，在控制距离较远时，会使抗干扰能力变差。此外，也有一个和变频器内部电路的匹配问题，故电位器的阻值一般以不大于 10K 为宜，本设计中选取的电位器阻值为 6K。另外，由于外接电位器在工作过程中调节比较频繁，必须考虑其内部触点的耐磨性，故放电器的瓦数宜大不宜小。一般应按实际消耗功率的 10 倍以上来选择，本设计中电位器消耗的功率为 P=U*U/R=10*10/6000W=1/60W，应选用电位器的标称功率为 1/6W 以上的。7.驱动电路用于驱动各逆变管。如逆变管为 GTR，则驱动电路还包括以隔离变压器为主体的专用驱动电源，但现在大多数中、小容量变频器的逆变管都采用 IGBT 管，逆变管的控制极和集电极、发射极之间是隔离的，不再需要隔离变压器，故驱动电路常常和主控制电路在一起。8.绝对值器设置目的：无论给定积分的输出的斜坡信号为正还是为负，都把它变为正的斜坡信号，以此频率信号作为对应于定子电压的给定值，实现 Us/ =C。sf9.触发器设置目的：当电流调节器输出发生改变时，使整流桥触发角 发生改变，从而使整流电压改变。10.SPWMSPWM 是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制方式。其工作特点是：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息。而流过负载的是按线电压规律变化的交变电流。本科毕业设计（论文）11.电压反馈和电流反馈电压反馈是利用传感器，将 SGCT 逆变桥的输出的实际电压反馈回去，与函数发生器产生的定子电压 作比较。sgU电流反馈是利用传感器，当触发器调整触发角后，将得到的实际电流反馈回去，与电压调节器输出的电流给定值进行比较。2.4 系统的数学模型120导通型电流源型逆变器异步电机的等值电路，如图 2.4 所示：图 2.4 电流型逆变器异步电机等值电路假设电动机工作在小转差下，并忽略电动机反电势对电流 的影响，即可认为 dIe0，则可求得小小信号作用下整流电压 和 之间的传递函数dUI= （2-5） )(pIUd1TKDL式中 = ， =)(2rsdRDLT)(2rsdRL假设电机工作在小转差下，可得到如下近似结果 =4.44 =4.44 = （2-6）sUEsfNsKm60spnNsKmeCsncos 1r电磁转矩 = cos cos （2-7）eiTmCrIrmsIrMdI式中 = 。M带载时的运动方程式 = - = - （2-8）dtnGDs3752eiTLMCdILT本科毕业设计（论文）将式（2-6）代入式（2-8）中，并进行拉氏变换，经整理得到= - = - （2-9）)(pUs )(3752pIGDCdeM)(3752pTLe)(1Idm)(pTKLe其中 = ， = 。mTMe375eK2GDCe利用以上结果，可以画出交直交电流源型逆变器异步电动机变频调速系统的动态结构框图，如图 2.5 所示（电压、电流双闭环）：)(pTKLmesgU- dUdIsU- sfU图 2.5 交直交电流源型逆变器异步电动机变频调速系统的动态结构框图第三章 系统原理说明3.1 系统原理的总体说明介绍当电源输入侧的电压发生波动时，将引起 SGCT 逆变桥的输出电压发生变化。SGCT 逆变桥输出侧的传感器，将检测到的已经发生变化 SGCT 逆变桥的输出电压进行反馈。反馈的实际电压信号 与函数发生器产生的对应于定子电压的给定值 相叠加（ 是函数sfUsgUsg发生器根据给定积分器输出的频率信号 ，产生的一个对应于定子电压的给定值。 ）叠fgU加后的电压信号作为电压调节器的输入，电压调节器采用 PID 调节器，其输出的 作为igAUR ACR pTKs1pTDL1pTKfi1 pTm1pTfv1本科毕业设计（论文）电流调节器的给定值。电源输入侧的传感器将检测到的电源输入侧的实际电流信号值进行反馈，反馈的实际电流信号值与电压调节器输出的电流给定值 进行叠加。叠加后的igU信号 输入到电流调节器，电流调节器也是采用 PID 调节器。电流调节器根据电压调节ifU器输出的电流给定值与实际电流信号值的偏差 ，将使触发器的触发角 发生改变，从kU而使整流电压发生改变。而 SGCT 逆变桥输出的三相交流电压 的大小又直接与 SCR 整流s电压的大小成正比，因此，电流调节器输出的改变量正比于逆变桥输出电压的改变量。电压闭环控制系统就是这样，在电源电压波动而引起逆变器输出电压变化时，按电压给定值自动调节逆变管的输出电压的。但是，在电压调节过程中，逆变器输出的频率并没有发生变化，因此，Us/ =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sf欠激不断交替的情况，使得电