交流调压技术的调速系统

本科毕业设计（论文）电力电子课程设计基于斩控交流调压技术的调速系统目录摘要1关键词1一 概述.1二 斩控交流调压电路的原理.1三 几种斩控交流调压电路的模型.23.1 单管反串联双向电路开关斩控式交流调压电路.23.2 拴开关斩控式交流调压电路.33.3 单管双向电子开关斩控式交流调压电路.4四 调压调速系统中斩控交流调压电路的设计.44.1 工作模式分析.44.1.1 工作模式44.1.2 旁路模式54.1.3 续流模式64.2 数据分析.6五 调速系统总体结构设计.8六 其它辅助电路10七 结束语10参考文献.10本科毕业设计（论文）摘要：本文通过对斩控交流调压技术的研究，找出了一种较合适的方法三相双开关斩控式交流调压法，用于对调速精确度要求不高的电机调速系统中，实现调压调速。同时，本文还建立了一个应用该方法的电机调速模型，推导出了其计算公式。关键词：斩控交流调压 调压调速 Abstract: Based on the study of chopping AC voltage regulator technology, find out a suitable method - three-phase two-switch chopping AC voltage method, used in motor speed control system for speed control accuracy is not high, to achieve voltage regulation. At the same time, this paper also established the motor speed control model of an application of this method, we deduce the calculation formula.本科毕业设计（论文）一 概述近年来，有人把斩波技术应用到交流调压领域，出现了斩控式交流调压器，也叫交流斩波器。这类电路的工作原理与直流斩波器相似，但输入电压和负载电压均为交流。因此电子开关必须是双向的，直流斩波电路中经常用到的续流二极管在这里也不能采用，续流作用也要靠交流电子开关来实现。交流调压器在工业加热、照明控制、感应电机的软起动、风机和水泵的速度控制等方面得到了广泛应用。改变交流异步机定子电压可调速，异步机调压调速虽性能不如变频调速， 但调压器结构比变频器简单，调压调速适合对调速性能要求 高的生产机械，如风机类负载。目前的调压器大多数为传统的相控式交流调压器，采用的开关器件为晶闸管。它们的优点是：控制电路简单、功率容量大；缺点是：当控制角增大时，功率因数减小，电流中谐波的幅值相对大，滤波器的体积大。采用PWM 型斩控式交流调压器可以克服上述缺点，在PWM方式中，开关模式是互补的，且当两个开关均关断时，需要提供一个续流回路。在许多电路拓扑中，装置续流回路是用另外的取向开关来实现的。新型的PWM斩控式交流调压器只采用带有RC旁路缓冲电路的标准开关。然而，RC的功耗给系统带来了很大的负担。本文首先就提出了几种较好的交流调压器的拓扑。这些拓扑通过巧妙的PWM 开关模式，提供了开关安全转换的条件，而没有高电压尖峰，用输入或者输出电压的极性来决定开关模式。采用了含有两个开关和两个续流二极管的标准功率开关模块来取代双向电子开关。其电路拓扑的优点：功率因数高、谐波少、效率高、可靠性高、动态过程快、容易实现、容量大、滤波器体积小等。通过对几种交流调压器的分析，本文选用了一种结构简单的斩控交流调压器，它不需同步信号，仅需两路相位相反的PWM信号。虽然其主电路比品闸管交流渊压器稍复杂，但其控制电路较之晶闸管交流调压器所需触发电路简单。二 斩控交流调压电路的原理斩控式交流调压器的主电路原理如下图所示。图中S1、S2为双向电力电子开关，可以通过双方向的电流，并且双方向都可以控制开通和控制关断。双向电力电子开关一般要由多个电力电子器件组合而成。电力电子开关最简单的控制规律为S1、S2的开关状态在时间上为互补，即S1接通时S2断开，S2接通时S1断开。设电子开关的工作周期为 T，S1接通、S2断开的时间为Ton；S2接通、S1断开的时间为 Toff。占空比 D=Ton/T。S1接通、S2断开时电源电压与负载电压相等，电源为负载提供电能。S2接通、S1断开时， 电源停止向负载供电，如果负载为电感性，电流通过S2形成续流通路。在斩控式交流调压电路中电力电子开关必须满足：开关是全控的，可以控制导通也可以控制关断，所以必须采用全控型器件；电力电子开关必须是双向导电的，因此单个器件是无法满足要求的，必须用多个器件组合而成；开关频率较高，一般都在几十KHz以上。本科毕业设计（论文）图一三 几种斩控交流调压电路的模型交流斩波调压对象为交流电压，要求对正负半波电压均能进行调制，即开关器件必须为双向的，结构上具有对称性。从能量角度看，开关器件的通断控制着能量的流动及流向，由于能量为不能突变量，它要求电路拓扑时刻提供能量连续通路，即电路具有双向性。常见的双向电子开关有如下几种：图二几种常见双向电子开关可见双向电子开关且有完美对称性，其中图C双向电子开关对称性不够，只能用于不带零线的三相交流斩波电路中。以下介绍几种常用的斩控式交流调压电路图三 单管反串联双向电路开关斩控式交流调压电路3.1 单管反串联双向电路开关斩控式交流调压电路本科毕业设计（论文）图三所示的为单管反串联双向电路开关斩控式交流调压电路的原理 ，图中VD1、VD2、V1和V2构成双向斩波开关，VDF1和VF1，VDF2和VF2构成双向续流开关在实际电路中，双向开关由采用带有反并联二极管的单IGBT功率模块反向串联组成这种连接IGBT与二极管特件配合好，并可减小引线电感对换流的影响，Cif，Lif和Cof,Lof分别用于输入、输出滤波该拓扑聚用带电流枪测的非互补控制方式，开关模式由电压极性决定，避免了调压器中主开关和续流开关换相过程引起的共态运行，开关器件无换相过电压整个工作过程分为有源状态、死区状态以及续流状态输出电压、电流极性相同时，续流开关可不加缓冲电路主开关缓冲电路经优化没计后，可保证主开关开通电流小于15倍通态电流，改善开关过程电压、电流变化轨迹，大火减小器件开关损耗对输出电压波形的傅利叶分析结果表明，除基波以外还含有其它谐波，谐波频率在开关频率及其整数倍两侧分布，开关频率越高，越容易滤除经优化设计的滤波器滤波后，可认为输出电压仪含有基波该拓扑在热水器静电除尘器等中、小功率阻性负载应用中具有较大的优势图四 双开关斩控式交流调压电路3.2 双开关斩控式交流调压电路图四所示为斩控式交流凋压电路原理图，这种拓扑结构中，斩波开关和续流开关都是由四个独立的单功率开关反并联续流二极管构成，与前面的单管反串联双向电子开关斩控式交流调瓜电路有异曲同工之妙，但结构上却更加清晰明了，便于分析，目前有文献报道它通过附加缓冲电路已应用于大功率场合。该电路拓扑中，开关模式取决于电源电压的极性。在电源电压的正半周，VS2和VS4导通，VS1和VS3按某一固定占空比调制导通。当电源电压极性改变时，开关模式就相反。因此，无论电流方向如何，电流通路总是存在的。因为往电源电压的半用内，有两个开关导通，开关损耗明显减少。电路的工作可分为三种模式，即有源模式、死区时间模式和续流模式。VS1，VS2导通时定义为有源模式， 这个过程巾，电感电流流经电压源，能量是流向负载还是取自负载取决于电感电流的方向。下面分析电源电压正半周电流路径。电源供电时：电源一VSI一负载一VD2一电源；负载馈电时：负载一VD1一电源一Vs2一负载。当两个调制开关关断时定义为死区时问模式，电流路径根据电感电流的方向而不同， 自左至右时：电感L一负载一VS4一VD4一电感L； 自右至左时：负载一VDl一电源一Vs2一负载。在续流模式中，电感电流流经VS3和VS4，依方向不同，电流有两个路径：负载一VS4一VD4一电感L一负载，以及负载一电感LVS3一VD3一负载。本科毕业设计（论文）图五 单管双向电子开关斩控式交流调压电路3.3 单管双向电子开关斩控式交流调压电路图五所示的为单管双向电子开关斩控式交流调压电路原理图，在单管双向电子开关中全控开关只有一个，其它由四个不可控的快恢复二极管构成。该拓扑为一种经济型单管交流调压电路，开关管对整流脉动输出电压进行斩波，从而达到调压日的。可以看出这种拓扑结构简单，无需续流回路，且只有一路驱动信号，是一种经济型交流凋压电路。但这种电路只能用于阻性负载，所需的滤波电容比较大，且要求电容能通过较大的交流电流该拓扑有较大的浪涌电流，由于电容积分效应，电路动态响应速度变慢，故其仅适用于成本低、性能要求不高，容量较小的变流调压中。图六 单开关双振ZCS斩波调压技术电路为了提高电路的变换效率，软化开关轨迹，提高器件使用寿命，有另一种单开关双振ZCS斩波调压技术电路如六所示。该技术通过对滤波、谐振参数综合考虑，实现了开关导通和关断过程在较大范围内的零电流或准零电流切换，从而软化了开关过程。本科毕业设计（论文）四 调压调速系统中斩控交流调压电路的设计根据上一部分的分析可知，在调压调速系统中，采用双开关斩控式交流调压电路比较适用。因此本文选用该电路为基础，构建了一个三相的斩控交流调压电路，如图七所示。4.1工作模式分析在一个周期内，该电路有三种运行方式，具体如下。4.1.1 工作模式在这个期间内，三个上部开关 导通，而三个下部开关 关断。因此输入电压加在1,23S4,56S负载上，电流 通过一个开关和两个二极管或者两个开关和一个二极管导通。例如，对于一,abcI个工作模式运行阶段，正向电流 和 通过开关 S1 和 S3，而返回电流 通过 D5。这种模式的aIb cI等值电路如图八所示。图七 三相斩控交流调压电路图图八 工作模式本科毕业设计（论文）4.1.2 旁路模式在由工作运行模式到续流运行模式的过渡阶段，所有 6 个开关都关断。从而，输入和输出电流通过电容 保持连续。因此一部分存储在电容 的额外能量随后被电阻 吸1,23sbC1,23sbC1,23sbR收。相应等值电路和电流分布如图九所示。图九 旁路模式4.1.3 续流模式底部三个开关 开通和顶部三个开关关断，与激活运行模式正相反。因此，负载电压4,62S和输入线电流为 0。三相负载电流同一个底部开关和两个底部二极管或者两个底部开关和一个底部二极管流通。相应的等值电路如图十所示图十 续流模式本科毕业设计（论文）4.2 数据分析其中开关函数 对于占空比 D 为一常数得方波可表达为(,)Ft为开关频率sfD 为占空比，0D1假设所有元件都是理想的，开关频率和负载类型例如负荷电流正弦型。并且假设因为调压电路的第一和第三种模式的分析比较明显，主要需要处理旁路模式。因为这种模式持续时间非常短，所以可以假设在这段运行模式期间，电压 ， ，abVca保持常数。本科毕业设计（论文）所以 所以在这段运行模式期间 再结合前面的电流的关系，有并再假定旁路模式周期为 bpt当m1 旁路电容的 在一个开关周期内为：cV所以在理想运行条件下，因此 且所以一部分功率传送给了三个旁路电容中的一个此外，为了确保完成电容在每个主电路周期末端放电干净因此每个电阻消耗的功率为 2.csbrsVKPpuRM本科毕业设计（论文）五 调速系统总体结构设计本文采用了如图十一所示的速度负反馈的一个调压调速的闭环系统。要对系统进行动态分析和设计，需要先绘制出动态结构图。设其对应的结构框图如图十二所示。图十一 调速系统原理图图十二 调速系统动态框图根据电气传动的相关知识ASR采用PI调节器，用以改善系统性能。所以 斩控调压器的响应有延迟，其最大的时延是一个开关周期Ts。因此PWM发生器与斩控调压器(简称PWM装置)可以看成是一个迟后环节，其传递函数为 ()STSWKe其中 为PWM装置的放大系数SK为PWM装置的延迟时间T当开关频率为10kHZ时，T=lOms，这么小时间常数的迟后环节可近似为一阶惯性环节，即()1SSKT考虑到反馈滤游作用，测速反馈环节FBS的传递函数为()FBSonW异步电动机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，用一个传递函数准确地表示它的输入-输出关系是不可能的。在一定条件下， 可用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出近1()SnsKASR本科毕业设计（论文）似的传递函数。虽然所得的传递函数有很大的近似性，不适于分析起制动时转速大范围变化的动态响应，但可用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校止。异步电动机的近似成一个线性的惯性环节，其传递函数为()()1MAMASkWUT式中 为异步电动机传递系数，TMK12()AASSKU为异步电动机拖动系统的机电时间常数，213RMPSAJTn在一定条件下，工程中允许对传递函数近似处理，把滤波反馈环节的传递函数移到前向通道，把控制系统变为单位负反馈系统。与 相比， 和 为小时间常数，可以用一个惯性环SON节等效PWM装置的近似惯性环节和测速反馈滤波惯性环节，等效惯性环节的时间常数为 nSnT与 相比，异步机机电时间常数较大，异步机的传递函数可以进一步近似为积分环节， nT即通过以上近似处理