空气压缩机的变频节能技术研究毕业论文.doc

摘 要空气压缩机的变频节能技术研究设计可以分为俩个重要部分，硬件设计和软件设。本设计首先阐述了空气压缩机变频调速的基础技术，变频装置以及SVPWM理论及其在同步电机上的应用。然后又对空气压缩机变频调速的硬件做了系统地描述和论证。对整个系统的主电路、控制电路及其如何控制进行了系统的分析。主电路部分给出了整流、滤波、逆变、驱动等各个器件，并且给出了相应参数的计算。控制芯片采用的TMS320F2407。在采样电路中分别用到了霍尔电流传感器、光电脉冲编码器、压阻式传感器。还有人机接口中常用的显示电路和键盘等。在硬件的基础上以及对系统的工作原理的了解进行了软件编程，从而达到了变频节能的效果。关键词 空气压缩机 变频调速 TMS320F2407 SVPWMFrequency of air compressor energy-saving technology study designAbstractFrequency of air compressor energy-saving technology study design can be divided into two important parts,the hardware design and software design.This design first expounded air compressor frequency control based technology,frequency conversion device and SVPWM theory and its application in synchronous motor.Then I spoke to the air compressor frequency control hardware made system to describe and demonstration.The whole system main circuit, control circuit and how to control the system analysis.Main circuit parts give rectification, filtering, inverter, and drivers, each device, and give the corresponding parameter calculation.The control chip adopts TMS320F2407.In sampling circuit respectively with to hall current sensor, photoelectric pulse coder, piezoresistive pressure sensor.And man-machine interface in common use in the display circuit and keyboard, etc.On the basis of the hardware and the working principle of system of understanding the software programming,thus achieved inverter for energy saving.Keywords: Air compressor Frequency conversion TMS320F2407 SVPWM 目 录1.1空气压缩机节能的意义51.1.1空气压缩机节能的必然趋势51.1.2变频调速的发展61.2变频调速的控制理论理论及控制器件71.2.2全数字化控制系统81.2.3电力电子技术的发展91.2.4高压大容量交流调速系统91.2.5 高性能交流调速系统101.3国内外空气压缩机节能的现状111.3.2国内交流调速的现状111.4本文研究的主要内容12第二章方案论证132.1空气压缩机132.1.1空气压缩机的分类132.1.2离心式空气压缩机的工作原理132.2变频装置152.2.1变频电路的结构152.2.2电压型逆变器与电流型逆变器的区别162.2.3变频装置的选择182.2.4变频器的工作原理192.3 SVPWM（空间矢量脉宽调制）192.3.1 SVPWM的原理192.4同步电机的矢量控制232.4.1同步电机工作原理232.4.2永磁同步电动机232.4.3同步电机的矢量控制23第三章系统硬件253.1控制系统的核心253.1.1DPS与传统51的区别253.1.2TMS320F2407253.1.3DSP的最小系统263.2主电路设计273.2.1主电路的组成273.2.2整流电路273.2.3滤波电路283.2.4逆变电路和驱动283.3采样电路303.3.1采样电路的组成303.3.2电流检测303.3.3速度检测313.3.4压力检测323.4人机接口（显示和键盘）333.4.1显示电路333.4.2键盘输入接口电路343.5系统的电源及其他电路353.5.1各芯片的电源电压353.5.2报警电路363.6控制算法37第四章软件设计39第一章绪论 1.1空气压缩机节能的意义1.1.1空气压缩机节能的必然趋势空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。作为基础工业装备，空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等几乎所有的工业行业都有广泛的应用。空压机占大型工业设备(风机、水泵、锅炉、空压机等)耗电量的15%。由于其用途广泛并且功率很大，为此对其进行节能研究意义很大。尤其在当代全球经济发展过程中，有条显著的主线：能源。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。尤其我国是一个工业大国每年的能源利用率都非常的低，而且工业上在能源上也浪费了不少钱，外加上空气压缩机都是大功率的设备，并且是工业上必不可少的一项，为此在研究空气压缩机节能方面上是很有意义的。1.1.2空气压缩机的节能原理 目前有4中空气压缩机节能的方式。它们的分别为进出口节流调节，进气预旋调节，可转动扩压器叶片调节和转速调节。下面为他们的节能的原理与优缺点。1) 进出口节流调节是在不改变的特性曲线下，紧随着阀门开度的不同而改变管网阻力压力特性曲线，从而改变工况点，但是需要在阀门与压缩机之间设有足够长的平直管道来使压缩机的进出口流场均匀。2) 进气预旋调节是在叶轮之前设置进口导叶并用专门机构，使各个叶片绕自身的轴转动，从而改变导向叶片的角度，可使叶轮进出口气流产生预旋。总体来说进气预旋调节臂进出口节流调节的经济型好，但可转动导叶的机构比较复杂。故在离心压缩机中实际采用的不多，而在轴流压缩机中采用的较多。3) 可转动扩压器叶片调节是具有叶片扩压器的压缩机，其性能曲线较陡，往往首先在叶片扩压器出现严重分离导致喘振，这种调节方式能很好地满足流量调节的要求，但改变出口压力的作用很小。这种调节机构相当复杂，因而采用较少。4) 转速调节是原动机可改变转速，则用调节转速的方法可改变压缩机性能曲线的位置。其压力和流量的变化都较大，从而可显著扩大稳定工况区，并且不引起其他附加损失，也不附加其他架构，因而它是一种经济简便的方法。通过上面的相比较，转速调节无论在经济上、能源利用上和应用上都领先于别的调速方式，所以应以转速为中心来讨论空气压缩机的变频节能研究。变转速调节空气压缩机变频节能方式基本运行方式是调节电动机的转速。利用变频器通过改变电机频率来调节转速，变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力，具有明显的节能效果。空压机变频节能系统原理如下:通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得到偏差，经PI调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出的相应频率和幅值的交流电，在电动机上得到相应的转速。那么空压机输出对应的压缩空气输出至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同。变频器，压力变送器、电机、螺旋转子组成压力闭环控制系统自动调节电机转速，使储气罐内空气压力稳定在设定范围内，进行恒压控制。反馈压力与设定压力进行比较运算，实时控制变频器的输出频率，从而调节电机转速，使储气罐内空气压力稳定在设定压力上。在变频调速的过程中通常控制的对象为同步电机，当空压机控制系统运行，变频系统自动进入运行状态。本系统采用压力闭环调节方式，通过变频器的控制面板设定空气压力定值，在储气罐上安装个压力传感器。将空气压力信号转换为 0 5 V 的电信号，反馈到变频器内部的 PI调节器，调节器将信号与压力定值进行比较运算，然后输出控制信号，变频器再根据此信号输出频率，调节电动机的转速，使空气压力保持稳定，这样空压机始终保持在节电运行状态。下面主要讨论下同步电机在我国能源方面上的研究。首先，电动机及其控制在国民经济中起着重要作用。无论是在工农业生产、运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设施还是日常生活中的家用电器，都广泛地使用各种各样的电动机。电动机是电能应用的主要形式，是应用最广泛到机械能的变换装置，世界上超过60的发电量用于驱动各种各样的以电动机的为基础的电力传动装置与系统。其中许多的机械有着调速的要求，如车辆、机床、造纸机械、纺织机械等等。另一类设备如风机、水泵等节约电能也需要调速。为了减少运行的损耗，满足生产工艺等要求为目的，需要对电动机进行调速控制。1.1.2变频调速的发展鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速系统一般采用直流电动机。在过去，直流电动机调速系统占据主导地位。但是直流电动机本身在机构上存在严重的问题，它的机械接触式换向器不但结构复杂、制造复杂、生产周期长、价格昂贵；而且运行中容易产生火花，以及更换机械强度不高，电刷易于磨损等，在运行中需要有经常性的维护，同时对环境的要求也比较高，不能使用于化工、矿山等周围环境中，如有粉尘、腐体和易燃、易爆气体的场合：即便应用在车辆牵引上，也感到维护检修不便，特别是由于换向问题的存在，直流电动机无法做成高速大容量的机组，目前高速直流电动机所能做到的最大容量只有400千瓦左右，低速的也只能做到几千千瓦，容量较大的直流电机往往要做成双电枢，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。众所周知，直流他励电动机是一种控制性能非常优越的电动机，因为于几何中性线上，电机的励磁回路所产生的励磁电流与电枢回路所产生的电枢电流在空间是相互垂直的。若不考虑磁路饱和的影响，它们之间没有耦合关系，互不影响，可以分别独立进行调节，所以它调速方便，只要改变电机的输入电压电流，就可以在宽广的范围内实现无级调速，而且在磁场一定的条件下它和电枢电流成正比，它的转矩易于控制，因此直流电动机调速系统比较容易得到良好的动态特性，所以过去直流电动机调速系统一直在变速传动领域中占主导地位。而交流电机早在十九世纪八十年代中期就己问世，由于它具有消耗原料少、制造成本低、结构牢固、运行安全可靠、环境适应性强以及易于向高压、高速度和大容量方向发展等特点，迅速得到广泛的应用。这种所谓的不变速系统是指交流电机本身不进行调速，而为了达到对整个系统的控制又不得不采用其它的措施进行调速，从而白自消耗了大量的电能。这样，如何从本质上改变交流电机调速控制特性，使之具有直流电机的调速性能，便成为近几十年来电气传动研究工作者努力研究的主要课题之一。交流调速系统具有以下几个主要优点：交流电动机的价格远低于直流电动机，而且结构简单、重量轻、制造方便、坚固耐用、可靠性和运行效率高，不易出故障，维修工作量小；使用场合没有限制，在恶劣的甚至是含有易燃易爆性气体的环境中安全运行；单机容量远大于直流电动机。正是由于交流电动机的这种优势，使它在电力拖动系统中的应用范围比直流电动机要广泛得多，约占整个电力拖动总容量的80以上。在整个电机调速中有重要的地位。而制约交流调速发展的重要原因是，交流电机是高阶、多变量、强耦合、非线性系统，与直流电机相比，转矩难于控制。 由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为0.55-220kW以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。1.2变频调速的控制理论理论及控制器件 交流变频调速技术是集电力电子技术、微电子技术、电机学及自动控制于一身的一项技术高度发展的产物，它是通过改变电动机定子供电频率来控制转速，从而实现交流电动机调速的一种方法。交流变频调速以其调速范围广，平滑性好，具有优良的动静态特性，显著的节能效果和广泛的适用性被公认为应用性好、效率高，是理想的电气传动方案。随着电力电子学与电子技术的发展，新型电力电子器件不断涌现，微处理器的进步，使得采用半导体交流技术的交流调速系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的不断创新，为交流电力传动的开发创造了有利条件，使得交流电力传动加宽了调速范围、提高了稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行的技术性能。随着各种功率半导体开关器件的相继问世，使得长期阻碍变频技术推广应用的关键问题一如何构成经济、可靠的高性能大功率变频器得到解决，从而使变频调速方式在工业应用中显示出强大的生命力。近年来，随着数字化控制的变频调速系统获得巨大发展，先进的控制理论(如磁场定向矢量控制、直接转矩控制)被广泛应用，变频装置中的电器件如IGBT、IGCT等性能大大提高，同时核心控制计算机从16位机发展到普遍使用高速数字信号处理器(DSP)，来进行复杂的控制算法运算，快速运算和高精度控制。现代的数字化控制变频调速系统噪声大大降低，耗电大幅度减少，并且可以得到良好的电流波形，从而使系统更加可靠。同时调速范围、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率和使用性等方面都是不可比拟的。目前全数字化控制变频调速电流响应可达到0107ms，速度响应可达到24 ms，足以满足传动领域当前的需要。交流调速系统发生了质的飞跃，逐步取代直流调速系统，成为主要的传动装置，现代高速列车、地铁、电动汽车都采用了交流调速系统。1.2.1PWM技术 PWM控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不下十几种，关于PWM控制技术的文章在很多著名的电力电力国际会议上，如PESC，IECON，EPE年会上已形成专题。尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。其中，空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用。1.2.2全数字化控制系统随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。 DSP已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。例如DSP2407已经在诸多DPS芯片中崭露头角，他的廉价用途都很受时常的欢迎，在控制电机中他已经是不可缺少的一部分。 由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此，DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。1.2.3电力电子技术的发展变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT，后面两种集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体，是目前变频系统和通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。IGBT作为第二代的电力电子器件，它的应用使变频器的性能有了很大的提高，主要表现为：（1）发热减少，将曾占主回路发热5070的器件发热降低了30：（2）高载波控制，使输出电流波形有明显改善：（3）提高开关频率，实现了电机运行的静音化：（4）驱动功率减少，体积趋于更小；1.2.4高压大容量交流调速系统在小功率交流调速方面，我国无论在价格上工艺上技术上都无法与外国抗。而在高压大功率方面，但是国外公司又为我们留下了赶超的空间。高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产，而国外的劳动力成本，特别是具有一定专业知识的劳动力成本较高。目前，研究较多的大功率逆变电路有：（1）多电平电压型逆变器（2）变压器耦合的多脉冲逆变器（3）交交变频器（4）双馈交流变频调速系统多电平电压型逆变器与普通双电平逆变器相比具有以下优点：1. 更适合大容量、高电压的场合。2.可产生M层梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小。3.效率高，消除同样谐波，双电平采用PWM控制法开关频率高、损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作、开关频率低、损耗小，效率提高。（5）变压器耦合的多脉冲逆变器 变压器耦合的多脉冲逆变器的三电平电路中，要获得更多电平只须将每相所串联的单元逆变桥数目同等增加即可。其优点为：1. 不存在电压均衡问题。无需箝位二极管或电容，适于调速控制；2. 模块化程度好，维修方便；3. 对相同电平数而言，所需器件数目最少；4. 无箝位二极管或电容的限制，可实现更多电平，上更高电压，实现更低谐波；5. 控制方法相对简单，可分别对每一级进行PWM控制，然后进行波形重组。当然，这种结构的不足之处在于需要很多隔离的直流电源，应用受到一定限制。（3）双馈交流变频调速系统。双馈交流变频调速系统的变频器功率小、功率因数可调、系统可靠性较高，因此近来受到了许多研究人员的重视。由于变频器的功率只占电机容量的25%，因此可以大大降低系统的成本。但是，双馈交流变频调速系统中的电机需要专门设计，不能使用普通的异步电机；而且受变频器容量和调速范围的限制，不具备软起动的能力。1.2.5 高性能交流调速系统 V/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。和矢量控制不同，直接转矩控制屏弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高，但是还有许多领域有待研究：（1）磁通的准确估计或观测（2）无速度传感器的控制方法（3）电机参数的在线辨识（4）极低转速包括零速下的电机控制（5）电压重构与死区补偿策略（6）多电平逆变器的高性能控制策略1.3国内外空气压缩机节能的现状 目前，国内空气压缩机在变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内变频调速系统的发展，就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解。1.3.1国外空气压缩机调速的现状 在大功率交一交变频调速技术方面，法国阿尔斯通己能提供单机容量达3000kw的电动机传动设备用于空气压缩机系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6000kw的设备用于能空气压缩机。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司SimovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为102600kw和SimovertPGToPWM变频调速设备单机容量为100900kw，其控制系统己实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动和空气压缩机。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kw，IGBT变频器己形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。同时国外交流变频调速技术高速发展有以下特点：1) 市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，已取得显著的经济效益。2) 功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高低压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。3) 控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础：16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。1.3.2国内交流调速的现状从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10一15年。在大功率交交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大需求。在中小功率变频技术方面，国内学者作了大量的变频理论的基础研究，早在80年代，已经成功引进了矢量控制的理论，针对交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦和非线性解耦的方法，探讨交流电机变频调速的控制策略。进入90年代，随着高性能单片机和数字信号处理器的使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流感应电机特点，采用高次谐波注入SPWM和空间磁通矢量P删等方法，控制算法采用模糊控制、神经网络理论对感应电机转子电阻、磁链和转矩进行在线观测，在实现无速度传感器交流变频调速系统的研究上作了大量有益基础研究。在新型电力电子器件应用方面，由于GTR、GTO、IGBT、IPM等全控器件的使用，使得中小功率的变流主电路大大简化，大功率SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的并联、串联技术应用，使高电压、大电流变频器产品的生产及应用成为现实。在控制器件方面，实现了从16位单片机到32位DSP的应用。国内学者并一直致力于变频调速新型控制策略的研究，但由于半导体功率器件和DSP等器件依赖进口，使得变频器的制造成本较高，无法形成产业化，与国外的知名品牌相抗衡。国内几乎所有的产品都是普通的vf控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口高性能的变频器。国内交流变频调速技术产业状况表现如下。a) 变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力但由于力量分散，并没有形成定的技术和生产规模。b) 变频器产品所用半导体功率器件的制造业还不成熟。c) 相关配套产业及行业落后。d) 产销量少，可靠性及工艺水平不高。产销量少，可靠性及工艺水平不高。1.4本文研究的主要内容为此我国加快对交流调速的研究势在必行。本文设计的中心是2700kw同步电机带通空气压缩机以最节约能源的方法保持空气压缩机压力不变。要求压力不同，通过改变转速来克服相应的扰动量空气压缩机的流通量，所以本文着重于同步电机的转速，在结构上采用三环，分别为压力外环，转速中环，电流内环来控制同步电机，以保持空气压缩机的压力恒定，同时在研究交流调速方面上很有意义。第二章方案论证2.1空气压缩机2.1.1空气压缩机的分类 本次设计是针对空气压缩机而研究的，为此首先介绍一下空气压缩机的类型。按工作原理，压缩机可分为“容积式”和“动力式”两大类，容积式压缩机直接对一可变工作强中的气体进行压缩，使该部分气体的容积缩小，压力提高，其特点是压缩机具有可容积可周期变化的工作腔。容积式压缩机工作的理论基础是反映气体基本状态参数，P,V,T关系的气体状态方程。动力式压缩机首先使气体流动速度提高，即增加气体分子的动能，然后使气流速度有序降低，使动能装化为压力能，与此同时气体容积也相应减小，其特点是压缩机具有驱使气体获得流动速度的叶轮。动力式压缩机在中国个别文献中称为“速度式”或“叶轮式”压缩机。动力式压缩机工作的理论基础是反映流体静压与动能守恒关系的流体力学。本次设计针对于所给的同步电机，我选择的空气压缩机为离心式空气压缩机，空气压缩机通过轴与同步电机相连，同步电机一转也相应的带动了离心式空气压缩机。离心式空气压缩机的结构主要包括吸入室，轴，叶轮，扩压器，回流器以及排气蜗室。2.1.2离心式空气压缩机的工作原理接下来介绍下离心式空气压缩机的工作原理，该原理和离心泵的工作原理差不多，都是轴传递给叶片的动能,气体在叶片驱使下高速旋转,产生离心力,机内气体在离心力作用下,沿叶片流道向叶片出口甩出.从叶片出口流出的高速气体,在蜗壳流道内速度逐渐变慢,压力逐渐升高,并沿排出口排出.与此同时,叶片入口处的气体减少,压力降低,形成出入口压差,也就连续吸入新的气体。离心式空气压缩机的工作原理与离心泵相同.随着机轴传递给叶片的动能,气体在叶片驱使下高速旋转,产生离心力,机内气体在离心力作用下,沿叶片流道向叶片出口甩出。从叶片出口流出的高速气体,在蜗壳流道内速度逐渐变慢,压力逐渐升高,并沿排出口排出.与此同时,叶片入口处的气体减少,压力降低,形成出入口压差,也就连续吸入新的气体。2.1.3空气压缩机的参数性能曲线 本次设计是专门对空气压缩机的输出压力恒定为目标。为满足对压力增加减少的需要，必须设法改变压缩机的运行工况点。有四种调节方法，分别为压缩机进出口节流调节、进气预旋调节、可转动扩压器叶片调节和转速调节。5) 进出口节流调节是在不改变的特性曲线下，紧随着阀门开度的不同而改变管网阻力压力特性曲线，从而改变工况点，但是需要在阀门与压缩机之间设有足够长的平直管道来使压缩机的进出口流场均匀。6) 进气预旋调节是在叶轮之前设置进口导叶并用专门机构，使各个叶片绕自身的轴转动，从而改变导向叶片的角度，可使叶轮进出口气流产生预旋。总体来说进气预旋调节臂进出口节流调节的经济型好，但可转动导叶的机构比较复杂。故在离心压缩机中实际采用的不多，而在轴流压缩机中采用的较多。7) 可转动扩压器叶片调节是具有叶片扩压器的压缩机，其性能曲线较陡，往往首先在叶片扩压器出现严重分离导致喘振，这种调节方式能很好地满足流量调节的要求，但改变出口压力的作用很小。这种调节机构相当复杂，因而采用较少。8) 转速调节是原动机可改变转速，则用调节转速的方法可改变压缩机性能曲线的位置。其压力和流量的变化都较大，从而可显著扩大稳定工况区，并且不引起其他附加损失，也不附加其他架构，因而它是一种经济简便的方法。综上所述我选择的是转速调节，因为目前大型离心式压缩机大都用同步电机驱动，它可无级变速，对性能调节十分有利。由于这个系统空气压缩机采用的转速调节的方法所以在设计时主要对三个参数为进行分析即转速、气体流出量、压力，下图1.1为转速调节的关系曲线图： 图2.1空气压缩机性能曲线图2.1为要求压力Pr在不变时，压力Pr流量Q转速n,三者的关系，同时可以看出增大或减小流量Q，调节转速到n1或n2。其中流量Q为扰动量，当Q变时我们就得相应的调节同步电机的转速，达到压力恒定的要求。当给定的压力变化时我们通过芯片来控制输入加速或者减速的信号来调节此时转速，达到压力一直保持恒定。控制转速也就是控制电压的频率，这个时候我们就需要变频装置来改变所需要的频率。2.2变频装置2.2.1变频电路的结构通过这段时间的搜索资料以及对变频装置的研究，经过的反复思考想到了硬件结构图。首先系统电路分为主电路、控制电路两部分，主电路由整流桥、滤波电路、变频器、电流测电路。控制回路由控制器即光电隔离电路、驱动电路，控制电源电路、转速检测电路、系统显示电路、键盘输入电路等。 针对本次2700KW空气压缩机功率，应该选择6000V的电压，在主电路中可以选择如下两种设计方案。方案一为控制低压，然后通过自藕升压器来控制大功率的同步电机见下图2.2图2.2低压升高压方案二为通过干式变压器直接将电压升至6000V见下图2.3图2.3直接升压其中方案一与方案二不同于方案一中DSP控制的逆变装置低压电，然后通过自藕升压器升到6000V高压电，方案二则是直接将380V交流电通过功率为15kw的干式变压器直接升到6000V高压电，然后DSP直接控制的高压电。其中方案一中的自藕升压器需特殊知道，成本高，功率因数低，效率低，自损耗大，笨重。系统性能差，可用于一般工艺调速，不宜于调速节能的应用，也就更达不到本次设计的题目空气压缩机变频节能技术研究，所以我们选择方案二，三相交流电直接升压到6000V。2.2.2电压型逆变器与电流型逆变器的区别 由于本次设计中同步电机的功率为2700kw为高功率，所以系统所需要的电压为高压，应该选择的电压为6000V.目前，世界上对高压电动机变频调速技术的研究非常活跃，高压变频器的种类层出不穷，作为用户都希望能选择实用而具有良好性价比的高压变频器，如何选择便是值得研究的问题。变频器其主要功能特点为逆变电路。根据直流端滤波器型式，逆变电路可分为电压型和电流型两类。前者在直流供电输入端并联有大电容，一方面可以抑制直流电压的脉动，减少直流电源的内阻，使直流电源近似为恒压源;另一方面也为来自逆变器侧的无功电流提供导通路径。因此，称之为电压型逆变电路。在逆变器直流供电侧串联大电感，使直流电源近似为恒流源，这种电路称之为电流型逆变电路。电路中串联的电感一方面可以抑制直流电流的脉动，但输出特性软。电流型变频器是在电压型变频器之前发展起来的。(1) 直流回路的滤波环节电压型逆变器的直流滤波环节主要采用并联大电容，因此电源阻抗小，相当于电压源。电流型逆变器的直流滤波环节主要采用串接大电感，相当于恒流源。(2) 输出波形电压型逆变器输出的电压波形是SPWM高频矩形载波，输出的电流波形在感性负载时近似于正弦波，含有部份的高次谐波分量，输入采用简易滤波，便可满足国家谐波含量标准。电流型变换器输出的电流波形是一个交变矩形波，其输出的电压波形接近正弦波，含有丰富的高次谐波分量，电机易发高热，一般使用时都要选用进口的特制电动机。输入谐波含量极高，须采用巨大，笨重的滤波器，方能使用。(3) 四象限运行电流型逆变器由于在其直流供电侧串联大电感，在维持电流方向不变的情况下，可控硅整流桥可改变电压极性，所以很容易使逆变器运行在整流状态，从而使整流桥处于逆变状态，实现四象限运行。电压型高压变频器只有二电平采用IGBT整流回馈，方可四象限运行。(4) 动态性能电流型逆变器有大电感，电流动态响应较困难，需求的动态力矩跟不上，特性软;而电压型逆变器可以用电流反馈环控制，响应速度快，适应现代控制理论:高级的佳灵直接速度控制、富士矢量控制，直接转矩控制，次之的空间电压矢量控制和转差优化F/U控制。在速度开环的条件下，可高速、高精度地实现对电机的磁通力矩控制，使电机特性可柔、可刚;动态性能尤好。(5) 过流及短路保护是高压变频器关键的保护功能电流型逆变器因回路中串有大电感，能抑制短路等故障时电流的上升率，故电流型逆变器的过流和短路保护容易实现，而一般的电压型逆变器则较为困难，只有二电平电压型高压变频器设有直流电感，可抑制di/dt的上升速率，易实现过流保护和短路保护。(6) 对开关管的要求电压型逆变器中的开关管要求关断时间短，但耐压较低;而电流型逆变器中的开关管对关断时间无严格要求，但耐压要求相对较高。(7) 采用电流型逆变器需加两个电感，并且开关管截止时所承受的电压比电压型高的多。从上述区别中可以看出电压型高压变频器比电流型高压变频器更具应用前景。2.2.3变频装置的选择目前有两种非常流行的高压变频装置。分别为三电平高压变频器和高效JCS高压变频下面为他们两个的原理图（1）三电平高压变频器又称中性点箝位式（图2.4）图2.4三电平变频器（2）高效JCS高压变频器（IGBT元件直接串联高压变频器）下图2.5图2.5JCS变频器从图2.4中我们可以得到，该系列变频器采用类似传统的电压型变频器结构，关键技术在对中点上、下漂动处理，空载和轻载漂动小，随负载的加重或动态变化，电容难以支撑中点位，特别是各电容的容抗不等因素，箝位中点也稳不住，箝位电压随之浮动。中点的浮动的幅度大小，将会产生输出电压的非对称性，输出谐波，波形失真，共模电压的增大变化。其表现为，若输出端在不接电抗器，直接连高压电机运行，电动机会出现剧烈抖动和高热(这是任何一种方式变频器都不会产生的现象)。为此，三电平高压变频器不管电机离的远近，都须装输出电抗器，以解决电机振动大,噪音大的缺陷。而共模电压的隐患导致电机绝缘老化问题。由于三电平逆变开关模式中存在的多点死区，而需长死区时间保障开关切换就带来很高的共模电压。其缺陷是由电路特点，硬件产生的，单靠优化控制软件，只能收到微小的效果。 三电平在输出电压较低时，实际上也相当于二电平的电压波形，谐波电流仍很大。若不加滤波器，还只能用供应商的专用电动机，且其输出电压只能达4200V，还达不到我们所需要的6000V高压电，并且该变频装置的效率低由于需星/三角变换装置，才能实现工频/变频切换，因为对于6kV高压电机，三电平变频器采用星/三角形改接的办法，将型接法的6kV电机改为三角形接法。但在进行了星/三角形改接后，电机的电压与电网的电压不一致，无法实现旁路功能，当变频器出现故障时，又要保证生产的正常进行，必须首先将电机改回型接法，再投入6kV电网。为此，电机的改接必须加装星/三角形切换柜实现、相对于方案一和其它高压变频器相比较，三电平要多6个快速二极管，五电平就更多了。多电平每个开关都要独立控制;多重化每个单元上的4个开关器件都要独立控制，并且都存在笨重、复杂、成本高、自损大的输入变压器。然而图2.5中IGBT元件直接串联无输入变压器组成的同一组件都只需一个开关量控制。其高效性和可靠性从原理上讲就高许多。多重化为得到若干组不同的独立电压，变压器采用延边三角形法，很难得到三相平衡的移相电压。这必然形成环流，增大铜、铁损耗，并且负载变化不大，而数百个变压器的内外接头也将增大损耗，降低可靠性。输入变压器，降低了效率。应用变频器是为了获取节能产生经济效益为主要目的。IGBT元件直接串联高压变频器在同等工况多节能5%以上，更高效的节能设备在运用若干年后产生的效益，也是很可观的。高效JCS系列高压变频器由于无输入、无输出主变压器和内含国际技术水平的高度，是在目前的高压变频器中一种无以伦比的高效、高质量性价比产品。所以选择方案二2.2.4变频器的工作原理由图2.4我们可以看出变频装置主要也是一个逆变装置，每个逆变装置的导通都是有电力电子器件IGBT来控制的，为此我们只要控制住IGBT有规则的导通，我们就可以将逆变的电压进行控制，从而达到了变频的意思。控制IGBT的导通一般都是用控制芯片来完成的，控制芯片只能输出PWM波，通过PWM波来控制IGBT的导通。但是本次设计中我们需要一个同步电机，为此针对同步电机我们需要SVPWM来控制IGBT的导通，下面我来介绍一下SVPWM。2.3 SVPWM（空间矢量脉宽调制）2.3.1 SVPWM的原理本文的矢量控制系统中的逆变器PWM采用的是电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）。SVPWM技术主要是从电机的角度出发，它着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场(即正弦磁通)。三相负载相电压可以用一个空间电压矢量(目标矢量)来代替。通过控制三相逆变器开关器件的通断，可以得到用于合成目标矢量的基本矢量。下图1所示是典型的三相逆变器电路及其SVPWM向量扇区图。图中引入了A、B、C桥臂的开关变量Sa、Sb、Sc，当某桥臂的上管导通而下管关断时，其开关变量值为1；当下管导通，上管关断时，开关变量值为0。因此，整个三相逆变器共有8种开关状态，即(SaSbSc)为(000)到(111)，分别对应逆变器的8种输出电压矢量，其中2种为零矢量，6种非零矢量可将平面分为6个扇区。下图2.6所示是产生SVPWM的具体实现步骤。（110）（111）（101）B轴（011）（010）C轴A轴扇区6扇区5扇区4扇区3扇区2扇区1 （001） 图2.6SVPWM扇形图现以第一扇区为例来计算基本矢量的作用时间，其空间电压矢量Vd的位置如图2.7所示。图2.7第一扇形假如在开关周期Ts内，矢量Vx、Vy、Vo的作用时间分别为Tx、Ty则有：Vx=Vd (2-1)Vy=Vdej60 (2-2)Vo=0 (2-3)其中，Vd为直流母线电压。=sin(60-) (2-4) =sin (2-5)To=Ts-Tx-Ty=Ts1-cos(30-) (2-6) 式中Vrh为相电压基波幅值，由上面的公式可得到扇区中基本矢量Vx、Vy、Vo的作用时间，并由此决定逆变器各开关状态的作用时间。矢量控制主要采用脉宽调制技术来控制输出电压并减小谐波，并且SVPWM具有系统直流母线电压利用率高、开关损耗小、电动机转矩波动小等优越性能，因此，SVPWM的矢量控制已被证明是一种高性能的控制策略。2.3.2矢量控制系统 矢量控制的基本思想是在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成两个相互垂直，彼此独立的矢量id(产生磁通的励磁电流分量)和iq(产生转矩的转矩电流分量)，也就是说，控制id和iq便可以控制电动机的转矩。 按转子磁链定向的控制方法(id=0)就是使定子电流矢量位于q轴，而无d轴分量。此时转矩Te和iq呈线性关系(由上转矩方程)，因此，只要对iq进行控制，就可以达到控制转矩的目的。既定子电流全部用来产生转矩，此时，SVPWM的电压方程可写为：ud=-tq (2-7)uq=Rsiq