电流源型变压变频调速系统设计

1、电流源型变压变频调速系统设计 1. 方案论证及系统原理图设计 1.1交-直交电流源型变频器的特点 交-直-交电流源型变频器中间直流环节采用大电感滤波，因而直流电流脉动很小，近似为电流源，具有高阻抗特性，大电感同时又起到缓冲负载无功能量的作用。逆变器的开关只改变电流的方向，三相交流输出电流波形为矩形波或阶梯波，而输出电压波形及相位随负载不同而变化。由于直流侧电压可以迅速改变甚至反向，所以动态响应比较快，而且当负载电动机运行于再生制动状态时，不需像电压源变频器那样在整流侧反并联逆变桥，若交-直变换采用可控整流器，再生能量就可以方便地回馈到交流电网。因此主电路结构简单，安全可靠，非常适用于大容量或要

2、求频繁正、反转运行的系统。 1.2交-直-交电流源型变频器的一般性原理分析 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。变频改造原理图如图1-1所示： 图1-1 变频改造原理图 1.3变频器的分类 按结构分 变频器主电路的结构形式可分为交直交变频器和交交变频器。 交直交频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直流电，再由逆

3、变电路将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电。交直交变频器主电路结构如图1-2 图1-2 交-直-交变频器主电路结构 交交变频器把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，中间不经过直流 1 环节，又称为周波变换器。 按滤波器的类型分 对交直交变频器，电压型变频器与电流型变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。 电流型变频器的中间直流环节采用大电感滤波，波形比较平直，使施加于负载上的电流值稳定不变，基本不受负载的影响，其特性类似于电流源，所以称之为电流型变频器。 电流型变频器逆变输出的交流电流为矩形波或阶梯波，当负载为异步电动机时，电压波形接近于正弦波。 电流型变频器的整流部分

4、一般采用相控整流，或直流斩波，通过改变直流电压来控制直流电流，构成可调的直流电源，达到控制输出的目的。 按调制方式分 交直交变频器根据VVVF调制技术不同，分PAM和PWM两种。 PAM是把VV和VF分开完成的，称为脉冲幅值调制（Pulse Amplitude Modulation）方式，简称PAM方式。 PWM是将VV与VF集中于逆变器一起来完成的，称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）方式，简称PWM方式。 1.4变频器的构成 变频器一般可分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。变频器的集成块如图1-3所示： 图1-3 变频器的集成块 1.5设计系统

5、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 1-4 2 图1-4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。具体设计分析见第二章节。 其控制系统框图如下图所示： 3 图1-5 电流源型逆变器频率开环调速系统框图 4 2.各单元电路设计 2.1变频器主电路设计 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 5 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

6、流电。 （2）滤波电容器Cf，其功能是： a.滤平全波整流后的电压纹波； b.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Ud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R1与晶闸管VT 当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器Cf的充电电流是很大的。过大的冲击电流将 可能使三相整流桥的二极管损坏；

7、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R1，其作用是将电 容器Cf的充电电流限制在允许的范围以内。 晶闸管VT的功能是：当Cf充电到一定程度时，令VT接通，将R1短路。 (4)电源指示灯HL HL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Cf上的电荷是否已经释放完毕。 由于Cf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Cf没有快 速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于Cf上的电压较高，如不放完，对人身 安全将构成威胁。故在维修变频器时，必须等HL完全熄灭

8、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 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： 6 a、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”。 b、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。 c、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

9、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。 2.1.3缓冲电路 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UCE将极为迅速地由近乎0V上升至直流电压值UD。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

10、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UD）将向VT12VT62放电。此放电电流的初始值将是很大的，并且将叠 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。 2.1.4制动电阻和制动单

11、元 （1）制动电阻RB 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流电路中，使直流电压UD不断上升，甚至有可能达到危险的地步。因此，必须将再生到直 流电路的能量消耗掉，使UD保持在允许的范围内。制动电阻RB就是用来消耗这部分能量 的。 （2）制动单元VB 制动单元VB由GTR或IGBT及其驱动电路构成。其功能是为放电电流IB流经RB提 供通路。 7 2.2其他有关部分的设计 2.2.1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

12、，分别进行调压与调频控制。 2.2.2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。 2.2.3 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。 2.2.4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

13、时调整触发角，使实际电流跟随给定电流。 2.2.5 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。 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大小成正比，因此

14、，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，从而使输出电压Us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。当一旦系统进入稳态后，微分校正环节不起作用。 2.2.6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

15、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 8 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。 2.2.7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

16、变压器，故驱动电路常常和主控制电路在一起。 2.2.8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。 2.2.9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。 2.2.10 SPWM SPWM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。 2.2.11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

17、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。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。 9 3、参数计算 3.1对于整流桥电路 （1）?60°时 整流后输出的电压平均值Ud=32? 33?6U2sin?td(?t) =2.34U2cos? （2）?>60°时 整流后输出的电压平均值Ud=3?6U2sin?td(?t) 3 =2.34U21?cos( Ud R?3?) 整流后输出的电流平均值Id= Id 3整流桥所用的晶闸管的电流有效值IVT= 整流桥所用的晶闸管的电流额定电流IN

18、2.34U21?cos( 1.573R?3IN=IVT1.57?)?(1.52)?(1.52)= 整流桥所用的晶闸管的电流额定UN=INR 式U2=380?(?10%)V； ?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。 3.2对于逆变桥电路 晶闸管能承受的最大极限电流Imax=40?120%=48A 晶闸管能承受的电流有效值IVT=Imax2?34A 10 晶闸管的额定电流IN=IVT1.57?21.7A 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。 3.3 电压调节器、电流调节器设计 3.3.1电流

19、调节器的参数计算 电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望由超调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电流环校正成典型I型系统。 确定时间常数 电流滤波器时间常数Toi 电流滤波器时间常数Toi选取与速度调节器反馈时间常数 Toi?Ton?10ms。 电流环小时间常数T?I 按小时间常数近似处理，取T?I?Toi?TS?0.01?0.0033?0.0133ms 2）电流调节器选用PI型，其传递函数为 WACR?Ki?is?1?is（3-1） 3）选择电流调节器参数 ACR超前时间常数：?i?T1?0.58s 电流环开环增益：要求?5%时，应取K

20、IT 因此KI?0.5/T?I?0.5/0.0133?37.61/s 于是，ACR的比例系数为 Ki?KI?i/KSKma?37.61?0.58 0.039?2.6?30?7.17?I?0.5, 4）校验条件 电流截止频率?ci?KI?37.6。 11 小时间常数近似处理的条件 : ?ci? 13 ?59.03?ci 满足近似条件。 5）计算调节器电阻和电容 其原理图见图3.3所示，按所用运算放大器取R0?10K?，各电阻和电容值计算如下： Ri?KiR0?7.17?10?71.7K? （3-2） Ci?i Ri?0.5880?103?10?F?7.25?F6（3-3） Coi?4?oi R0

21、?4?0.003310?103?10?F?1.32?F6（3-4） 按照以上参数，电流环可以达到的动态性能为：?i%?4.3%?5%，满足设计要求。 3.3.2转速调节器的参数计算 转速调节器的参数计算 （1）确定时间常数 1）电流环等效时间常数为2T?I?2?0.0133?0.0266s。 2）转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton?0.01s。 3）转速环小时间常数T?n。 按小时间常数近似处理，取T?n?2T?I?Ton?0.0266?0.01?0.0366s （2）选择调节器参数 由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型系统设计转

22、速环。故ASR选用PI调节器，器传递函数为 WASR(S)?Kn?nS?1?nS 按跟随性和抗扰性能都较好的原则，取h?5，则ASR的超前时间常数为 ?n?hT?n?5?0.0366?0.183s （3-5） 转速环开环增益 12 KN? h?12hT?n 2 2 ? 6 2?25?(0.0366) 2 ?89.58s ?2 （3-6） 于是，ASR的比例系数为 Kn? KN?nK1? ? 89.58?0.18337.6?0.00725 ?60.13 （3-7） （3）校验近似条件 转速环截止频率：?cn?KN?n?89.58?0.183?16.39s?2 1）电流环传递函数简化条件：?cn?

23、 15T ?I 现在 15T? 1?I 5?0.0103 ?19.42?cn 满足简化条件。 2） 小时间常数近似条件：?cn? 现在 ? 13 ? ?20.43?cn满足近似条件。 （4）计算调节器电阻和电容 转速调节器原理图如图3-1 图3-1带给定滤波和反馈滤波的PI调节器 取R0?10K?，各电阻和电容值计算如下： Rn?KnR0?11.18?10?111.8K? Cn? ?n R? 0.183?106 ?F?1.525?F n 120?10 3 13 (3-8) (3-9) Con?4?on R0?4?0.0110?103?10?F?4?F6(3-10) 14 4、系统的数学模型 1

24、20°导通型电流源型逆变器异步电机的等值电路，如图4-1所示： 图4-1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Id的影响，即可认为?e0，则可求得小小信号作用下整流电压Ud和Id之间的传递函数 Ud(p)Id(p) = KDLTDLp?1 （4-1） 1 式中KDL = Rd?2(Rs?Rr) ，TDL= Ld?2(Ls?Lr?)Rd?2(Rs?Rr) 假设电机工作在小转差下，可得到如下近似结果 U Es=4.44fsNsKs?m=4.44s npns60 NsKs?m =Cens（4-2） cos?r1 电磁转矩Tei=Cm?mIrcos?

25、rCm?mIscos?rCMId（4-3） 式中CM=Cm?m。 带载时的运动方程式 GDdns375dt 2 =Tei-TL=CMId-TL（4-4） 将式（4-2）代入式（4-4）中，并进行拉氏变换，经整理得到 Us(p)= 375CMCeGD 2 p 2 Id(p)- 375CeGD 2 p TL(p)= 1Tmp Id(p)- Kep TL(p)（4-5） 其中Tm= GD 375CeCM ，K= 375CeGD 2 。 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4-2所示（电压、电流双闭环）： 15 KeTmTL(p) 图4-2交直交电流源型

26、逆变器异步电动机变频调速系统的动态结构框图 - 16 - 5、系统原理说明 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

27、后的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欠激不断交替的情况，使得电机输出转矩大幅度波动，从而造成电

28、动机的转速波动。为了避免上述情况的发生，加入了瞬态校环节。瞬态校正环节是一个微分环节，具有超前校正的作用。瞬态校正环节的输入信号取自于电流调节器的输出信号。瞬态校正环节将电流调节器的这个输出信号取来，经过微分运算后，与频率给定信号相叠加。叠加后的信号中往往含有大量的谐波分量，这些谐波分量，将带来电机内部损耗增大和谐波转矩影响严重的问题。所以，还需要加一个SPWM控制环节，以消除谐波分量产生的不良影响，从而提高了电流源型变压变频调速系统的性能。经SPWM控制环节处理后的信号输入到驱动电路后，完成对SPWM逆变桥各逆变管的驱动，从而使输出电压瞬时改变时，频率也随着作相应的改变，实现了在瞬态过程中也能保证恒压频比的控制方式。但一旦系统进入稳态后，微分校正环节将不再起作用。 另外，外接的电位器取出的电压给定（可正可负），可作为变频器内部的控制电压，而此电压给定信号往往是阶跃给定信号，而给定积分环节正好能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。一方面，无论给定积分得到的斜坡信号为正，还是为负，经过绝对值器后，都将变为正的给定信号。函数发生器根据给定积分器输出的频率