交直交变频调速系统仿真研究.docx
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交直交变频调速系统仿真研究
摘要
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,交流变频调速技术得到了迅速发展,其显著的节能效益,高精确的调速精度,宽泛的调速范围,完善的保护功能,以及易于实现的自动通信功能,得到了广大用户的认可,在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面,也给使用者带来了极大的便利。
因此,研究交—直—交变频调速系统的基本工作原理和作用特性意义十分重大。
本文研究了变频调速系统的基本组成部分,主回路主要有三部分组成:
将工频电源变换为直流电源的“整流器”;吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”,也是储能回路;将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
使用Matlab/Simulink搭建交—直—交变频调速系统的仿真模型,通过试验对该交—直—交变频调速系统的基本工作原理、工作特性及作用有更深的认识,也对谐波对于交—直—交变频调速系统的影响有了一定的了解。
关键词:
交—直—交变频,整流,逆变,谐波,仿真。
Abstract
Withpowerelectronictechnology,computertechnology,automaticcontroltech-nologyisdevelopingrapidly,ACvariable-frequencysystemtechnologyhasbeende-velopingrapidly.Significantenergyefficiencyandprecisionandbroadscopeofspe-edcontrol,perfectprotectionandeasytoimplementautomaticcommunications,allwhichhavewinthemanyusersacceptance.Therefore,studyingtheAC-DC-ACvariablefrequencysystermfortheroleofthebasicworkingprincipleandcharacteristicsofgreatsignificance.
Inthispaperwestudiedthebasiccomponentofthevariablefrequencyspeedregulationsystem.Therearethreemaincomponents:
the"rectifier"whichconverttheACpowerintoDCpower;the"loopfilter"canabsorbedthevoltagepulsewhichtherectifierandinvertercircuitgeneratedby,itisalsoenergystoragecircuit;the“inverter”convertstheDCpowerintotheACpower.ThenweusedtheMatlab/SimulinktobuildanAC-DC-ACFrequencyControlSystemSimulationModel.ThroughthetestoftheAC-DCFrequencyControlSystemtopaythebasicworkingprincipleandworkingcharacteristics,wenotonlyhadadeeperunderstandingoftherole,butalsohadacertaindegreeofunderstandingabouttheharmonicAC-DC-DCFrequencyControlSystem.
KeyWords:
AC-DC-ACvariablerequencysysterm,rectifier,inverter,harmonics,simulation
1引言
1.1交流调速技术的发展
随着电机制造技术的不断进步,电动机作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力,已广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各个领域,其中异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。
在我国,异步电动机的用电量约占总负荷的80%以上,其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的10.4%,20.9%,9.4%和6%。
从全球范围看,电动机的用电量平均占世界各国社会总用电量的一半以上,占工业用电量的70%左右。
因此,提高电机系统的效率,对节约电能意义十分重大。
异步电动机的基本特点是,转子绕组不需与其他电源相连,其定子电流直接取自交流电力系统。
与其它电机相比,异步电动机的结构简单,制造、使用、维护方便,运行可靠性高,重量轻,成本低。
以三相异步电动机为例,与同功率、同转速的直流电动机相比,前者重量只及后者的二分之一,成本仅为三分之一。
异步电动机还容易按不同环境条件的要求,派生出各种系列产品。
它还具有接近恒速的负载特性,能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。
其局限性是,它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率,因而调速性能较差,在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合(如传动轧机、卷扬机、大型机床、风机、水泵等),不如直流电动机经济、方便。
但是,直流电动机结构上存在机械换向器和电刷,使它具有一些难以克服的固有缺点,如维修工作量大,事故率高,容量受换向条件的制约,使用环境受限(特别在易燃、易爆、粉尘等场合难以应用)。
20世纪70年代初,席卷世界先进工业国家的石油危机迫使他们投入大量人力和财力去研究高效节能的交流传动系统。
到了二十世纪90年代,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,交流变频调速技术得到了迅速发展,其技术和性能胜过其它任何一种调速方式(如:
降压调速、变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力偶合调速)。
所谓变频调速就是利用变频调速器从电网接收工频50HZ的交流电,经过恰当的强制变换方法,将输入的给定频率交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机,从而实现交流电动机的变速运行。
1.2交直交变频调速系统研究的目的与意义
电动机调速的节能效果交流异步电动机的输出转速由下式确定:
(1-1)
式中—电动机的输出转速;
—输入的电源频率;
—电动机的转差率:
—电机的极对数。
由公式(1-1)可知,电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系,因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整P)、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整s)和变频调速(调整f)等.
通过流体力学的基本定律可知:
风机(或水泵)类设备均属平方转矩负载,其转速n与流量Q、压力(扬程)H以及轴功率P具有如下关系
(1-2)
(1-3)
(1-4)
由公式(1-4)可知,在其它运行条件不变的情况下,通过下调电机的运行速度,其节电效果是与转速降落成立方的关系,因此,节电效果非常明显。
例如在工况只需要50%的风量或水量时,则可以将电机的转速调节为额定的一半,而此时电机消耗的功率仅为额定的2.5%,即理论上节能可达87.5%.
目前交流传动己经上升为电气调速传动的主流,直流传动系统占统治地位的局面已经受到强烈的冲击。
推广使用可调速电动机及其控制系统的节能具有广阔的前景,在不久的将来,交流电气传动将会完全取代直流电气传动。
电动机作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力,已广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各个领域,其中异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。
使之成为国内外企业采用电机节能方式的首选。
因此,提高电机系统的效率,对节约电能意义十分重大。
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,交流变频调速技术得到了迅速发展,其显著的节能效益,高精确的调速精度,宽泛的调速范围,完善的保护功能,以及易于实现的自动通信功能,得到了广大用户的认可,在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面,也给使用者带来了极大的便利。
因此,研究交直交变频调速系统将有利于提高系统的可靠性和工作效率。
为了分析变频器对电动机的影响,利用Matlab仿真工具,搭建交—直—交变频调速系统的仿真模型,对系统进行仿真研究。
1.3研究现状分析
(1)采用新型功率半导体器件
功率半导体器件的不断进步,尤其是新型可关断器件,如BIT(双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化硅场效应管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的实用化,使得开关高频化的PWM技术成为可能。
目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。
典型的电力电子变频装置有电压型交—直—交变频器、电流型交—直—交变频器和交—交变频器三种。
电流型交—直—交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件,无功功率将由大电感来缓冲,它的一个突出优点是当电动机处于制动(发电)状态时,只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网,构成的调速系统具有四象限运行能力,可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合,在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。
电压型交直交变频器的中间直流环节采用大电容作储能元件,无功功率将由大电容来缓冲。
对于负载电动机而言,电压型变频器相当于一个交流电压源,在不超过容量限度的情况下,可以驱动多台电动机并联运行。
电压型PWM变频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位。
但电压型变频器的缺点在于电动机处于制动(发电)状态时,回馈到直流侧的再生电能难以回馈给交流电网,要实现这部分能量的回馈,网侧不能采用不可控的二极管整流器或一般的可控整流器,必须采用可逆变频器,这种再生能量回馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调,输入电流(网侧电流)波形基本为正弦,功率因数保持为1并且能量可以双向流动的特点,代表一个新的技术发展动向,但成本问题限制了它的发展速度。
通常的交一交变频器都有输入谐波电流大、输入功率因数低的缺点,只能用于低速(低频)大容量调速传动。
为此,矩阵式交一交变频器应运而生。
矩阵式交一交变频器功率密度大,而且没有中间直流环节,省去了笨重而昂贵的储能元件,它为实现输入功率因数为1,输入电流为正弦和四象限运行开辟了新的途径。
(2)用脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM)技术
随着电压型PWM变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛,PWM技术的研究越来越深入。
PWM利用功率半导体器件的高频开通和关断,把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列,以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。
PWM技术可分为三大类:
正弦PWM、优化PWM及随机PWM。
正弦PWM包括以电压、电流和磁通的正弦为目标的各种PWM方案.正弦PWM一般随着功率器件开关频率的提高会得到很好的性能,因此在中小功率交流传动系统中被广泛采用。
但对于大容量的电力变换装置来说,太高的开关频率会导致大的开关损耗,而且大功率器件如GTO的开关频率目前还不能做得很高,在这种情况下,优化PWM技术正好符合装置的需要。
特定谐波消除法(SelectedHarmonicMi-inationPWM,SHEPWM)、效率最优PWM和转矩脉动最小PWM都属于优化PWM技术的范畴。
普通PWM变频器的输出电流中往往含有较大的和功率器件开关频率相关的谐波成分,谐波电流引起的脉动转矩作用在电动机上,会使电动机定子产生振动而发出电磁噪声,其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变
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