电压型三相交流变频调速系统的设计.docx
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电压型三相交流变频调速系统的设计
电压型三相交流变频调速系统设计
摘要:
本课题主要是研究电压型三相交流SPWM变频技术的基本原理、实现方法及软硬件设计,完成系统的软硬件设计。
要求完成内容主要有:
1、变频调速技术基本原理2、变频调速基本原理3、控制方案确定4、软件与硬件设计5、实验调试。
涉及的主要相关知识:
电力电子及运动控制、微机控制。
在通常情况下交流异步电动机用作调速机时,它的控制电路复杂,系统的效率较低。
采用单片机微机控制的交流异步电动机变频调速系统使起控制电路大为简化,使用正弦脉宽调制(SPWM)驱动,系统效率也有所提高。
交流异步电动机的变频调速,实际中多采用脉冲宽度调制(PWM),完成调频和调压两种功能。
用单片微机实现(PWM)来控制可使调节灵活,电路简化。
本设计采用的MCS51系列的单片微机控制PWM,在300W的二相异步交流电机上进行运行实验。
传统的交流变频调速系统由正弦波和锯齿波相交产生所需的脉宽调制波实现恒压额比的变频调速控制。
这种系统由于采用模拟控制,设备复杂、调整困难,且控制精度低,可靠性差,因而限制了这种系统的应用。
与上述传统的系统相比,本系统具有如下特点:
采用新型大规模专用集成电路产生脉宽调制波,使波形稳定,精度和可靠性显著增加。
以单片机8031CPU为核心的全数字控制.电路简单,调整迅速,进一步提高了控制精度。
关键词:
电压型三相PWM整流器,变频调速,单片机,交流电机;
Designofthree-phaseVoltage-typeInverterControlSystem
ABSTRACT:
FocusisStudyingSPWMthree-phasevoltage-typeACinverterwiththefundamentalprinciplesinthispaper,anddesigningthemethodsandsoftwareandhardware,andcompletesystemsoftwareandhardware.Themaincompletionon:
1.thebasicprinciplesofVVVFtechnology2.threebasicprinciplesofFrequencyControl,thecontrolschemeforthe4,5softwareandhardwaredesign,experimentaldebugging.Themainrelevantknowledge:
powerelectronicsandmotioncontrol,computercontrol.Undernormalcircumstancesinexchangeformotorasynchronousspeedmachine,it'scomplicatedcontrolcircuits,thesystem'sefficiencyislow.SCMusingcomputercontroltheexchangeofasynchronousmotorFrequencyControlSystemthathasgreatlysimplifiedcontrolcircuit,theuseofSPWM(SPWM)drive,thesystemhasimprovedefficiency.
InductionMotorFrequencyControl,intheactualuseofpulsewidthmodulation(PWM),andcompletedFMSurgetwofunctions.Toachievesingle-chipmicroprocessor(PWM)tocontrolcanadjustflexibly,tosimplifycircuit.ThisdesignbytheMCS51seriesofsingle-chipmicroprocessorachivesPWMcontrol,300Winthetwo-phaseasynchronousmotorexchangesonrunningtheexperiment.
ThetraditionalexchangeofFrequencyControlSystemfromtheintersectionofasinewaveandthesawtoothPWMwaveofconstantpressuretoachievethanthefrequencyforarrestcontrol.Asaresultofthisanalogcontrolsystem,equipmentcomplexanddifficultadjustment,andlow-precisioncontrol,reliabilitypoor,thuslimitingtheapplicationofsuchasystem.Withthetraditionalsystems,thissystemhasthefollowingcharacteristics:
anewtypeoflarge-scaleASICPWMwave,thewavestability,accuracyandreliabilityofasignificantincreaseinSCM(8031CPUasthecoreofdigitalcontrol.Circuitsimpletoadjustquicklytofurtherenhancethecontrolaccuracy.
Keywords:
Three-PhasePWMvoltagerectifier,FrequencyControl,SCM,ACmotor,computercontrol
第1章前言
1.1电力电子技术的发展与创新
1.1.1概述
自20世纪50年代末第一只晶闸管问世以来,电力电子技术开始登上自20世纪50年代末第一只晶闸管问世以来,电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台,以此为基础开发的可控硅整流装置,是电气传动领域的一次革命,使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代,这标志着电力电子的诞生。
进入20世纪70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品,普通晶闸管不能自关断的半控型器件,被称为第一代电力电子器件。
随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高,电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展,是电力电子技术的又一次飞跃,先后研制出GTR、GTO,功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。
而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件,开始向大容易高频率,响应快,低损耗方向发展。
而进入20世纪90年代电力电子器件正朝着复台化标准模块化、智能化功率集成的方向发展,以此为基础形成一条以电力电子技术理论研究,器件开发研制,应用渗透性,在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域。
1.1.2电力电子器件发展回顾
整流管是电力电子器件中结构最简单,应用最广泛的一种器件。
目前已形成普通型,快恢复型和肖特基型三大系列产品,电力整流管对改善各种电力电子电路的性能,降低电路损耗和提高电流使用效率等方面都具有非常重要的作用。
自1958年美国通用电气GE公司研制出第一个工业用普通晶闸管开始,其结构的改进和工艺的改革为新器件开发研制奠定了基础,在以后的十年间开发研制出双向,逆变、逆导、非对称晶闸管,至今晶闸管系列产品仍有较为广泛的市场。
20世纪70年代研制出GTR系列产品,其额定值已达1.8kV/0.8kA/2kHZ,0.6kV/0.003kA/100kHZ,它具有组成的电路灵活成熟,开关损耗小、开关时问短等特点,在中等容量、中等频率的电路中应用广泛,而作为高性能,大容量的第三代绝缘栅型双极性晶体管IGBT,因其具有电压型控制,输入阻抗大、驱动功率小,开关损耗低及工作频率高等特点,有着广阔的发展前景。
而IGCT是最近发展起来的新型器件,它是在GTO基础上发展起来的器件,称为集成门极换流晶闸管,也有人称之为发射极关断晶闸管,它的瞬时开关频率可达20kHz,关断时间为1s,di1dt4kA/ms,du/dtl020KV/ms,交流阻断电压6kV,直流阻断电压3.9kV,开关时间<2ks,导通压降3600A时,开关频率>1000Hz。
1.1.3电力电子器件发展趋势
当我们将50Hz的标准二频大幅的提高之后,使用这样工频的电气设备的体积与重量就能大大缩小,使电气设备制造节约材料,运行时节电就更加明显,设备的系统性能亦大为改善,尤其是对航天工业其意义十分深远的。
故电力电子器件的高频化是今后电力电子技术创新的主导方向,而硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋势,目前先进的模块,已经包括开关元件和与其反向并联的续流二极管在内及驱动保护电路多个单元,并都以标准化和生产出系列产品,并且可以在一致性与可靠性上达到极高的水平。
目前世界上许多大公司已开发出IPM智能化功率模块,如日本三菱东芝及美国的国际整流器公司已有成熟的产品推出。
El本新电源公司的IPM智能化功率模块的主要特点是:
(1)它内部集成了功率芯片,检测电路及驱动电路,使主电路的结构为最简。
(2)其功率芯片采用的是开关速度高,驱动电流小的IGBT,且自带电流传感器,可以高效地检测出过电流和短路电流,给功率芯片以安全的保护。
(3)在内部配线上将电源电路和驱动电路的配线长度控制到最短,从而很好地解决了浪涌电压及噪声影响误动作等问题。
(4)自带可靠的安全保护措施,当故障发生时能及时关断功率器件并发出故障信号,对芯片实施双重保护,以保证其运行的可靠性。
1.1.4电力电子技术创新
98年末朱总理明确指示,今后必须加快国家创新体系的建设,因此可以肯定的说,在21纪初国家发展中,技术创新将要变成企业工作的主导内容,而发展与建立适合中国国情的电气工业的技术创新机制,通过电力电子技术长足进步推动新型电气工业不断升级和进步进而走向世界。
电力电子技术又称为能流技术,因此电力电子技术的发展与创新是21世纪可持续发展战略纲领的重要组成部分。
电力电子技术的创新与电力电子器件制造工艺,已成为世界各国工业自动化控制和机电一体化领域竞争最激烈的阵地,各发达国家均在这一领域注入极大的人力,物力和财力,使之进入高科技行业,就电力电子技术的理论研究言,目前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等西欧国家可以说是齐头并进,在这些国家各种先进的电力电子功率量不断开发完善,促进电力电子技术向着高频化迈进,实现用电设备的高效节能,为真正实现工控设备的小型化,轻量化,智能化奠定了重要的技术基础,也为21世纪电力电子技术的不断拓展创新描绘了广阔的前景。
我国开发研制电力电子器件的综合技术能力与国外发达国家相比,仍有较大的差距,要发展和创新我国电力电子技术,并形成产业化规模,就必须走有中国特色的产学创新之路,即牢牢坚持和掌握产、学、研相结合的方法走共同发展之路。
从跟踪国外先进技术,逐步走上自主创新,从交叉学科的相互渗透中创新,从器件开发选择及电路结构变换上创新,这对电力技术创新是尤其实用的。
也要从器件制造工艺技术引导创新,从新材料科学的应用上创新,以此推动电力电子器制造工艺的技术创新,提高器件的可靠性。
由此形成基础积累型的创新之路。
并要把技术创新与产品应用及市场推广有机结合,已加快科技创新的自我强化的循环,促进和带动技术创新有着稳定的基础,以使我国电力电子技术及器件制造工艺技术有以长足的发展,并形成一个全新的圾阳产业,转化为巨大的生产力,推动我国工业领域由粗板型经营走向集型,促进国民经济以高速、高度、可持续发展。
1.2设计本课题的总思路
本文对于逆变器供电的变频调速系统进行了分析,并设计了一种以MCS-51系列单片机为基础生成的SPWM来控制逆变器的控制系统。
首先,在逆变器供电的交流调速系统中,电动机的运行条件发生了很大变化,针对逆变器供电的特点给出了变频调速异步电动机的选择方法。
其次,对于新型器件的应用做了说明,根据新型功率器件的特点和应用要求,设计出了逆变器的驱动电路和保护电路,使得新型功率器件的应用更加安全。
最后,为适应变频调速电机的要求,设计了一套基于单片机生成的SPWM控制逆变器来控制电动机变频调速系统,对于硬件电路部分和实现控制策略的软件部分进行设计。
1.3设计任务及要求
本课题主要是研究电压型三相交流SPWM变频技术的基本原理、实现方法及软硬件设计,完成系统的软硬件设计。
要求完成任务主要有:
1、变频调速技术基本原理
2、变频调速基本原理
3、控制方案确定
4、软件与硬件设计
5、实验调试
要求设计一个完整的电压型三相交流SPWM变频系统,并进行相关的实验。
资料:
要求在图书馆和查阅与参考变频调速系统及电力电子相关的书籍的基础上,写出开题报告,设计中写好设计日志、设计说明书完整、软件清单、设计图纸完整。
第2章变频调速基本原理及应用
2.1变频调速技术的发展
近10年来,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,电气传动技术面临着一场历史革命,即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。
电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
变频调速以其优异的调速和起制动性能,高效率、高功率因数和节间效果,广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
2.1.1变频技术的发展方向
(1)交流变频向直流变频方向转化
直流变频是以数字转换电路代替交流变频中的交流转换电路,使负载电机始终处于最佳运行状态。
它摒弃了交流变频技术的交流-直流-交流-变转速方式交流电机的循环工作方式,采用先进的交流-直流-变转速方式数字电机的控制技术,无逆变环节,因而减少电流在工作中转变次数,使电能转化效率大大提高,能够实现精确控制,平稳安静高效地运转。
同时,避免了交流变频电机电磁噪声较大的缺点,噪声更加低。
(2)控制技术由PWM(脉宽调制)向PAM(脉幅调制)方向发展
采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。
如对压缩机来讲,一般不超过7000r/min。
而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1.5倍左右,这样大大提高了快速制冷和制热能力。
同时,由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用,因而可以获得比PWM更高的效率。
此外,在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性,可抑制高次谐波的生成,减小对电网的污染。
(3)功率器件向高集成智能功率模块发展
虽然单个功率器件的效率越来越高,控制简化,但电的复杂性给生产和测试带来不便。
智能功率模块(IPM)是将功率器件的配置、散热乃至驱动问题在模块中解决,因而易于使用,可靠性高。
以变频空调为例,我国的变频空调几乎100%采用IPM方式。
近年来带驱动和保护电路的智能功率模块(IPM)相继面市。
IPM是将三相逆变IGBT、驱动电路以及保护电路集成在一块芯片上。
它的出现推动了变频家电市场的启动和发展。
新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内,更加方便用户使用,用户只需要了解接口电路和定义,很快可以组成运行系统。
2.1.2交流变频调速技术的发展
交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术,既要处理巨大电能的转换(整流、逆变),又要处理信息的收集、变换和传输,因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。
其主要发展方向有如下几项:
(1)实现高水平的控制。
基于电动机和机械模型的控制策略,有矢量控制、磁场控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等;基于现代理论的控制策略,有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器,在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等;基于智能控制思想的控制策略,有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。
(2)开发清洁电能的变流器。
所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1,网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量,以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。
对中小容量变流器,提高开关频率的PWM控制是有效的。
对大容量变流器,在常规的开关频率下,可改变电路结构和控制方式,实现清洁电能的变换。
(3)缩小装置的尺寸。
紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度,其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源,以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。
(4)高速度的数字控制。
以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法,Windows操作系统的引入使得可自由设计,图形编程的控制技术也有很大的发展。
(5)模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。
电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。
主要的研究开发项目有如下各项:
(1)数字控制的大功率交-交变频器供电的传动设备。
(2)大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大型风机和泵上的推广应用。
(3)电压型GTO逆变器在铁路机车上的推广应用。
(4)电压型IGBT、IGCT逆变器供电的传动设备扩大功能,改善性能。
如4象限运行,带有电极参数自测量与自设定和电机参数变化的自动补偿以及无传感器的矢量控制、直接转矩控制等。
(5)风机和泵用高压电动机的节能调速研究。
众所周知,风机和泵改用调速传动后节约大量电力。
特别是电压电动机,容量大,节能效果更显著。
2.2变频调速基本原理
2.2.1变频调速的工作原理p——磁极对数
由电机学理论可知,电动机的转速为n=60f/p,式中f—电源频率;p—磁极对数;当P为定值时,n与f成正比。
如果连续地改变供电电源的频率就可以调节电动机的转速,这就是变频调速的工作原理。
而变频调速的关键设备就是变频器它决定整个调速系统的性能。
目前使用较多的是“交—直—交”变频,将50Hz交流整流为直流电Ud,再由三相逆变器将直流逆变为频率可调的三相交流供给鼠笼电机实现变频调速。
频率的下降会导致磁通的增加,造成磁路饱和,励磁电流增加,功率因数下降,铁心和线圈过热。
2.2.2变频调速的控制原理
变频调速装置主电路由空气开关QF1,交流接触器KM1和变频器VF组成,由安装在配电柜面板上的转换开关SA,复位开关SB;或安装在现场防爆操作柱上启动按钮SB和停止按钮SB2控制VF的运行:
(1)启动VF时必须先合上QF1和QF2,使SA置于启动位置,KM1便带动电触点闭合,来电显示灯HL2亮;此时按下SB,也可以按下现场SB1使KA1带电触点闭合,VF投入运行同时运行指示灯HL3亮。
(2)需要停止VF时,按下SB2使KA1失电,VF停止运行,此时HL3灭;置SA于停止位置,KM1断开同时HL1亮,表示停机。
(3)如果在运行过程中VF有故障FLA、FLC端口将短接,KA2带电,KM带电其触点断开,同时故障指示灯HL3亮并报警。
由于工艺条件复杂,实际运行过程中有多方面不确定因素,为安全其见,每台变频器均加有一旁路接触器KM2;如果KM1或VF发生故障时保证电机仍能变频运行。
变频调速实行闭环负反馈自动控制即由仪表装置供给变频器1V和CC端口4~20MA电信号,靠信号大小改变来控制VF频率高低变化达到调节电动机转速和输出功率的目的,原理图如图2.1所示:
图2.1系统的控制原理图
2.2.3变频调速的性能比较
变频调速相对于传统的电磁调速有着很好的性能,以下是两者的比较见表1:
比较项目
变频调速
电磁调速
保护功能
有电机过热,过流,过载,过压,欠压,缺相,接地等保护,使电机运行更安全可靠
无保护,需另加电机保护装置。
节电功能
根据负载调整输出电压的高低,最大限度地提高电机的功率因数和效率,在减速时能自动将电动机的再生能量反馈到供电电网,实现再生反馈制动,节电效果明显。
无节电功能,需另加节电控制装置。
软启动功能
启动时电压,电流,转矩距随加速时间逐渐增大,使电机非常平稳地加速无任何冲击。
无软启动功能,对较大功率的电机需另加控制器。
控制功能
多段转速,正,反转,同步,比例运行,PID控制,PLC控制,PC闭环控制,计算机控制等。
无控制功能,需另加控制装置。
制动功能
制动过程可随意控制
无制动功能,需另加制动装置。
调速范围
0~50Hz连续可调
只能接近而不能超过额定转速,且不能长时间运行。
效率
COSΦ>95%,且与转速无关,输入功率随转速的下降而降低,节电效果明显。
随转速的下降而降低,不管转速高低输入功率基本不变,电源浪费较大。
转速变化率
机械特性硬,转速与负载大小几乎无关。
机械特性软,尤其在低速时受负载影响较大。
表1变频调速的性能比较
以上比较可看出变频调速无论是调速性能还是控制性能都远远超过电磁调速,而且其重要特点是能自动将电动机的再生能量反馈到供电电网,实现再生反馈制动,节电效果明显,较之电磁调速相比,可节省电能在35%以上。
由此可以看出变频涮速系统有很大的发展空间,是未来自动化调速系统发展的方向。
2.3变频器
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式(VVVF变频或矢量控制变频),先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
2.3.1变频器的选型
变频器选型时要确定以下几点:
(1)采用变频的目的;恒压控制或恒流控制等。
(2)变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等,特别注意负载的性能曲线,性能曲线决定了应用时的方式方法。
(3)变频器与负载的匹配问题;
①电压匹配;变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
②电流匹配;普通的离心泵,变频器的额定电流与电机的额定电流相符。
对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数,以最大电流确定变频器电流和过载能力。
③转矩匹配;这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
(4)在使用变频器驱动高速电机时,由于高速电机的电抗小,高次谐波增加导致输出电流值增大。
因此用于高速电机的变频器的选型,其容量要稍大于普通电机的选型。
(5)变频器如果要长电缆运行时,此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响,避免变频器出力不足,所以在这样情况下,变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
(6)对于一些特殊的应用场合,如高温,高海拔,此时会引起变频器的降容,变频器容量要放大一挡。
2.3.2变频器的工作原理
变频器是一种将电网电源整流后再逆变成频率、电压可变的交流电,供三相交流电动机专用的。
电源装置变频调速的主装置的主回路由充电接触器、进线电抗器、充电电容、平波电容绢和6组SKIIP模块组成。
而6个SKIIP模块组成二组,三相桥式交流电路,其中一组为变频器输出逆变器;另一组为向发电电网反馈的逆变
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