变频调速系统设计可以分为两个重要部分.docx
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变频调速系统设计可以分为两个重要部分
变频调速系统设计可以分为两个重要部分,软件设计和硬件设计。
本设计首先简要阐述
了变频调速的基础技术,SPWM理论及常用的设计方法等。
然后对变频调速的硬件做了系
统电路地描述。
对整个系统的主电路、控制电路、各种保护电路及控制实现的软件都进行了
系统的分析。
主电路部分给出了整流、滤波、逆变器等器件各个环节的参数的计算。
控制电
路采用TMS320F2812、显示电路、输入电路、检测电路等,并配备了系统保护电路。
在硬
件电路的基础上,用MATLAB工具对系统进行了开环和闭环系统的SPWM仿真。
仿真实
验结果表明,这些设计使系统能够可靠工作,运行状态良好,达到了设计目的。
最后给出了
各个软件设计的系统流程图。
关键词:
变频调速,正弦波脉宽调制,IPM,智能功率模块,SPwM,TMS320F2812
4一
Summary
-
Thevariable
speed
Call
bedividedintotwo
importantparts:
softdesign
and
hardware
design.The
designfirstlyexplains
thebasic
techniques.of
thevariable
speed,thetheory
and
method
oftheSPWM.Thenthe
major
hardwarecircuitis
introduced,Especilly
TMS320F2812andIPM.The
calculationabout
parameter
is
madeinthe
major
circuit.Atthesametimethe
security
ofthecircuitwas
equipped.
DSPwas
regarded
asthecontrollercoreoftheSPWM.Weestablish
a
system
model
whichcontrol
systemspeedopen
andclose
loop
withSPWM,wesimulateand
analyze
thecontrol
systemthrough
MATLAB.The
simulationresultsdemonstratethatitisa
high
valueto
popularize
and
apply
the
controllingsystem.Finally
The
design
also
gave
theflowchartaboutthesoft
design.
Key
word:
varible
freqencyadjustingspeed,,IPM,SPWM
Power
Supply
Module
TMS320F2812,
5贵州大学硕士学位论文
附:
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原创性声明
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也是垒
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2QQ涩生≤旦
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鞋日霸:
贵州大学硕士学位论文
第一章交流调速的发展
1.1交流调速的意义
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、商务和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。
电动机是电能使用的主要形式,是使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和系统。
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。
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:
即便使用在车辆牵引上,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和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,迅速得到广泛的使用。
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
1贵州大学硕士学位论文
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使用范围比直流
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,和直
流电机相比,转矩难于控制。
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使用性好、效率高,是理想的电气传动方案。
随
着电力电子学和电子技术的发展,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使用的关
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
业使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)被广泛使用,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0.卜0.7ms,
速度响应可达到2-4ms,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。
2贵州大学硕士学位论文
1.2电力电子技术
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,使用
最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模块IPM(IntelligentPowerModule),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,它的使用使变频器
的性能有了很大的提高,主要表现为:
>
发热减少,将曾占主回路发热50—70%的器件发热降低了30%:
>
高载波控制,使输出电流波形有明显改善:
>提高开关频率,实现了电机运行的静音化:
>驱动功率减少,体积趋于更小;
智能功率模块(IPM)是向第四代器件功率集成电路(PIC)的过渡产品,是微电子技术和
电力电子技术相结合的产物。
它不但提供一定功率输出能力,而且具有逻辑、控制、传感、
检测、保护和自诊断等功能。
IPM具有以下特点:
◆开关速度快,驱动电流小,控制驱动更为简单;
◆采用了隔离技术,散热更均匀,体积更加紧凑;
◆
集成度高,它集成了驱动电路、保护电路甚至光耦,大大缩短开发时间:
◆内含电流传感器,可以高效迅速地检测出过电流和短路电流,能对功率
芯片给予足够的保护,故障率大大降低;
◆保护功能丰富,如电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全,实现了
信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能,既减小了体积、减轻
了重量,又提高了可靠性;
◆由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化,所以浪涌
电压,门极振荡,噪声引起的干扰等问题能有效得到控制;
◆很高的性能价格比,IPM的售价已逐渐接近IGBT,而采用IPM后的开关
电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素
3贵州大学硕士学位论文
后在许多场合其性价比己高过IGBT,有很好的经济性;
目前IPM己经在工业变频器(中、小功率)中被大量采用,随着技术的不断改进,IPM
的功率也越来越大。
同时经济型的IPM在近年内也开始在一些民用品如家用空调变频器、
冰箱变频器、洗衣机变频器中得到使用。
IPM也在向更高的水平发展。
日本三菱电机最近
开发的专用智能模块ASTPM将不需要外接光耦,通过内部自举电路可单电源供电并采用了
低电感的封装技术,在实现系统小型化、专用化、高性能、低成本方面又推进了一步。
1.3国内外交流调速的现状
1.3.1国外现状:
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3万h的电气
传动设备用于船舶推进系统。
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6万h的设备用于抽水蓄能电站。
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10—2600kVA和
Si∞vertPGToPWM变频调速设备单机容量为100—900kra,其控制系统己实现全数字化,
用于电力机车、风机、水泵传动。
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700kVA,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
器越来越广泛地使用在机械、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、串联技术的发展使用,使高低压、大功率变频器产品的生
产及使用成为现实。
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。
4贵州大学硕士学位论文
4)基础工业和各种制造业的高速发展,交频器相关配套件社会化、专业化生产。
1.3.2国内现状
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。
在大功率交一
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
统可靠性方面和国外还有相当差距。
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使用方面,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
技术使用,使高电压、大电流变频器产品的生产及使用成为现实。
在控制器件方面,实现
了从16位单片机到32位DSP的使用。
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,和国外的知名品牌相抗衡。
国内几乎所有的产品都是普通的v/f控制,仅有少
量的样机采用矢量控制,品种和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。
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1.4论文的来源
永青示仪电科技有限公司所使用的变频器均采用外购。
外购的变频器本身的价格比较
高。
他们希望有一套具有知识产权的变频器。
鉴于此,本人和该厂技术人员合作共同开发和
设计。
。
设计计划分为三大部分:
第一是设计系统主结构,第二是结构工艺的设计,第三是采
购各个系部分元件组成变频器并调试产品。
1.5论文的设计任务
本论文就是从设计系统主结构为出发点,重点分析变频调速系统的主要组成模块,各
个模块的选型,以及设计变频调速系统。
最后利用Matlab—Simulink仿真工具对各个模块进
行仿真。
在开环控制系统得基础上进行仿真,然后设计PI控制器并组成闭环控制系统的仿
真,进而验证变频调速硬件电路的设计的正确性和可行性。
本设计是以实验室现有的交流异
步电动机为样机的,但变频系统设计适合各种异步电动机。
1.6变频调速系统指标
控制系统的稳定性一般从系统的稳态和动态性能指标上衡量。
本设计系统需要完成的稳
态性能指标为:
D;10,S一0.05,系统需要完成的动态性能指标为:
盯=(3—5)%,上
升时间t-2.3s。
1.7控制方案的选择
交一交变频一般只用于低转速、大容量的调速系统,本设计选择交一直一交变频装置。
系
统选用不可控整流桥来提高功率因数。
电流型交直交一般只用于要求频繁加减速的大容量电
机传动,而且电压型逆变器能使直流电压波形比较平直。
因此逆变器设计选用电压型逆变器,
采用SPInt逆变技术。
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第二章变频调速的基本原理和方法
2.1异步电动机调速原理概述
在进行电机调速时,首先要考虑的一个重要因素,总是希望保持每极磁通量中用为额
定值不变。
如果磁通太弱,没有充分利用电机的铁心,是一种浪费;如果过分增大磁通,又
会使铁心饱和,从而导致过大的励磁电流,严重时会因绕组过热而损坏电机。
对于直流电机,
励磁系统是独立的,只要对电枢反应的补偿合适,保持中历不变是很容易做到的。
而对于
交流电机,它只有一个供电回路,一个定子绕组,磁通是定子和转子磁动势合成产生的,这
就使得它的控制比较困难。
三相异步电机定子每相电动势的有效值是:
易z
4.44五Ⅳ1rⅣ1西用(2—1)
式中国—气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值,单位为V;
矗一定子频率,单位为日:
;
Ⅳ1一定子每相绕组串联匝数;
h。
一基波绕组系数;
m。
一每极气隙磁通量肋;
由式(2一1)可知,只要适当控制%和五,便可达到控制磁通巾。
的目的,在确保中。
不
变的情况下,分两种情况考虑:
1)基频以下调速
由式(2一1)可知,要保持①。
不变,当频率六从额定值凡向下调节时,必须同时降低
融,使等一,
即采用恒定的电动势频率比的控制方式。
然而,绕组中的感应是难以直接控制的,当电动势值较高时,可以忽略定子绕组的漏磁
阻抗压降,认为定子相电压U1一Eg,于是可得到:
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鲁
这是恒压频比的控制方式。
低频时,q和t都很小,定子阻抗压降所占的分量比较显著,不可再忽略,这时可以
采取将电压U曲线向上抬高的措施,以便补偿定子压降。
带定子压降补偿的恒压频比控制
特性如图2—1中的曲线II所示,无补偿的控制特性为曲线I。
田2一l恒压瓤比控制特性
I一无补偿Ⅱ一带定子压降朴偿
2)基频以上调速
U
1
IJlN
FlNf
t
蟹2—2异步电机变压变频调邃控辑特性
在基频以上调速时,频率可以从五Ⅳ往上增高,但电压U却不能增加到比额定电压U1Ⅳ
还要大,最多只能保持和U
z‰。
由式(2—1)知,磁通将随着的五增加而成反比例降低,
相当于直流电机的弱磁升速的情况。
把基频以下和基频以上两种情况结合起来,可得到图(2-2)所示的异步电机变压交频调
控制特性。
如果电动机在不同转速下都具有额定电流,则电机都能在温升允许条件下长期运
行,这时转矩基本上随磁通变化,根据电机原理,在基频以下,磁通恒定时转矩也恒定,属
于“恒转矩调速”的性质,在基频以上,转速升高时,转矩降低,基本上属于“恒功率调速”
【3】
2.2变频调速装置分类
如上节讨论,对于异步电机的变压变频调速,必须提供能够同时改变电压和频率的交流
电源。
现有的交流电源式恒压恒频的,因此,必须配备变压变频装置,(通称VVVF装置)。
最早的VwF装置是旋转变频机组,现在的控制方式表明,为满足变频调速的要求,必须同
8贵州大学硕士学位论文
时改变电源的电压和频率。
现有的交流供电电源都是恒压恒频的,因此,必须通过变频装置
获得变压变频的电源,这样的装置称为静止式变频装置。
静止式变频装置从结构上分为间接变频和直接变频两类。
间接变频装置的变频原理是先
将工频交流电源通过整流器变成直流,然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流,因
此又称有中间直流环节的变频装置。
直接变频装置的变频原理则将工频交流一次变换成可控
频率的交流,没有中间环节。
目前,在实际中使用较多的是间接变频装置。
1)间接变频装置(交一直一交变频装置)
50H
I凸IC
DC
整
逆
流
爿k
夏
50H
1E2-3问接变频装置(交一直一交交频装置)
I△lCI△IC
)
)
交一交变频
}
图2—4直接(交一交)变频装置
间接变频装置的变频原理如图2-3所示,此类装置按照不同的控制方式可分为三类:
a)
用可控整流器调压、用逆变器调频的变频装置(采用PAM调制方式),此类变频装
置结构简单,控制方便。
这种控制方式中,由于输入和输出分别在两个环节上进
行,两者需要在控制电路上协调配合,由于输入环节采用可控整流器,当电压和
频率调得很低时,电网侧功率因数较低,输出环节多用由晶闸管组成的三相六拍
逆变器,输出谐波较大。
b)用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的交一直一交变频装置(仍采
用PAM调制方式),此整流器不调压,单独设置斩波器,用脉宽调压,调压时输入
功率因数不变,但还有交大的谐波输出。
c)用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器同时调压和调频的交一直一交变频装置功
率因数提高(采用P删调制方式),这种控制方式中,用不可控整流,功率因数提
高,用PWM逆变,谐波减小,谐波减小的程度取决于开关的频率,而开关频率受
9贵州大学硕士学位论文
器件开关时间的限制,它是当前最有发展前途的一种装置。
2)
直接变压变频装置(交一交变压变频装置)
它只有一个变换环节(如图2-4所示),其输出的每一相都是一个两组晶闸管整流
装置反并联的可逆线路。
正、反两组按一定周期相互切换,在负载上获得交变的输出
电压。
输出电压的幅值取决于两组整流装置的控制角,输出电压的频率取决于两组的
切换频率。
如果控制角保持不变,则输出的平均电压为方波,要想得到正弦波输出,
就必须在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。
其突出的优点是:
它的变换中间
环节少,变换效率高,缺点是最高输出频率不超过电网频率的I/3—1/2。
因此调速范
围受到限制,交一交变频一般只用于低转速、大容量的调速系统,如轧钢机、球磨机、
水泥回转窑等。
这类机械用交一交变频装置供电的低速电机直接传动,可以省去庞大
的齿轮减速箱。
交一交变频和交一直一交变频从变频电源的性质上看,都可分为电压源变频器和电流
源变频器两大类。
+
U
dl
—
逆
Cd±
爿R
叉
器
Ld
L_——,r,’rL——一
————·—————■-
逆
b
7依
又
器
f=L)电压源变频器b/电流源变频器
图2—5电压源和电流源交一直一交变频器
1)电压源变频器
对于交一直一交变频器,当中间直流环节主要采用大电容滤波时,直流电压波形比较平
直,在理想情况下是一种内阻抗为零的恒压源,输出交流电压是矩形波或阶梯波,这种变频
器称为电压源变频器,或叫做电压型变频器(图2-5a)。
一般的交一交变频器虽然没有滤波
电容,但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质,因