風(fēng)機調(diào)速系統(tǒng),風(fēng)機,調(diào)速,系統(tǒng) 電力電子技術(shù)課程設(shè)計 目錄 一、 設(shè)計的基本要求……………………………………………1 變頻器的分類及特點：……………………………………1 二、總體方案的確定………………………………………………5 1、變頻器的主電路構(gòu)成………………………………5 2、變頻器控制電路的基本構(gòu)成……………………6 3、變頻器技術(shù)發(fā)展方向預(yù)測………………………7 4、整流電路分析：……………………………………8 5、逆變電路分析：……………………………………9 6、波形分析……………………………………………10 7、定量計算………………………………………11 8、變頻器中各參數(shù)的計算………………………11 三、參考文獻……………………………………………………12 風(fēng)機調(diào)速系統(tǒng) 摘要：變頻器廣泛應(yīng)用與現(xiàn)代工廠的變頻調(diào)速系統(tǒng)。其中有一部分用于風(fēng)機調(diào)速，由于風(fēng)機屬于平方降轉(zhuǎn)矩負(fù)載，故在風(fēng)機調(diào)速中通常選擇普通功能型變頻器。 關(guān)鍵字：變頻調(diào)速 整流 逆變 一、設(shè)計基本要求 從某種意義上說，如果能夠有一個可以任意改變頻率的電源的話，即可以通過改變電源的頻率來實現(xiàn)異步電動機的調(diào)速控制，但是，由于在實際的調(diào)速控制過程中，還必須考慮到有效利用電動機磁場，抑制啟動電流和得到理想的轉(zhuǎn)矩特性等方面的問題，一個普通的頻率可調(diào)交流電源并不能、滿足對異步電動機進行調(diào)速控制的要求。 變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。 從結(jié)構(gòu)上看，變頻器可分為直接變頻和間接變頻兩種。間接變頻器先將工頻交流電源通過整流器變成直流，然后通過逆變器將直流變換為可控頻率的交流，因此又稱之為有中間直流環(huán)節(jié)的變頻裝置或交-直-交變頻器。直接變頻器是將工頻交流一次變換為可控頻率交流，沒有中間直流環(huán)節(jié)，即所謂的交-交變頻器。目前應(yīng)用較多的是間接變頻器，即交-直-交變頻器。因此可以認(rèn)為變頻器的基本構(gòu)成如下圖所示： 變頻器的分類及特點： 變頻器的分類方法很多，以下是幾種主要的分類方法； 1． 按直流電源的性質(zhì)分 當(dāng)逆變器輸出側(cè)的負(fù)載為交流電動機時，在負(fù)載和直流電源之間有無功功率交換，用于緩沖中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件可以是電容或是電感，據(jù)此變頻器可分為電壓型和電流型兩類。 2．按逆變開關(guān)方式分 按逆變開關(guān)方式對變頻器分類時，則變頻器可分為PAW方式和PWM方式。PAW控制是Pulse Amplitude Modulation(脈沖振幅調(diào)制)控制的簡稱，由于這種控制方式必須同時對整流和逆變電路進行控制，控制電路比較復(fù)雜，而且低速運行時轉(zhuǎn)速脈動較大，因此現(xiàn)在主要采用PWM 方式。 PWM控制是Pulse Width Modulation（脈沖寬度調(diào)制）控制的簡稱，是在逆變電路部分同時對輸出電壓（電流）的幅值和頻率進行控制的控制方式。在這種控制方式中，以較高頻率對逆變電路的半導(dǎo)體開關(guān)元器件進行開閉，并通過改變輸出脈沖的寬度來達(dá)到控制電壓（電流）的目的。 為了使異步電動機在進行調(diào)速運轉(zhuǎn)時能夠更加平滑，目前在變頻器中多采用正弦波PWM控制方式，即通過改變PWM輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平均值接近正弦波。這種方式也被稱為SPWM控制。 3．按控制方式分類 當(dāng)今對變頻器的控制方式可整體分為兩類：非智能控制和智能控制。 3．1非智能控制方式 　　在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。 (1) V/f控制 　　V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調(diào)速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉(zhuǎn)矩補償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。 (2) 轉(zhuǎn)差頻率控制 　　轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在V/f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動機的實際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負(fù)載變動有良好的響應(yīng)特性。 (3) 矢量控制 　　矢量控制是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動機定子電流的大小和相位，以達(dá)到對電動機在d、q、0坐標(biāo)軸系中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進行控制，進而達(dá)到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種PWM波，達(dá)到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的PWM波以減少開關(guān)損耗。目前在變頻器中實際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。 　　基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn)差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標(biāo)變換對電動機定子電流的相位進行控制，使之滿足一定的條件，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這種控制方式屬于閉環(huán)控制方式，需要在電動機上安裝速度傳感器，因此，應(yīng)用范圍受到限制。 　　無速度傳感器矢量控制是通過坐標(biāo)變換處理分別對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，然后通過控制電動機定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬，啟動轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便，但計算比較復(fù)雜，一般需要專門的處理器來進行計算，因此，實時性不是太理想，控制精度受到計算精度的影響。 (4) 直接轉(zhuǎn)矩控制 　　 直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué) 模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達(dá)到觀測定子磁鏈的目的，因此省去 了矢量控制等復(fù)雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動具有負(fù)荷平衡功能。 (5) 最優(yōu)控制 　　最優(yōu)控制在實際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一控制要求進行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。 3．2智能控制方式 　　智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制等。在變頻器的控制中采用智能控制方式在具體應(yīng)用中有一些成功的范例。 　　(1) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式應(yīng)用在變頻器的控制中，一般是進行比較復(fù)雜的系統(tǒng)控制，這時對于系統(tǒng)的模型了解甚少，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既要完成系統(tǒng)辨識的功能，又要進行控制。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式可以同時控制多個變頻器，因此在多個變頻器級聯(lián)時進行控制比較適合。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)太多或者算法過于復(fù)雜都會在具體應(yīng)用中帶來不少實際困難。 　　(2) 模糊控制 　　模糊控制算法用于控制變頻器的電壓和頻率，使電動機的升速時間得到控制，以避免升速過快對電機使用壽命的影響以及升速過慢影響工作效率。模糊控制的關(guān)鍵在于論域、隸屬度以及模糊級別的劃分，這種控制方式尤其適用于多輸入單輸出的控制系統(tǒng)。 　　(3) 專家系統(tǒng) 　　專家系統(tǒng)是利用所謂“專家”的經(jīng)驗進行控制的一種控制方式，因此，專家系統(tǒng)中一般要建立一個專家?guī)?，存放一定的專家信息，另外還要有推理機制，以便于根據(jù)已知信息尋求理想的控制結(jié)果。專家?guī)炫c推理機制的設(shè)計是尤為重要的，關(guān)系著專家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。應(yīng)用專家系統(tǒng)既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流。 　　(4) 學(xué)習(xí)控制 　　學(xué)習(xí)控制主要是用于重復(fù)性的輸入，而規(guī)則的PWM信號(例如中心調(diào)制PWM)恰好滿足這個條件，因此學(xué)習(xí)控制也可用于變頻器的控制中。學(xué)習(xí)控制不需要了解太多的系統(tǒng)信息，但是需要1~2個學(xué)習(xí)周期，因此快速性相對較差，而且，學(xué)習(xí)控制的算法中有時需要實現(xiàn)超前環(huán)節(jié)，這用模擬器件是無法實現(xiàn)的，同時，學(xué)習(xí)控制還涉及到一個穩(wěn)定性的問題，在應(yīng)用時要特別注意。 4．按主開關(guān)器件分類 逆變器中主開關(guān)器件的性能，往往地變頻器裝置的性能有較大的影響。這些器件主要有IGBT，BJT，GTO和SCR。 二、總體方案確定 1、變頻器的主電路構(gòu)成 交流電頻率可控 交流電商用電源 整流電路 中間直流電路 逆變電路 控 制 電 路 變頻器的主電路主要由整流電路，直流中間電路和逆變電路三部分組成，如下圖示： （1）整流電路 整流電路的主要作用是對電網(wǎng)電流進行整流后給逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。在電流型逆變器中整流電路相當(dāng)于一個直流電流源，而在電壓型逆變器中整流電路相當(dāng)于一個直流電壓源。根據(jù)所有整流元件的不同，整流電路可有二極管整流電路和晶閘管整流電路。二極管整流電路主要用于PWM變頻器，其輸出直流電壓決定于電源電壓的幅值。晶閘管整流電路輸出的直流電壓是可控的。 （2）中間直流電路 整流電路輸出的直流電壓經(jīng)中間電路的電容進行平滑處理后送至逆變電路。電壓型變頻器用于直流中間電路的直流電容為大容量鋁電解電容，在電源接通時電容中將流過較大的充電電流（浪涌電流），有燒壞二極管及影響處于同一電源系統(tǒng)的其他裝置正常工作的可能，因而變頻器提供了直流電抗器選件，以抑制浪涌電流。 （3）逆變電路 逆變電路是變頻器最主要的部分之一。他在控制電路的作用下將直流中間電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電壓。逆變器的輸出即位變頻器的輸出，他被用來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速控制。 （4）變頻器的制動電路 為了滿足電動機制動是的需要，在變頻器主電路中還包括制動電路等輔助電路。在采用變頻器對異步電動機進行調(diào)速控制時，為了使電動機減速，可以采取降低變頻器輸出頻率的方法降低電動機的同步轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到使電動機減速的目的。在電動機的減速過程中，由于同步轉(zhuǎn)速低于電動機的實際轉(zhuǎn)速，異步電動機便成為異步發(fā)電機，負(fù)載機械和電動機所具有的機械能量被饋還給電動機，并在電動機中產(chǎn)生制動力矩。 變頻器的電氣制動一般分為能耗制動，電源回饋制動，直流制動3種。直流制動通常用于數(shù)赫茲以下的低頻區(qū)域即電機即將停止之前，且制動力矩不能太大，時間不能太長。電源回饋制動則將通過回饋電路反饋到電網(wǎng)。當(dāng)然從節(jié)能的角度看來，電源回饋制動是最好的一種方式，但線路復(fù)雜，成本高。 2、變頻器控制電路的基本構(gòu)成 變頻器的控制電路與主電路相對應(yīng)，為主電路提供所需的驅(qū)動信號。控制電路的主要作用是根據(jù)事先確定的變頻器的控制方式產(chǎn)生進行V/F或電流控制時所需要的各種門極驅(qū)動信號或基極驅(qū)動信號。此外，變頻器控制電路還包括對電流，電壓以及電動機速度進行檢測的信號檢測電路，為變頻器和電動機提供保護的保護電路，對外接口電路和對數(shù)字操作器的控制電路。 變頻器主控制電路 變頻器主控制電路的中心是一個高性能的微處理器，并配以ASIC、PROM、RAM芯片和其它必要的周邊電路。它通過A/D、D/A等接口電路接收檢測電路和外部接口電路送來的各種檢測信號和參數(shù)設(shè)定值，利用事先編制好的軟件進行必要的處理，并為變頻器提供各種必要的控制信號和顯示信息。一個通用變頻器中主控制電路主要完成輸入信號處理、加減速率調(diào)節(jié)功能、運算處理、PWM波形演算處理等，給主驅(qū)動電路提供控制信號。 3、變頻器技術(shù)發(fā)展方向預(yù)測 變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的運動控制系統(tǒng)包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。 隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價格比越來越高，體積越來越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性實現(xiàn)變頻器的進一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無公害化而做著新的努力。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對電機的影響；二要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)；三要看本身的能量損耗如何。這里僅以量大面廣的交—直—交變頻器為例，闡述它的發(fā)展趨勢： 　 主電路功率開關(guān)元件的自關(guān)斷化、模塊化、集成化、智能化；開關(guān)頻率不斷提高，開關(guān)損耗進一步降低。 變頻器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面。變頻器的網(wǎng)側(cè)變流器對低壓小容量的裝置常采用6脈沖變流器，而對中壓大容量的裝置采用多重化12脈沖以上的變流器。負(fù)載側(cè)變流器對低壓小容量裝置常采用兩電平的橋式逆變器，而對中壓大容量的裝置采用多電平逆變器。對于四象限運行的轉(zhuǎn)動，為實現(xiàn)變頻器再生能量向電網(wǎng)回饋和節(jié)省能量，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)為可逆變流器，同時出現(xiàn)了功率可雙向流動的雙PWM變頻器，對網(wǎng)側(cè)變流器加以適當(dāng)控制可使輸入電流接近正弦波，減少對電網(wǎng)的公害。 脈寬調(diào)制變壓變頻器的控制方法可以采用正弦波脈寬調(diào)制控制、消除指定次數(shù)諧波的PWM控制、電流跟蹤控制、電壓空間矢量控制(磁鏈跟蹤控制)。 交流電動機變頻調(diào)整控制方法的進展主要體現(xiàn)在由標(biāo)量控制向高動態(tài)性能的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制發(fā)展和開發(fā)無速度傳感器的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方面。 微處理器的進步使數(shù)字控制成為現(xiàn)代控制器的發(fā)展方向。運動控制系統(tǒng)是快速系統(tǒng)，特別是交流電動機高性能的控制需要存儲多種數(shù)據(jù)和快速實時處理大量信息。近幾年來，國外各大公司紛紛推出以DSP(數(shù)字信號處理器)為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)的稱為DSP單片電機控制器，價格大大降低，體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。DSP和普通的單片機相比，處理數(shù)字運算能力增強10～15倍，可確保系統(tǒng)有更優(yōu)越的控制性能。數(shù)字控制使硬件簡化，柔性的控制算法使控制具有很大的靈活性，可實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，使現(xiàn)代控制理論在運動控制系統(tǒng)中應(yīng)用成為現(xiàn)實，易于與上層系統(tǒng)連接進行數(shù)據(jù)傳輸，便于故障診斷、加強保護和監(jiān)視功能，使系統(tǒng)智能化(如有些變頻器具有自調(diào)整功能)。 4、整流電路分析： 目前在各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理圖如下圖所示，習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1、VT3、 VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。按此編號，晶閘管的導(dǎo)通順序為 VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。 帶阻感負(fù)載時，或帶電阻負(fù)載α≤60o時）的平均值為 帶電阻負(fù)載且α>60o時，整流電壓平均值為 ?輸出電流平均值為Id = Ud/R。 變壓器二次側(cè)電流有效值為 三相橋式全控整流電路接反電動勢阻感負(fù)載時，在負(fù)載電感足夠大足以使負(fù)載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感性負(fù)載時相似，電路中各處電壓、電流波形均相同，僅在計算Id時有所不同，接反電動勢阻感負(fù)載時的Id為 ? 5、逆變電路分析： 180°導(dǎo)電方式 ? 每橋臂導(dǎo)電180°，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120° ? 任一瞬間有三個橋臂同時導(dǎo)通 ? 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流 ?? 6、波形分析 負(fù)載各相到電源中點N'的電壓：u相，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2 負(fù)載線電壓 負(fù)載相電壓 負(fù)載中點和電源中點間電壓 負(fù)載三相對稱時有： 于是： 7、定量計算： 8、變頻器中各參數(shù)的計算： （1） 平波電抗器電感值的計算： 計算原則：在晶閘管導(dǎo)通期間電感的儲能應(yīng)能夠保證晶閘管關(guān)斷期間的電流連續(xù)且保證工程要求的電流最小值： = 其中為直流側(cè)輸出的線電壓，為t時刻電感的儲能，且線、相電壓的關(guān)系為=220；電感儲能的截止時間為180時刻。 （2）晶閘管額定參數(shù)的計算： 在三相全控橋中，阻感負(fù)載時，晶閘管承受的最大正、反向電壓峰值均為 變壓器二次側(cè)電流即晶閘管電流有效值為：===0.577 由此可得晶閘管的額定電流為==0.368 再之，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2~3倍。 一般是利用有效值相等的原則來選取晶閘管的額定電流，（即使用時同樣應(yīng)按照實際波形的電流與通態(tài)平均電流所的發(fā)熱效應(yīng)相等），并留取一定的裕量，一般取其通態(tài)平均電流為按此原則計算結(jié)果的1.5~2倍。 由于題目要求直流輸出電流額定值為100A，即=100A，故有===0.577=57.7A；==36.75A， 由晶閘管額定電流的取法可得：，（為所取晶閘管的額定電流） 故可取范圍為55.12~73.50（A） 三相全橋整流電路中晶閘管承受的最大電壓為（其中為變壓器二次側(cè)電壓） 題目要求：輸入交流電源為： 三相380V10% f=50Hz，故每相的相電壓為220，頻率與線電壓頻率相同。為f=50HZ，故=2.45=540V （3）變壓器容量的確定（S） 因為變壓器原、副邊的輸入，輸出功率相等，故S== 、均以求得，所以S==220*57.7w=12694w 即在題目要求的前提下，變壓器的容量應(yīng)該確定為13000w左右。 三、參考文獻 [1]滿永奎 通用變頻器及其應(yīng)用 北京；機械工業(yè)出版社 [2]原奎 變頻器基礎(chǔ)及應(yīng)用 北京；冶金工業(yè)出版社 [3]王兆安 黃俊 電力電子技術(shù) 北京；機械工業(yè)出版社 [4]何建平 陸治國 電氣傳動 重慶；重慶大學(xué)出版社 [5] 李仁 電器控制 北京；機械工業(yè)出版社 13