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矢量控制交流变频调速系统设计-设计论文-毕设论文.doc
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1、毕业设计(论文)题 目:矢量控制交流变频调速系统设计 姓 名: 学 号: 0904150109 指导教师(职称): 文小玲(教授) 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: 2009自动化01 所 在 学 院: 电气信息学院 2013年5月武汉工程大学 毕业设计目 录摘 要IIAbstractIII第一章 绪论11.1 变频调速技术的发展11.2 变频调速系统的类型及其主电路结构21.3 变频调速系统的控制方法61.4 设计任务与要求8第二章 系统主电路设计92.1 主电路结构设计92.2 主电路参数计算及元器件选型分析10第三章 三相异步电动机的矢量控制数学模型153.1 异步电动机在三相坐标
2、系上的数学模型和性质153.2 坐标变换203.3 异步电动机在两相dq同步旋转坐标系上的数学模型233.4 按转子磁链(磁通)定向的数学模型25第四章 异步电动机的矢量控制策略274.1 矢量控制的基本思想274.2 按转子磁场定向的矢量控制方法的实现28第五章 系统仿真建模与分析335.1 MATLAB/SIMULINK简介335.2 仿真模型的建立335.3 系统仿真分析36总结与展望39致 谢41参考文献43- -武汉工程大学 毕业设计摘 要变频调速是交流电动机各种调速方式中效率最高、性能最好的调速方法,在整个交流调速中占有重要的地位。采用MATLAB软件包中的SIMULINK对基于数
3、学模型基础上的电气传动控制系统进行仿真建模,具有建模简便、结构直观、操作灵活等优点,并且仿真结果具有较高的精度。 本文介绍了现代交流调速系统的发展概况、小容量矢量控制的变频调速系统的主电路设计方法、三相异步电动机在三相坐标系和两相坐标系下的动态数学模型及其矢量控制方法。并在此基础上应用MATLAB/SIMULINK仿真工具建立了按转子磁场定向的异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真模型,并对其性能进行了仿真分析。仿真结果证明了所设计的系统主电路及其控制算法的可行性和有效性。关键词:MATLAB/SIMULINK;矢量控制;异步电动机;仿真- -武汉工程大学 毕业设计AbstractVariabl
4、e-frequency speed regulation is the most efficient way and the best performance and plays an important role in the whole motor speed control. The electric transmission control system simulation models are based on mathematical models used the SIMULINK which belongs to the MATLAB software package to
5、simulate, it provides with modeling a simple, intuitive structure, operational flexibility and other advantages, and the simulation results with high accuracy.This article describes the development of modern AC drive system overview, small-capacity vector control inverter main circuit system design,
6、 three-phase three-phase asynchronous motor in the coordinate system and the two-phase coordinate system dynamic mathematical model and its vector control methods. And on this basis the application of MATLAB / SIMULINK simulation tool created by the rotor field oriented vector control of induction m
7、otor variable speed system simulation model, and its performance is simulated. Simulation results show that the designed system main circuit and control method is feasible and effective.Key words: MATLAB/SIMULINK;Vector control;Asynchronous motor;Simulation- -武汉工程大学 毕业设计第一章 绪论1.1 变频调速技术的发展电动机作为主要的动力
8、设备被广泛应用于工农业生产、国防、科技、日常生活等各个方面,其负荷约占总发电量的60- 70,成为用电量最多的电气设备。根据采用的电流制式不同,电动机分为直流电动机和交流电动机两大类,其中交流电动机形式多样、用途各异、拥有量最多,交流电动机又分为同步电动机和异步(感应)电动机两大类。根据统计,交流电动机用电量占电机总用电量的85左右,可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位1。现代变频技术是交流电动机控制技术的核心,而变频技术的核心是功率变换器件和微电子控制技术。电力电子和微电子技术的发展,推动了变频技术的发展,反过来变频技术的发展又对电力电子变换器件提出了新的要求。20世纪是电力
9、电子变频技术从诞生到发展的一个全盛时代。20世纪30年代应用机械旋转式变频机组,将工频电源变换成低于工频以下的电源,功率变换器件是原动机发电机组,存在效率低、损耗大、噪声大、体积大等问题。60年代SCR(晶闸管)问世,70年代晶闸管变频器开始逐步取代变频机组,进入了电力电子变频技术时代,使变频技术有了新的发展。但是,由于晶闸管换向是靠外界电源直接控制关断,因此需要复杂的换向电路和电压,且电流保护回路控制复杂,开关频率低,目前主要用于交交变频器。80年代GTR(自关断器件大功率双极性晶闸管)的问世,出现了高性能GTR变频器,其性能大大优于晶闸管变频器,很快就在工业领域得到广泛应用,并盛行一时。然
10、而,由于GTR、GTO(可关断晶闸管)为电流控制器件,存在驱动功率大、开关频率低、并联困难等问题,难以实现大容量化及高频低损耗。用户的高频化要求推动了功率器件栅极的MOS化,90年代MOS场效应型IGBT(绝缘栅极晶闸管Insulated Gate Bipolar Transistor)广泛用作变频器的功率变换器件。因为IGBT具有开关频率高、并联容易、易实现高压大容量化、控制方便的特点,所以一登场就体现了强大的生命力,很快取代了GTR,其应用从通用变频器(INV)、不间断电源(UPS)、伺服(SV)、机器人,以至扩大到家用电器、办公自动化、医疗器械、太阳能发电等众多领域。IGBT变频器己成为
11、当代变频调速技术的主流,而且在相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器。同时,IGBT智能化模块(IGBT一IPM)及智能化变频器将会有很大的发展。功率器件及变频器的智能化是将功率变换、驱动、检测、控制、保护等功能集成化,实现高效节能、功能全面、高附加值化。而且,不断研制出各种新型电力电子器件IGCT(集成门极强驱动晶闸管Integrated Gate Commutated Thyristor)、MCT(MOS控制晶闸管MOS Controlled Thyristor)、IEGT(集成发射式门极晶闸管Integrated Emit Gate Thyristor)、GaAs(砷化镓)、S
12、IC(碳化硅复合器件)、SITH(静电感应晶闸管Static Induct Thyristor)、光控IGBT及超导功率器件等新功能功率变换器2。在国民经济建设和国防科技事业的进程当中,交流调速的应用极为广泛和重要。20世纪60年代以后,由于生产发展的需要和节省电能的要求,促使世界各国重视交流调速技术的研究与开发。尤其是20世纪70年代以后,由于科学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。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己成为必然的发展趋势。交流电机变频调速
13、技术是当今节能、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、高功率因数和节电效果,以及其它许多优点而成为目前广泛应用的最有发展前途的调速方式3。 1.2 变频调速系统的类型及其主电路结构 变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源,供给交流电动机。随着电力半导体器件的发展,静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。静止式变频器从变换环节分为两大类:交-直-交变频器和交-交变频器。1.交-交型变频器:它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电(转换前后的相数相同),又称直接式变频器。由于中间不经过直流环节
14、,不需换流,故效率很高。因而多用于低速大功率系统中,如回转窑、轧钢机等。但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/31/2,所以不能高速运行。2.交-直-交型变频器:交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流,然后再直流变换成频率电压可调的交流,又称间接变频器,交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。它根据直流部分电流、电压的不同形式,又可分为电压型和电流型两种:(1)电流型变频器电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率,即扼制电流的变化,使电压波形接近正弦波,由于该直流环节内阻较大,故称电流源型变频器。(2)电压型变频器电压型变频器的特点是
15、中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率,直流环节电压比较平稳,直流环节内阻较小,相当于电压源,故称电压型变频器。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率,因此其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响,它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与之相比,电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变,其特性类似于电流源,它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中4。目前,按电压等级来分,又可将变频器分为低压变频器和中、高压变频器。低压变频器是指输出电压500V 的变频器。所有国内外品牌的低压变频器,其主电路均为电压源型的交-直-交结构,形式
16、上几乎都是两电平6脉冲,用IGBT作逆变开关,电路如图1.1所示。它具有运行稳定、调速范围宽、输出波形好、输入电流谐波含量低、功率因数高、效率高、电路简单的特点, 因而应用十分广泛。使用时应该明确: 当电动机的功率200kW 时,380500V的低压电源可以直接进入主电路的整流环节;当电动机的功率200kW 时,为减少输电线路上的损耗,我国设计规范规定:宜采用高压供电,此时应在高压电源与低压变频器之间装设降压变压器5。图1.1 低压变频器主电路结构中压变频器是指输出电压6kV的变频器。其主电路一般为电压源型的交-直-交结构, 形式上多采用中心点钳位型三电平逆变电路(从图1.2电路结构看是电流源
17、型变频器,用的是两电平逆变器,只是上下桥臂各有3个器件串联)以避免整流及逆变器件串联引起的动态均压问题,主电路如图1.2所示。其整流电路一般是12脉冲,整流变压器初级接成三角形,次级需要两个绕组,一个接成三角形,另一个接成星型。由于两个次级绕组线电压相同, 则它们各相之间相位差为30,这样5次、7次谐波会在初级抵消, 17次、19次谐波也会互相抵消。当经过两个整流桥的串联叠加后,可得到12个波头的整流输出波形,比图1.1中的6个波头更平滑。如果要求更高, 整流电路还可以采用24脉冲, 此时整流变压器次级需4个绕组, 整流桥需4个串联。三电平逆变的变频器,输出波形中会不可避免地产生较大的谐波分量
18、,因此在变频器的输出侧必须配置输出LC滤波器才能用于普通的笼型电机。经LC滤波后,总谐波畸变率THD98%);采用直接矢量控制,电机转矩可快速变化而不影响磁通,其运行效果接近于直流传动装置。另外,由于是直接变频,电网电压与电机电压相同,容易实现旁路控制。使用中考虑到电流的谐波成分较大,需要专门设计输出滤波器,才能够供电机使用。如果输入端用可控器件实现PWM 整流,会使电网侧的谐波增大,需加进线电抗器滤波6。 图1.2 中压变频器主电路结构高压变频器是指输出电压为610kV 的变频器。其主电路一般采用单元串联多重化技术,即每相由几个低压PWM 变频功率单元串联来实现直接高压输出,如图1.3所示。
19、图中左边的隔离变压器次级绕组的个数与三相功率单元个数相等, 每个绕组给各自的功率单元供电。中间一套3个绕组采用三角形接法,上下各有两套分别超前(12、24)与滞后(12、24)的4个绕组。由5对依次相移12的三角载波对基波电压进行调制,A、B、C各相基波调制所得的5个信号,分别控制该相的5个功率单元,每相经叠加后可得到具有11级阶梯电平的相电压、21级阶梯电平的线电压,相当于30脉冲变频。每个功率单元都是由低压IGBT构成的三相输入、单相输出的低压PWM电压型逆变器组成。这类变频器的特点是:输出谐波很小(有完美无谐波的美称),消除了谐波引起的转矩脉动,电机的发热与噪声大大减少。同时,无须采用均
20、压电路、吸收电路与输入、输出滤波器;输入功率因数0.95,总效率(包括隔离变压器)96%。其中,功率单元电路如图1.4所示,每个功率单元输出电压为1、0、1三种状态电平,每相5个单元叠加,就可产生11种不同的电平等级,分别为5、4、3、2、1和07。 图1.3 高压变频器主电路结构 图1.4 功率单元电路1.3 变频调速系统的控制方法随着交流电机控制等各种技术的发展,矢量控制和直接转矩控制等高性能调速系统相继出现,其中矢量控制以其优良的性能成为目前实际应用最为广泛的调速方法8。根据生产的要求,变频器的型式和电动机的种类,会出现多种多样的变频调速控制方案。目前,交-直-交变频器常用的三种控制方法
21、是转速开环控制、转速闭环矢量控制及直接转矩控制方法。(1)开环控制通用变频器常用转速开环、恒压频比加定子电压低频补偿的控制方式,其基本结构原理框图如图1.5所示,主要由斜坡函数模块、恒压频比模块、PWM信号生成模块组成。这种控制方案结构简单,可靠性高。可以消除动态过程中转矩电流的波动,从而提高了通用变频器的动态性能。但是,由于是转速开环控制方式,其调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域电压调整比较困难,不可能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存在转差率,转速随负荷力矩变化而变动,即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能,也难以达到0.5%的精度,因此,采用这
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