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交流變壓變頻調速系統(tǒng)-電氣工程及其自動化論文
交流變壓變頻調速系統(tǒng)-電氣工程及其自動化論文
4.1 變壓變頻調速簡介
由 知，當極對數(shù)p不變時，同步轉速 和電源頻率 成正比。連續(xù)地改變供電電源頻率，就可以平滑地調節(jié)電動機的轉速。這樣的調速方法叫變頻調速。變頻調速具有很好的調速性能，在交流調速方式中具有重要意義，應用越來越廣泛。
4.1.1變頻調速的基本控制方式
在進行電機調速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量 Fm 為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。
對于直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應有恰當?shù)难a償，F(xiàn)m 保持不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通Fm 由定子和轉子磁勢合成產生，要保持磁通恒定就需要費一些周折了。
定子每相電動勢： (4-1)
式中：Eg —氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值，單位為V；
—定子平率，單位為Hz；
Ns—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；
—基波繞組系數(shù)；
—每極氣隙磁通量，單位為Wb。
由式（4-1）可知，只要控制好Eg和f1，便可達到控制磁通Fm的目的，對此需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況：
（1）基頻以下調速
由式（4-1）可知，要保持Fm不變，當頻率 f1從額定值f1N向下調節(jié)時，必須同時降低Eg，使： (4-2)
即采用恒值電動勢頻率比的控制方式。
然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓 Us ≈ Eg，則得： (4-3)
這是恒壓頻比的控制方式。
但是，在低頻時Us和Eg都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，需要人為地把電壓 Us 抬高一些，以便近似地補償定子壓降。
帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性示于下圖中的b線，無補償?shù)目刂铺匦詣t為a 線。
圖4-1 恒壓頻比控制特性
（2）基頻以上調速
在基頻以上調速時，頻率應該從f1N向上升高，但定子電Us卻不可能超過額定電壓UsN，最多只能保持Us = UsN，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。
把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如下圖所示。
圖4-2 異步電機變壓變頻調速的控制特性
如果電機在不同轉速時所帶的負載都能使電流達到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉矩基本上隨磁通變化。按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速”性質；而在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，基本上屬于“恒功率調速”。
4.1.2 異步電動機電壓-頻率協(xié)調控制的機械特性
異步電動機的機械特性在不同的條件下有不同的特性曲線，本小節(jié)主要從三個方面介紹異步電動機的機械特性。
（1）恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械特性
在電機學中已經知道異步電機在恒壓恒頻正弦波供電時的機械特性方程式：Te= f (s)。當定子電壓Us和電源角頻率w1恒定時，可以改寫成如下形式：
（4-4）
當s很小時，可忽略上式分母中含s各項，則：
（4-5）
也就是說當s很小時，轉矩近似與s成正比，機械特性 Te = f（s）是一段直線，見圖4-3。
當 s 接近于1時，可忽略式（4-4）分母中的Rr' ，則：
（4-6）
即s接近于1時轉矩近似與s成反比，這時，Te = f（s）是對稱于原點的一段雙曲線。
當 s 為以上兩段的中間數(shù)值時，機械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖所示。
圖4-3 恒壓恒頻時異步電機的機械特性
（2）基頻以下電壓-頻率協(xié)調控制時代機械特性
由式（4-4）機械特性方程式可以看出，對于同一組轉矩Te和轉速n（或轉差率s）的要求，電壓Us和頻率w1可以有多種配合，即在Us和w1的不同配合下也有多種機械特性，因此有不同方式的電壓－頻率協(xié)調控制。
（a）恒壓頻比控制（ Us /w1 ）
在第4-1-1小節(jié)中已經指出，為了近似地保持氣隙磁通不變，以便充分利用電機鐵心，發(fā)揮電機產生轉矩的能力，在基頻以下須采用恒壓頻比控制。這時，同步轉速自然要隨頻率變化。
（4-7）
帶負載時的轉速降落為： （4-8）
在式（4-5）所表示的機械特性近似直線段上，可以導出：
（4-9）
由此可見：當Us /w1為恒值時，對于同一轉矩Te，sw1是基本不變的，因而Dn 也是基本不變的。這就是說，在恒壓頻比的條件下改變頻率w1時，機械特性基本上是平行下移，如圖4-4所示。它們和直流他勵電機變壓調速時的情況基本相似，所不同的是，當轉矩增大到最大值以后，轉速再降低，特性就折回來了。
（4-10）
由上式可以看出：頻率越低時最大轉矩值越小，最大轉矩Temax是隨著的w1降低而減小的。頻率很低時，Temax太小將限制電機的帶載能力，采用定子壓降補償，適當?shù)靥岣唠妷篣s，可以增強帶載能力，見圖4-4。
圖4-4 恒壓頻比控制時變頻調速的機械特性
（b）恒 Eg /w1 控制
下圖再次繪出異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路，圖中幾處感應電動勢的意義如下：
Eg —氣隙（或互感）磁通在定子每相繞組中的感應電動勢；
Es —定子全磁通在定子每相繞組中的感應電動勢；
Er —轉子全磁通在轉子繞組中的感應電動勢（折合到定子邊）。
如果在電壓－頻率協(xié)調控制中，恰當?shù)靥岣唠妷篣s的數(shù)值，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持Eg /w1為恒值（基頻以下），則由式（4-1）可知，無論頻率高低，每極磁通Fm均為常值。
圖4-5 異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應電動勢
由等效電路可以看出： （4-11）
代入電磁轉矩關系式，得：
（4-12）
利用與前相似的分析方法，當s很小時，可忽略式（4-12）分母中含s項，則：
（4-13）
這表明機械特性的這一段近似為一條直線。
當 s 接近于1時，可忽略式（4-12）分母中的Rr'2項，則：
（4-14）
S值為上述兩段的中間值時，機械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡，整條特性與恒壓頻比特性相似。但是，對比式（4-4）和式（4-12）可以看出，恒Eg /w1特性分母中含s項的參數(shù)要小于恒Us /w1特性中的同類項，也就是說s值要更大一些才能使該項占有顯著的份量，從而不能被忽略，因此恒Eg /w1特性的線性段范圍更寬。
將式（4-12）對s求導，并令dTe / ds = 0，可得恒Eg /w1控制特性在最大轉矩時的轉差率： （4-15）
和最大轉矩： （4-16）
值得注意的是，在式（4-16）中，當Eg /w1為恒值時，Temax 恒定不變，如下圖所示，其穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒 Us /w1 控制的性能。這正是恒 Eg /w1 控制中補償定子壓降所追求的目標。
圖4-6 恒Eg /w1 控制時變頻調速的機械特性
（c）恒Er /w1控制
如果把電壓－頻率協(xié)調控制中的電壓再進一步提高，把轉子漏抗上的壓降也抵消掉得到恒Er /w1控制，則機械特性會怎樣呢？由此可寫出
（4-17）
代入電磁轉矩基本關系式，得：
（4-18）
現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時的機械特性完全是一條直線，見圖4-7。
圖4-7 不同電壓－頻率協(xié)調控制方式時的機械特性
顯然，恒Er /w1控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機一樣的線性機械特性，這正是高性能交流變頻調速所要求的性能。
綜上所述，在正弦波供電時，按不同規(guī)律實現(xiàn)電壓－頻率協(xié)調控制可得不同類型的機械特性：
恒壓頻比（Us /w1 = Constant）控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調速要求，但低速帶載能力有些差強人意，須對定子壓降實行補償。
恒Eg /w1控制是通常對恒壓頻比控制實行電壓補償?shù)臉藴�，可以在穩(wěn)態(tài)時達到Frm = Constant，從而改善了低速性能。但機械特性還是非線性的，產生轉矩的能力仍受到限制。
恒 Er /w1控制可以得到和直流他勵電機一樣的線性機械特性，按照轉子全磁通Frm 恒定進行控制，即得：Er /w1 = Constant，而且在動態(tài)中也盡可能保持Frm恒定是矢量控制系統(tǒng)的目標，當然實現(xiàn)起來是比較復雜的。
（3）基頻以上恒壓變頻時的機械特性
在基頻以上變頻調速時，由于定子電壓 Us= UsN 不變，式（4-4）的機械特性方程式可寫成：
（4-20）
而式（4-10）的最大轉矩表達式可改寫成：
（4-21）
同步轉速的表達式仍和式（4-7）一樣。
由此可見：當角頻率提高時，同步轉速隨之提高，最大轉矩減小，機械特性上移，而形狀基本不變，如圖所示。
圖4-8 基頻以上恒壓變頻調速的機械特性
由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢必減弱，導致轉矩的減��；但轉速升高了，可以認為輸出功率基本不變，所以基頻以上變頻調速屬于弱磁恒功率調速。
以上所分析的機械特性都是在正弦波電壓供電下的情況，如果電壓源含有諧波，將使機械特性受到扭曲，并增加電機中的損耗，因此在設計變頻裝置時，應盡量減少輸出電壓中的諧波。
4.2 電力電子變壓變頻器
如前所述，對于異步電機的變壓變頻調速，必須具備能夠同時控制電壓幅值和頻率的交流電源，而電網提供的是恒壓恒頻的電源，因此應該配置變壓變頻器，又稱VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）裝置。
最早的VVVF裝置是旋轉變頻機組，即由直流電動機拖動交流同步發(fā)電機，調節(jié)直流電動機的轉速就能控制交流發(fā)電機輸出電壓和頻率。自從電力電子器件獲得廣泛應用以后，旋轉變頻機組已經無例外地讓位給靜止式的變壓變頻器了。
4.2.1交-交變頻器
交-交變壓變頻器的基本結構如下圖所示，它只有一個變換環(huán)節(jié)，把恒壓恒頻（CVCF）的交流電源直接變換成VVVF輸出，因此又稱直接式變壓變頻器。有時為了突出其變頻功能，也稱作周波變換器（Cycloconveter）。
圖4-9 交-交（直接）變壓變頻器
常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都是一個由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。也就是說，每一相都相當于一套直流可逆調速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路。
圖4-10 交-交變壓變頻器每一相的可逆線路
近年來又出現(xiàn)了一種采用全控型開關器件的矩陣式交-交變壓變頻器，類似于 PWM控制方式，輸出電壓和輸入電流的低次諧波都較小，輸入功率因數(shù)可調，能量可雙向流動，以獲得四象限運行，但當輸出電壓必須為正弦波時，最大輸出輸入電壓比只有0.866。
4.2.2 變壓變頻調速系統(tǒng)中的脈寬調制技術
（1）PWM調制原理
以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調制波（Modulation wave），當調制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調制波的半個周期內呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。
圖4-11 PWM調制原理
按照波形面積相等的原則，每一個矩形波的面積與相應位置的正弦波面積相等，因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效，這種調制方法稱作正弦波脈寬調制（Sinusoidal pulse width modulation，簡稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。
（2）SPWM控制方式
如果在正弦調制波的半個周期內，三角載波只在正或負的一種極性范圍內變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內，叫做單極性控制方式。
如果在正弦調制波半個周期內，三角載波在正負極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制方式。
a）單極性PWM控制方式
b）雙極性PWM控制方式
（3）PWM調制方法
載波比——載波頻率 fc與調制信號頻率fr之比N,即N = fc / fr。根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式分為異步調制和同步調制。
a）異步調制
異步調制——載波信號和調制信號不同步的調制方式。通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的；
在信號波的半周期內，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱。當fr較低時，N較大，一周期內脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較�。划攆r增高時，N 減小，一周期內的脈沖數(shù)減少，PWM 脈沖不對稱的影響就變大。
b）同步調制
同步調制——N 等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步。
為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數(shù)；三相電路中公用一個三角波載波，且取 N 為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱。
c）分段同步調制
把fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持N恒定，不同頻段N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；在fr低的頻段采用較高N，使載波頻率不致過低。
圖4-12 分段同步調制方式
d）混合調制
可在低頻輸出時采用異步調制方式，高頻輸出時切換到同步調制方式，這樣把兩者的優(yōu)點結合起來，和分段同步方式效果接近。
（4）PWM逆變器主電路及輸出波形
圖4-13 三相橋式PWM逆變器主電路原理圖
圖4-14 三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形
圖4-14為三相PWM波形，其中： 、 、 為U，V，W三相的正弦調制波，uc為雙極性三角載波； 、 、 為U，V，W三相輸出與電源中性點N’之間的相電壓矩形波形； 為輸出線電壓矩形波形，其脈沖幅值為+Ud和-Ud； 為三相輸出與電機中點N之間相電壓。
4.3 基于安川變頻器的交流調速控制系統(tǒng)
隨著節(jié)能的普及和工業(yè)自動化的推廣，變頻器的使用越來越多，每年在中國有上百億的銷售額。安川變頻器是世界知名的變頻器之一，由安川電機株式會社生產，在世界各地占有率比較高。
安川變頻器全稱為“安川交流變頻調速器”，主要用于三相異步交流電機，用于控制和調節(jié)電機速度。現(xiàn)在安川電機公司在中國上海市有設有生產廠，專門生產：CIMR-G/CIMR-F/ CIMR-E/CIMR-L等系列的變頻器。
4.3.1 CIMR-E7簡介
本設計采用安川CIMR-E7B4037型號的變頻器，其適合的用途有：①風扇、鼓風機及泵的用途，②傳送帶、擠出機及金屬加工機械等。
Varispeed E7 系列變頻器分為200V級和400V級2種電壓等級，適用電機容量為0.4～300kW(41 種機型)。
對于CIMR-E7B4037號變頻器具體參數(shù)：電壓等級：400V
最大適用電機容量：37KW
輸出容量：57KW
4.3.2 變頻器的配合使用
對于此交直流混合傳動的復卷機電控系統(tǒng)，其交流控制原理圖（即圖2-5）的參數(shù)設定如下表所示：
表4-1 變頻器參數(shù)設定
（1）b1-03（停止方法選擇）
設定指令停止時的停止方法：
0：減速停止，
1：自由運行停止，
2：直流制動停止( 不進行再生動作，比自由運行停止更快)，
3：帶定時的自由運行停止( 忽視減速時間內的運行指令輸入)
設定范圍：0~3
（2）b1-04（反轉禁止選擇）
0：可反轉
1：禁止反轉
2：輸出相旋轉( 兩個方向都可旋轉)
3：禁止反轉的輸出相旋轉
設定范圍：0~3
如果設定了禁止電機反轉，即使輸入反轉運行指令，該指令也不會被接受，故多用于不宜反轉的電機( 例如，風扇、泵等)。通過將b1-04 的設定改變?yōu)?或3，也可以改變輸出相的順序。這比電機旋轉方向錯誤時改變接配線要簡單快捷的多。
（3）b1-12（手動頻率指令的選擇）
設定手動運行頻率指令的選擇。當b1-13=1 時，從自動切換到手動模式時，如果手動指令沿用自動指令，則選擇該參數(shù)。
0：數(shù)字式操作器
1：控制回路端子( 模擬量輸入)
設定范圍：0，1
（4）b2-01（直流制動開始頻率）
停止減速時，以Hz為單位設定開始直流制動時的頻率；b2-01<E1-09時，從E1-09 開始直流制動。
設定范圍：0.00~10.0
（5）C1-01（加速時間1）：以秒為單位設定最高輸出頻率從0% 到100% 的加速時間。
C1-02（減速時間1）：以秒為單位設定最高輸出頻率從100% 到0% 的減速時間。
設定范圍皆為：0.0~6000.0
他們的主要用途是：用來調整加減速時的轉矩。
（6）C1-09（緊急停止時間）：指多功能輸入“緊急停止”為ON 時的減速時間。
作為檢測出故障時的停止方法，也可在選擇“緊急停止”時使用。
設定范圍：0.0~6000.0
（7）D1-17（點動頻率指令）
多功能輸入“點動頻率指令選擇”、“FJOG 指令”或“RJOG 指令”ON 時設定的頻率指令。
設定范圍：0~Fmax
（8）E1-03（V/f 曲線選擇）
0～D：從15種預設V/f曲線中選擇。F：用戶自定義V/f 曲線(可設定E1-04～E1-10)。
設定范圍：0~F
（9）E2-01（電機額定電流）
以A 為單位設定電機額定電流。該設定值為電機保護、轉矩限制、轉矩控制的基準值。自學習時自動設定。
設定范圍：隨kVA 而定
（10）H1-04（端子S6 的功能選擇）：多功能數(shù)字輸入 4
H1-05（端子S7 的功能選擇）：多功能數(shù)字輸入 5
設定范圍皆為：0~82
（11）H4-01（多功能模擬量輸出1端子FM監(jiān)視選擇）：設定需從端子FM 輸出(U1- □□ ) 的監(jiān)視項目的編號。
設定范圍：1~38
H4-02（多功能模擬量輸出1 端子FM 輸出增益）：設定多功能模擬量輸出1的電壓增益，設定監(jiān)視項目的100% 的輸出量10V的幾倍，但從端子輸出的電壓最高為10V。
設定范圍：0~1000.0%
H4-03（多功能模擬量輸出1 端子FM 偏置）：設定多功能模擬量輸出1的電壓偏置。以10V作為100%，以%為單位設定使輸出特性呈上下平行移動的量，但從端子輸出的電壓最高為10V。
設定范圍：-110~+110%
（12）T1-02（電機輸出功率）：以kW為單位設定電機的額定輸出功率。
設定范圍：0.00~650.00
（13）T1-04（電機額定電流）：根據電機的銘牌值，以A為單位設定電機的額定電流。
設定范圍：0.32~6.40
小結：在以上理論和參數(shù)設定的基礎上，應用恒壓頻比交流調速原理，借助安川變頻器CIMR-E7B4037便可設計出交流傳動控制原理圖（見附錄圖2）。
5 總 結
5.1 控制系統(tǒng)的組成與功能
5.1.1 系統(tǒng)的概貌
對于此交流和直流混合控制的復卷機電控系統(tǒng)，其系統(tǒng)控制原理圖見附錄。
5.1.2 系統(tǒng)的組成
（1）傳動系統(tǒng)回路
由原理圖可知：傳動系統(tǒng)主回路包括：三相進線、主斷路器、主接觸器、進線電抗器等。傳動系統(tǒng)采用直流母線制包括：整流單元，使用恒壓頻比控制的一臺110KW逆變器單元；電機系統(tǒng)：30KW普通三相籠型直流電機一臺，37KW三相交流變頻電機一臺。
（2）控制系統(tǒng)
直流控制系統(tǒng)采用歐陸590直流數(shù)字調速器來實現(xiàn)；交流控制系統(tǒng)在此采用安川變頻器，型號為CIMR-E7B4037。
5.1.3 系統(tǒng)各部分功能
傳動系統(tǒng)：分別帶動兩根卷取棍和一根放卷棍，進行傳動部分的轉速控制、力矩控制，放卷的調速控制。
控制系統(tǒng)：直流和交流調速控制系統(tǒng)作為整個設計的核心，主要是對電機的運轉方式和快慢進行控制和調節(jié)，同時接受操作人員的控制命令執(zhí)行各種控制，監(jiān)視設備，進行各種設備連鎖。
DP現(xiàn)場總線：連接現(xiàn)場設備，實現(xiàn)分布式控制。
5.2 小結
在經過一個月的不懈努力下，交直流混合傳動的復卷機電控系統(tǒng)終于初現(xiàn)成效。從理論知識和數(shù)據可以看出，利用此系統(tǒng)對于一般的復卷機足以滿足要求。
通過本次畢業(yè)設計，鞏固了我們學習過的專業(yè)知識，也使我們把理論與實踐從真正意義上相結合了起來；考驗了我們借助互聯(lián)網絡搜集、查閱相關文獻資料，和組織材料的綜合能力；從中可以自我測驗，認識到自己哪方面有欠缺、不足，以便于在日后的學習中得以改進、提高；同時通過使用AutoCAD和Office辦公軟件，也讓我們了解到計算機輔助設計(CAD)的智能化和普遍化,有利于提高工作效率。
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