变频器的原理与应用毕业论文.doc
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1、新疆轻工职业技术学院毕业论文论文题目:浅谈变频器的原理及应用 姓 名:宋 相 川 班 级:普05电气自动化(2) 指导教师:热 西 旦 二八年 三 月 二十八 日摘要:变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向,随着电力电子技术的发展,交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑,范围大,效率高,启动电流小,运行平稳,而且节能效
2、果明显。因此,交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统,越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。关键词: 变频器 工作原理 异步电动机 技术发展 目 录第一章引言第二章变频器的工作原理1 电动机参数2 变频器控制方式第三章变频器对异步电机的变频调速1异步电机2变频器供电下的电机运行条件3 设计要点 4调速电机设计的进一步发展第四章变频器技术的发展1现况2 国变频器技术的发展概况3 国内变频技术的现状和发展前景第五章总结第一章:引言变频调速技术,顺应了工业生产自动化发展的要求,开创
3、了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式,使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出,从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。现已在电力、冶金、石油、化工、造纸、食品、纺织等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。目前,变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。卓越的调速性能、显著的节电效果,改善现有设备的运行工况,提高系统的安全可靠性和设备利用率,延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。近年来,随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展,生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低,变频调速
4、越来越被工业上所采用。如何选择性能好的变频其应用到工业控制中,是我们专业技术人员共同追求的目标。异步电机是典型的常规交流电机。自从现代交流变频调速技术发明以来,异步电机驱动技术得到了广泛的研究和发展。但在这些研究中,主要针对变频器拓朴结构及控制算法的研究开发,而在异步电机设计和分析方面却没有明显的改变。目前,我国所用电动机主要为20世纪70年代末设计出来的Y系列异步电机,该电机主要是针对恒频恒压电源设计的。这样的电机在变频器供电下,其效率、功率因数和功率密度等稳态性能都有所下降,且电机绝缘、噪声及其它故障情况也趋于恶化。因此,重新考虑异步电机在变频调速系统中的设计问题势在必行。 第二章 变频器
5、的工作原理1交流电动机参数交流电动机的同步转速表达式位: n60 f(1s)/p (1)式中n异步电动机的转速;f异步电动机的频率;s电动机转差率; p电动机极对数。由式(1)可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在050Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。其原理图下:2 频器控制方式低压通用变频输出电压为380650V,输出功率为0.75400kW,工作频率为0400Hz,它的主电路都采用交直交电路。其控制方式经历了以下四代。2.1 U/f=C的正弦脉宽调制(SP
6、WM)控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。2.2电压空间矢量(SVPWM)控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场
7、轨迹为目的,一次生成三相调制波形,以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能消除速度控制的误差;通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的影响;将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善。2.3矢量控制(VC)方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩
8、成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。2.4直接转矩控制(DTC)方式 1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制
9、变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。2.5矩阵式交交控制方式 VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,
10、即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量,而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是:控制定子磁链引入定子磁链观测器,实现无速度传感器方式;自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对电机参数自动识别;算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制;实现BandBand控制按磁链和转矩的BandBand控制
11、产生PWM信号,对逆变器开关状态进行控制。 矩阵式交交变频具有快速的转矩响应(2ms),很高的速度精度(2,无PG反馈),高转矩精度(进一步提出了电力电子与电机集成系统的概念,并认为变频器供电下的异步电机设计和分析实际上是一个系统问题,它必须将电机与电力电子变频器及其控制方法一并考虑。其系统主要特征可概括为:集成化,即电力电子、电机及其控制系统高度集成,使得三者从设计、制造、运行都更紧密地融为一体;智能化,即自适应、模糊、神经元网络及基于遗传算法的各种人工智能控制方法大量引入和应用;通用化,即同一系统可以针对不同形式的电机以及不同运行模式而实行不同的控制方式;信息化,即电机系统不但是转换、传送
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