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交流变压变频调速系统-电气工程及其自动化论文
交流变压变频调速系统-电气工程及其自动化论文
4.1 变压变频调速简介
由 知，当极对数p不变时，同步转速 和电源频率 成正比。连续地改变供电电源频率，就可以平滑地调节电动机的转速。这样的调速方法叫变频调速。变频调速具有很好的调速性能，在交流调速方式中具有重要意义，应用越来越广泛。
4.1.1变频调速的基本控制方式
在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 Fm 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，只要对电枢反应有恰当的补偿，Fm 保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通Fm 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。
定子每相电动势： (4-1)
式中：Eg —气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；
—定子平率，单位为Hz；
Ns—定子每相绕组串联匝数；
—基波绕组系数；
—每极气隙磁通量，单位为Wb。
由式（4-1）可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通Fm的目的，对此需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况：
（1）基频以下调速
由式（4-1）可知，要保持Fm不变，当频率 f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Eg，使： (4-2)
即采用恒值电动势频率比的控制方式。
然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us ≈ Eg，则得： (4-3)
这是恒压频比的控制方式。
但是，在低频时Us和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。
带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的b线，无补偿的控制特性则为a 线。
图4-1 恒压频比控制特性
（2）基频以上调速
在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us = UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。
把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。
图4-2 异步电机变压变频调速的控制特性
如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质；而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。
4.1.2 异步电动机电压-频率协调控制的机械特性
异步电动机的机械特性在不同的条件下有不同的特性曲线，本小节主要从三个方面介绍异步电动机的机械特性。
（1）恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性
在电机学中已经知道异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式：Te= f (s)。当定子电压Us和电源角频率w1恒定时，可以改写成如下形式：
（4-4）
当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则：
（4-5）
也就是说当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性 Te = f（s）是一段直线，见图4-3。
当 s 接近于1时，可忽略式（4-4）分母中的Rr' ，则：
（4-6）
即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te = f（s）是对称于原点的一段双曲线。
当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。
图4-3 恒压恒频时异步电机的机械特性
（2）基频以下电压-频率协调控制时代机械特性
由式（4-4）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩Te和转速n（或转差率s）的要求，电压Us和频率w1可以有多种配合，即在Us和w1的不同配合下也有多种机械特性，因此有不同方式的电压－频率协调控制。
（a）恒压频比控制（ Us /w1 ）
在第4-1-1小节中已经指出，为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。
（4-7）
带负载时的转速降落为： （4-8）
在式（4-5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出：
（4-9）
由此可见：当Us /w1为恒值时，对于同一转矩Te，sw1是基本不变的，因而Dn 也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率w1时，机械特性基本上是平行下移，如图4-4所示。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似，所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。
（4-10）
由上式可以看出：频率越低时最大转矩值越小，最大转矩Temax是随着的w1降低而减小的。频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力，见图4-4。
图4-4 恒压频比控制时变频调速的机械特性
（b）恒 Eg /w1 控制
下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下：
Eg —气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势；
Es —定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势；
Er —转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。
如果在电压－频率协调控制中，恰当地提高电压Us的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持Eg /w1为恒值（基频以下），则由式（4-1）可知，无论频率高低，每极磁通Fm均为常值。
图4-5 异步电动机稳态等效电路和感应电动势
由等效电路可以看出： （4-11）
代入电磁转矩关系式，得：
（4-12）
利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（4-12）分母中含s项，则：
（4-13）
这表明机械特性的这一段近似为一条直线。
当 s 接近于1时，可忽略式（4-12）分母中的Rr'2项，则：
（4-14）
S值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似。但是，对比式（4-4）和式（4-12）可以看出，恒Eg /w1特性分母中含s项的参数要小于恒Us /w1特性中的同类项，也就是说s值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒Eg /w1特性的线性段范围更宽。
将式（4-12）对s求导，并令dTe / ds = 0，可得恒Eg /w1控制特性在最大转矩时的转差率： （4-15）
和最大转矩： （4-16）
值得注意的是，在式（4-16）中，当Eg /w1为恒值时，Temax 恒定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒 Us /w1 控制的性能。这正是恒 Eg /w1 控制中补偿定子压降所追求的目标。
图4-6 恒Eg /w1 控制时变频调速的机械特性
（c）恒Er /w1控制
如果把电压－频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉得到恒Er /w1控制，则机械特性会怎样呢？由此可写出
（4-17）
代入电磁转矩基本关系式，得：
（4-18）
现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线，见图4-7。
图4-7 不同电压－频率协调控制方式时的机械特性
显然，恒Er /w1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性，这正是高性能交流变频调速所要求的性能。
综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压－频率协调控制可得不同类型的机械特性：
恒压频比（Us /w1 = Constant）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。
恒Eg /w1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到Frm = Constant，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。
恒 Er /w1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通Frm 恒定进行控制，即得：Er /w1 = Constant，而且在动态中也尽可能保持Frm恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。
（3）基频以上恒压变频时的机械特性
在基频以上变频调速时，由于定子电压 Us= UsN 不变，式（4-4）的机械特性方程式可写成：
（4-20）
而式（4-10）的最大转矩表达式可改写成：
（4-21）
同步转速的表达式仍和式（4-7）一样。
由此可见：当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图所示。
图4-8 基频以上恒压变频调速的机械特性
由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小；但转速升高了，可以认为输出功率基本不变，所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。
以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况，如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗，因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。
4.2 电力电子变压变频器
如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。
最早的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组已经无例外地让位给静止式的变压变频器了。
4.2.1交-交变频器
交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。
图4-9 交-交（直接）变压变频器
常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路。
图4-10 交-交变压变频器每一相的可逆线路
近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于 PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.866。
4.2.2 变压变频调速系统中的脉宽调制技术
（1）PWM调制原理
以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。
图4-11 PWM调制原理
按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效，这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。
（2）SPWM控制方式
如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。
如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。
a）单极性PWM控制方式
b）双极性PWM控制方式
（3）PWM调制方法
载波比——载波频率 fc与调制信号频率fr之比N,即N = fc / fr。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。
a）异步调制
异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的；
在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；当fr增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。
b）同步调制
同步调制——N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。
为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为3的整数倍，使三相输出对称。
c）分段同步调制
把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高N，使载波频率不致过低。
图4-12 分段同步调制方式
d）混合调制
可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。
（4）PWM逆变器主电路及输出波形
图4-13 三相桥式PWM逆变器主电路原理图
图4-14 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形
图4-14为三相PWM波形，其中： 、 、 为U，V，W三相的正弦调制波，uc为双极性三角载波； 、 、 为U，V，W三相输出与电源中性点N’之间的相电压矩形波形； 为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+Ud和-Ud； 为三相输出与电机中点N之间相电压。
4.3 基于安川变频器的交流调速控制系统
随着节能的普及和工业自动化的推广，变频器的使用越来越多，每年在中国有上百亿的销售额。安川变频器是世界知名的变频器之一，由安川电机株式会社生产，在世界各地占有率比较高。
安川变频器全称为“安川交流变频调速器”，主要用于三相异步交流电机，用于控制和调节电机速度。现在安川电机公司在中国上海市有设有生产厂，专门生产：CIMR-G/CIMR-F/ CIMR-E/CIMR-L等系列的变频器。
4.3.1 CIMR-E7简介
本设计采用安川CIMR-E7B4037型号的变频器，其适合的用途有：①风扇、鼓风机及泵的用途，②传送带、挤出机及金属加工机械等。
Varispeed E7 系列变频器分为200V级和400V级2种电压等级，适用电机容量为0.4～300kW(41 种机型)。
对于CIMR-E7B4037号变频器具体参数：电压等级：400V
最大适用电机容量：37KW
输出容量：57KW
4.3.2 变频器的配合使用
对于此交直流混合传动的复卷机电控系统，其交流控制原理图（即图2-5）的参数设定如下表所示：
表4-1 变频器参数设定
（1）b1-03（停止方法选择）
设定指令停止时的停止方法：
0：减速停止，
1：自由运行停止，
2：直流制动停止( 不进行再生动作，比自由运行停止更快)，
3：带定时的自由运行停止( 忽视减速时间内的运行指令输入)
设定范围：0~3
（2）b1-04（反转禁止选择）
0：可反转
1：禁止反转
2：输出相旋转( 两个方向都可旋转)
3：禁止反转的输出相旋转
设定范围：0~3
如果设定了禁止电机反转，即使输入反转运行指令，该指令也不会被接受，故多用于不宜反转的电机( 例如，风扇、泵等)。通过将b1-04 的设定改变为2或3，也可以改变输出相的顺序。这比电机旋转方向错误时改变接配线要简单快捷的多。
（3）b1-12（手动频率指令的选择）
设定手动运行频率指令的选择。当b1-13=1 时，从自动切换到手动模式时，如果手动指令沿用自动指令，则选择该参数。
0：数字式操作器
1：控制回路端子( 模拟量输入)
设定范围：0，1
（4）b2-01（直流制动开始频率）
停止减速时，以Hz为单位设定开始直流制动时的频率；b2-01<E1-09时，从E1-09 开始直流制动。
设定范围：0.00~10.0
（5）C1-01（加速时间1）：以秒为单位设定最高输出频率从0% 到100% 的加速时间。
C1-02（减速时间1）：以秒为单位设定最高输出频率从100% 到0% 的减速时间。
设定范围皆为：0.0~6000.0
他们的主要用途是：用来调整加减速时的转矩。
（6）C1-09（紧急停止时间）：指多功能输入“紧急停止”为ON 时的减速时间。
作为检测出故障时的停止方法，也可在选择“紧急停止”时使用。
设定范围：0.0~6000.0
（7）D1-17（点动频率指令）
多功能输入“点动频率指令选择”、“FJOG 指令”或“RJOG 指令”ON 时设定的频率指令。
设定范围：0~Fmax
（8）E1-03（V/f 曲线选择）
0～D：从15种预设V/f曲线中选择。F：用户自定义V/f 曲线(可设定E1-04～E1-10)。
设定范围：0~F
（9）E2-01（电机额定电流）
以A 为单位设定电机额定电流。该设定值为电机保护、转矩限制、转矩控制的基准值。自学习时自动设定。
设定范围：随kVA 而定
（10）H1-04（端子S6 的功能选择）：多功能数字输入 4
H1-05（端子S7 的功能选择）：多功能数字输入 5
设定范围皆为：0~82
（11）H4-01（多功能模拟量输出1端子FM监视选择）：设定需从端子FM 输出(U1- □□ ) 的监视项目的编号。
设定范围：1~38
H4-02（多功能模拟量输出1 端子FM 输出增益）：设定多功能模拟量输出1的电压增益，设定监视项目的100% 的输出量10V的几倍，但从端子输出的电压最高为10V。
设定范围：0~1000.0%
H4-03（多功能模拟量输出1 端子FM 偏置）：设定多功能模拟量输出1的电压偏置。以10V作为100%，以%为单位设定使输出特性呈上下平行移动的量，但从端子输出的电压最高为10V。
设定范围：-110~+110%
（12）T1-02（电机输出功率）：以kW为单位设定电机的额定输出功率。
设定范围：0.00~650.00
（13）T1-04（电机额定电流）：根据电机的铭牌值，以A为单位设定电机的额定电流。
设定范围：0.32~6.40
小结：在以上理论和参数设定的基础上，应用恒压频比交流调速原理，借助安川变频器CIMR-E7B4037便可设计出交流传动控制原理图（见附录图2）。
5 总 结
5.1 控制系统的组成与功能
5.1.1 系统的概貌
对于此交流和直流混合控制的复卷机电控系统，其系统控制原理图见附录。
5.1.2 系统的组成
（1）传动系统回路
由原理图可知：传动系统主回路包括：三相进线、主断路器、主接触器、进线电抗器等。传动系统采用直流母线制包括：整流单元，使用恒压频比控制的一台110KW逆变器单元；电机系统：30KW普通三相笼型直流电机一台，37KW三相交流变频电机一台。
（2）控制系统
直流控制系统采用欧陆590直流数字调速器来实现；交流控制系统在此采用安川变频器，型号为CIMR-E7B4037。
5.1.3 系统各部分功能
传动系统：分别带动两根卷取棍和一根放卷棍，进行传动部分的转速控制、力矩控制，放卷的调速控制。
控制系统：直流和交流调速控制系统作为整个设计的核心，主要是对电机的运转方式和快慢进行控制和调节，同时接受操作人员的控制命令执行各种控制，监视设备，进行各种设备连锁。
DP现场总线：连接现场设备，实现分布式控制。
5.2 小结
在经过一个月的不懈努力下，交直流混合传动的复卷机电控系统终于初现成效。从理论知识和数据可以看出，利用此系统对于一般的复卷机足以满足要求。
通过本次毕业设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义上相结合了起来；考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料，和组织材料的综合能力；从中可以自我测验，认识到自己哪方面有欠缺、不足，以便于在日后的学习中得以改进、提高；同时通过使用AutoCAD和Office办公软件，也让我们了解到计算机辅助设计(CAD)的智能化和普遍化,有利于提高工作效率。
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