变频器设计方法.docx
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变频器设计方法.docx
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变频器设计方法
第五节变频器设计方法
一变频调速系统的设计的一般性方法
图3-变频调速系统的研发过程
1变频调速系统的设计步骤
变频调速系统设计主要包括以下几个方面内容:
(1)控制系统总体方案设计,明确系统的总体要求及技术条件。
包括系统的基本功能、控制方案选择,以及性能指标(响应时间、稳态精度、通信接口)等;
(2)设计主电路拓扑结构;
(3)选择各变量的检测元件或传感器;
(4)建立电动机数学模型,并确定控制算法;
(5)选择主控制芯片;
(6)系统硬件设计,包括主电路模块、驱动与保护电路,与CPU相关的电路、外围设备、接口电路、逻辑电路及键盘显示模块;
(7)系统软件设计,包括应用程序的设计、管理以及监控;
(8)在各单元软硬件调试合格的基础上,进入系统实验与统调阶段。
变频调速系统的研制开发过程如图3-?
所示。
2变频调速系统总体方案的确定
确定交流电机的变频调速系统总体方案,是进行系统设计的第一步。
总体方案的好坏直接影响整个控制系统的投资、调节品质及实施难度。
确定控制系统的总体方案必须根据实际应用的要求,结合具体被控对象而定。
但在总体设计中还是有一定的共性,大体上可以从以下几个方面进行考虑。
选择主电路拓扑结构在交流电机的变频调速系统中,必须根据系统容量的大小以及实际应用的具体要求来选择适当的主电路拓扑结构。
20世纪80年代以来,以GTO、BJT、MOSFET为代表的自关断器件得到长足的发展,尤其是以IGBT为代表的双极型复合器件的惊人发展,使得电力电子器件正沿着大容量、高频率、易驱动、低损耗、智能模块化的方向迈进。
伴随着电力电子器件的飞速发展,各种逆变器主电路的发展也日趋多样化。
(1)普通三相逆变器通常也称为双电平逆变器,这种拓扑结构比较简单,为了获得大功率可采用器件的串并联来实现。
(2)交-交变频电路普通双电平逆变器直流侧电压通常由交流电整流获得,因为其中存在直流环节,所以逆变器效率不高,主电路相对复杂。
而交-交直接变频电路省去中间直流环节,一次功率变换控制效率高。
然而交-交直接变频电路输出频率低,最高输出频率一般为输入频率的1/3~1/2,通常仅用于低频场合,而且控制复杂,对电网产生较大的无功和谐波污染。
(4)变压器耦合的多脉冲及多电平逆变器为获得高压,同时减轻器件上的高压应力,并解决器件并联带来的问题,人们利用升压变压器的特点,将逆变桥而不是单个器件并联起来以获得大电流;或将逆变器串联起来获得高电压,再加一定的相移,还可实现接近正弦的电压输出。
2、确定控制系统方案根据系统的要求,首先确定出系统是通用型控制系统,还是高性能的控制系统,或是特殊要求的控制系统。
其次要确定系统的控制策略,是采用VVVF、矢量控制,还是采用直接转矩控制等。
第三要确定是单机控制系统、主从控制系统,还是采用分布式控制系统。
在数字系统中,通过模块化设计,可以使系统通用性增强,组合灵活。
在主从控制系统或是分布式控制系统中,多由主控板和系统支持板组成。
支持板的种类很多,如A/D和D/A转换板、并行接口板、显示板等,通常采用统一的标准总线,以方便功能板的组合。
3、选择检测元件在确定总体方案时,必须首先选择好被测变量的测量元件,它是影响控制精度的重要因素之一。
测量各种变量,如电压、电流、温度、速度等的传感器,种类繁多,规格各异,因此,要正确地选择测量元件。
4、选择CPU和输入/输出通道及外围设备交流电机的变频调速系统主控板及过程通道通常应根据被控对象变量的多少来确定,并根据系统的规模及要求,配以适当的外围设备,如键盘、显示、外部控制及I/O接口等。
选择时应考虑以下一些问题:
(1)控制系统方案及控制策略;
(2)PWM的产生方式及PWM的数量与互锁;
(3)被控对象变量的数目;
(4)各输入/输出通道是串行操作还是并行操作;
(5)各数据通道的传递速率;
(6)各通道数据的字长及选择位数;
(7)对键盘、显示及外部控制的特殊要求。
5、画出整个系统原理图前面四步完成以后,结合工业流程图,最后要画出一个完整的交流电机变频调速系统原理图,其中包括整流电路、逆变电路、驱动电路,以及各种传感器、变送器、外围设备、输入/输出通道及微处理器部分。
它是整个系统的总图,要求全面、清晰、明了。
二变频器主电路设计
SPWM变频器的电路图,如图3-14。
(一)变频器主电路设计
图2-28交流侧阻容吸收环节
在变频器主电路的设计中,主要包括电源侧阻容吸收电路中R、C的选择,三相整流电路元件的选择,中间滤波电容的选择,以及IGBT的电压、电流定额值的选择。
1.交流侧阻容吸收环节R、C的选择
C为防止变压器操作过电压而设。
R的设置目的是为防止电容和变压器漏抗产生谐振。
电源变压器为Y接,阻容吸收环节采用Δ接法,如图2-28所示。
电容容量C按下式计算:
(2-13)
式中,i0%——变压器励磁电流百分数;S——变压器每相平均计算容量,单位为VA;U2——变压器次级相电压有效值,单位为V。
电容C的耐压计算(UC计算):
(2-14)
阻尼电阻R的计算:
(2-15)
式中,uk%——变压器短路比,一般uk%=5~10。
电阻器R的功率计算:
(2-16)
k1=3(对三相桥式电路);k2=900
2.整流二极管(D1~D6)的选择
整流器接入滤波电容,稳定工作时流过变压器副方相电流如图2-29所示。
通过三相整流桥的每个整流二极管的电流波形近似为方波,如图2-30所示。
图中Im对应于电动机最大负载电流的峰值,也决定了方波的峰值,则流过二极管的电流有效值为
图2-30整流二极管近似电流
图2-29变压器副边近似相电流
(2-17)
故二极管的电流定额值为
(2-18)
二极管的耐压
(2-19)
式中,Uem——线电压峰值。
3.平滑滤波电容(C1、C2)的选择
中间滤波环节的平滑滤波电容C1、C2的作用有两个:
一是对整流电路的输出电压滤波,尽可能保持其输出直流电压为恒定值;二是吸收来自异步电动机在制动过程中回馈的能量。
防止逆变器过电压损坏IGBT。
作滤波作用考虑时,C1、C2和负载的等效电阻的乘积(时间常数)应远远大于三相全控桥输出电压的脉动周期T=0.0033s(即为3.3ms),则
(2-20)
取负载等效电阻Rf=0.5Ω。
作吸收异步电动机的回馈能量考虑时,只能按能量关系来近似估计。
当异步电动机突然停车和减速制动时,电动机轴上的机械能及漏抗储能将向电容倒灌,造成电容两端电压突然上升,称这种因异步电动机动能转换成电能而造成的直流电压突然升高的现象为“泵升”现象。
为保护IGBT不致损坏,一般尽量选取大电容值,形成“水池”以使泵升电压不致太高。
另外,逆变器也设置了泵升电压过高限制电路。
设电动机轴上的转动惯量之和为JΣ,机械角速度为ΩD,则电动机轴上的机械储能
(2-21)
漏感的储能
(2-22)
电容上的初始电压为u0,电容的储能
(2-23)
式中,u1——能量回馈后引起的电容电压升高值。
假定能量回馈时不计其他损耗,电动机骤停时,机械储能与漏感储能之和等于电容上的储能,即
(2-24)
设过压系数K=u1/u0(K>1),则
(2-25)
若限定K=1.3,即允许电容上泵升电压升高30%,则
(2-26)
式(2-25)表明,当电压泵升值一定时,负载侧储能越大,滤波电容的容量也越大。
而当储能一定时,泵升电压值越低,K越小,所需的电容量也就越大。
电容器的耐压应大于uD。
4.IGBT(VT1~VT6)的选择
IGBT是电流控制元件。
开关速度高,具有自关断能力,使得逆变器结构小巧。
缺点是热时间常数小,承受过载能力差。
所以,使用时要注意以下三个问题:
(1)要由负载的最严重情况选择IGBT。
最严重情况如异步电动机的启动电流为额定电流的(1.2~2)倍,且要考虑交流电流的峰值。
(2)要考虑IGBT的β是受集电极电流的增加而降低的,Ic越大,β越小。
为此,由
(1)项决定了通过IGBT的集电极电流
(2-27)
(3)IGBT的耐压UCE0至少应为实际承担的最大峰值电压的1.2倍以上,即
(2-28)
(二)11.2kVA变频器设计举例
ZHI×50W×40×40双面铣组合机床的机械滑台,由原来的齿轮变速改造成变频调速。
拖动电动机的容量为5.5kW,要求速度变化范围为16~750r/min,以满足工作进给和快速返回的加工工艺要求。
试设计变频器。
已知被控对象的原始数据:
异步电动机型号:
Y132M2—6
额定功率:
5.5kW
额定电压:
380V
额定电流:
12.6A
额定转速:
960r/min
系统能提供2倍的额定转矩。
设计步骤:
1决定变频器的工作方式
由题意要求可知,调速范围1:
47,低速性能要求高,故决定选用双极性IGBT-SPWM工作方式。
2设计变频器的电气原理图
由于采用双极性IGBT-SPWM变频器,变频器的电气原理图如图2-14所示。
3变频器的大功率开关管的计算
1).计算通过IGBT的峰值电流Im
Im由系统工作的最严重情况决定。
由题意要求可知,系统要具有2倍额定电流的电磁转矩,再考虑交流电流的峰值,则
2).选用IGBT的电流定额值
由式(2-27)得出IGBT的集电极电流
选用IC=50A的电流定额值。
3).选用IGBT的电压定额值
变频器输出交流电压为380V。
为此,必须用线电压为380V的交流电直接整流,直流电Y压
Ud=2.34×220V=514V。
由式(2-28),IGBT的耐压
选用UCE0=1200V的IGBT。
4)由UCE0,IC决定IGBT的型号
由IC=50A,UCE0=1200V,选用日本富士公司生产的两单元IGBT模块组件,型号为EVl234。
变频器的容量
变频器的额定电流In应大于异步电动机的额定电流。
4整流二极管的计算
1)计算整流二极管的电流定额Ied
由式(2-18)得
考虑滤波电容的充电电流的影响,需留有较大的电流余量,选用Ied=60A。
2)计算整流二极管的电压定额UD
由式(2-19)得:
则,
选用UD=1500V。
3)决定整流二极管型号
由Ied=60A和UD=1500V选用整流二极管,型号不限。
考虑减小变频器体积,故选用三相全控桥模块组件(DF60AAl20)。
5平波滤波电容器的计算
由式(2-20),取负载等效电阻Rf=0.5Ω得:
由于直流电压Ud=513V,而2200μF的电解电容的最高耐压为450V,故选用四只2200μF/450V电容串并联,以提高耐压,获得大容量。
6交流电网侧阻容吸收环节的设计
由式(2-13)。
决定电容C的大小:
电容的耐压
,取UC=630V。
阻尼电阻由式(2-15)决定:
电阻的功率计算,由式(2-16)得:
取功率为25W。
11.25kVA双极性变频器主电路设计计算完毕。
三变频器保护电路设计
四变频器控制电路设计
2.2.3微处理芯片的选择
在总体方案确定之后,首要的任务就是选择一种合适的微处理芯片。
正如前面所讲的,微处理芯片的种类繁多,选择合适的微处理芯片是交流电机的变频调速系统设计的关键之一。
以微处理器为控制核心的交流电机的变频调速系统设计时通常有两种方法:
①用现成的微处理器总线系统;②利用微处理器芯片自行设计最小目标系统。
1、用现成的微处理器总线系统以微处理器或单片机构成主控板和各种功能支持板一起组成总线开发系统,包括一个带有电源的插板机箱,以及总线系统的底板。
功能支持板的种类很多,如A/D和D/A转换板、打印机接口板、CRT显示器接口板、并行通信板等,它们都具有模块化的结构、通用性强、组合灵活的特点,可以通过统一的标准总线,方便地组成控制系统,并大大减少研究开发和调试时间。
但相对来说,这类开发系统结构复杂、硬件费用较高。
因此,对某些应用系统,这些板并非是最优的。
2、利用微处理器芯片自行设计最小目标系统选择合适的微处理器芯片,针对被控对象的具体任务,自行开发和设计一个微处理器最小目标系统,是目前微处理器系统设计中经常使用的方法。
这种方法具有针对性强、投资少、系统简单、灵活等特点。
特别是对于批量生产,它更有其独特的优点。
3、微处理器字长的选择不管是选用现成的微处理器系统,还是自行开发设计,面临的一个共同问题就是怎样选择微处理器的字长,也就是选用几位微处理器。
位数越长,微处理器的处理精度越高,功能越强,但成本也越高。
因此,必须根据系统的实际需要进行选用,否则,将会影响系统的功能及造价。
现将各种字长微处理器的用途简述如下。
(1)4位机4位机的特点是价格便宜,但功能对一些简单的应用来说并不差。
它的片内同样具有ROM、RAM、串并I/O接口,以及定时/计数器等。
如美国NS公司的COPS-400系列单片机中的COPS-444C,内部就有2KBROM、128BRAM、4位输入、4位输出、8位双向三态I/O、4位双向I/O,另外还有串行接口内部定时器/计数器。
(2)8位机8位机是目前工业控制和智能化仪器中应用最多的单片机。
它们可在数据处理及过程控制中作为直接数字控制(DDC)或监督控制(SC)计算机,用来控制各种参数,如温度、压力、流量、液面、浓度、成分、密度、粘度等。
8位机也可以作为性能要求不高的交流电机的控制核心。
但在高性能的交流电机的变频调速系统中,只能用来控制一些外围设备,例如液晶显示器的汉字显示等。
(3)16位机这是一种高性能单片机,目前已经有许多品种系列。
16位单片机基本上可以满足交流电机的数字控制系统控制精度的要求。
目前,许多通用交流电机的数字控制系统均采用了16位单片机作为控制核心。
(4)DSP芯片DSP芯片一般采用的是16位或32位数字系统,因此精度高。
16位的数字系统可以达到10_5的精度,加之其运算速度快,可以在较短的采样周期内完成各种复杂的控制算法,非常适合高性能交流电机控制系统的应用。
系统的硬件部分,包括微处理器、接口电路及外围设备,其中微处理器是控制系统的核心,它通过内部控制程序,对输入接口输入的数据进行处理,完成控制计算等工作,通过输出接口电路向外围设备发出各种控制信号,外围设备除了检测元件和执行机构,还包括各种操作、显示以及通信设备。
微处理器技术的最新发展包括以下几个方面:
处理器、系统结构和存储器件。
目前适用于交流电机变频调速系统的微处理器主要有单片机、数字信号处理器(DSP)、精简指令集计算机(RISC)、并行处理器(Transputer)以及专用集成电路(ASIC)等。
其中,高性能的计算机结构形式有采用超高速缓冲存储器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。
高速和大容量存储器也已推出,以适应高速微处理器的需求。
所有这些进展,使得微处理器组成的系统达到了较高的性能价格比。
尽管已经出现了许多性能较高的微处理器,但考虑到性能价格比的最大化,大多数交流电机的控制核心采用的仍然是单片机或数字信号处理器(DSP)。
1.2变频器的分类
变频器的分类方法有多种,按照主电路工作方式分类,可以分为电压型变频器和电流型变频器;按照开关方式分类,可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器;按照工作原理分类,可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;按照用途分类,可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
2变频器中常用的控制方式
2.1非智能控制方式
在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
(1)V/f控制
V/f控制是为了得到理想的转矩—速度特性,基于在改变电源频率进行调速的同时,又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的,通用型变频器基本上都采用这种控制方式。
V/f控制变频器结构非常简单,但是这种变频器采用开环控制方式,不能达到较高的控制性能,而且,在低频时,必须进行转矩补偿,以改变低频转矩特性。
(2)转差频率控制
转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式,它是在V/f控制的基础上,按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率,并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率,就可以使电动机具有对应的输出转矩。
这种控制方式,在控制系统中需要安装速度传感器,有时还加有电流反馈,对频率和电流进行控制,因此,这是一种闭环控制方式,可以使变频器具有良好的稳定性,并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。
(3)矢量控制[2]
矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位,以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制,进而达到控制电动机转矩的目的。
通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间,又可以形成各种PWM波,达到各种不同的控制目的。
例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗[3]。
目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。
基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致,但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制,使之满足一定的条件,以消除转矩电流过渡过程中的波动。
因此,基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。
但是,这种控制方式属于闭环控制方式,需要在电动机上安装速度传感器,因此,应用范围受到限制。
无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制,然后通过检测电动机定子绕组上的电压、电流来辨识转速,以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。
这种控制方式调速范围宽,启动转矩大,工作可靠,操作方便[4],但计算比较复杂,一般需要专门的处理器来进行计算,因此,实时性不是太理想,控制精度受到计算精度的影响。
(4)直接转矩控制
直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念,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,通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的,因此省去了矢量控制等复杂的变换计算,系统直观、简洁,计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。
即使在开环的状态下,也能输出100%的额定转矩,对于多拖动具有负荷平衡功能[5]。
(5)最优控制
最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同,可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。
例如在高压变频器的控制应用中,就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略,以实现一定条件下的电压最优波形[6]。
(6)其他非智能控制方式
在实际应用中,还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现,例如自适应控制[7][8][9]、滑模变结构控制[10][11][12]、差频控制[13]、环流控制[14]、频率控制[15][16][17]等,限于篇幅,这里不再累述,有兴趣的读者可自行参阅有关文献。
2.2智能控制方式
智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。
在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。
(1)神经网络控制
神经网络控制方式应用在变频器的控制中,一般是进行比较复杂的系统控制,这时对于系统的模型了解甚少,因此神经网络既要完成系统辨识的功能,又要进行控制。
而且神经网络控制方式可以同时控制多个变频器[18][19],因此在多个变频器级联时进行控制比较适合。
但是神经网络的层数太多或者算法过于复杂都会在具体应用中带来不少实际困难。
(2)模糊控制
模糊控制算法用于控制变频器的电压和频率,使电动机的升速时间得到控制,以避免升速过快对电机使用寿命的影响以及升速过慢影响工作效率[20][21]。
模糊控制的关键在于论域、隶属度以及模糊级别的划分,这种控制方式尤其适用于多输入单输出的控制系统。
(3)专家系统
专家系统是利用所谓“专家”的经验进行控制的一种控制方式,因此,专家系统中一般要建立一个专家库,存放一定的专家信息,另外还要有推理机制,以便于根据已知信息寻求理想的控制结果。
专家库与推理机制的设计是尤为重要的,关系着专家系统控制的优劣。
应用专家系统既可以控制变频器的电压,又可以控制其电流[22][23]。
(4)学习控制
学习控制主要是用于重复性的输入,而规则的PWM信号(例如中心调制PWM)恰好满足这个条件,因此学习控制也可用于变频器的控制中[24]。
学习控制不需要了解太多的系统信息,但是需要1~2个学习周期,因此快速性相对较差,而且,学习控制的算法中有时需要实现超前环节,这用模拟器件是无法实现的,同时,学习控制还涉及到一个稳定性的问题,在应用时要特别注意。
3变频器控制的展望
随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术的发展,变频器的控制方式今后将向以下几个方面发展。
(1)数字控制变频器的实现
现在,变频器的控制方式用数字处理器可以实现比较复杂的运算,变频器数字化将是一个重要的发展方向,目前进行变频器数字化主要采用单片机MCS51[25]或80C196MC[3][20]等,辅助以SLE4520[25][28]或EPLD液晶显示器[29]等来实现更加完善的控制性能。
(2)多种控制方式的结合
单一的控制方式有着各自的优缺点,并没有“万能”的控制方式,在有些控制场合,需要将一些控制方式结合起来,例如将学习控制与神经网络控制相结合[30],自适应控制与模糊控制相结合[31][32],直接转矩控制与神经网络控制相结合[33],或者称之为“混合控制”[34],这样取长补短,控制效果将会更好。
(3)远程控制的实现
计算机网络的发展,使“天涯若咫尺”,依靠计算机网络对变频器进行远程控制也是一个发展方向。
通过RS485[35][36]接口及一些网络协议对变频器进行远程控制,这样在有些不适合于人类进行现场操作的场合,也可以很容易的实现控制目标[37][38]。
(4)绿色变频器
随着可持续发展战略的提出,对于环境的保护越来越受到人们的重视。
变频器产生的高次谐波对电网会带来污染,而且降低变频器工作时的噪声以及增强其工作的可靠性、安全性等等这些问题,都试图通过采取合适的控制方式来解决,设计出绿色变频器。
4结束语
变频器的控制方式是一个值得研究的问题,依靠致力于这项工作的有识之士的共同努力,使国产变频器早日走向世界市场并且成为一流的产品。
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- 变频器 设计 方法