交流变频调速系统的设计

交

流

变

频

调

速

系

统

设

计

                       姓     名：梁佰中（18）

             王香赢（31）

             王德龄（29）

             宋鹏程（27）

             郭  辉（13）

             朱淮滨（41）

                       指导老师 ：苏     琦

摘要：

电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能-机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能（节约15%～20%或更多），改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。

1 电流型变频器主电路

串联二极管式逆变电路的电流型变频器的主电路

图1-1串联二极管式逆变电路

如图1-1所示，本系统为交直交见解式变频，有晶闸管整流器、支流滤波电抗器及逆

变器三部分组成。这种电流型电路的特点是 中间环节采用电抗器滤波，因此电源阻抗很大，类似于电流源。逆变器输出电流比较平直，为矩形波。输出电压波形由电动机感应电动势决定，电压波形类似于正弦波。

逆变器为120通电型换流电路，任意瞬间只有两个晶闸管导通，电动机轮流形成两相通电（换流过程有短时三相通电）。电动机的转向有晶闸管的导通顺序决定，正转是出发顺序为VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6，反转是触发顺序为VT6 ，VT5 ，VT4 ，VT3 ，VT2 ，VT1。各个触发间隔60度电度角，每个晶闸管导通120度，三相对称，各相互差120度。

在强迫换流电路中，C为幻想电容，他的作用是给欲关断的晶闸管施以反压，以使其强迫关断。VD为隔离二极管，作用是反之充电电压经负载放掉，并把换流电路与负载隔离。由于隔离二极管与主晶闸管相串，故成为串联二极管式换流电路。

这种系统中，当突然降低逆变器出现户频率时，电动机可以从电动状态自动地进入再生发电状态。现在来说明不同的工作系统的工作状态。

在正常的运转状态下。电动机定子电压频率即逆变器输出频率大于异步电动机旋转频率，转差率s的变化范围为，电动机转速落后于旋转磁场的转速，电动机的功率因数cos，。电动机运行于电动状态，逆变器工作于逆变状态，整流器工作于整流状态。当定子频率突然降低时，，转差率s<0，旋转磁场转速小于电动机转速，cos，〉，电动机运行于再生发电状态。由于电流不能反向而逆变器输出电压反向，因此逆变器工作于整流状态，整流器工作于逆变状态。系统把电动机的机械能转变电能，反馈到交流电网。

2 电流型变频器的换流

换流就是从一个晶闸管中的电流转移到另一个晶闸管中去。众所周知，普通晶闸管在导通以后就失去了自关断能力，要使其阻断可以有两种方法，一是在主电路中加进去大的阻抗（或者断开主电路），使电流少于晶闸管的维持电流，这样做就要在主回路中设置开关，所以很少应用；另一种方法是在晶闸管阳极间施加反电压，这就是通常采用的方法。施加反压的时间应大于晶闸管的关断时间。

晶闸管的关断时间与许多的因素有关，如温度，负载大小，重加电压变化率等。因此，考虑到实际工作条件与测试条件不尽相同，为了保证晶闸管可靠地关断，一般要求换六电路所提供的反压时间应满足。

电流型变频器多采用串联二极管式换流电路。正常运行时，由于采用了这种强迫换流，系统可以在较宽的范围内调速工作。电动机高速运行时强迫换流可以使系统输出频率高于工频。低速运行时，由于直流电压随频率而降低，换流电流充电电压相应不足，致使换流不可靠。为此，需采取低频换流措施。

电动机在低频下启动或低频运行时，由于直流电压降低，随之电容充电电压也降低，使换流能量不够，以至VT关断不可靠，为此需要采取低频换流措施。一般采取断续换流方式及附加辅助充电回路方式来改善低频换流。

图2-1 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形

3 参数计算与元件选择

3.1 串联整流器式电流型逆变器参数计算

串联整流器式电流型逆变器和串联整流器式电压型逆变器的主要区别是：负载所需的无功能量由滤波器的电抗吸收，在L中方向不变，故不需要反馈整流器。电流型逆变器

在工作中，负载电动机的绕组参与换流。线路的结构简单、工作可靠，实现再生运行方便。同时换流电容器在换流时的充放电电流受滤波电抗L的抑制，所以换流裕量比较大。这种线路对晶闸管的要求不高。

3.1.1 直流侧电压

                                   （3-1）

式中  U----电动机的线电压；

A----三相整流桥电压转换系数（取1.35）；

----负载功率因数；

----晶闸管管压降（约V）；

n----同一桥臂晶闸管串联元件数。

3.1.2 直流侧电流

逆变器输出电流是矩形波，其基波成分为电动机所需要的负载电流，基波电流有效值I与输出的电流的关系见图，并可以下式计算

                                             （3-2）

而最大直流电流以下式计算

                                           （3-3）

或取。

3.1.3 换流电容参数计算

1）换流电容值计算

                                            （3-4）

式中----晶闸管计算用反压时间

L----电动机的相漏感（μH）

2）电容器峰-峰电压，为。

           （3-5）

式中----电动机最大负载电流滞后角的正弦；

----电容器应能承受的电压（V）。

3.1.4 逆变器晶闸管承受的电压、电流

1）逆变侧晶闸管承受的正反电压

                               （3-6）

逆变侧晶闸管承受的最大正反电压为

                                            （3-7）

2）逆变侧晶闸管流过的电流在晶闸管导电角为120度时，以下是式计算：

                                              （3-8）

3.1.5 隔离整流器的电压与电流         

隔离整流器所承受的最大反向电压为

                                   （3-9）

隔离整流器的电流参数与主晶闸管相同的参数。

3.2 换流电容器过电压吸收电路参数技术

逆变晶闸管的电压很高时，工程上很难接受。以加大换流电容来降低晶闸管工作耐压，会延长换流过程，并不可取，因为换流过程的延长可能会出现逆变器在工作于高频是的换流重叠；作为替代办法可以专门设计漏抗小的电动机，此种非标准电动机，成本价格均高、效益差，这种解决方案不易实现；设置的换流电容过充电吸收环节是较容易实施的方案。

过充电压吸收的限幅电压值保证两相换流不发生重叠是计算过充电压吸收限幅电压值的依据，故需满足下式：

                                               （3-10）

式中----限幅电压值。

                                          （3-11）

式中----过电压倍数，选1.5左右。

选择得低，对晶闸管要求降低，但是换流电容要增大。当换流电容充电电压达到后，若增加，则晶闸管反压时间减少。因此换流电容C的计算要考虑限幅后电流达到最大值时所需要的换流能力，这样的C值计算公式为

                                            （3-12）

相应的晶闸管的最大反向电压也是，而隔离整流器的最大的反电压为

                          （3-13）

过电压吸收电源的功率

对三相桥式逆变器，过充电压吸收电源功率为

         （3-14）

式中   ----逆变器工作频率（HZ）；

    L----换流电抗值（H）；

    C----换流电容值（F）。

3.3 滤波电抗器的选择与参数计算

设置在中间直流环节的滤波电抗器的参数选择影响到电流型变频器的静态以及动态工作状态。该电抗器不仅要抑制直流的脉动，而且用来抑制电动机侧因滞后功率因数的变化所引起的脉动。

按照电流连续原则选择电抗

                     （3-15）

式中     ----交流电源电压（V）；

     ----变频器在50HZ时的输出线电压（V）；

     ----电源侧等效电感（mH）；

     ----负载电动机相电感（mH）；

     ----决定于的系数

按照电流脉动选择电抗

在确定允许电流脉动率后，在系统的额定直流电流时考虑了电源侧整流器等效电感、及负载侧电动机漏感对脉动的影响，电感可以采用下式计算：

              （3-16）

式中----电感计算系数。

在选择电动机侧变流器的时，取e=0时的曲线。

选择的电抗值越大，电流型特点越突出，对抑制系统过电流及保护越有利，但是损耗相应加大，装置效率随增加而下降。

4 交流变频调速系统

4.1 交流电动机选型

      直流电动机数据：200kW， 400/1200rpm，440V， 498A，原电阻起动时（电阻为0.38Ω/0.15Ω/0.1Ω），效率为91.2%，过载倍数2.5倍（基速）/1.6倍（高速），弱磁调速范围为400～1200rpm。直流电机工作在弱磁区，恒功率运行，电机的功率与转矩是按最大转速时的工作情况设计的，电机的实际输出转矩远小于额定转矩。电机参数如下：

      计算的电机额定转矩：Te=9550*Pe/ Ne=4775 N•M

      电机输出转矩（高速时）：Tmax= Te* （Ne / Nmax）=1592 N•M

      电机过载转矩（高速时）：Tcmax=1.6* Tmax =2547 N•M

      电机起动电流：Is=Uo/（Rs+Ro）=440/（0.04+0.15+0.38+0.1）≤660 A

      电机起动转矩：Ts= Te *（Is/Ie）≤6328 N•M

      更换交流电机后，性能指标必须满足以下条件：

      电机最高转速≥Nmax=1200rpm；电机额定转矩≥Tmax=1592 N•M；电机过载转矩≥Tcmax=2547 N•M；电机起动转矩≥Ts=6328N•M。

    为了满足上述条件并考虑到今后提产因素，对以上计算取适当转矩（功率）裕量，预选380V、355kW、670A、992rpm、50 Hz IP54 YPBF列变频电机（电机调速范围：1～100Hz；电机额定转矩：3417N•M；电机最大转矩/额定转矩：2.8），转矩核算如下:

      交流电机的额定转矩为直流电机的2.15倍；过载转矩为直流电机的3.75倍；起动转矩为直流电机的1.5倍；为了满足前述最高转速条件，电机运行转速将达到1200rpm，电机允许的长期运行转矩降低为2800 N•M，电机允许的过载转矩降低为7842N•M。这些参数远远大于前述转速和转矩条件，满足应用要求。

4.2 变频器选型

      ACS 800变频器具有DTC和主从控制技术两个重要功能，是选择双交流传动的主要依据。

  （1） DTC技术

    DTC技术是目前最先进的变频技术，能实现低速大力矩、低电流大力矩，独有的“零速满转矩”特性。在DTC技术中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量，能够在没有光码盘或测速电机的反馈的条件下，精确控制任何标准鼠笼电机的速度和转矩。高速数字信

号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新40,000次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味者传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。在DTC中不需要对电压、频率分别控制的PWM调制器。因此没有固定的斩波频率，在实际运行中，不会产生其它变频器驱动电机时所发出的那种高频噪声，同时也降低了变频器本身的功耗。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度， 

（2） 主从控制技术

      主从控制技术是ABB公司专门为多电机传动应用而设计的，变频器之间通过光纤连接，其中一台变频器被设置为主机，其他变频器被设为从机，电机硬轴连接。

      主机实行速度控制，从机实行转矩控制，从机的转矩、速度控制信号由主机根据自身的转矩输出比例进行计算给出，可以有效地控制负载的平衡。

    主机M1是速度控制，从机M2是转矩控制，从电机M2动态跟随主电机转矩的变化而变化。在正常的运行范围内，从机M2的速度调节器输出为零，从机时刻跟随主机的转矩给定，保持了负载的平衡。如果主从机速度略有偏差（速度给定值-实际转速值），且速度偏差处于一定的窗口范围内，窗口控制（window control）将使从机速度调节器的输入和输出保持为零,从机跟随主机的转矩给定（torque ref1），满足负载的平衡要求。如果速度偏差超出窗口范围，窗口控制（window control）把速度偏差与速度调节器相连，速度调节器输出增加或减少内部转矩给定，停止转速的进一步上升或下降,直至达到新的平

       此外，ACS800变频器还有许多其他优点，不在一一阐述。

 (3) 变频器主从通讯连接

     主机CH2通道发送端接至从机CH2通道接受端，反之亦然。主从通讯为同步双全工串行通讯，最大传输延迟为16ms，传输时间间隔4ms，传输速率4Mbit/s，通讯协议为ABB分布式传动通信系统(DDCS)。

  (4) 变频器从机故障配线

    传动单元上有两个模拟输出端和三个继电器输出端用于外部监控，通过参数设定，确定主从连接故障处理方式。

(5) 变频调速系统操作控制

      变频调速系统设计为两地控制，本地控制由ACS800系列CDP-312传动控制盘控制，CDP-312控制盘有四种不同的键盘模式：实际信号和故障纪录显示模式、参数模式、功能

模式和传动选择模式。在实际信号显示模式中可以同时监视三个实际信号，诸如频率、转速、电流、流量等信号。控制室控制可采用单个信号硬连接和通讯连接两种方式，前者由于线路长、连线多，因此抗干扰能力差，因此通讯连接较为理想。

      由上图可看出：每台变频器加装Control-net通讯卡，与上位机DCS网络互联，可以通过上位机控制设备起停及速度调节，也可监控设备的运行状态及故障情况。另为了增强系统的可靠性，变频器除通过网络与上位机相连外，还将现场部分必要信号通过开关量及模拟量接线的方式接入DCS。

    上述方案确定后，下面的工作需要绘制出系统电气接线图并接线、按照系统使用手册设置系统电机参数、模拟及数字I/O参数、系统参数、主从控制参数、与DCS系统通讯协议设置、系统ID运行，即可得到最优的变频调速系统。

5  结论

交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和电力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关。

     变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模块IPM(Intelligent Power Module)，后面二种集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体是目前通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。IGBT集射电压,频率可达到20KHZ,内含的集射极间超高速二极管可达150ns,1992年前后开始在通用变频器中得到广泛应用。其发展的方向是损耗更低,开关速度更快、电压更高,容量更大(3.3KV、 1200A), 目前，采用沟道型栅极技术、非穿通技术等方法大幅度降低了集电极一发射极之间的饱和电压[VCE（sat）]的IGBT也已问世。

     IGBT的应用使变频器的性能有了很大的提高。其一是ICBT开关器件发热减少，将曾占主回路发热50－70％的器件发热降低了30％。其二是高载波控制，使输出电流波形有明显改善；其三是开关频率提高，使之超过人耳的感受范围，即实现了电机运行的静青化；其四是驱动功率减少，体积趋于更小。

     而IPM的投入应用比IGBT约晚二年，由于IPM包含了1GBT芯片及外围的驱动和保

护电路.甚至还有的把光耦也集成于一体，因此是种更为好用的集成型功率器件，目前，在模块额定由流10－600A范围内，通用变频器均有采用IPM的趋向。

6  心得体会

   通过此次课程设计，进一步加深了我对电力电子技术的理解，设计过程中翻阅了较多资料，以前课堂没有消化的知识通过本次设计很好的理解了这些难点。此次设计我着重了解到，调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。所以说电力电子课程设计也同时为我以后的工作积累了必要的知识，也深刻理解了老师说过的学电气的一定要把电力电子学好这句话 。电力电子发展十分迅速，也有很好的发展前景，通过这次课程设计，使我更加重视这门课程，他对我以后的工作会有很大的帮助，虽然这门课结束了，但在以后的学习中我还会不断学习和了解有关电力电子的知识。

参考文献

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术 北京：机械工业出版社，第四版

[2] 吴安顺（等）.最新实用交流调速系统.北京:机械出版社,1998.

[3] 近代变频调速（第2版）.冶金工业出版社

[4] 张永惠.高压变频调速技术的比较[A].北京:电厂高压电动机变频调速装置.全国电力技术市场协会,中国电力企业联合会科技服务中心.

[5] 张永惠.推荐一种运行可靠、经发经济实用的高压变频调速系统.北京:电厂高压电动机变频调速装置.全国电力技术市场协会,中国电力企业联合会科技服务中心.

[6] 干永革等.大功率高压变频调速系统的研制[J].变频器世界，2004(3).

[7] 吴忠智,吴加林.中高压大功率变频器应用手册[M].北京.机械工业出版社,2003.