电流源型转差频率控制的闭环调速控制系统设计概述

第1章 课程设计方案的选择

1.1概述

现代工业控制一般采用平滑调速，不能满足控制要求。为了提高系统的静动态性能,首先采用转差反馈的闭环控制，要提高控制系统的先进性，就得使用转差频率闭环控制系统。

变频器的作用主要是：节能和调速，并能实现自动控制程高精度控制。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置

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、供水空调等领域 1.2转差频率控制的基本概念

直流电动机的转矩与电枢电流成正比，控制电流就能控制转矩。因此，转速调节器的输出信号当作电流给定信号，也就是转矩给定信号。

在交流异步电动机中，影响转矩的因素较多，控制异步电动机转矩的问题也比较复杂。在恒控制时的电磁转矩公式

S

R I n T r

r

p

e ''=

21

3ω (1-1) 将m Ns s m Ns s m Ns s g k N k N k N f E φωφπωφ1112

1244

.444.4===代入上式得

2212212

2223lr

r r m Ns s p e L s R R s k N n T '+''=

ωωφ (1-2)

令1ωωs s =，并定义为转差角频率，2

23

2Ns

s p m k N n K =

是点击的结构常数，则： ()22

2

lr s r

r s m

m e L R R K T '+''

=ωωφ (1-3) 当电机稳态运行时，S 值很小，因而s ω也很小，只有1ω的百分之几，可以认为

r lr

s R L '<<'ω，则转矩可近似表示为 r s

m

m e R K T '

≈ωφ2

(1-4)

在S 值很小的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通m φ不变，异步电动机的转矩就近似与转差角频率s ω成正比。因此，在异步电动机中控制s ω，就和直流电动机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。 1.3转差频率控制的规律

转差频率控制的规律是：

（1）在sm s ωω≤的范围内，转矩e T 基本上与s ω成正比（如图1.1所示），条件是气隙磁通m φ不变。

图1.1 按恒m φ值控制的()s e f T ω=特性

（2）在不同的定子电流值时，按()s s I f U 1ω=的函数关系（如图1.2所示）来控制

定子电压和频率就能保证气隙磁通m φ恒定。

图1.2 不同定子电流时

1

ωg

E 控制所需要的电压-频率特性曲线

图1.1、图1.2分别为按恒m φ值控制的()s e f T ω=特性曲线和不同定子电流时1ωg E 控制所需要的电压-频率特性曲线。

第2章课程设计内容

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。在设计中采用的是电流型。

2.1主电路设计

1.整流电路的设计

最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。设计中采用了三相桥式可控整流电路。

在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感吸收脉动电流。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

图2.1为三相桥式可控整流电路图。

在交-直-交变压变频器中，中间直流环节采用大电感滤波（如图2.1所示）后，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源。

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图2.1 三相桥式可控整流电路

2.电流源型逆变电路

同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。

图2.1输出的交流电流是矩形波或阶梯波，叫做电流源型逆变器或称为电流型逆变器。电流源型逆变器可以满足快速起制动和可逆运行。

图2.2为逆变电路图。

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图2.4 逆变电路

3.主电路图

图2.3为主电路图。

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图2.3 主电路图

2.2电流调节器的设计

图2.4为电流调节器的结构框图。

图2.4 电流调节器结构框图

1. 确定时间常数

1）整流装置滞后时间常数s T 。

查电表可知，三相桥式电路的平均失控时间s T s 0017.0=。 2）电流滤波时间常数oi T 。

三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms ，为了基本滤平波头，应有ms T oi 33.3=因此取ms T oi 3=。

3）电流环小时间常数之和∑

i T 。