变速恒频风电机组交流励磁调节装置设计毕业论文(编辑修改稿)

变速恒频风电机组交流励磁调节装置设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

(12) 电机的同步转速为 : min/1500rn (13) 由式 1 1 13 推导出交流励磁频率 : 60)1 5 0 0(2pkuf cf (14) 因此，只要对输入单片机的 cfu （测速发电机的输出电压） 进行整理、计算，就可得出三相逆变电路需要给风力机电流的补偿频率 2f。 整个系统是由测量单元、逆变单元、风力发电单元和 PLC 控制单元组成的闭环调节装置。 如图 21，系统控制图。 图 系统控制图 三相励磁绕组 驱动电路 三相逆变电路 风力机定子 PLC 负载 测速发电机 毕业设计 7 栅极 G源极 S漏极 D二氧化硅N NP 体区漏移区缓冲区注入区 3 变频装置的结构及工作原理介绍 交流励磁的主要实现方法就是逆变电路， 励磁装置采用无源逆变。 逆变电路的应用十分广泛。 在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。 另外，交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心 部分都是逆变电路。 有人甚至说，电力电子技术早期曾处在整流时代，后来则进入逆变器时代。 IGBT 介绍 IGBT 的结构与特性 在 20 世纪 80 年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管为代表的复合型器件得到了迅猛发展。 它综合了双极型电流驱动器件和单极型电压驱动器件的优点，已获得大量应用。 三相桥式逆变电路所选功率型器件是 IGBT。 IGBT 属于全控型器件。 IGBT 的中文名称叫绝缘栅极双极晶体管， 具有通流能力强、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、所需驱动功率小而且驱动电路简单等优点。 1. 结构和工作原理 IGBT 外设三个接线端，分别是栅极 G、集电极 C 和发射极 E。 如图 31 是 IGBT的结构图。 IGBT 导通是从 P 注入区向 N 漂移区发射少子，这段时间经过对漂移去的电导率进行调制， IGBT 的通流能力得到很大提高。 当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号， IGBT 关断 [5]。 图 31 IGBT 结构 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 图 32 所示为 IGBT 开关过程的波 形图。 IGBT 在开通过程中，大部分时间是作毕业设计 8 u GEi Cu GE90% I CM10% I CM10% U CEMU CEM10% U GEM90% U GEMU GEMI CMU CM(o n )t fvt fv 2t fv 1t rvtt d(on ) t ri t d(off ) t fit fi1 t fi2ttOOO为 MOSFET 来运行的，只是在漏源电压 dsU 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。 图 32 IGBT 的开关过程 IGBT 的额定电流计算 IGBT 的主要参数 CESU —— 由内部 PNP 晶体管的击穿电压确定 —— 包括额定直流 CI 和 1ms 脉宽最大电流 CPI CMP —— 正常工作温度下允许的 最大功耗。 参数的选择要留有合适的余地，这样才能保证可靠、长期、安全运行。 工作电压为 50%— 60%，在这种情况下器件是最安全的。 有一下制约因素： ， Ci 要处于安全工作去，小于 2 倍的额定电流。 峰值电流是根据 200%的过载 120%的电流脉动率来制定的。 毕业设计 9 UdS1S2S3S4负载i ou o 120 摄氏度。 根据励磁电流计算 IGBT 的额定电流，三相励磁绕组的励磁电流为 安。 流过 IGBT 的电流有效值： AI D  (31) IGBT 的额定电流：   AI AVT  (32) 考虑到二极管的续流最终选择 IGBT 的额定电流大约为 12 安左右。 IGBT 的耐压值计算： IGBT 的损耗 损耗是指 IGBT 在开通或关断过渡过程期间的功率损耗。 当 PWM 信号频率大于 5kHz 时，开关损耗会非常显著，因此在使用变频器时，必须正确的选择载波频率值。 载波频率的大小与器件的开关损耗、器件的发热、电流的波形、干扰的大小、电动机的噪声和振动等有关，因此按照不同功率的电动机恶化现场条件来正确选择载波频率值，也是变频调试中的一个重要环节。 逆变电路的基本原理 以图 33 的单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理。 图中 S1～ S4 是桥式电路的 4 个臂，他们由电力电子器件及其辅助电路组成。 当开关 S S4 闭合，S S3 断开时，负载电压 0u 为正；当开 关 S S4 断开， S S3 闭合时， 0u 为负，其波形如图所示。 这样，就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 这就是逆变电路最基本的工作原理。 图 33 简单逆变电路 三相电压型逆变电路 三相逆变电路为励磁提供电源，在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。 采用 IGBT 可控元件作为开关器 件的三相电压型桥式逆变电路如图 34 所示。 由电压型直流电源供电的 逆变电路。 图 34 是 一个三相电压型逆变电路的毕业设计 10 N39。 Ud2Ud2V1V4V3 V5V6 V2VD1 VD3 VD5VD6VD4 VD6UVWN主电路。 直流电源采用 整流电路 ，由普通 二极 管 组成。 逆变电路由 6 个导电臂组成 ,每个导电臂均由具有自关 断能力的全控型器件及反并联二极管组成，所以实际上也是一种全控型逆变电路。 负载为感性，星形接法，在整流电路和逆变电路之间并联大电容 Cd。 由于 Cd 的作用，逆变 输 入端电压平滑连续，直流电源具有电压源性质。 图 34 三相逆变电路 逆变桥中的二极管作为续流二极管使用，防止管子打开或关断时受到电流的冲击而产生过大的压降，而损坏管子。 电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出假想中点 N’。 和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是 180176。 ，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差 120176。 这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。 可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。 因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也称为纵向换流。 下面来分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。 对于 U 相输出来说，当桥臂1 导通是， 2/39。 dUN Uu  ，当桥臂 4 导通时， 2/39。 dUN Uu 。 因此， 39。 UNu 波形是幅值为 2/dU 的矩形波。 V、 W 两相的情况和 U 相类似， 39。 VNu 39。 WNu 的波形形状和 39。 UNu 相同，只是相位依次相差 120176。 这种传统逆变方式产生的相 电流波形如图 35， 这种方法得到的三相电流波形十分粗糙，无法满足三相励磁要求。 毕业设计 11 tiO 图 35 一 相输出电流 计算三相桥式逆变电路的输入电压 ： 根据dmUNUN UUU ，因为设计中要求励磁电压 36V， 所以 361 UNU V。 从而求出 VUU UNd 1 ， 这就是三相逆变电路 的直流母线 的输入电压。 三相逆变电路接收门级触发信号输出符合要求的三相励磁电流。 毕业设计 12 TVT 1 VT 3 VT 5VT 4 VT 6 VT 2nabc4 三相桥式整流电路 逆变电路的直流电压是由整流电路提供的，这里采用三相桥式 不可 控整流电路。 如图 41 三相桥式整流电路原理图 ,T 整流变压器一次侧从风力发电机引入三相交流电源，二次侧接整流电路。 图 41 三相桥式整流电路原理图 三相桥式整流电 路是由共阴接法与共阳接法三相 不可 控整流电路串联而成，并且取消了公共中线，因此三相桥整流电路在任何时刻都 是二极 管 正向 导通，且其中一个是在共阴组，另一个必须在共阳组。 只有当它们能同时被触通时，才能构成负载电流导通回路。 整流电路输出的电压波形为线电压的包络线，输出的电压的变化范围为2223 U— 26U。 毕业设计 13 f ( t ) f ( t )t tOO5 PWM 控制技术介绍 控制的基本原理 PWM 控制是重要的电力电子技术， 通过脉宽调制可以输出标准的正弦波形，基于 PWM 控 制技术的三相逆变电路，更能输出三相正弦交流电。 它可以满足风力发电机的交流励磁要求。 PWM（ Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。 即通过对一系列脉冲宽度进行调制，来等效地获得所需的波形。 PWM 控制技术在 众多领域的逆变电路中的 最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。 现 在大量应用的逆变 电路中，绝大部分都是 PWM型逆变电路。 可以说 PWM技术 和逆变电路应用在发展中相互促进 ， PWM 技术 才 不断得到改进 ， 从而确定了它在电力电子技术中的重要地位。 离开了 PWM 控制技术，绝大部分逆变 电路的功能是无法实现的。 在采样 控制理论中 的面积等效原理 ， 有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 冲量即窄脉冲的面积。 这里所说的效果基本相同，是指环节的输出相应波形基本相同。 通过傅里叶变换分析 各输出波形，仅在高频段略有差异，而 低频非常接近。 如图 51 所示的三个窄脉冲形状不同，其中图 51a 为矩形脉冲，图 51b 为三角形脉冲，图 51c 为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于 1，那么，当它们分别在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。 当窄脉冲变为图 51d 的单位脉冲函数 t时，环 节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。 （ a） （ b） 毕业设计 14 f ( t )t tOOf ( t )uuωtωtOO （ c） （ d） 图 51 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 下面来分析怎样用一系列等副不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。 把图 52a 的正弦波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成是有一个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。 这些脉冲宽度相等都等于 /N ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。 如果把上述脉冲序列利用相同数量的等副而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且 使 矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量相等）就得到图 52b所示的脉冲序列。 这就是 PWM 波形。 可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。 根据面积等效原理， PWM 波形和正弦波是等效的。 对于正弦波得负半周，也可以用同样的方法 得到 PWM 波形。 像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形，也称 SPWM（ Sinusoidal PWM）波形 [5]。 图 52 用 PWM 波代替正弦半波 PWM 波形的生成 毕业设计 15 uωtb cO ωt 1aωt 2 ωt 3 ωt 4 ωt 5 ωt 6 ωt 7PWM 波形由三相桥式逆变电路 (如图 34） 产生， 来给三相励磁绕组提供励磁电源。 采用脉宽调制方法可以产生合格的三相交流电， 如图 53，即三相励磁绕组产生的交流电。 图 53 三相交流电 下面来分析一个周期内的 IGBT 导通情况。 单独观察 一相电压。