基于多种通讯方式与变频器的多电机同步控制系统的标准化设计毕业论文(编辑修改稿)

基于多种通讯方式与变频器的多电机同步控制系统的标准化设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

面积成正比，脉宽基本上成正弦分布。 经倒相后正半周输出正脉冲列，负半周输出负脉冲列。 由波形可见， SPWM 比 PWM的调制波形更接近于正弦波，谐波分量大为减小。 输出电压的大小和频率均由正弦参考电压 Ur来控制。 当改变 Ur的幅值时，脉宽即随之改变，从而改变输出电压的大小；当改变 Ur的频率时，输出电压频率即随之改变。 但要注意正弦波的幅值 Urm必须小于等腰三角形的幅值 Ucm，否则就得不到脉宽与其对应正弦波下的积分成正比这一关系。 输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。 图 9 只画出单相脉宽调制波形。 对于三相 变频器 ，必须产生相位差为 120186。 的三相调制波。 载频三角波三相可以共用，但必须有一个可 变频变幅的三相正弦波发生器，产生可变频变幅的三相正弦参考信号，然后分别比较产生三相输出脉冲调制波。 若三角波和正弦波的频率成比例地改变，不论输出频率高低，每半周的输出脉波数不变，即为同步调制式。 {{分页 }} 若三角波频率一定，只改变正弦参考信号的频率，正、负半周的脉波数和相位在不同输出频率下就不是完全对称的了，这种方式叫非同步脉宽调制方式。 非同步虽然正、负半周输出波形不能完全对称，会出现偶次谐波，但是每周的输出的调制脉波数将随输出频率的降低而增多，有利于改善低频输出特性。 上 述单极性脉宽调制，脉冲的极性不改变，要正、负半周输出不同极性的脉冲，必须另加倒相电路。 与此相对应，若在调制过程中，载频信号和参考信号的极性交替地不断改变则称为双极性调制。 其调制波形如图 10 所示，图中画出三相调制波形。 与上述单极性 SPWM 的情况相同，输出电压的大小和频率也是由改变正弦参考信号 Ur的幅值大小和频率调制的。 参考信号也可以采用阶梯式准正弦波。 图 10 三相正弦波脉宽调制波形 这种正弦波脉宽调制方式，当然也可以采用同步式和非同步式的调制方式。 但 SPWM 型 变频器 带异步电动机负载时，在脉宽调制过程 中，要根据异步电动机变频调速控制特性的要求，在调节正弦参考信号频率的同时，要相应地适当调节其幅值，使输出基波电压的大小与频率之比为恒值，即保持 U1/f1=常数。 3.“Δ”调制（ DM）方式 “Δ”脉宽调制方式（ Delta Modulation Technique）的调制电路及波形如图 11所示。 只要输入可变频恒幅正弦波参考电压 Ur，就可以平滑地变换出调制工作脉冲，而且能够自然保持输出基波电压与频率之比为恒值。 “Δ” 脉宽调制电路的基本工作原理：正弦波参考信号电压 Ur加在运算放大器 A1的同相输入端， A1作为比较器工作。 当 Ur从零上升时， A1的输出电压 U1迅速升到正饱和值 Us， +Us电压经运算放大器 A2作反向积分，其输出电压 UF负向线性增长， UF和 +U1经 R R3综合加到运算放大器 A3的反相输入端， R3R2， A3输出正向上升电压 UK， UK与 Ur在运算放大器 A1中相比较，当 UK SPANr时， A1输出保持 +Us，一旦 UK上升到 UKUr时， A1迅速翻转输出负饱和电压 Us。 Us电压再经运算放大器 A2反向积分，使其输出 UF负值线性减小，从而使 A3的输出电压 UK也随之减小，当 UK SPANr时， U1又转换为 +Us， UF负值又增大， UK再次上升，如此循环不已，便得到图 11 所示的 “Δ” 脉宽调制波形。 图 11 “Δ”脉宽调制电路及波形 “Δ” 脉宽调制电路具有一个可贵的特性，就是当输入正弦波参考电压 Ur的幅值一定时，其输出调制脉冲列 U1的基波电压大小与其频率之比随时保持恒值，这个 U1/fo为恒值的特性正符合异步电动机变频调速对 PWM 逆变器输出的要求。 四、 多重化 变频器 表 1 中项 5的 PAM 方式 变频器 ，其输出波形为矩形波。 为了获得近似正弦波或者获得高压，有时采用多重化 变频器。 图 12 为多重化 变频器 的原理。 将单相 变频器 的电压波形（或电流波形）按傅立叶级数展开，则含有不少高次谐波。 并在图中给出了 3次谐波。 图 12 多重化的原理 如果将相位差为 60186。 的两台单相 变频器 的 输出 U U2图 12a 与图 b 合成，则合成输出的导通宽度为 120186。 U U2所含的 3次谐波相位相差 180186。 ，在输出中被互相抵消。 这就叫作多重化。 这种多台 变频器 的多重化可以抵消谐波，改善波形；输出为两台 变频器 之和，容易实现大容量化。 电压型、电流型两种 变频器 的多重化构成原理图，如图 13 所示。 变频器 的输出采用输出变压器来实现多重化，变压器的二次绕组对于电压型 变频器 为串联连接，对于电流型为并联连接。 图 13 变频器 的多重化构成原理图 a)电压型 b)电流型 五、 正转和反转 三相 电源 中任意两相交换输入，就会发生反转。 变频器 可以用电子回路改变相序实现反转。 六、 电动与再生 异步电动机的转差率为正时，产生电动转矩，为负时则产生制动转矩。 因此，想使异步电动机制动，显然使 变频器 频率从与电动机转速相应的频率下降即可。 此时，为了使转动能量反馈到 变频器 侧（再生），必须具有吸收与此转动能量相对应的电功率的能力。 当 变频器 的频率低于电动机的转速时，续流二极管是作为以电动机为 电源 的整流器而工作，由电动机产生的再生功率流入直流 电源回路的平波电容中。 在这种情况下，对于通用小容量 变频器 要装设电阻（见表 1），再生时用此电阻将再生功率消耗掉。 对于大容量 变频器 ，则采用可逆整流器将再生功率反馈给 电源。 变频器 时 对于电流型 变频器 ，再生时直流电流方向不变，而直流电压的方向反向，所以整流器部分不需要可逆方式，用不可逆整流器即可。 负载的分类 1. 变频器不是在任何情况下都能正常使用，因此用户有必要对负载、环境要求和变频器有更多了解电动机所带动的负载不一样，对变频器的要求也不一样。 A: 风机和水泵是最普通的负载：对变频器的要求最为简单，只要变频器容量等于电动机容量即可（空压机、深水泵、泥沙泵、快速变化的音乐喷泉需加大容量）。 B: 起重机类负载：这类负载的特点是启动时冲击很大，因此要求变频器有一定余量。 同时，在重物下放肘，会有能量回馈，因此要使用制动单元或采用共用母线方式。 C: 不均行负载：有的负载有时轻，有时重，此时应按照重负载的情况 来选择变频器容量，例如轧钢机机械、粉碎机械、搅拌机等。 D: 大惯性负载：如离心机、冲床、水泥厂的旋转窑，此类负载惯性很大，因此启动时可能会振荡，电动机减速时有能量回馈。 应该用容量稍大的变频器来加快启动，避免振荡。 配合制动单元消除回馈电能。 2. 长期低速运转，由于电机发热量较高，风扇冷却能力降低，因此必须采用加大减速比的方式或改用 6级电机，使电机运转在较高频率附近。 3. 变频器安装地点必需符合标准环境的要求，否则易引起故障或缩短使用寿命；变频器与驱动马达之间的距离一般不超过 50 米，若需更长的距离则需 降低载波频率或增加输出电抗器选件才能正常运转。 变频器的选型 正确选用变频器的类型，首先要分析生产机械的类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，然后决定选用哪种控制方式的变频器最合适。 所谓合适是既要好用，叉要经济，以满足工艺和生产的基本条件和要求为前提。 表 1为不同控制方式变频器的主要性能、应用场合，表 2 为常见几类设各的负载特性和负载转矩特性，可供变频器选型时参考。 表 1 不同控制方式变频器的主要性能和应用场合 表 2 几类常见设备的负载特性和负载转矩特性 采用变频器驱动异步电动机调速。 在异步电动机确定后，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值 (最大值 )来选择变频器。 当运行方式不同时，变频器容量的计算方式和选择方法不同，变频器应满足的条件也不一样。 选择变频器容量时，变频器的额定电流是一个关键量，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。 变频器的运行一般有以下几种方式。 连续运转时所需的变频器容量的计算 由于变频器传给电动机的是脉冲电流，其脉动值比工频供电时电流要大，因此须将变频器的容量留有适当的余量。 此时，变频器应同时满足以下三个条件：式中： PM、η、 cosφ、 UM、 IM 分别为电动机输出功率、效率 (取 )、功率因数 (取 )、电压 (V)、电流 (A)。 K：电流波形的修正系数 (PWM 方式取 ～ ) PCN：变频器的额定容量 (KVA) ICN：变频器的额定电流 (A) 式中 IM 如按电动机实际运行中的最大电流来选择变频器时，变频器的容量可以适当缩小。 加减速时变频器容量的选择 变频器的最大输出转矩是由变频器的最大输出电流决定的。 一般情况下，对于短时的加减速而言，变频器允许达到额定输出电流的 130％～ 150％ (视变频器容 量 )，因此，在短时加减速时的输出转矩也可以增大；反之，如只需要较小的加减速转矩时，也可降低选择变频器的容量。 由于电流的脉动原因，此时应将变频器的最大输出电流降低 10％后再进行选定。 频繁加减速运转时变频器容量的选定 根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，按下式确定： I1CN＝ [(I1t1+I2t2+„ +I5t5)/(t1+t2+„ t5)]K0 式中： I1CN：变频器额定输出电流 (A) I I„ I5：各运行状态平均电流 (A) t t„ t5：各运行状态下的时间 K0：安全系数 (运行频繁时取 ，其它条件下为 ) 一台变频器传动多台电动机，且多台电动机并联运行，即成组传动 用一台变频器使多台电机并联运转时，对于一小部分电机开始起动后，再追加投入其他电机起动的场合，此时变频器的电压、频率已经上升，追加投入的电机将产生大的起动电流，因此，变频器容量与同时起动时相比需要大些。 以变频器短时过载能力为 150％， 1min 为例计算变频器的容量，此时若电机加速时间在1min 内，则应满足以下两式， 若电机加速在 1mn 以上时式中： nT：并联电机的台数 ns：同时起动的台数 PCN1：连续容量 (KVA) PCN1=KPMnT/η cos PM：电动机输出功率 η：电动机的效率 (约取 ) cosφ：电动机的功率因数 (常取 ) Ks：电机起动电流 /电机额定电流 IM：电机额定电流 K：电流波形正系数 (PWM 方式取 ～ ) PCN：变频器容量 (KVA) ICN：变频器额定电流 (A) 变频器驱动多台电动机，但其中可能有一台电动机随时挂接到变频器或随时退出运行。 此时变频器的额定输出电流可按下式计算： 式中： IICN：变频器额定输出电流 (A) IMN：电动机额定输入电流 (A) IMQ：最大一台电动机的起动电流 (A) K：安全系数，一般取 ～ J：余下的电动机台数 电动机直接起动时所需变频器容量的计算 通常，三相异步电动机直接用工频起动时起动电流为其额定电流的 5～ 7倍，对于电动机功率小于 10kW 的电机直接起动时，可按下式选取变频器。 I1CN≥ IK/Kg 式中： IK：在额定电压、额定频率下电机起动时的堵转电流 (A)； Kg：变频器的允许过载倍数 Kg＝ ～ 在运行中，如电机电流不规则变化，此时不易获得运行特性曲线，这时可使电机在输出最大转矩时的电流限制在变频器的额定输出电流内进行选定。 大惯性负载起动时变频器容量的计算 通过变频器过载容量通常多为 125％、 60s 或 150％、 60s。 需要超过此值的过载容量时，必须增大变频器的容量。 这种情况下，一般按下式计算变频器的容量： 式中： GD2：换算到电机轴上的转动惯量值 (N m2) TL：负载转矩 (N m) η， cosφ， nM 分别为电机的效率 (取 )，功率因数 (取 )，额定转速 (r/min)。 tA：电机加速时间 (s)由负载要求确定 K：电流波形的修正系数 (PWM 方式取 ～ ) PCN：变频器的额定容量 (KVA) 轻载电动机时变频器的选择 电动机的实际负载比电动机的额定输出功率小时，多认为可选择与实际负载相称的变频器容量，但是对于通用变频器，即使实际负载小，使用比按电机额定功率选择的变频器容量小的变频器并不理想，这主要是由于以下原因； 1) 电机在空载时也流过额定电流的 30％～ 50％的励磁电流。 2) 起动时流过的起动电流与电动机施加的电压、频率相对应，而与负载转矩无关，如果变频器容量小，此电流超。