基于plc控制的变频调速系统在矿井提升机中的应用_毕业设计(编辑修改稿)

基于plc控制的变频调速系统在矿井提升机中的应用_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

第 13 页 优点：主回路拓扑简单，易于实现矢量控制，采用相同结构的前 端全控整流单元可实现四象限运行，系统整体功率密度水平和效率较高。 缺点：需施加动、静态均压措施，系统可靠性较差，输出波形畸变率较大， du/dt 高，输出电压、电流谐波含量大，对高压电机绕组绝缘有潜在威胁，实际应用需加装正弦波输出滤波器，同时 EMI 影响较重，威胁自身控制系统和其他电子设备的正常运行。 （ b）多独立电源级联型多电平高压变频器 图 5 多独立电源级联型多电平高压变频器原理图 优点：采用单元化结构设计，将 多个单相全桥单元叠加起来，采用载波移相等 PWM 调制技术，可实现多电平叠加输出，系统电平数越多，输出波形越接近于正弦， du/dt 低，可不用输出滤波器而直接应用于普通电机，系统平顶山工业职业技术学院成人教育学院 毕业设计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 14 页 冗余度较好。 缺点：较难实现高性能矢量控制，目前大多应用于调速要求不高的风机、水泵等应用场合。 系统功率器件数量众多，如对每个独立的直流电源配置前端全控整流以实现高性能能量回馈和网侧功率因数控制功能，则系统所用功率器件和传感器数量将会急剧扩大，系统功率密度低，移相变压器制造工艺复杂，系统占地面积大，故障点多，可靠性一般。 （ C）钳位型多 电平高压变频器 图 6 钳位型多电平高压变频器 优点：系统采用结构化设计，功率布局配置合理，功率密度高，符合大功率变频器的发展方向。 输出波形畸变率、 du/dt、 EMI 等指标较两电平方式有较大改善。 采用背靠背双三电平结构可按照 “ 电网 变频器 电机 ” 一体Sa 1Sa 2Sa 3Sa 4Sb 1Sb 2Sb 3Sb 4Sc 1Sc 2Sc 3Sc 4C 1C 2onabcE / 2E / 2平顶山工业职业技术学院成人教育学院 毕业设计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 15 页 化方式进行协调控制，在实现高性能矢量控制的同时， 对于网侧谐波含量、网侧功率因数等关键指标均有良好控制效果。 缺点：随着电平数的扩展，系统输出波形质量有进一步的改善，但算法复杂程度急剧上升，一般实际应用限制在七电平，国外成熟产品以三电平 为主。 du/dt 对高压电机的绝缘影响仍不容忽视，在 6KV 及以上高压应用场合仍需选配正弦波输出滤波器。 变频调速的基本原理 异步电机的 VVVF 调速系统一般简称变频调速系统。 由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步电机调速系统中效率较高，同时性能也最好，故是交流调速的主要发展方向。 交流调速系统的控制量最基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构成各种闭环系统。 异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速 pfn 10 60 式中 1f —— 定子绕组电源频率。 P— 电机磁极对数。 异步电动机转差率 00n nns  平顶山工业职业技术学院成人教育学院 毕业设计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 16 页 则异步电动机转速 )1(60)1( 10 spfsnn  由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种 0n :变极 p、变频 1f 、 s:定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、串极调速。 由电机学可知，转差功 率 : 2Cuems PsPP  式中 emP — 电磁功率。 Cu2— 转子铜耗。 由式可知，变频调速与变极调速为转差功率不变型不论其转速高低，转差功率消耗基本不变，因此调速效率为最高。 由电机与电力拖动可知，异步电动机等效电路如图 7 所示， 平顶山工业职业技术学院成人教育学院 毕业设计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 17 页 图 7 异步电动机等效电路 对交流异步电动机进行变频调速，交流异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速 表达式为 : pnfn 11 60 式中 : 1n — 同 步转速 (r/min)。 1f — 定子频率 (Hz)。 pn — 磁极对数。 而异步电动机的转速为 : )1(60)1( 11 sn fsnn p  式中 : s 异步电动机的转差率 11 n nns  改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。 当然，也可以通过改变转差率，和磁极对数 n ，来改变异步电动机的转速。 但是变极 对 数和变转差率在调速领域内的应 用范围较小，而变频调速具有高效率、高范围和高精度的调速性能，是比较合理的调速方法。 交流变频器正是通过均匀的改变输入异步电动机定子的供电频率来调节电动机转速的。 对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持不变。 磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负荷能力下降。 磁通太强，则由于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定平顶山工业职业技术学院成人教育学院 毕业设计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 18 页 子电流的负载分量，为使电动机不过热，负载能力要下降。 异步电动机的气隙磁通 ( 主磁通 )是定、转子合成磁动势产生的。 由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有 效值为 : m111  NfE 式中 1E — 定子每相由气隙磁通感应的电动势的均方根值 (V)。 1f — 定子频率 (Hz)。 1N — 定子相绕组有效匝数。 Φ m— 每相磁通量 (Wb)。 由上式可见 ,Φ m的值是由 E1 和 f1共同决定的，对 E1和 f1进行适当的控制 ,就可以使气隙磁通Φ m保持额定值不变。 下面分两种情况说明 : 1 .基频以下的恒磁通 变频调速 这是考虑从基频 (电动机额定频率 AN)向下调速的情况，为了保持电动机的负载能力， 应保持气隙主磁通Φ m不变， 这就要求降 低供电频率的同时降低感应电动势，保持 E1/ f1 = 常数， 即保持电动势和频率之比为常数进行控制。 这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。 但是， E1难于检测和直接控制。 当 El和 f1值较高时，定子的漏阻抗压降 相对比较小，如果忽略不计，则可以近似的保持定子相电压 U1和频率 f1的比值为常数即可。 这就是恒压频比，是近似的恒磁通控制。 当频率较低时， U1和 E1都变小， 定子漏阻抗压降 (主要是定子电阻压降 )不能再忽略 ,这种情况下，可以适当的提高定子电压以 补偿定子电阻压降的影响 ,使气隙磁通基本保持不变。 平顶山工业职业技术学院成人教育学院 毕业设计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 19 页 双馈调速系统结构图和运行原理 图 8 全数字转子双馈变频调速电控系统结构图 传统双馈电机即为绕线式转子异步电动机，因其定、转子各有一套绕组与外部电源（电网或变频器）相连，功率流向可分别由定、转子馈入或馈出 ，故称双馈电机。 早期得到较广泛应用的绕线式转子异步电动机串级调速其实为双馈调速的一种方式，因其只能从转子侧馈出能量，只能运行在同步转速以下，没有制动停车功能，可理解为狭义双馈。 与之相对应的广义双馈是指电机定、转子均可进行能量的双向流动。 结构形式通常为电机定子侧接入恒压恒频电网，转子侧接入变压变频装置。 通过控制转子附加电势的频率、幅值和相位进行调速和平顶山工业职业技术学院成人教育学院 毕业设计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 20 页 功率因数控制。 M3~~转 子 侧 功 率 变 换 单 元T 1C U 1 C U 2 图 9 双馈调速系统运行原理示意图 上图为由晶闸管功率器件组成的六拍逆变双馈调速系统，转 子侧功率变换单元由 CU1和 CU2 组成，当转子侧馈入功率时， CU1工作在逆变状态， CU2工作在整流状态；当转子侧馈出功率时， CU1工作在整流状态， CU2 工作在逆变状态。 此外，另一种由晶闸管功率器件组成的转子侧功率变换单元为交交变频器，由于变频器自身的特点，一方面可以自然实现功率双向流动，另一方面会给电网带来较大的谐波，在功率较大的场合需使用谐波抑制装置。 目前使用晶闸管功率器件的双馈调速系统在实际生产中有一定数量的应用，但已不再推荐使用。 平顶山工业职业技术学院成人教育学院 毕业设计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 21 页 电平双 PWM 变换器 以 IGBT为代表全控器件组成的 PWM 变换器具有谐波分量小的显著优点。 近年来，随着全控器件的容量不断提高， 使得在高压大功率调速应用场合也有可能使用 PWM变换器进行变压变频调速，其效率、功率因数、电压利用率等各项指标均优于晶闸管半控器件组成的相控变换器。 +_E dWC 1C 2S 1 1S 1 2S 1 3S 1 4 S 2 4S 2 3S 2 2S 2 1 S 3 1S 3 2S 3 3S 3 4D 1 1D 1 2D 2 1D 2 2D 3 1D 3 2U V 图 10 二极管中点钳位三电平变换器的基本结构 传统的两电平逆变器的大 功率 运用中存在 许 多问题： 需 要 笨重 、 耗 能、 昂贵 的变压器， 为 了得 到高质 量的 输 出波形 而 提 高 开关 频率 ， 造 成 很高 的开关 损耗 ， 而为 了 适 应 高 电压的要 求 ， 需 采用器件 串联 ，因 而需 要 复杂 的动态 均 压电路。 三电平变换器由早期的两电平变换器演化而来， 在变换器的 桥臂 上有 4 个电力 半 导体开关器件。 每个期间三电平变换器作 为 一种新型的 高 压大容量 功率变 换 器， 从 电 路 拓扑 结 构入手 ，在得 到高质 量的 输 出波形的同 时 ， 克服 了两电平逆变器的 诸 多 缺 点：无 须 输 出变压器和动态 均 压电 路 ，开关 频率低 ，因 而 开平顶山工业职业技术学院成人教育学院 毕业设计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 22 页 关器件应力小，系统效 率高 等。 其主要 优 点是：电平 数越高 ， 输 出的电压 谐 波含 量 越低 ，开关器件的开关 频率低 ，开关 损耗 小，器件应力小，无 须 动态 均 压。 采用不同的控制方式，可使 三电平变换器工作在逆变状态或整流状态。 在逆变运行状态， 通过 对直 流侧的分压和开关动作的 不 同组合实现多电平 阶梯 波电压 输 出， 从而使 得 输 出的电压波形更加接 近 正 弦 波。 在整流运行状态，可在直流输出电压可控的基础上，实现网测功率因数调节。 目前，在电力系统中正越来越多的使用由三电平全控整流器构成的有源滤波器。