32KVA电流源型变压变频开环调速系统设计

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交流调速控制系统课程设计（论文）崦噘持咭盾眢压酋戥斓轿

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题目：32kVA电流源型变压变频开环调速系统设计质奴游伤跹晃技颌滓岩硫售掩萃贴氨凝容纷螂狎钇

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院（系）：	缉群哲晃倜暇嗣酸圉嵩庞
专业班级： 鞒	鞒俊掂祛跄嘘蟀栲骆扒瞠
学 号： 噌	噌丞攉耿似败乐晷乇堑沤
学生姓名： 岢	岢滂绻定撇潍蚕啄肥昭槽
指导教师： 改	改漶惨粜趟氓颧蜞幛爷九
教师职称： 尧	尧岛右录钹滂阮骤土戥乳
起止时间：		仍孩绑产釜汇遴棣亢雳谚

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课程设计（论文）任务及评语障蛸诌回额钆惚媲庙死噔
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课程设计（论 文）题 目缗爪偾鲸景佝暴 巴瘢释诬	32kVA 电流源型变压变频开环调速系统设计褴笈蠃墙鹑冗死觚爿缢奁
课 程 设 计 （ 论 文 ） 任 务 宸 嗟 悯 愫 残 咦 婉 闲 景 矢 妇	1、输入侧的额定数据馆鳙砉彩施祺涌汞捌隶蜕 额定电压380V，允许波动+10%，额定频率f=50HZ，相数为三相。埃涨撕鬓输猷遁煳鹪遐勺2、输出侧的额定数据再赡氓佟包堵汤彭鞯髭汞 额定电压380V（指输出最大线电压）怵研喈甥谎谣缭嵝肩沉踟 额定电流40A（指长时间输出的最大线电流）惮松粜惠郫栌匦澄痹口庳额定容量SN=32kVA棚发蔗淝囟跑颚眠苎卟堂 过载能力 电流120%，时间1.5 分钟（指输出电流允许超过额定电流的倍数和时间）奔磕窿钼让蠓非侮蓰樗鬏 3、输出频率指标遑瑛岚魏新柚阑妹谘而扮 设定频率范围2HZ-120HZ 骛菘碳寞庞叁苑髁屹呛仿 1，给出电流源型变压变频开环控制的变频调速控制系统设计的原理图。红耜耱谋鸿目辗牝庠荚荜2，主电路设计。包括整流，逆变电路及开关管额定电压/电流计算。乓晶五申桶朴陟蕹桊扒绶控制方案设计及原理介绍。包括：陕酰潼竖惧倨奥士饲聊采 3，速度调节器，电流调节器的PI 算法及程序框图， 嘀镒绵朽术略鉴苯类燠榧 4，其它有关部分的设计。轹箜糅绀菝汤俪堋仿谓换 5，系统的数学模型渴癌齿邢鞠崽庑鲆昔疡任 6，对系统原理做总体说明介绍。含窒阋淮堡峙纽砂噱跆泸 7，按照学院课程设计要求，撰写课程设计说明书。札佼尤粢摊阂苴姨醵胭觅 涩樊纥艨牖祓涓台啖衡核
指 导 教 师 评 语 及 成 绩 鲂 偕 矍 疠 讵 庋 芈 凳 峄 怕 皮	据胶锨袼连非鸽姥皲纬芥 五渭铼耒羟絷眈裱蝉慵锏 噔唯拙妾沸停骰雎涉炕徇 欤雎浔捃咴手岘诺燕贩篦 昭闺逅嬗羊椭胡衅腰瘤姆 蚕桑漫穴兴糍六追鹬哂峙 胡晖很傍蛱损料伢吃软疽 崤穿当搔晨夼突猴晃壬自 锔镄逍鞫虮分酥倩砗抄笾 畿督二倭勤饺椐赇妪杈芩 睐钾蠊榇伪贾苒儋樵迂玮 成绩： 指导教师签字： 蹁莆镅桕盖雳境空胂盘珧罢飨耶蝰酪俑瓶祜缉钳兽 年 月 日胱揉印酲湮诰磕窒导臭贡

宠仍粮忿嘻蒇葚拖鹣鲶瞥

目 录蕲饴潘蜥荒小仪藜晕旎碱

第1 章 概述........................................................................................................................1	晤柔鹃喻腈陆渲觫务蒌荧
1.1 设计方案论证............................................................................................................1	弄铺措运砂潍继埠斗唪逐
1.2 概述.............................................................................................................................1	獍环沟屮焚付脖羰跣呕瘵
1.3 设计系统的原理图.....................................................................................................1	嘤馄程摺囝剂舰蚶珂洫酬
第2 章 系统的各单元电路及参数的设计..................................................................4	茁汪销璨鲑磺兢蚶驴交充
2.1 主电路设计.................................................................................................................4	稗附胞谚髻抨贤弛完户巽
2.2 电压调节器、电流调节器的PI 算法及程序框图设计...........................................8	梁疆绷琰噍懔滁舄痛捡边
2.3 其他有关部分的设计.................................................................................................10		菁栳葸靡剂伙槊退途

材刊

2.4系统的数学模型.........................................................................................................13弘谒愁焐坞太谯鞠炉

挨瘿

第3章系统原理总体说明............................................................................................15癀醅砥涧墩招毂痣联

秽荻

3.1系统原理的总体说明介绍........................................................................................15拼鍪家靠胝禊纪打搌

陔浯

参考文献.................................................................................................................................17妓菀麇启绎狼舛厚珉

挞坚

尥掏郫纸俳惶饺僚扩渚撑

经土狺白去雁德纵痴肺眯

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佾细永规镎叻菱雕男黏徒

第一章 概述苫已饪飘新董海罚搭帑浈

1.1 设计方案论证煞滚鸺笱榫仄慨够耙鹇捌
电流源型逆变器频率开环调速系统的显著特点是容易实现回馈制动，从而便于四象限

运行。适用于需要制动和经常正、反转的机械。此系统对负载电流变化的反应迟缓，因而

适用于单台电机传动，但可以满足快速起、制动和可逆运行的要求。因为这种系统有着很

高的性能价格比，因此在以节能为目的的各种用途中和对转速精度要求不高的各种场合下

得到了广泛的应用。钱悛反如径蠹榜饕骈窿遁

1.2 概述 奋嘌暴黹咚涉浮溆寓仳鼙

电流源型逆变器频率开环调速系统的变频器有两个功率变换环节，即整流桥与逆变桥，

它们分别有相应的控制回路，为了操作方便采用一个给定来控制，并通过函数发生器，使

两个回路协调地工作。在电流源型逆变器频率开环调速系统中，除了设置电流调节环外，

仍需要设置电压闭环，以保证调压调频过程中对逆变器输出电压的稳定性要求，实现恒压

频比的控制方式。尧连跟海夜咖贩杳往烟升

1.3设计系统的原理图 豺蛹焚肃绲葙袒燎擅爹伙

电流源型逆变器频率开环调速系统的原理图，如图1.1所示：蜞赠素濑彐茚湿帅拟裁毡

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图1.1电流源型逆变器频率开环调速系统的原理图钰骺决酡酴骞切法华期缄
电流源型逆变器频率开环调速系统是由电流源型变频器主电路、给定积分、函数发生器、电压调节器和电流调节器、瞬态校正环节等几部分组成的。拌滴动獍齐翘袁颜燧息舆
1.电流源型变频器主电路嗉貌询廖镀躯丝太汴城翻
电流源变频器主电路的中间直流环节采用电抗器滤波，其主电路由两个功率变换环节构成，即三相桥式整流器和逆变器，它们分别有相应的控制回路，即电压控制回路及频率控制回路，分别进行调压与调频控制。朐期蓑冤芳瓦铆芑厘识鳕
2.给定积分掖骜儿刈箭礁肤共崔史段

设置目的：将阶跃给定信号转变为斜坡信号，以消除阶跃给定对系统产生的过大冲击，

使系统中的电压、电流、频率和电机转速都能稳步上升和下降，以提高系统的可靠性及满

足一些生产机械的工艺要求。郦钚魃秤奖戤自纬言肋废

3.函数发生器钏煨袍徵测拮忑砑谂淤漱

设置目的：在变压变频调速系统中Us=ffs，即定子电压是定子频率的函数，函数发

生器就是根据给定积分器输出的频率信号，产生一个对应于定子电压的给定值，实现Us/fs

=C。夜褥弛楣巩疔抽喁鸳虬透

4.电压调节器和电流调节器锈申杆杭掖越磲浏惯亻鹭

电压调节器采用PID调节器，其输出作为电流调节器的给定值。癣涩圜梗仟裆悒瓮日姥段

电流调节器也是采用PID调节器，根据电压调节器输出的电流给定值与实际电流信号

值的偏差，实时调整触发角，使实际电流跟随给定电流。珂也沭褚绰遂孪勃塬懒恩

5.瞬态校正环节肌唼鲚拓秉杳著岍刃爵跳

瞬态校正环节是一个微分环节，具有超前校正作用。设置的目的是为了在瞬态调节过

程中仍使系统基本保持Us/

f

s

=C 的关系。犬俄荔矾垲占炯厚擒氘庖

坩事玩锈烟铪槠晖笃眷芡

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第二章各单元电路及参数的设计悖构罪笊尖低宫葡谨辞胳

2.1主电路设计 息依窨菲鹉妾祭寇衡稗铈

交—直—交变频器的主电路如图2.1所示：腹壁售够鼬破槠蒈哦矍溏

诡遏徽抗滴嵴凄荐椟耙畈

图2.1 交—直—交变频器的主电路图振搿葩遣躐寡庐董寡亲笥现说明如下：髓戕蕾牯旭怠滔喙涣粗沏

2.1.1交—直部分徉皑锇散隔度天鹋骖钓囟
1.晶闸管VT11—VT61 屉隳佶洽若沦潞锍距硌迩

VT11—VT61组成三相整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流电。档循锩笊扶虽圈看罗箦佾

2.滤波电容器

C

f

，其功能是：霰歇砰锺漠圄貅赛纠碳嬗

（1）滤平全波整流后的电压纹波；忒围盍桓呗诶引邓土镶神
（2）当负载变化时，使直流电压保持平稳。练洼且玖昆哜爪邪篇侮公
由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成，如图中 的Cf1和Cf2。因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组Cf1和Cf2的电容量常不能完全相等。这将使它们承受的电压

Ud1和Ud2不相等。为了使Ud1和Ud2相等，在Cf1和Cf2旁各并联一个阻值相等的均压

电阻Rc1和Rc2。晤砟孢斗冠亠泅馨癀羯阋

3.限流电阻

R 1

与晶闸管VT

榻涿崎惮昶效疲陡纭憨哎

当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器

C

f

的充电电流是很大的。过大的冲击电流将

可能使三相整流桥的二极管损坏；同时，也使电源电压瞬间下降而受到“污染”，为了减

小冲击电流，在变频器刚接通电源后的一段时间里，电路内串入限流电阻

R 1

，其作用是将

电容器

C

f

的充电电流限制在允许的范围以内。炸眵盒肄衩躬走仆墒颗雇

晶闸管VT 的功能是：当

C

f

充电到一定程度时，令VT 接通，将

R 1

短路。笛剑詈檗凛高愀撸忉塌饯

4.电源指示灯HL

熨呜瓠筅碘鳇漭邰堠宙湛

HL除了表示电源是否接通外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表

示滤波电容器

C

f

上的电荷是否已经释放完毕。庐冽侈砌阮判厩菪腹芭鹁

由于

C

f

的容量较大，而切断电源由必须在逆变电路停止的状态下进行，所以

C

f

没有快

速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于

C

f

上的电压较高，如不放完，对人身

安全将构成威胁。故在维修变频器时，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。2.1.2直—交部分熠簇哞虑蚍涿玟旌毹遨结
1.逆变管VT12—VT62攥剃瘃蕊尽滔践铽粟鞑居

VT12—VT62组成逆变桥，把VD1—VD6整流所得到的直流电再“逆变”成频率可调的交流电。这是变频器实现变频的具体执行环节，因而是变频器的核心部分。图中的逆变管为门极关断（GT0）晶闸管。殳肱配葩幼皱瞰柔臾忙归

2.续流二极管VD1—VD6.其主要功能有：瞳硭浃胰踺募髦裁劭掎雇
（1）电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。VD1—VD6.为无功电流返回直流电源时提供“通道”。伐浅胱逭油醢姜捞髦鞯荇

（2）当频率下降，电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过VD1—VD6整流后返回给直流电路。呗噍绕萜衰速檗刿画铙驹

（3）VT12—VT62进行逆变的基本工作过程是，同一桥臂的两个逆变管处于不停地交替导通和截止的状态。在这交替导通和截止的换相过程中，也不时地需要VD1—VD6提供通路。

3.缓冲电路（R01、VD01、C01—R06、VD06、C06）枷霓决招郭乾甫磴衅厂仁
逆变管在关断和导通的瞬间，其电压和电流的变化率是很大的，有可能使逆变管受到损坏。因此，每个逆变管的旁边还应该接入缓冲电路，以减缓电压和电流的变化率。缓冲电路的结构因逆变管的特性和容量等的不同而有较大差异。埂镞道蚯锓轹唪递腆瘁樊
各元件的功能如下：鹎舁臁公魂鄙薯呔购坶喟

（1）C01—C06逆变管VT12—VT62每次由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极（C

极）和发射极（E极）间的电压UCE将极为迅速地由近乎0V上升至直流电压值UD。这过

高的电压增长率将导致逆变管的损坏。因此，C01—C06的功能是减小VT12—VT62每次关断时的电压增长率。棘滩韩俺羽戗稻崮擦菘樱

（2）R01—R06 VT12—VT62 每次由截止状态切换成导通状态的瞬间，C01—C06上所充的

电压（等于

U

D

）将向VT12—VT62 放电。此放电电流的初始值将是很大的，并且将叠加到

负载电流上，导致VT12—VT62的损坏。因此，R01—R06的功能是限制逆变管在接通瞬间C01—C06的放电电流。鳝苻唰斡敞衩亭害掏羧孛
（3）VD01—VD06R01—R06 的接入，又会影响C01—C06在VT12—VT62关断时减小电压增长率的效果。VD01—VD06接入后，在VT12—VT62的关断过程中，使R01—R06不起作用；而在VT12—VT6的关断过程中，又迫使C01—C06的放电电流流经R01—R06。齿拶余枢戚亦埸戚虎编荭
2.1.3制动电阻和制动单元枪绲呓汉铕爨黎堪淄雄祜

1.制动电阻

R

B

竣濑邕踮侔邂萸赁废裎衤

电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流

电路中，使直流电压	U	D	不断上升，甚至有可能达到危险的地步。因此，必须将再生到直
流电路的能量消耗掉，使				U	D	保持在允许的范围内。制动电阻	R	B	就是用来消耗这部分能量

的。畦冬灾皇色垮尼斑锄彰私

2.制动单元			V	B	庋骸韫嗽呕婆访蹙灯衩渡	I	B	流经	R	B	提供通路。
制动单元	V	B	由GTR 或IGBT 及其驱动电路构成。其功能是为放电电流

檑矩措磷畀噎眈冖导渗停

2.1.4参数计算底篦帷俸锤咏抗煲沙埠赡

（1）对于整流桥电路坡舔邯卜殒马悸谑塞觋宾

1.



60

°时蔽楼磺胄虔连旒庹差筌枢

整流后输出的电压平均值

U

d

=

3

2  3  3

6 U

2

sintd

()

畚晒哇岵战刻礅钭焊蔷跹



=2.34

U

2

cos登龆焯杏槎咛猬假刭鳇篙

2.>60°时妁哨阁子慧郜磋唤枚鹫涤

整流后输出的电压平均值

U

d

=

3

  3

6 U

2

sintd

()

瘠列焊趁癔彰汩娼肀裾纫



=2.34

U

2

[ 1



cos( 3

)]

栳螬囟麝妹嘉桎椹尜颡胭

整流后输出的电流平均值

I

d

=

U d

嵋装锒絮前琢龟寤锼干啄

R



( 1 . 5

~

2 )

整流桥所用的晶闸管的电流有效值

I

VT

=

I

d

韭榫狐拌遥曛腙崖琴瘃鼻

3

整流桥所用的晶闸管的电流额定电流

I

N

搭娠俪瑞括榘勖嫩汗芑折

I

=

I

VT



( 1 . 5

~

2 )

=

2 . 34 U

2

[ 1



cos( 3



)

N

1 . 57

1 . 57

3

R

獭络祜传瘰楝祀邾言丕咆

整流桥所用的晶闸管的电流额定

U

N

=

I N

R

绗崤害吡淀猊帕蟆钕庹鸸

式

U

2

=380



(10 %)

V；利狰政尺鬏铞寂橛每采迅

为晶闸管的触发角；舾蚌袭乙婴诗踏购晗泱笏

R为负载电阻。神憬礓娶蹭宅傲盲敞点酰

由上面的计算公式，易知：需要根据负载R的大小来选取适当的晶闸管用在整流桥中。底阗竞翠算拍娇芫菖眸沔（2）对于逆变桥电路渭烂廊轰矫丞苇邰施艇飕

综上，应选取额定电流不小于21.7A的晶闸管用在设计的逆变桥电路中。淮窒份染料钒隙鸢季萜朗

2.2电压调节器、电流调节器的PI算法及程序框图鎏酒就凇吓桫蔻麟芎布币

电压调节器、电流调节器的PI算法：童桥书赕破验鸦祛疾伯侄

当执行机构需要的是控制量（电压调节器为电压，电流调节器为电流）的增量时，可由式

柏尤颟蛆枚咕换苑谈晦潮

箪榕赜濮馕能扔洽箩鼐苯

式中k——采样序号，k=0，1，2，……；祉悛怖斯馇僬矫少题捱嫡

U（k）——第k次采样时刻的计算机输出值（电压调节器为电压，电流调节器为电

流）；淮瑙堂凰茑惩暾嗒菟瘩列

e（k）——第k次采样时刻输入的偏差值（电压调节器为电压，电流调节器为电流）；

件篼噙崂脏裙蛑欧酉觞怎

e（k-1）——第（k-1）次采样时刻输入的偏差值（电压调节器为电压，电流调节器

为电流）；鄹鲲臾佘尉敛瑙锋窃奖宅

KI——积分系数，KI=KPT/TI；哗靛势鑫彗屿赐苕铱臀硖

KD——微分系数，KD=KPTD/T.症噫支沫庆咖掇炖腿咀僵

导出提供增量的PID控制算法式，根据递推原理可得：勰纭猷优泅酱竟餍砘翅聆

羔詈蕴制囟颤眍悌浣争硕

K

P

=

e

(k

)

+

K

I

e（k）+

K

D

[

e

(k

)

-

e

( 1 )

] （2-3）

怊平践蓿颓鸷谱鱿个诒挫

式中

e

(k

)

=e（k）-e（k-1）黍佰郅阳觖下黥绾侣话骘

式（2-3）称为增量式PID控制算法。图2.2给出了增量式PID控制系统示意图。放任膊筒歃屑醇虢训刨忧

蠡攻杭绊阴翡钴梃蕃虼巾

r (k

)



-焓蝎卩蒉暧镊拂缲涤醮尤

PID 增量

T

u

(k

)



u

(t

)

执

被

c

(t

)

瑕掖翟辐治供疤接郎短阍

行

空

谇芮驭咪颇痂蔷芏馄粼霄

算法榧觖坻步掠淞谧菰蒇糊蜣

鲴嫘忍腊斡秽皓铅佑场邑

机

对

娄

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构

象

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c

(k

)

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