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变频器输出切换的理论分析与实现方法研究

作　者: 张子才
导　师: 黄良沛；傅国红
学　校: 湖南科技大学
专　业: 机械工程
关键词: 大功率电机变频器输出切换动态分析冲击电流鉴频鉴相器
分类号: TN773
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 59次
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内容摘要

用单台变频器拖动多台电机变频运行,进行恒压供水自动控制,是诸多供水企业所面临的技术难题。变频器的输出切换问题,目前尚未得到足够的重视,若直接采用硬切换方式,不仅达不到变频软起动的目的,而且会产生严重的后果。特别是大功率电机,直接切换会产生极大的危险性,对电机、电控设备和电网都会产生很大的冲击和破坏。本论文针对大功率电机变频转工频存在的问题,对变频器输出切换问题进行理论分析和实现方法研究,具体研究如下:1、根据感应电动机的定子电压方程和相量图,对大功率电机变频转工频进行了静态分析,探讨了工频电源和变频器输出电源相位不一致对切换过程的影响。分析结果表明大功率电机在切换时,输入输出电压的初始相位相差越小,电流冲击越小。2、对大功率电机变频转工频进行了动态分析,建立变频器输出切换的数学模型,探讨了数学模型的求解方法,并进行了系统仿真。根据交流电机的电感矩阵具有时变性的特点,定子采用αβ坐标系,转子采用变换到定子边的d q坐标系,建立数学模型,这样电动机的电感矩阵和旋转电感矩阵均为常数,能够实现“解耦”并且“元素常数化”。再将四阶龙格-库塔方程进行改编,采用变频器输出电压和工频电压不同的初始相位之差,对切换过程进行系统仿真。3、基于变频器输出切换的理论分析,探索大功率电机变频转工频的实现方法。设计和制作了鉴频鉴相器,其中利用单片机检测和跟踪变频器输入输出电压的相序、相位和频率的差异,当两者的相序、频率和相位完全一致时,利用PLC进行电机变频转工频的切换。对锁相环原理进行了理论分析,并利用锁相环对锁相过程进行了仿真。4、变频器输出切换的试验研究。首先在实验室利用鉴频鉴相器、PLC模块和小功率电机进行切换实验,然后在工业现场对大功率电机进行了电机变频转工频的切换试验。试验结果表明:当变频器输出电压和工频电压相位尽量接近一致时进行切换,能够有效地减少冲击电流,此时切换电流约为额定电流的1.5倍。因此,在频率和相位一致的瞬间进行变频器的输出切换,能够有效地减少或者消除大功率电机启动时的电压电流和机械冲击,保护电机设备设施和电网,具有很强的实践推广价值。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-16
  1.1 课题背景和意义  10
  1.2 三种启动方式简介及比较  10-13
  1.3 变频器输出切换的国内外研究现状  13-14
  1.4 本论文研究内容  14-16
第二章变频器输出切换的静态分析  16-23
  2.1 三相感应电机的磁动势和磁场  16-17
  2.2 三相感应电机的电压方程  17-18
    2.2.1 三相感应电机的定子电压方程  17
    2.2.2 三相感应电机的转子电压方程  17-18
  2.3 感应电动机的功率方程和转矩方程  18-20
    2.3.1 功率方程、电磁功率和转换功率  18-19
    2.3.2 转矩方程和电磁转矩  19-20
  2.4 变频器输出切换的静态分析  20-22
    2.4.1 变频器输出切换原理  20
    2.4.2 变频器输出切换过程存在的问题  20-21
    2.4.3 变频器输出切换的静态分析  21-22
  2.5 本章小结  22-23
第三章变频器输出切换的动态分析与建模仿真  23-43
  3.1 交流电机动态分析的特点和步骤  23-24
  3.2 坐标系简介  24-28
  3.3 坐标变换  28-33
    3.3.1 从ABC 坐标系变换到αβ0 坐标系  28-32
    3.3.2 从ABC 坐标系变换d、q 坐标系  32-33
  3.4 动态切换数学模型的建立  33-38
  3.5 数学模型求解  38-42
    3.5.1 四阶龙格-库塔方程简介  38
    3.5.2 四阶龙格-库塔方程的改进  38-39
    3.5.3 动态切换过程的仿真分析  39-42
  3.6 本章小结  42-43
第四章变频器输出切换的实现方法研究  43-66
  4.1 利用鉴频鉴相器实现变频器输出切换的方法  43-58
    4.1.1 鉴频鉴相器的总体方案设计  43-44
    4.1.2 鉴频鉴相器的部分电路设计与分析  44-52
    4.1.3 鉴频鉴相器的电气原理图和PCB 图  52-56
    4.1.4 利用鉴频鉴相器实现变频器输出切换  56-58
  4.2 锁相环技术在变频器输出切换中的应用  58-65
    4.2.1 锁相环简介及工作原理  58-61
    4.2.2 锁相环实现大功率电机平稳切换的方法  61-62
    4.2.3 锁相环控制电路的仿真分析  62-65
  4.3 本章小结  65-66
第五章变频器输出切换的试验研究  66-74
  5.1 实验室切换试验  66-72
    5.1.1 试验的总体方案  66-67
    5.1.2 试验控制过程的设计  67-70
    5.1.3 试验的实现  70-71
    5.1.4 试验结果及分析  71-72
  5.2 工业现场试验  72-73
  5.3 本章小结  73-74
第六章总结与展望  74-76
  6.1 总结  74-75
  6.2 展望  75-76
参考文献  76-79
致谢  79-80
附录A：攻读学位期间参研项目和发表论文目录  80-81
附录B：单片机部分程序  81-83
附录C：鉴频鉴相器原理图  83-85
附录D：鉴频鉴相器 PCB 板制作图  85

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