变频器输出切换的理论分析与实现方法研究

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dq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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 三种启动方式简介及比较

1．3 变频器输出切换的国内外研究现状

1．4 本论文研究内容

第二章 变频器输出切换的静态分析

2．1 三相感应电机的磁动势和磁场

2．2 三相感应电机的电压方程

2．2．1 三相感应电机的定子电压方程

2．2．2 三相感应电机的转子电压方程

2．3 感应电动机的功率方程和转矩方程

2．3．1 功率方程、电磁功率和转换功率

2．3．2 转矩方程和电磁转矩

2．4 变频器输出切换的静态分析

2．4．1 变频器输出切换原理

2．4．2 变频器输出切换过程存在的问题

2．4．3 变频器输出切换的静态分析

2．5 本章小结

第三章 变频器输出切换的动态分析与建模仿真

3．1 交流电机动态分析的特点和步骤

3．2 坐标系简介

3．3 坐标变换

3．3．1 从ABC坐标系变换到αβ0坐标系

3．3．2 从ABC坐标系变换d、q坐标系

3．4 动态切换数学模型的建立

3．5 数学模型求解

3．5．1 四阶龙格-库塔方程简介

3．5．2 四阶龙格-库塔方程的改进

3．5．3 动态切换过程的仿真分析

3．6 本章小结

第四章 变频器输出切换的实现方法研究

4．1 利用鉴频鉴相器实现变频器输出切换的方法

4．1．1 鉴频鉴相器的总体方案设计

4．1．2 鉴频鉴相器的部分电路设计与分析

4．1．3 鉴频鉴相器的电气原理图和PCB图

4．1．4 利用鉴频鉴相器实现变频器输出切换

4．2 锁相环技术在变频器输出切换中的应用

4．2．1 锁相环简介及工作原理

4．2．2 锁相环实现大功率电机平稳切换的方法

4．2．3 锁相环控制电路的仿真分析

4．3 本章小结

第五章 变频器输出切换的试验研究

5．1 实验室切换试验

5．1．1 试验的总体方案

5．1．2 试验控制过程的设计

5．1．3 试验的实现

5．1．4 试验结果及分析

5．2 工业现场试验

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

附录A：攻读学位期间参研项目和发表论文目录

附录B：单片机部分程序

附录C：鉴频鉴相器原理图(下面板)

附录D：鉴频鉴相器PCB板制作图