基于MATLAB的異步電機(jī)VVVF調(diào)速系統(tǒng)仿真

蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要:隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電機(jī)以其在變頻調(diào)速方面的優(yōu)點(diǎn)開始顯現(xiàn)出來(lái)了，相對(duì)于直流電機(jī)有更加廣泛的應(yīng)用本論文主要介紹了異步電機(jī)的工作原理以及異步電機(jī)的調(diào)速方法。通過(guò)改變頻率、改變電源電壓、改變極對(duì)數(shù)等方法來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，我是通過(guò)改變電機(jī)頻率來(lái)達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，本文還介紹了變頻器的原理和PWM（pulse width modulation）變頻器的工作原理。同時(shí)通過(guò)運(yùn)用Matlab/simulink系統(tǒng)對(duì)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)進(jìn)行了開環(huán)閉環(huán)的仿真。本論文對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速觀察為開環(huán)系統(tǒng)，但是在閉環(huán)系統(tǒng)中通過(guò)使用Matlab/simulink對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速，并觀察到了電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩改變的圖像，并且分析了解了異步電機(jī)轉(zhuǎn)速改變的原因和仿真過(guò)程中的條件等。關(guān)鍵詞Matlab異步電機(jī)變頻調(diào)速仿真Abstract:With the development of power electronics, the advantage of the variable frequency speed in asynchronous machine is compared with the DC motor , it is more widely used.The principle of asynchronous machine and its way of speed governing is main discussed in this paper. The speed of electrical motor is changed by changing frequency voltage, and numbers of pole-pairs. This paper is based on changing frequency of the electrical motor, the principle of frequency converter and working theory about PWM(pulse width modulation)is also presented. The open-loop and closed-loop simulation of speed governing with asynchronous machine is achieved through the use of Matlab/simulink system.The observation to electrical motor speed and torque in this paper is the open-loop system, in a closed-loop system, Matlab/simulink is used to design and similated the closed-loop system speed changing is realized, the changing plot of speed and torque about the electrical motor and observed the changing image of torque and the speed about the electrical motor, is observed. the reason why asynchronous machine speed changes and parameters a selection of call the component during the simulation are analyzed.Understanding of the principle of the induction motor and speed control methods, there are three main methods Speed: (1) changing the frequency, (2) change to slip (3) changes the very few. This paper has taken to change the frequency of the ways to achieve the purpose of speed. At the same time also understand the principle of the inverter, and its scope of application. Key words Matlab asynchronous machine Frequency Control Simulation目 錄第一章 緒 論1第一節(jié) 電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展概況1第二節(jié) 普通交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速調(diào)速范圍的問(wèn)題2第三節(jié) 交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式3一、 轉(zhuǎn)子回路串電阻或阻抗調(diào)速3二、 定子調(diào)壓調(diào)速3三、 串級(jí)調(diào)速4四、 變極調(diào)速4五、 變頻調(diào)速4第四節(jié) 關(guān)于matlab仿真的相關(guān)內(nèi)容5第二章 異步電機(jī)運(yùn)行基本原理及其調(diào)速方法以及變量控制6第一節(jié) 異步電機(jī)運(yùn)行基本原理6第二節(jié) 異步電機(jī)的電壓方程和等效電路6第三節(jié) 異步電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程8第四節(jié) 異步電機(jī)的調(diào)速方法10一、 變極調(diào)速10二、 變頻變壓調(diào)速11三、 改變轉(zhuǎn)差率來(lái)調(diào)速12第三章 逆變器工作原理和控制及其應(yīng)用14第一節(jié) 變頻器的工作原理14第二節(jié) 變頻器控制方式14一、 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式15二、 電壓空間矢量(SVPWM)控制方式15三、 矢量控制(VC)方式16四、 直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式16五、 矩陣式交交控制方式16第三節(jié) 簡(jiǎn)單的三種變頻器控制方式17第四節(jié) 變頻器的實(shí)際應(yīng)用18第五節(jié) 正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻器19一、 SPWM變頻器的工作原理20二、 SPWM變頻器的同步調(diào)制和異步調(diào)制21第四章 MATLAB基于VVVF對(duì)異步電機(jī)的調(diào)速仿真實(shí)現(xiàn)24第一節(jié) 關(guān)于Matlab軟件的應(yīng)用與操作25一、 PWM模塊的組成與仿真25二、 電機(jī)模塊的仿真27三、 輸出觀察模塊的仿真29第二節(jié) 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真30第三節(jié) 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真35一、 閉環(huán)調(diào)速M(fèi)atlab仿真主模塊36二、 控制環(huán)節(jié)模塊37三、 仿真結(jié)果41總結(jié)和展望46參考文獻(xiàn)48第一章 緒 論異步電機(jī)的工作原理？異步電機(jī)調(diào)速又是怎么樣的呢？目前主要引用在那幾個(gè)領(lǐng)域呢？以及異步電機(jī)的仿真又是什么呢？又是怎么去仿真的呢？對(duì)這些問(wèn)題的初步說(shuō)明將是這篇論文所要敘述的。隨著工業(yè)的進(jìn)步,傳統(tǒng)的直流電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易維護(hù)等缺點(diǎn)正逐漸地被具有高可靠性成本低、維護(hù)簡(jiǎn)便的感應(yīng)式交流異步電動(dòng)機(jī)所取代。交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng),在進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真時(shí),需要首先推導(dǎo)出三相交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,它是一個(gè)高階強(qiáng)偶合、多變量、非線性的系統(tǒng),與此同時(shí)還需要建立電源模型。在進(jìn)行仿真時(shí),可采用高級(jí)語(yǔ)言FORTRAN、C、Visual、C+等進(jìn)行編程,但采用這些語(yǔ)言開發(fā)周期長(zhǎng),掌握難度較大,而由Math work公司推出的MATLAB,使得為解決這些具體問(wèn)題而建立數(shù)學(xué)模型變得輕松、便捷,為科技工程人員帶來(lái)了巨大的便利。MATLAB是一種科學(xué)技術(shù)軟件,用戶可根據(jù)MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱中的命令來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的系統(tǒng),也可以根據(jù)混合使用各庫(kù)中的模塊來(lái)組合成新的系統(tǒng),封裝自己定義的模塊或自己定義模塊庫(kù),以便隨時(shí)調(diào)用,從而實(shí)現(xiàn)全圖形化仿真。MATLAB集成了大量的工具箱,如控制系統(tǒng)(Control System)、模糊邏輯(Fuzzy Logical)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural network)、信號(hào)處理(Signal Processing)以及仿真(SIMULINK)等工具箱。作為MATLAB的重要組成部分的SIMULINK具有相對(duì)獨(dú)立的功能和使用方法。它提供了圖形用戶界面(GUI),模型由模塊組成的框圖來(lái)表示,用戶建模通過(guò)簡(jiǎn)單的單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)的動(dòng)作就能完成,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程。本文就是利用SIMULINK工具箱,對(duì)所推導(dǎo)的三相交流異步電動(dòng)機(jī)及電源進(jìn)行建模,封裝。還利用MATLAB的M文件結(jié)合具體的調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬、無(wú)論是高速還是低速時(shí)效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在應(yīng)用面很廣。第一節(jié) 電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展概況電氣傳動(dòng)是指以各類電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的傳動(dòng)裝置與系統(tǒng)。電氣傳動(dòng)系統(tǒng)通常由電動(dòng)機(jī)、控制裝置和信息裝置幾部分組成。電氣傳動(dòng)關(guān)系到合理地使用電動(dòng)機(jī)以節(jié)約電能和控制機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(位置、速度、加速度等)，實(shí)現(xiàn)電能、機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。電氣傳動(dòng)按照電動(dòng)機(jī)的種類劃分，有直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)、交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)、伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)等。電氣傳動(dòng)又可分為不可調(diào)速和可調(diào)速兩大類，調(diào)速又分為交流調(diào)速和直流調(diào)速。直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)在19世紀(jì)后期先后誕生。但在20世紀(jì)的大部分年代里，已形成公認(rèn)的格局:約占電氣傳動(dòng)的80%不變速傳動(dòng)系統(tǒng)都采用交流傳動(dòng)，20%調(diào)速系統(tǒng)一般采用直流調(diào)速雖然直流電機(jī)中勵(lì)磁電流和電樞電流相互獨(dú)立，比交流電機(jī)具有更好的控制性能，容易得到滿意的動(dòng)靜態(tài)性能。而與此相反，交流電機(jī)雖然機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它是一個(gè)非線性、強(qiáng)禍合、多變量的控制對(duì)象，調(diào)速控制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)高精度控制較為困難。但是隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流電機(jī)傳動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯露出來(lái):直流電機(jī)由于換向器的存在降低了功率/重量的比值，限制了電機(jī)的容量和速度，而且直流電機(jī)的大部分功率都是通過(guò)換向器流入電樞的，轉(zhuǎn)子發(fā)熱多，效率低，磨損大，可靠性差。隨著20世紀(jì)70年代計(jì)算機(jī)和微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，電力電子技術(shù)的日新月異，現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的成熟，交流電氣傳動(dòng)逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。采用半導(dǎo)體變流技術(shù)、大規(guī)模集成電路和高速處理器等實(shí)現(xiàn)的交流調(diào)速控制系統(tǒng)，加之矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制及智能控制等先進(jìn)控制方法的應(yīng)用，交流調(diào)速控制系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等良好性能，在調(diào)速性能方面可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。目前，從幾百瓦的家用電器到幾兆瓦的工業(yè)調(diào)速裝置，都可以采用交流調(diào)速方案。交流調(diào)速系統(tǒng)由最初的只用于風(fēng)機(jī)、水泵的軟啟動(dòng)和開環(huán)變頻調(diào)速等一般應(yīng)用場(chǎng)合，擴(kuò)展到各種高精度、快速響應(yīng)的高性能指標(biāo)的電氣傳動(dòng)控制領(lǐng)域。目前，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中新的格局已經(jīng)形成:交流調(diào)速系統(tǒng)上升到主導(dǎo)地位，并將逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。第二節(jié) 普通交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速調(diào)速范圍的問(wèn)題當(dāng)頻率改變時(shí)，會(huì)對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一系列的影響:損耗增加，效率下降；在工頻以下，以恒轉(zhuǎn)矩方式調(diào)速時(shí)，交流異步電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力將會(huì)下降；在低頻時(shí)交流異步電動(dòng)機(jī)的散熱能力變壞，交流異步電動(dòng)機(jī)溫度會(huì)過(guò)高等。由于交流異步電動(dòng)機(jī)本身就是一個(gè)非線性、強(qiáng)禍合、多變量的對(duì)象，且更為嚴(yán)重的是，由于工作頻率、溫度和飽和效應(yīng)的影響，定轉(zhuǎn)子電阻、電感等參數(shù)在不同工況下變化明顯。例如在某些情況下，轉(zhuǎn)子的電阻值會(huì)比其標(biāo)稱值增加一倍以上。因而其建模非常困難，要從理論上準(zhǔn)確的計(jì)算出交流異步電動(dòng)機(jī)在不同頻率和負(fù)載下的效率、溫升，功率因數(shù)和臨界轉(zhuǎn)矩是十分困難的。所以，長(zhǎng)期以來(lái)，在設(shè)計(jì)變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，人們只是憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定普通交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的調(diào)速范圍，而沒(méi)有充分的理論依據(jù)。第三節(jié) 交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式由于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：） （1-1）從轉(zhuǎn)速公式可以看出，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法可分為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速、變極對(duì)數(shù)調(diào)速和變頻調(diào)速三種變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法，又可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電阻、定子電壓、轉(zhuǎn)差電壓等方法實(shí)現(xiàn)。一、 轉(zhuǎn)子回路串電阻或阻抗調(diào)速這種方式只適用于繞線型異步電動(dòng)機(jī)，其原理是:當(dāng)忽略轉(zhuǎn)子回路電感時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為 （1-2）為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子額定電流； 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子額定電壓；為轉(zhuǎn)子回路電阻據(jù)此，當(dāng)改變轉(zhuǎn)子回路電阻時(shí)，便可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。其特點(diǎn)是可靠性高、投資少、維護(hù)簡(jiǎn)單，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速下調(diào)時(shí)效率隨之降低。這種調(diào)速方式包括金屬電阻調(diào)速方式、液體電阻調(diào)速方式、頻敏變阻器起動(dòng)方式。二、 定子調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩在一定轉(zhuǎn)差率下，與定子電壓平方成正比，改變定子電壓將改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。定子調(diào)壓調(diào)速是一種比較簡(jiǎn)便的調(diào)速方式，可以在異步電動(dòng)機(jī)的定子回路中串入飽和電抗器降壓、串入電阻降壓或在定子側(cè)加調(diào)壓變壓器等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。在電力電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，可以使用“交流開關(guān)”狀態(tài)的雙向晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓調(diào)速。定子調(diào)壓調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是:方法簡(jiǎn)單，調(diào)速平滑，加上閉環(huán)控制時(shí)能達(dá)到理想的調(diào)速精度。其主要缺點(diǎn)是調(diào)整范圍窄，一般不能低于電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速的80-85%電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的損耗比較大等。三、 串級(jí)調(diào)速在繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路引入一附加電勢(shì)，使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變流裝置向電網(wǎng)反饋或從電網(wǎng)吸收轉(zhuǎn)差功率，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。串級(jí)調(diào)速可分為兩類:一類是直接使用變頻電源；另一類是將不同頻率的轉(zhuǎn)子電壓經(jīng)過(guò)整流器整流，變換為與轉(zhuǎn)差成正比的直流，在其直流回路中串入一個(gè)極性相反的逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。串級(jí)調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是:可以將滑差能量以電能的形式回饋至電網(wǎng)，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)系統(tǒng)總效率較高，可達(dá)90%以上；調(diào)速平滑；裝置容量與速度調(diào)節(jié)范圍成正比，當(dāng)要求調(diào)速范圍不大時(shí)，所需外加電源容量小，設(shè)備費(fèi)用較低；可靠性較高，即使附加電源出了問(wèn)題，系統(tǒng)可甩掉附加電源，切換至轉(zhuǎn)子短接狀態(tài)下運(yùn)行。串極調(diào)速的主要缺點(diǎn)是:功率因數(shù)低，可能要低于0. 6；晶體管串級(jí)調(diào)速裝置有諧波危害；當(dāng)電網(wǎng)電壓瞬時(shí)大幅度降低時(shí)，串級(jí)調(diào)速裝置有可能停止運(yùn)行；最大力矩降低約17%左右，電氣制動(dòng)的特性不夠理想，線路相對(duì)較復(fù)雜等。四、 變極調(diào)速變極調(diào)速方式就是電動(dòng)機(jī)的同一套繞組經(jīng)控制設(shè)備把各線圈的接法進(jìn)行變換，改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式。這是一種不連續(xù)的調(diào)速方式，適用于極對(duì)數(shù)可以改變的多速鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)。從電機(jī)構(gòu)造上看，定子繞組有單繞組和多繞組兩種，一半多為單繞組，單繞組變極電機(jī)不僅出線少，用銅省，而且可以實(shí)現(xiàn)雙速、三倍及倍極比、非倍極比的變極調(diào)速。變極調(diào)速是一種傳統(tǒng)的調(diào)速方式，廣泛應(yīng)用于機(jī)床等機(jī)械的調(diào)速，變極調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是:無(wú)附加轉(zhuǎn)差損耗，電氣傳動(dòng)效率高，控制線路簡(jiǎn)單，設(shè)備費(fèi)用低。其主要缺點(diǎn)是:不能連續(xù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。五、 變頻調(diào)速改變異步電動(dòng)機(jī)定子的電源頻率，就可以改變同步轉(zhuǎn)速，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種調(diào)速方式能達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)速，主要用于鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，如風(fēng)機(jī)、水泵、壓風(fēng)機(jī)及空調(diào)等。變頻調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn):起動(dòng)電流小，在異步電動(dòng)機(jī)的各種調(diào)速裝置中變頻調(diào)速效率最高。特別是半導(dǎo)體變頻裝置更具有設(shè)備體積小、可靠性高、調(diào)速精度高、特性硬、省電的特點(diǎn)。在交流電動(dòng)機(jī)的以上調(diào)速方式中，變頻調(diào)速因其突出的性能，應(yīng)用最為廣泛，同時(shí)也是電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)最為活躍的研究領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展和完善，變頻調(diào)速的技術(shù)性能不斷提升，變頻調(diào)速技術(shù)已成為我國(guó)企業(yè)節(jié)約能源、提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、提高產(chǎn)品質(zhì)量和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)手段之一。第四節(jié) 關(guān)于matlab仿真的相關(guān)內(nèi)容三相異步電動(dòng)機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng),它通過(guò)變頻器,將頻率固定的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)交流電源。由于三相異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0=60f/p,當(dāng)頻率連續(xù)可調(diào)時(shí),電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)；又因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是比同步轉(zhuǎn)速略低一些,所以當(dāng)同步轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)時(shí),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)。利用變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,調(diào)速范圍廣,調(diào)速平滑性好,在工作特性方面,不管是靜態(tài)特性,還是動(dòng)態(tài)特性,都能做到和直流調(diào)速不相上下的程度。對(duì)于變頻器的系統(tǒng)設(shè)計(jì),工程師們很少利用仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,設(shè)計(jì)者需要進(jìn)行大量的編程計(jì)算,特別是對(duì)電機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)更是非常困難,影響了仿真軟件應(yīng)具有的簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)。Math Works公司1998年推出的Matlab5. 2版本中,增加了一個(gè)電力系統(tǒng)工具箱(Power System Blockset),最新的Matlab5. 3版本又進(jìn)行了一些改進(jìn),特別簡(jiǎn)單易學(xué),不需自己編程,它基于Matlab的圖形仿真環(huán)境Simulink,特別適于對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。Simulink中可以使用的電力系統(tǒng)工具箱主要是由加拿大的HydroQuebec和Tecsim International公司共同開發(fā),其功能非常強(qiáng)大,可以用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、電力傳輸?shù)冗^(guò)程的仿真,它提供了一種類似電路建模的方式進(jìn)行模型繪制,在仿真前自動(dòng)將其變化成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式,然后才能在Simulink下進(jìn)行仿真分析。下面就利用Simulink對(duì)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真的方法作一介紹。第二章 異步電機(jī)運(yùn)行基本原理及其調(diào)速方法以及變量控制【1】第一節(jié) 異步電機(jī)運(yùn)行基本原理異步電機(jī)又稱感應(yīng)電機(jī)，它由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子由定子鐵心、定子繞組、機(jī)座三部分組成。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。感應(yīng)電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子之差n之差稱為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速的比值稱為轉(zhuǎn)差率用s表示即 （2-1）轉(zhuǎn)差率是表征感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)基本變量。當(dāng)感應(yīng)電機(jī)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率隨之發(fā)生變化，使轉(zhuǎn)子到體重的電動(dòng)勢(shì)、電流和電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)的變化，以適應(yīng)負(fù)載的需要。因此感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變動(dòng)而變化。按照轉(zhuǎn)差率的正負(fù)和大小，感應(yīng)電機(jī)可分為電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、和電磁制動(dòng)三種運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速時(shí)（），轉(zhuǎn)差率。此時(shí)電機(jī)從電網(wǎng)輸入功率，通過(guò)電磁感應(yīng)由轉(zhuǎn)自輸出機(jī)械功率，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。若電機(jī)用原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速（），則轉(zhuǎn)差率。此時(shí)轉(zhuǎn)自從原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率，通過(guò)電磁感應(yīng)由定子輸出電功率，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。若有機(jī)械或其他外因使轉(zhuǎn)子逆著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)（）則轉(zhuǎn)差率。此時(shí)電機(jī)處于電磁制動(dòng)狀態(tài)，它一方面從外界輸入機(jī)械功率，同時(shí)又從電網(wǎng)吸取電功率，兩者都變成電機(jī)內(nèi)部的損耗被消耗掉。.第二節(jié) 異步電機(jī)的電壓方程和等效電路以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（主磁場(chǎng)）將在定子三相繞組內(nèi)感應(yīng)對(duì)稱的三相電動(dòng)勢(shì).根據(jù)基爾霍夫定律，定子每相所加的電源電壓應(yīng)當(dāng)?shù)扔诟碾妱?dòng)勢(shì)的負(fù)值加上定子電流多產(chǎn)生的漏阻抗壓降。由于三相對(duì)稱，故僅需分析其中的一相。于是定子的電壓方程式是： （2-2）或 （2-3）式中， 為定子每相所加的電源電壓； 為氣隙主磁通在定子一相繞組中所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)；為定子相電流；、為定子每相的電阻和漏抗。而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于 （2-4）氣隙主磁通除在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出頻率為的電動(dòng)勢(shì)外,還在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感應(yīng)出頻率為（轉(zhuǎn)差頻率）的電動(dòng)勢(shì)。定子每項(xiàng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為 （2-5）當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)（）時(shí)，轉(zhuǎn)子每相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為， （2-6）從上可以看出 在數(shù)值上 即轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)差率成正比，越大，主磁場(chǎng)“切割”轉(zhuǎn)子繞組的相對(duì)速度就越大，轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)亦越大。與定子繞組一樣，轉(zhuǎn)子每相繞組亦有電阻和漏抗。由于轉(zhuǎn)子頻率，而漏抗正比于頻率，故轉(zhuǎn)子繞組的漏抗為 （2-7）式中，為轉(zhuǎn)子頻率等于時(shí)的漏抗，即轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)（）時(shí)的漏抗。感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組通常為短接，即端電壓，此時(shí)根據(jù)基爾霍夫第二定律，可寫出轉(zhuǎn)子繞組一相的電壓方程為 （2-8）或 （2-9）式中為轉(zhuǎn)子電流；為轉(zhuǎn)子每相電阻。經(jīng)過(guò)歸算，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電壓方程就變?yōu)椋?（2-10）根據(jù)上式即可畫出感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的T型等效電路，如下圖所示：T型等效和向量圖圖2-1感應(yīng)電動(dòng)機(jī)T型等效電路圖2-2感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相量圖第三節(jié) 異步電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程從等效電路可見(jiàn)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)從電源輸入的電功率，其中的一小部分將消耗于定子繞組的電阻而變成銅耗，一小部分將消耗于定子鐵心變?yōu)殍F耗，余下的大部分功率將借助于氣旋旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用，從定子通過(guò)氣隙傳送到轉(zhuǎn)子，這部分功率稱為電磁功率，用表示。寫成方程式時(shí)有： （2-11）式中： （2-12）其中，和為定子繞組的相電壓和相電流，為定子的功率因數(shù)，從等效電路可知，電磁功率為： （2-13）其中，為轉(zhuǎn)自內(nèi)功率因數(shù)，。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率很小，轉(zhuǎn)子中磁通的變化頻率很低，通常僅13Hz，所以轉(zhuǎn)子鐵耗一般可略去不計(jì)。因此，從傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率中扣除轉(zhuǎn)子銅耗后，可得轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的總機(jī)械功率（即轉(zhuǎn)換功率），即 （2-14） （2-15）用電磁功率表示時(shí)，上式亦可改寫成 （2-16） （2-17）式中說(shuō)明：在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)換功率和電磁功率是不同的；傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率中，部分變?yōu)檗D(zhuǎn)子銅耗，部分轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率，由于轉(zhuǎn)子銅耗等于，所以他又稱為轉(zhuǎn)差功率由式是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的輸出功率方程，將此式除以機(jī)械角速度，可得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩方程，即 （2-18）式中，為電磁轉(zhuǎn)矩；為與機(jī)械損耗和雜散損耗所對(duì)應(yīng)的阻力轉(zhuǎn)矩；如忽略雜散損耗，它就是空載轉(zhuǎn)矩；為電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。由于機(jī)械功率，轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，所以電磁轉(zhuǎn)矩亦可寫成： （2-19）考慮到電磁功率，把這些關(guān)系帶入式中，可得： （2-20）式中：。上式說(shuō)明，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙合成磁場(chǎng)的磁通量和轉(zhuǎn)子電流的有功分量成正比；增加轉(zhuǎn)子電流的有功分量，就可以使電磁轉(zhuǎn)矩增大。第四節(jié) 異步電機(jī)的調(diào)速方法作為一種接近于恒速的驅(qū)動(dòng)裝置，異步電動(dòng)機(jī)是一種性能良好的電機(jī)。但是在許多實(shí)際場(chǎng)合，要求電動(dòng)機(jī)具有幾種轉(zhuǎn)速，或者在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)地進(jìn)行調(diào)速。因此，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直是電工接關(guān)心和研究的問(wèn)題之一。由于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速： （2-21）所以可以從以下三個(gè)方面來(lái)調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：（1）改變定子繞組的極對(duì)數(shù)；（2）改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；（3）改變電源頻率。下面分別討論這三種調(diào)速方法：一、 變極調(diào)速在恒定的頻率下，改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)，就可以改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。通常利用改變繞組接法，使一套定子繞組具備兩種極對(duì)數(shù)而得到兩個(gè)同步轉(zhuǎn)速，稱為單繞組雙速電機(jī)；也可以在定子內(nèi)安放兩套獨(dú)立的繞組，從而做成三速或四速電機(jī)。變極調(diào)速只能一級(jí)一級(jí)地調(diào)速，而不能平滑的調(diào)速。二、 變頻變壓調(diào)速在普通交流異步電動(dòng)機(jī)的各種調(diào)速方式中，變頻調(diào)速因其突出的性能，應(yīng)用最為廣泛，同時(shí)也是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)最為活躍的研究領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展和完善，變頻調(diào)速技術(shù)的性能還在不斷提升，變頻調(diào)速技術(shù)已成為我國(guó)企業(yè)節(jié)約能源、提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、提高產(chǎn)品質(zhì)量和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)手段之一。變頻調(diào)速是通過(guò)改變異步電動(dòng)機(jī)定子的電源頻率，以改變其同步轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。但是，當(dāng)電源頻率改變時(shí)，會(huì)對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一系列的影響:損耗增加，效率下降:在工頻以下，以恒轉(zhuǎn)矩方式調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力將會(huì)卞降；在低頻時(shí)電動(dòng)機(jī)的散熱能力變壞，電動(dòng)機(jī)溫度會(huì)過(guò)高等。由于電動(dòng)機(jī)本身就是一個(gè)非線性、強(qiáng)藕合、多變量的對(duì)象，且更為嚴(yán)重的是由于工作頻率、溫度和飽和效應(yīng)的影響，定轉(zhuǎn)子電阻、電感等參數(shù)在不同情況下變化明顯。因而其動(dòng)態(tài)建模非常困難，要從理論上準(zhǔn)確的計(jì)算出電動(dòng)機(jī)在不同頻率和負(fù)載下的效率、溫升、功率因數(shù)和臨界轉(zhuǎn)矩是十分困難的。所以，長(zhǎng)期以來(lái)，在設(shè)計(jì)變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，人們只是憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定普通交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的調(diào)速范圍，而沒(méi)有充分的理論依據(jù)。變頻變壓調(diào)速使異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了寬的速度范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速，結(jié)合先進(jìn)的控制方式，使得異步電動(dòng)機(jī)可以達(dá)到直流電機(jī)的調(diào)速性能，這是電機(jī)調(diào)速史上的一大突破。由于VVVF，調(diào)速電機(jī)相對(duì)于一般電機(jī)而言，面臨著諸多的不同，如:其供電電源存在著許多高次諧波；調(diào)速控制中頻率需要更寬且連續(xù)的變化；較高的電壓峰值對(duì)電機(jī)絕緣存在強(qiáng)烈的沖擊等。這些因素的存在，將會(huì)給電機(jī)的運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的不良影響，必須在設(shè)計(jì)中予以考慮。本文從VVVF調(diào)速機(jī)理出發(fā)，剖析了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率、最大轉(zhuǎn)矩與發(fā)生最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率、恒定磁通與恒定壓頻比、恒功率調(diào)速特性與恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性等問(wèn)題的內(nèi)在聯(lián)系與客觀規(guī)律，并揭示了開發(fā)設(shè)計(jì)這類電機(jī)所存在的特殊問(wèn)題，從而提出了解決這些問(wèn)題的對(duì)策和方法。變頻變壓調(diào)速機(jī)理剖析由電機(jī)學(xué)原理我們知道，在忽略定子電阻的情況下分析異步電機(jī)的等值電路，電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差率、電源頻率、磁通及電勢(shì)之間存在下列關(guān)系(l) 正比于，且是的函數(shù)；(2) 反比于，且是電阻、電感的函數(shù)；(3) 正比于。聯(lián)合(1)、(3)兩點(diǎn)可知維持幾不變可保持磁通不變，并在保持電流不變的情況下轉(zhuǎn)矩也可不變。這表明不論E與怎樣改變，只須維持 (通常稱為壓頻比)不變，即可使異步電機(jī)在電流保持額定時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩不變，這就是變頻異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出的依據(jù)所在。另一方面，由(2)可知，改變即改變了轉(zhuǎn)差率，也相當(dāng)于改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。以上分析表明，變頻又變壓且壓頻比不變，則可保持轉(zhuǎn)矩不變而轉(zhuǎn)速可變，因此電機(jī)實(shí)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的機(jī)理客觀上成立。特別當(dāng)取時(shí)，則有為。當(dāng)選值適當(dāng)，使接近于1(即接近堵轉(zhuǎn))時(shí)電機(jī)就可能在極低頗率和極低電壓下以最大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，這一事實(shí)正是VVVF調(diào)速異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)“軟起動(dòng)”的條件。注意到上述分析中的是電機(jī)的內(nèi)勢(shì)，而實(shí)際使用中變頻器則以電源輸出電壓替代進(jìn)行控制，且上述分析是在忽略了定子電阻的等值電路上得出的結(jié)論，而實(shí)際上由于低頻時(shí)定子電阻壓降較整個(gè)阻抗的比重已不能忽略，因而在實(shí)際應(yīng)用中需要通過(guò)適當(dāng)提高，之比值來(lái)補(bǔ)償增大使得下降的情況。但是增值必須適當(dāng)，否則增值太大會(huì)造成輕載時(shí)的過(guò)勵(lì)，由此造成磁路飽和、激磁電流大幅增加。上述分析表明，盡管與有所區(qū)別，但經(jīng)適當(dāng)增值(即低頻補(bǔ)償)后，使用變頻器輸出電壓完全可以替代內(nèi)電勢(shì)，達(dá)到變頻變壓調(diào)速以及軟起動(dòng)的目的。上述情況是基頻以下的情況。在基頻以上時(shí)，由于一般變頻器的輸出電壓在頻率達(dá)到基頻的同時(shí)也達(dá)到傾定值，且它不再隨著頻率的上升而增加，因此當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)的輸出頻率繼續(xù)上升時(shí)，電壓開始保持額定輸出不變，而這時(shí)的磁通及轉(zhuǎn)矩將隨著的升高而減小，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨升高而上升，由于輸出功率正比于與的乘積，由此可維持保持不變，這種關(guān)系正好可以實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)“弱磁”升速，此時(shí)電機(jī)進(jìn)人恒功率調(diào)速的狀態(tài)。綜合上述分析可見(jiàn)，異步電機(jī)依賴變頻器降頻降壓、恒定壓頻比以及升頻恒壓三種方式控制完全可以實(shí)現(xiàn)基頗下的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速、無(wú)沖擊電流的軟起動(dòng)以及基頻以上的恒功率調(diào)速。三、 改變轉(zhuǎn)差率來(lái)調(diào)速改變電動(dòng)機(jī)的端電壓來(lái)調(diào)速。在一定的轉(zhuǎn)差率下，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和端電壓的平方成正比，因此改變電動(dòng)機(jī)的端電壓就可以改變曲線中轉(zhuǎn)矩的大小，并達(dá)到調(diào)速的目的。轉(zhuǎn)子加電阻調(diào)速。這種方法只適用于繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍廣缺點(diǎn)是調(diào)速電阻中要消耗一定的能量。由于轉(zhuǎn)子回路的銅耗，故轉(zhuǎn)速調(diào)的越低轉(zhuǎn)差率越大，銅耗就越多，效率就越低。第三章 逆變器工作原理和控制及其應(yīng)用近年來(lái),隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展,生產(chǎn)工藝的改進(jìn)及功率半導(dǎo)體器件價(jià)格的降低,變頻調(diào)速越來(lái)越被工業(yè)上所采用。如何選擇性能好的變頻其應(yīng)用到工業(yè)控制中,是我們專業(yè)技術(shù)人員共同追求的目標(biāo)。下面談?wù)勛冾l器的工作原理和控制方式。第一節(jié) 變頻器的工作原理【4】我們知道,交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為: （3-1）式中：為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； 為異步電動(dòng)機(jī)的頻率；為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。由上式可知,轉(zhuǎn)速與頻率成正比,只要改變頻率即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,當(dāng)頻率在050Hz的范圍內(nèi)變化時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的,是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。第二節(jié) 變頻器控制方式【3】低壓通用變頻輸出電壓為380650V,輸出功率為0.75400kW,工作頻率為0400Hz,它的主電路都采用交直交電路。根據(jù)直流部分的電流、電壓的不同形式,又分為電壓型與電流型兩種。如下圖所示:圖3-1 電壓型三相橋式逆變電路圖3-2 電流型三相橋式逆變電路區(qū)別在于直流接入部分是大功率的電抗器(電流型)或電容器(電壓型)。電壓型變頻器的主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行幾乎不受負(fù)載的功率因數(shù)或換流的影響；缺點(diǎn)是當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路或在變頻器運(yùn)行狀態(tài)下投入負(fù)載,都易出現(xiàn)過(guò)電流,必須在極短的時(shí)間內(nèi)施加保護(hù)措施。電流型逆變器由于電流的可控制性較好,可以限制因逆變裝置換流失敗或負(fù)載短路等引起的過(guò)電流,保護(hù)的可靠性極高,所以多用于要求頻繁加減速或要求四象限運(yùn)行的場(chǎng)合。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。一、 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低,機(jī)械特性硬度也較好,能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求,已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是,這種控制方式在低頻時(shí),由于輸出電壓較低,轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著,使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外,其機(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬,動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意,且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化,轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高,低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降,穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。二、 電壓空間矢量(SVPWM)控制方式它是以三相波形整體生成效果為前提,以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的,一次生成三相調(diào)制波形,以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn),即引入頻率補(bǔ)償,能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值,消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán),以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多,且沒(méi)有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié),所以系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本改善。三、 矢量控制(VC)方式矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流、通過(guò)三相二相變換,等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流,再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換,等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流、 (相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流； 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流),然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法,求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量,經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換,實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī),分別對(duì)速度,磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈,然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量,經(jīng)坐標(biāo)變換,實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中,由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè),系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大,且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜,使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。四、 直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式1985年,德國(guó)魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足,并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前,該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型,控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī),因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制,也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。五、 矩陣式交交控制方式VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交直交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低,諧波電流大,直流電路需要大的儲(chǔ)能電容,再生能量又不能反饋回電網(wǎng),即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此,矩陣式交交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié),從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l,輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行,系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟,但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量,而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體方法是:控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測(cè)器,實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器方式；自動(dòng)識(shí)別(ID)依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型,對(duì)電機(jī)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別；算出實(shí)際值對(duì)應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；實(shí)現(xiàn)BandBand控制，按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的BandBand控制產(chǎn)生PWM信號(hào),對(duì)逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。矩陣式交交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)(2ms),很高的速度精度(2,無(wú)反饋)高轉(zhuǎn)矩精度(3)；同時(shí)還具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度,尤其在低速時(shí)(包括速度為零時(shí)),可輸出150200轉(zhuǎn)矩。第三節(jié) 簡(jiǎn)單的三種變頻器控制方式1. 保持恒定保持恒定控制是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的最基本控制方式,它在控制電動(dòng)機(jī)的電源頻率變化的同時(shí)控制變頻器的輸出電壓,并使二者之比為恒定,從而使電動(dòng)機(jī)的磁通基本保持恒定。由于電機(jī)的電勢(shì)檢測(cè)困難,但電機(jī)運(yùn)行時(shí)電機(jī)的電勢(shì)和電壓幾乎相等,一般是通過(guò)控制比恒定以保持磁通為恒定。缺點(diǎn)在于,當(dāng)頻率降低后,由于低速時(shí)的定子電阻壓降所占比重增大使電機(jī)的電壓和電勢(shì)近似相等的條件已不滿,導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩有所下降。2. 保持輸出轉(zhuǎn)矩為常數(shù)(恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速)所謂恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速包括:控制具有恒轉(zhuǎn)矩特性的負(fù)載(如起重機(jī)械)和不同速度情況下恒輸出轉(zhuǎn)矩控制,這種控制方式使得電動(dòng)機(jī)保持輸出恒定的最大轉(zhuǎn)矩(條件容許的范圍)。上述比恒定控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制。因?yàn)檫@種控制可以在一定調(diào)速范圍內(nèi)近似維持磁通為恒定,在相同的轉(zhuǎn)矩相位角的條件下,如果能夠控制電機(jī)的電流為恒定,即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為恒定。3. 保持輸出功率為常數(shù)(恒功率調(diào)速)恒功率調(diào)速也同樣包括負(fù)載特性要求具有恒功率的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性和電機(jī)具有輸出恒功率能力即當(dāng)電機(jī)的電壓隨著頻率的增加而升高時(shí),若電機(jī)的電壓已經(jīng)達(dá)到電機(jī)的額定電壓,即使頻率增加仍持電機(jī)電壓不變。這樣電機(jī)所能輸出的功率由電的額定電壓和額定電流的乘積所決定,不隨頻率變化而變化。即具有恒功率特性。異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速時(shí),通常在基頻以采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,基頻以上時(shí)采用恒功率調(diào)速。第四節(jié) 變頻器的實(shí)際應(yīng)用變頻器的選取主要應(yīng)注意以下幾個(gè)誤區(qū):1.在變頻器的三相電源進(jìn)線處設(shè)置多重保護(hù),如采用熔斷器、漏電保護(hù)器、交流接觸器和三相空氣開關(guān)等,這種設(shè)置往往會(huì)限制變頻器能力,且已造成缺相而損壞變頻器。2.一般用戶認(rèn)為變頻器的實(shí)際功率比其銘牌上標(biāo)出的額定功率低,應(yīng)將其容量選高一檔。實(shí)際上變頻器容量的選取主要取決于負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與控制轉(zhuǎn)速變化的速率要求。例如在火電廠回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用的變頻器,選型時(shí)主要根據(jù) （3-2）式中：電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；負(fù)載轉(zhuǎn)矩；負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；系統(tǒng)加速度。600 MW發(fā)電機(jī)組的空預(yù)器轉(zhuǎn)子計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為： （3-3）啟動(dòng)時(shí)的阻力轉(zhuǎn)矩約為： （3-4）所以根據(jù)式計(jì)算可以選用kW電機(jī),配以kW變頻器驅(qū)動(dòng),當(dāng)選用15 kW電機(jī)時(shí)加速時(shí)間不宜低于36 s,否則易出現(xiàn)過(guò)載報(bào)警,但把加速時(shí)間延長(zhǎng)至60 s時(shí)該報(bào)警不再出現(xiàn)。該結(jié)論已經(jīng)在工程實(shí)際中得到驗(yàn)證。如果還出現(xiàn)“加速時(shí)過(guò)電流”報(bào)警,可在變頻器的輸出端(與電動(dòng)機(jī)連接的一端)加裝啟動(dòng)控制電路(同時(shí)增加浪涌吸收器)即可,無(wú)需增加變頻器容量。3.功率因數(shù)補(bǔ)償裝置由于變頻器內(nèi)部直流部分的隔離,使得原來(lái)的補(bǔ)償裝置不再有效。補(bǔ)償裝置只有加在變頻器和電動(dòng)機(jī)之間時(shí)才有效。4.變頻器的節(jié)能作用變頻器的節(jié)能作用可以從兩方面來(lái)看待。一類是風(fēng)機(jī)或泵類負(fù)載中的應(yīng)用,而且流量經(jīng)常根據(jù)使用要求發(fā)生變化時(shí),還需再配上相應(yīng)的傳感器,與變頻器一起構(gòu)成閉環(huán)回路,才能達(dá)到節(jié)能的目的。另一類是當(dāng)負(fù)載功率小于電動(dòng)機(jī)的額定功率時(shí),其效率隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的減少而降低,也就是說(shuō),電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)會(huì)相對(duì)費(fèi)電。而變頻器會(huì)根據(jù)負(fù)載的大小自動(dòng)調(diào)整V/F值,從而使效率得到提高,達(dá)到節(jié)能之目的。前面說(shuō)的空預(yù)器轉(zhuǎn)子負(fù)載就是這類負(fù)載。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用變頻器驅(qū)動(dòng)空載時(shí)轉(zhuǎn)子節(jié)能20%左右。5.載頻隨著載波頻率的提高變頻器輸出波形接近于正弦波,電機(jī)噪聲會(huì)逐漸降低。但是載波頻率過(guò)高會(huì)使變頻器產(chǎn)生過(guò)多的熱損耗和交越失真。如下表所示:表2-1頻率波形等的比較載波頻率低高電機(jī)噪聲大小輸出波形差好漏電流小大6.高次諧波當(dāng)使用環(huán)境中有晶閘管整流設(shè)備或電源電壓不平衡率超過(guò)3%則應(yīng)考慮在電源入口側(cè)加裝交流電抗器以減少電源側(cè)和變頻器之間的相互干擾。例如在電廠工作環(huán)境下,同一母線下工作的設(shè)備比較復(fù)雜,建議采用輸入交流電抗器,以提高設(shè)備的使用壽命。7.能量回饋?zhàn)冾l器在大慣性負(fù)載的應(yīng)用中容易產(chǎn)生“過(guò)電壓”報(bào)警。該報(bào)警產(chǎn)生的原因在于負(fù)載波動(dòng)引起的能量回饋導(dǎo)致直流電壓過(guò)高從而引起報(bào)警。解決該問(wèn)題主要有兩種方式:加裝制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻,這是解決該報(bào)警的根本方法。但對(duì)于負(fù)載慣量較大、波動(dòng)劇烈的工況,制動(dòng)電阻頻繁工作也會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱報(bào)警。但往往出現(xiàn)“過(guò)電壓”報(bào)警的根本原因在于矩提升、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)參數(shù)設(shè)置不理所致,這種原因所導(dǎo)致的報(bào)警解決方法是自動(dòng)定電機(jī)參數(shù)并相應(yīng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩參數(shù)即可不加裝制動(dòng)電阻的情況下,解決“過(guò)壓”報(bào)警問(wèn)題該方法已在國(guó)內(nèi)多家電廠得到應(yīng)用,并得到滿意結(jié)果。第五節(jié) 正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻器SPWM變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能優(yōu)良,主電路不用附加其他裝置,已成為當(dāng)前最有發(fā)展前途的一種結(jié)構(gòu)形式。圖3-3所示為SPWM變頻器的電路原理,該電路的主要特點(diǎn)是:1.主電路只有一個(gè)可控的功率環(huán)節(jié),簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)；2.使用了不可控的整流器,使電網(wǎng)功率因數(shù)與變頻器輸出電壓的大小無(wú)關(guān)而接近于1；3.變頻器在調(diào)頻的同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓,而與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無(wú)關(guān),加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；4.可獲得比常規(guī)6拍階梯波更好的輸出電壓波形,能抑制或消除低次諧波,使負(fù)載電動(dòng)機(jī)可在近似正弦波的交變電壓下運(yùn)行,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,大大擴(kuò)展了拖動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速范圍,并提高了系統(tǒng)的性能。圖3-3SPWM交-直-交變頻器原理一、 SPWM變頻器的工作原理所謂正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)就是把正弦波等效為一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形,如圖3-4所示,等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個(gè)正弦半波分作n等份(圖中n=12),然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來(lái)代替,矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等份的中點(diǎn)重合,而寬度是按正弦規(guī)律變化的如圖3-4(b)所示。這樣,由n個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦半周等效,稱作SPWM波形。同樣,正弦波負(fù)半周也可用相同方法與一系列負(fù)脈沖波來(lái)等效。圖3-4 (b)所示的一系列脈沖波形就是所期望的變頻器輸出SPWM波形?？梢钥吹?由于各脈沖的幅值相等,所以變頻器可由恒定的直流電源供電,即這種交-直-交變頻器中的整流器采用不可控的二極管整流器即可,變頻器輸出脈沖的幅值就是整流器的輸出電壓幅值。當(dāng)變頻器各開關(guān)器件都是在理想狀態(tài)下工作時(shí),驅(qū)動(dòng)相應(yīng)開關(guān)器件的信號(hào)也應(yīng)為與圖3-4 (b)所示形狀相似的一系列脈沖波形。從理論上講,這一系列脈沖波形的寬度是作為控制變頻器中各開關(guān)器件通斷的依據(jù),可以嚴(yán)格地用計(jì)算機(jī)方法求得。但較為實(shí)用的方法是引用通訊技術(shù)中的“調(diào)制”這一概念,以所期望的波形(這里是正弦波)作為調(diào)制波,而受它調(diào)制的信號(hào)稱為載波。圖3-4 與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波(a)正弦波形(b)等效的SPWM波形圖3-4 正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波在SPWM中常用等腰三角波作為載波,因?yàn)榈妊遣ㄊ巧舷聦挾染€性對(duì)稱變化的波形,當(dāng)它與任何一個(gè)光滑的曲線相交時(shí),在交點(diǎn)的時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷,即可得到一組等幅而脈沖寬度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖,這正是SPWM所需要的結(jié)果。.二、 SPWM變頻器的同步調(diào)制和異步調(diào)制定義載波的頻率與調(diào)制波頻率之比為載波比,即。視載波比的變化與否有同步調(diào)制與異步調(diào)制之分。1.同步調(diào)制在同步調(diào)制方式中, 為常數(shù),變頻時(shí)三角載波的頻率與正弦調(diào)制波的頻率同步變化,因而變頻器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)是固定不變的