基于MATLAB的異步電機VVVF調速系統(tǒng)仿真

蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文）摘要:隨著電力電子技術的發(fā)展，異步電機以其在變頻調速方面的優(yōu)點開始顯現(xiàn)出來了，相對于直流電機有更加廣泛的應用本論文主要介紹了異步電機的工作原理以及異步電機的調速方法。通過改變頻率、改變電源電壓、改變極對數(shù)等方法來改變電機的轉速，我是通過改變電機頻率來達到改變電機轉速的目的，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。同時通過運用Matlab/simulink系統(tǒng)對異步電機轉速調節(jié)進行了開環(huán)閉環(huán)的仿真。本論文對電機轉矩轉速觀察為開環(huán)系統(tǒng)，但是在閉環(huán)系統(tǒng)中通過使用Matlab/simulink對系統(tǒng)閉環(huán)進行設計仿真，實現(xiàn)了調速，并觀察到了電機轉速、轉矩改變的圖像，并且分析了解了異步電機轉速改變的原因和仿真過程中的條件等。關鍵詞Matlab異步電機變頻調速仿真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) 電氣傳動技術的發(fā)展概況1第二節(jié) 普通交流異步電動機變頻調速調速范圍的問題2第三節(jié) 交流異步電動機的調速方式3一、 轉子回路串電阻或阻抗調速3二、 定子調壓調速3三、 串級調速4四、 變極調速4五、 變頻調速4第四節(jié) 關于matlab仿真的相關內容5第二章 異步電機運行基本原理及其調速方法以及變量控制6第一節(jié) 異步電機運行基本原理6第二節(jié) 異步電機的電壓方程和等效電路6第三節(jié) 異步電機的功率方程和轉矩方程8第四節(jié) 異步電機的調速方法10一、 變極調速10二、 變頻變壓調速11三、 改變轉差率來調速12第三章 逆變器工作原理和控制及其應用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、 直接轉矩控制(DTC)方式16五、 矩陣式交交控制方式16第三節(jié) 簡單的三種變頻器控制方式17第四節(jié) 變頻器的實際應用18第五節(jié) 正弦波脈寬調制(SPWM)變頻器19一、 SPWM變頻器的工作原理20二、 SPWM變頻器的同步調制和異步調制21第四章 MATLAB基于VVVF對異步電機的調速仿真實現(xiàn)24第一節(jié) 關于Matlab軟件的應用與操作25一、 PWM模塊的組成與仿真25二、 電機模塊的仿真27三、 輸出觀察模塊的仿真29第二節(jié) 開環(huán)調速系統(tǒng)仿真30第三節(jié) 閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真35一、 閉環(huán)調速Matlab仿真主模塊36二、 控制環(huán)節(jié)模塊37三、 仿真結果41總結和展望46參考文獻48第一章 緒 論異步電機的工作原理？異步電機調速又是怎么樣的呢？目前主要引用在那幾個領域呢？以及異步電機的仿真又是什么呢？又是怎么去仿真的呢？對這些問題的初步說明將是這篇論文所要敘述的。隨著工業(yè)的進步,傳統(tǒng)的直流電機由于其結構復雜、不易維護等缺點正逐漸地被具有高可靠性成本低、維護簡便的感應式交流異步電動機所取代。交流電機變頻調速系統(tǒng),在進行動態(tài)數(shù)字仿真時,需要首先推導出三相交流異步電機的數(shù)學模型,它是一個高階強偶合、多變量、非線性的系統(tǒng),與此同時還需要建立電源模型。在進行仿真時,可采用高級語言FORTRAN、C、Visual、C+等進行編程,但采用這些語言開發(fā)周期長,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題而建立數(shù)學模型變得輕松、便捷,為科技工程人員帶來了巨大的便利。MATLAB是一種科學技術軟件,用戶可根據MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱中的命令來實現(xiàn)所需要的系統(tǒng),也可以根據混合使用各庫中的模塊來組合成新的系統(tǒng),封裝自己定義的模塊或自己定義模塊庫,以便隨時調用,從而實現(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)、神經網絡(Neural network)、信號處理(Signal Processing)以及仿真(SIMULINK)等工具箱。作為MATLAB的重要組成部分的SIMULINK具有相對獨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表示,用戶建模通過簡單的單擊和拖動鼠標的動作就能完成,簡化了設計過程。本文就是利用SIMULINK工具箱,對所推導的三相交流異步電動機及電源進行建模,封裝。還利用MATLAB的M文件結合具體的調速控制系統(tǒng)進行仿真異步電機的變壓變頻調速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調速系統(tǒng)。由于調速時轉差功率不隨轉速而變化，調速范圍寬、無論是高速還是低速時效率都較高，在采取一定的技術措施后能實現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直流調速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在應用面很廣。第一節(jié) 電氣傳動技術的發(fā)展概況電氣傳動是指以各類電動機為動力的傳動裝置與系統(tǒng)。電氣傳動系統(tǒng)通常由電動機、控制裝置和信息裝置幾部分組成。電氣傳動關系到合理地使用電動機以節(jié)約電能和控制機械的運轉狀態(tài)(位置、速度、加速度等)，實現(xiàn)電能、機械能的轉換，達到優(yōu)質、高產、低耗的目的。電氣傳動按照電動機的種類劃分，有直流電動機傳動、交流電動機傳動、步進電動機傳動、伺服電動機傳動等。電氣傳動又可分為不可調速和可調速兩大類，調速又分為交流調速和直流調速。直流電氣傳動和交流電氣傳動在19世紀后期先后誕生。但在20世紀的大部分年代里，已形成公認的格局:約占電氣傳動的80%不變速傳動系統(tǒng)都采用交流傳動，20%調速系統(tǒng)一般采用直流調速雖然直流電機中勵磁電流和電樞電流相互獨立，比交流電機具有更好的控制性能，容易得到滿意的動靜態(tài)性能。而與此相反，交流電機雖然機械結構簡單，但它是一個非線性、強禍合、多變量的控制對象，調速控制復雜，實現(xiàn)高精度控制較為困難。但是隨著生產技術的不斷發(fā)展，直流電機傳動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯露出來:直流電機由于換向器的存在降低了功率/重量的比值，限制了電機的容量和速度，而且直流電機的大部分功率都是通過換向器流入電樞的，轉子發(fā)熱多，效率低，磨損大，可靠性差。隨著20世紀70年代計算機和微處理器技術的迅速發(fā)展，電力電子技術的日新月異，現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的成熟，交流電氣傳動逐漸占據了主導地位。采用半導體變流技術、大規(guī)模集成電路和高速處理器等實現(xiàn)的交流調速控制系統(tǒng)，加之矢量控制、直接轉矩控制及智能控制等先進控制方法的應用，交流調速控制系統(tǒng)逐步實現(xiàn)了寬的調速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應等良好性能，在調速性能方面可與直流調速系統(tǒng)相媲美。目前，從幾百瓦的家用電器到幾兆瓦的工業(yè)調速裝置，都可以采用交流調速方案。交流調速系統(tǒng)由最初的只用于風機、水泵的軟啟動和開環(huán)變頻調速等一般應用場合，擴展到各種高精度、快速響應的高性能指標的電氣傳動控制領域。目前，電氣傳動系統(tǒng)中新的格局已經形成:交流調速系統(tǒng)上升到主導地位，并將逐步取代直流調速系統(tǒng)。第二節(jié) 普通交流異步電動機變頻調速調速范圍的問題當頻率改變時，會對交流異步電動機產生一系列的影響:損耗增加，效率下降；在工頻以下，以恒轉矩方式調速時，交流異步電動機的過載能力將會下降；在低頻時交流異步電動機的散熱能力變壞，交流異步電動機溫度會過高等。由于交流異步電動機本身就是一個非線性、強禍合、多變量的對象，且更為嚴重的是，由于工作頻率、溫度和飽和效應的影響，定轉子電阻、電感等參數(shù)在不同工況下變化明顯。例如在某些情況下，轉子的電阻值會比其標稱值增加一倍以上。因而其建模非常困難，要從理論上準確的計算出交流異步電動機在不同頻率和負載下的效率、溫升，功率因數(shù)和臨界轉矩是十分困難的。所以，長期以來，在設計變頻調速系統(tǒng)時，人們只是憑借經驗來確定普通交流異步電動機變頻調速的調速范圍，而沒有充分的理論依據。第三節(jié) 交流異步電動機的調速方式由于異步電動機的轉速公式為：） （1-1）從轉速公式可以看出，異步電動機的調速方法可分為變轉差率調速、變極對數(shù)調速和變頻調速三種變轉差率調速變轉差率的調速方法，又可以通過調節(jié)轉子電阻、定子電壓、轉差電壓等方法實現(xiàn)。一、 轉子回路串電阻或阻抗調速這種方式只適用于繞線型異步電動機，其原理是:當忽略轉子回路電感時，電機的轉差率為 （1-2）為電動機轉子額定電流； 為電動機轉子額定電壓；為轉子回路電阻據此，當改變轉子回路電阻時，便可改變電機轉速。其特點是可靠性高、投資少、維護簡單，但是當轉速下調時效率隨之降低。這種調速方式包括金屬電阻調速方式、液體電阻調速方式、頻敏變阻器起動方式。二、 定子調壓調速異步電動機的轉矩在一定轉差率下，與定子電壓平方成正比，改變定子電壓將改變電動機的機械特性，從而實現(xiàn)電動機的調速。定子調壓調速是一種比較簡便的調速方式，可以在異步電動機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加調壓變壓器等方式來實現(xiàn)調壓調速。在電力電子技術高速發(fā)展的今天，可以使用“交流開關”狀態(tài)的雙向晶閘管來實現(xiàn)交流調壓調速。定子調壓調速的主要優(yōu)點是:方法簡單，調速平滑，加上閉環(huán)控制時能達到理想的調速精度。其主要缺點是調整范圍窄，一般不能低于電動機同步轉速的80-85%電動機轉子的損耗比較大等。三、 串級調速在繞線式異步電動機轉子回路引入一附加電勢，使得電動機轉子側通過變流裝置向電網反饋或從電網吸收轉差功率，從而實現(xiàn)電動機轉速調節(jié)。串級調速可分為兩類:一類是直接使用變頻電源；另一類是將不同頻率的轉子電壓經過整流器整流，變換為與轉差成正比的直流，在其直流回路中串入一個極性相反的逆變器來實現(xiàn)調速。串級調速的主要優(yōu)點是:可以將滑差能量以電能的形式回饋至電網，在整個調速范圍內系統(tǒng)總效率較高，可達90%以上；調速平滑；裝置容量與速度調節(jié)范圍成正比，當要求調速范圍不大時，所需外加電源容量小，設備費用較低；可靠性較高，即使附加電源出了問題，系統(tǒng)可甩掉附加電源，切換至轉子短接狀態(tài)下運行。串極調速的主要缺點是:功率因數(shù)低，可能要低于0. 6；晶體管串級調速裝置有諧波危害；當電網電壓瞬時大幅度降低時，串級調速裝置有可能停止運行；最大力矩降低約17%左右，電氣制動的特性不夠理想，線路相對較復雜等。四、 變極調速變極調速方式就是電動機的同一套繞組經控制設備把各線圈的接法進行變換，改變電動機的極對數(shù)來改變電動機同步轉速的調速方式。這是一種不連續(xù)的調速方式，適用于極對數(shù)可以改變的多速鼠籠型異步電動機。從電機構造上看，定子繞組有單繞組和多繞組兩種，一半多為單繞組，單繞組變極電機不僅出線少，用銅省，而且可以實現(xiàn)雙速、三倍及倍極比、非倍極比的變極調速。變極調速是一種傳統(tǒng)的調速方式，廣泛應用于機床等機械的調速，變極調速的主要優(yōu)點是:無附加轉差損耗，電氣傳動效率高，控制線路簡單，設備費用低。其主要缺點是:不能連續(xù)調節(jié)轉速。五、 變頻調速改變異步電動機定子的電源頻率，就可以改變同步轉速，從而改變電動機的轉速，這種調速方式能達到無級調速，主要用于鼠籠型異步電動機，如風機、水泵、壓風機及空調等。變頻調速的主要優(yōu)點:起動電流小，在異步電動機的各種調速裝置中變頻調速效率最高。特別是半導體變頻裝置更具有設備體積小、可靠性高、調速精度高、特性硬、省電的特點。在交流電動機的以上調速方式中，變頻調速因其突出的性能，應用最為廣泛，同時也是電動機調速技術最為活躍的研究領域。隨著電力電子技術和控制理論的不斷發(fā)展和完善，變頻調速的技術性能不斷提升，變頻調速技術已成為我國企業(yè)節(jié)約能源、提高生產過程自動化、提高產品質量和改造傳統(tǒng)產業(yè)的主要技術手段之一。第四節(jié) 關于matlab仿真的相關內容三相異步電動機變頻器調速系統(tǒng),它通過變頻器,將頻率固定的交流電變換成頻率連續(xù)可調交流電源。由于三相異步電動機的同步轉速n0=60f/p,當頻率連續(xù)可調時,電動機的同步轉速也連續(xù)可調；又因為異步電動機的轉子轉速總是比同步轉速略低一些,所以當同步轉速連續(xù)可調時,轉子轉速也連續(xù)可調。利用變頻器對異步電動機轉速的控制,調速范圍廣,調速平滑性好,在工作特性方面,不管是靜態(tài)特性,還是動態(tài)特性,都能做到和直流調速不相上下的程度。對于變頻器的系統(tǒng)設計,工程師們很少利用仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真,設計者需要進行大量的編程計算,特別是對電機進行仿真實驗更是非常困難,影響了仿真軟件應具有的簡單易學的特點。Math Works公司1998年推出的Matlab5. 2版本中,增加了一個電力系統(tǒng)工具箱(Power System Blockset),最新的Matlab5. 3版本又進行了一些改進,特別簡單易學,不需自己編程,它基于Matlab的圖形仿真環(huán)境Simulink,特別適于對電路設計進行仿真。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),其功能非常強大,可以用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電力傳輸?shù)冗^程的仿真,它提供了一種類似電路建模的方式進行模型繪制,在仿真前自動將其變化成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式,然后才能在Simulink下進行仿真分析。下面就利用Simulink對異步電動機變頻調速系統(tǒng)進行仿真的方法作一介紹。第二章 異步電機運行基本原理及其調速方法以及變量控制【1】第一節(jié) 異步電機運行基本原理異步電機又稱感應電機，它由定子和轉子組成。定子由定子鐵心、定子繞組、機座三部分組成。轉子由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸組成。感應電機是利用電磁感應原理，通過定子的三相電流產生旋轉磁場，并與轉子繞組中的感應電流相互作用產生電磁轉矩以進行能量轉換。旋轉磁場的轉速與轉子之差n之差稱為轉差，轉差與同步轉速的比值稱為轉差率用s表示即 （2-1）轉差率是表征感應電機運行狀態(tài)的一個基本變量。當感應電機負載發(fā)生變化時，轉子的轉差率隨之發(fā)生變化，使轉子到體重的電動勢、電流和電磁轉矩發(fā)生相應的變化，以適應負載的需要。因此感應電機的轉速隨負載的變動而變化。按照轉差率的正負和大小，感應電機可分為電動機、發(fā)電機、和電磁制動三種運行狀態(tài)。當轉子轉速低于旋轉磁場的轉速時（），轉差率。此時電機從電網輸入功率，通過電磁感應由轉自輸出機械功率，電機處于發(fā)電機狀態(tài)。若電機用原動機驅動，是轉子轉速高于旋轉磁場轉速（），則轉差率。此時轉自從原動機輸入機械功率，通過電磁感應由定子輸出電功率，電機處于發(fā)電機狀態(tài)。若有機械或其他外因使轉子逆著旋轉磁場方向旋轉（）則轉差率。此時電機處于電磁制動狀態(tài)，它一方面從外界輸入機械功率，同時又從電網吸取電功率，兩者都變成電機內部的損耗被消耗掉。.第二節(jié) 異步電機的電壓方程和等效電路以同步轉速旋轉的氣隙旋轉磁場（主磁場）將在定子三相繞組內感應對稱的三相電動勢.根據基爾霍夫定律，定子每相所加的電源電壓應當?shù)扔诟碾妱觿莸呢撝导由隙ㄗ与娏鞫喈a生的漏阻抗壓降。由于三相對稱，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的電動勢；為定子相電流；、為定子每相的電阻和漏抗。而感應電動勢等于 （2-4）氣隙主磁通除在定子繞組內感應出頻率為的電動勢外,還在轉子繞組內感應出頻率為（轉差頻率）的電動勢。定子每項電動勢的有效值為 （2-5）當轉子不轉時（）時，轉子每相的感應電動勢為， （2-6）從上可以看出 在數(shù)值上 即轉子的感應電動勢與轉差率成正比，越大，主磁場“切割”轉子繞組的相對速度就越大，轉子的感應電動勢亦越大。與定子繞組一樣，轉子每相繞組亦有電阻和漏抗。由于轉子頻率，而漏抗正比于頻率，故轉子繞組的漏抗為 （2-7）式中，為轉子頻率等于時的漏抗，即轉子不轉（）時的漏抗。感應電機的轉子繞組通常為短接，即端電壓，此時根據基爾霍夫第二定律，可寫出轉子繞組一相的電壓方程為 （2-8）或 （2-9）式中為轉子電流；為轉子每相電阻。經過歸算，感應電動機的電壓方程就變?yōu)椋?（2-10）根據上式即可畫出感應電動機的T型等效電路，如下圖所示：T型等效和向量圖圖2-1感應電動機T型等效電路圖2-2感應電動機相量圖第三節(jié) 異步電機的功率方程和轉矩方程從等效電路可見，感應電動機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磁場的作用，從定子通過氣隙傳送到轉子，這部分功率稱為電磁功率，用表示。寫成方程式時有： （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，為轉自內功率因數(shù)，。感應電動機正常運行時轉差率很小，轉子中磁通的變化頻率很低，通常僅13Hz，所以轉子鐵耗一般可略去不計。因此，從傳送到轉子的電磁功率中扣除轉子銅耗后，可得轉換為機械能的總機械功率（即轉換功率），即 （2-14） （2-15）用電磁功率表示時，上式亦可改寫成 （2-16） （2-17）式中說明：在感應電動機中轉換功率和電磁功率是不同的；傳送到轉子的電磁功率中，部分變?yōu)檗D子銅耗，部分轉換為機械功率，由于轉子銅耗等于，所以他又稱為轉差功率由式是感應電動機轉子的輸出功率方程，將此式除以機械角速度，可得轉子的轉矩方程，即 （2-18）式中，為電磁轉矩；為與機械損耗和雜散損耗所對應的阻力轉矩；如忽略雜散損耗，它就是空載轉矩；為電動機的輸出轉矩。由于機械功率，轉子的機械角速度，所以電磁轉矩亦可寫成： （2-19）考慮到電磁功率，把這些關系帶入式中，可得： （2-20）式中：。上式說明，感應電動機的電磁轉矩與氣隙合成磁場的磁通量和轉子電流的有功分量成正比；增加轉子電流的有功分量，就可以使電磁轉矩增大。第四節(jié) 異步電機的調速方法作為一種接近于恒速的驅動裝置，異步電動機是一種性能良好的電機。但是在許多實際場合，要求電動機具有幾種轉速，或者在一定范圍內可以連續(xù)地進行調速。因此，異步電動機的調速問題長期以來一直是電工接關心和研究的問題之一。由于異步電動機的轉速： （2-21）所以可以從以下三個方面來調節(jié)異步電動機的轉速：（1）改變定子繞組的極對數(shù)；（2）改變電動機的轉差率；（3）改變電源頻率。下面分別討論這三種調速方法：一、 變極調速在恒定的頻率下，改變電動機定子繞組的極對數(shù)，就可以改變旋轉磁場和轉子的轉速。通常利用改變繞組接法，使一套定子繞組具備兩種極對數(shù)而得到兩個同步轉速，稱為單繞組雙速電機；也可以在定子內安放兩套獨立的繞組，從而做成三速或四速電機。變極調速只能一級一級地調速，而不能平滑的調速。二、 變頻變壓調速在普通交流異步電動機的各種調速方式中，變頻調速因其突出的性能，應用最為廣泛，同時也是交流電動機調速技術最為活躍的研究領域。隨著電力電子技術和控制理論的不斷發(fā)展和完善，變頻調速技術的性能還在不斷提升，變頻調速技術已成為我國企業(yè)節(jié)約能源、提高生產過程自動化、提高產品質量和改造傳統(tǒng)產業(yè)的主要技術手段之一。變頻調速是通過改變異步電動機定子的電源頻率，以改變其同步轉速，從而達到調節(jié)電動機轉速的目的。但是，當電源頻率改變時，會對交流異步電動機產生一系列的影響:損耗增加，效率下降:在工頻以下，以恒轉矩方式調速時，電動機的過載能力將會卞降；在低頻時電動機的散熱能力變壞，電動機溫度會過高等。由于電動機本身就是一個非線性、強藕合、多變量的對象，且更為嚴重的是由于工作頻率、溫度和飽和效應的影響，定轉子電阻、電感等參數(shù)在不同情況下變化明顯。因而其動態(tài)建模非常困難，要從理論上準確的計算出電動機在不同頻率和負載下的效率、溫升、功率因數(shù)和臨界轉矩是十分困難的。所以，長期以來，在設計變頻調速系統(tǒng)時，人們只是憑借經驗來確定普通交流異步電動機變頻調速的調速范圍，而沒有充分的理論依據。變頻變壓調速使異步電動機實現(xiàn)了寬的速度范圍內的無級調速，結合先進的控制方式，使得異步電動機可以達到直流電機的調速性能，這是電機調速史上的一大突破。由于VVVF，調速電機相對于一般電機而言，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；較高的電壓峰值對電機絕緣存在強烈的沖擊等。這些因素的存在，將會給電機的運行帶來嚴重的不良影響，必須在設計中予以考慮。本文從VVVF調速機理出發(fā)，剖析了轉矩與轉差率、最大轉矩與發(fā)生最大轉矩的轉差率、恒定磁通與恒定壓頻比、恒功率調速特性與恒轉矩調速特性等問題的內在聯(lián)系與客觀規(guī)律，并揭示了開發(fā)設計這類電機所存在的特殊問題，從而提出了解決這些問題的對策和方法。變頻變壓調速機理剖析由電機學原理我們知道，在忽略定子電阻的情況下分析異步電機的等值電路，電機轉矩、轉差率、電源頻率、磁通及電勢之間存在下列關系(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，即可使異步電機在電流保持額定時的輸出轉矩不變，這就是變頻異步電機實現(xiàn)恒轉矩輸出的依據所在。另一方面，由(2)可知，改變即改變了轉差率，也相當于改變了電機的轉速。以上分析表明，變頻又變壓且壓頻比不變，則可保持轉矩不變而轉速可變，因此電機實行恒轉矩調速的機理客觀上成立。特別當取時，則有為。當選值適當，使接近于1(即接近堵轉)時電機就可能在極低頗率和極低電壓下以最大轉矩起動，這一事實正是VVVF調速異步電機實現(xiàn)“軟起動”的條件。注意到上述分析中的是電機的內勢，而實際使用中變頻器則以電源輸出電壓替代進行控制，且上述分析是在忽略了定子電阻的等值電路上得出的結論，而實際上由于低頻時定子電阻壓降較整個阻抗的比重已不能忽略，因而在實際應用中需要通過適當提高，之比值來補償增大使得下降的情況。但是增值必須適當，否則增值太大會造成輕載時的過勵，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，但經適當增值(即低頻補償)后，使用變頻器輸出電壓完全可以替代內電勢，達到變頻變壓調速以及軟起動的目的。上述情況是基頻以下的情況。在基頻以上時，由于一般變頻器的輸出電壓在頻率達到基頻的同時也達到傾定值，且它不再隨著頻率的上升而增加，因此當調速系統(tǒng)的輸出頻率繼續(xù)上升時，電壓開始保持額定輸出不變，而這時的磁通及轉矩將隨著的升高而減小，同時電機轉速隨升高而上升，由于輸出功率正比于與的乘積，由此可維持保持不變，這種關系正好可以實現(xiàn)異步電機“弱磁”升速，此時電機進人恒功率調速的狀態(tài)。綜合上述分析可見，異步電機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現(xiàn)基頗下的恒轉矩調速、無沖擊電流的軟起動以及基頻以上的恒功率調速。三、 改變轉差率來調速改變電動機的端電壓來調速。在一定的轉差率下，電動機的電磁轉矩和端電壓的平方成正比，因此改變電動機的端電壓就可以改變曲線中轉矩的大小，并達到調速的目的。轉子加電阻調速。這種方法只適用于繞線型感應電動機。這種方法的優(yōu)點是方法簡單、調速范圍廣缺點是調速電阻中要消耗一定的能量。由于轉子回路的銅耗，故轉速調的越低轉差率越大，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用近年來,隨著電力電子技術、微電子技術及大規(guī)模集成電路的發(fā)展,生產工藝的改進及功率半導體器件價格的降低,變頻調速越來越被工業(yè)上所采用。如何選擇性能好的變頻其應用到工業(yè)控制中,是我們專業(yè)技術人員共同追求的目標。下面談談變頻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,交流電動機的同步轉速表達式為: （3-1）式中：為異步電動機的轉速； 為異步電動機的頻率；為電動機轉差率；為電動機極對數(shù)。由上式可知,轉速與頻率成正比,只要改變頻率即可改變電動機的轉速,當頻率在050Hz的范圍內變化時,電動機轉速調節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調節(jié)的,是一種理想的高效率、高性能的調速手段。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)點是運行幾乎不受負載的功率因數(shù)或換流的影響；缺點是當負載出現(xiàn)短路或在變頻器運行狀態(tài)下投入負載,都易出現(xiàn)過電流,必須在極短的時間內施加保護措施。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載短路等引起的過電流,保護的可靠性極高,所以多用于要求頻繁加減速或要求四象限運行的場合。其控制方式經歷了以下四代。一、 正弦脈寬調制(SPWM)控制方式正弦脈寬調制(SPWM)控制方式其特點是控制電路結構簡單、成本較低,機械特性硬度也較好,能夠滿足一般傳動的平滑調速要求,已在產業(yè)的各個領域得到廣泛應用。但是,這種控制方式在低頻時,由于輸出電壓較低,轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著,使輸出最大轉矩減小。另外,其機械特性終究沒有直流電動機硬,動態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調速性能都還不盡如人意,且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化,轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高,低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降,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,以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的,一次生成三相調制波形,以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用后又有所改進,即引入頻率補償,能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值,消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán),以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多,且沒有引入轉矩的調節(jié),所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。三、 矢量控制(VC)方式矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流、通過三相二相變換,等效成兩相靜止坐標系下的交流電流,再通過按轉子磁場定向旋轉變換,等效成同步旋轉坐標系下的直流電流、 (相當于直流電動機的勵磁電流； 相當于與轉矩成正比的電樞電流),然后模仿直流電動機的控制方法,求得直流電動機的控制量,經過相應的坐標反變換,實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機,分別對速度,磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈,然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量,經坐標變換,實現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中,由于轉子磁鏈難以準確觀測,系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大,且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜,使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。四、 直接轉矩控制(DTC)方式1985年,德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術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、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前,該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型,控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機,因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制,也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。五、 矩陣式交交控制方式VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交直交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低,諧波電流大,直流電路需要大的儲能電容,再生能量又不能反饋回電網,即不能進行四象限運行。為此,矩陣式交交變頻應運而生。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、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l,輸入電流為正弦且能四象限運行,系統(tǒng)的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟,但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量,而是把轉矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。具體方法是:控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器,實現(xiàn)無速度傳感器方式；自動識別(ID)依靠精確的電機數(shù)學模型,對電機參數(shù)自動識別；算出實際值對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進行實時控制；實現(xiàn)BandBand控制，按磁鏈和轉矩的BandBand控制產生PWM信號,對逆變器開關狀態(tài)進行控制。矩陣式交交變頻具有快速的轉矩響應(2ms),很高的速度精度(2,無反饋)高轉矩精度(3)；同時還具有較高的起動轉矩及高轉矩精度,尤其在低速時(包括速度為零時),可輸出150200轉矩。第三節(jié) 簡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機變頻調速的最基本控制方式,它在控制電動機的電源頻率變化的同時控制變頻器的輸出電壓,并使二者之比為恒定,從而使電動機的磁通基本保持恒定。由于電機的電勢檢測困難,但電機運行時電機的電勢和電壓幾乎相等,一般是通過控制比恒定以保持磁通為恒定。缺點在于,當頻率降低后,由于低速時的定子電阻壓降所占比重增大使電機的電壓和電勢近似相等的條件已不滿,導致電機的轉矩有所下降。2. 保持輸出轉矩為常數(shù)(恒轉矩調速)所謂恒轉矩調速包括:控制具有恒轉矩特性的負載(如起重機械)和不同速度情況下恒輸出轉矩控制,這種控制方式使得電動機保持輸出恒定的最大轉矩(條件容許的范圍)。上述比恒定控制屬于恒轉矩控制。因為這種控制可以在一定調速范圍內近似維持磁通為恒定,在相同的轉矩相位角的條件下,如果能夠控制電機的電流為恒定,即可控制電機的轉矩為恒定。3. 保持輸出功率為常數(shù)(恒功率調速)恒功率調速也同樣包括負載特性要求具有恒功率的轉矩-轉速特性和電機具有輸出恒功率能力即當電機的電壓隨著頻率的增加而升高時,若電機的電壓已經達到電機的額定電壓,即使頻率增加仍持電機電壓不變。這樣電機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。異步電動機變壓變頻調速時,通常在基頻以采用恒轉矩調速,基頻以上時采用恒功率調速。第四節(jié) 變頻器的實際應用變頻器的選取主要應注意以下幾個誤區(qū):1.在變頻器的三相電源進線處設置多重保護,如采用熔斷器、漏電保護器、交流接觸器和三相空氣開關等,這種設置往往會限制變頻器能力,且已造成缺相而損壞變頻器。2.一般用戶認為變頻器的實際功率比其銘牌上標出的額定功率低,應將其容量選高一檔。實際上變頻器容量的選取主要取決于負載的轉動慣量與控制轉速變化的速率要求。例如在火電廠回轉式空氣預熱器轉子驅動中應用的變頻器,選型時主要根據 （3-2）式中：電機驅動轉矩；負載轉矩；負載轉動慣量；系統(tǒng)加速度。600 MW發(fā)電機組的空預器轉子計算其轉動慣量約為： （3-3）啟動時的阻力轉矩約為： （3-4）所以根據式計算可以選用kW電機,配以kW變頻器驅動,當選用15 kW電機時加速時間不宜低于36 s,否則易出現(xiàn)過載報警,但把加速時間延長至60 s時該報警不再出現(xiàn)。該結論已經在工程實際中得到驗證。如果還出現(xiàn)“加速時過電流”報警,可在變頻器的輸出端(與電動機連接的一端)加裝啟動控制電路(同時增加浪涌吸收器)即可,無需增加變頻器容量。3.功率因數(shù)補償裝置由于變頻器內部直流部分的隔離,使得原來的補償裝置不再有效。補償裝置只有加在變頻器和電動機之間時才有效。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看待。一類是風機或泵類負載中的應用,而且流量經常根據使用要求發(fā)生變化時,還需再配上相應的傳感器,與變頻器一起構成閉環(huán)回路,才能達到節(jié)能的目的。另一類是當負載功率小于電動機的額定功率時,其效率隨著負載轉矩的減少而降低,也就是說,電動機輕載時會相對費電。而變頻器會根據負載的大小自動調整V/F值,從而使效率得到提高,達到節(jié)能之目的。前面說的空預器轉子負載就是這類負載。經實際運行應用變頻器驅動空載時轉子節(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,電機噪聲會逐漸降低。但是載波頻率過高會使變頻器產生過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噪聲大小輸出波形差好漏電流小大6.高次諧波當使用環(huán)境中有晶閘管整流設備或電源電壓不平衡率超過3%則應考慮在電源入口側加裝交流電抗器以減少電源側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備比較復雜,建議采用輸入交流電抗器,以提高設備的使用壽命。7.能量回饋變頻器在大慣性負載的應用中容易產生“過電壓”報警。該報警產生的原因在于負載波動引起的能量回饋導致直流電壓過高從而引起報警。解決該問題主要有兩種方式:加裝制動單元和制動電阻,這是解決該報警的根本方法。但對于負載慣量較大、波動劇烈的工況,制動電阻頻繁工作也會導致過熱報警。但往往出現(xiàn)“過電壓”報警的根本原因在于矩提升、驅動轉矩、制動轉矩以及電機參數(shù)設置不理所致,這種原因所導致的報警解決方法是自動定電機參數(shù)并相應調節(jié)驅動、制動轉矩參數(shù)即可不加裝制動電阻的情況下,解決“過壓”報警問題該方法已在國內多家電廠得到應用,并得到滿意結果。第五節(jié) 正弦波脈寬調制(SPWM)變頻器SPWM變頻器結構簡單,性能優(yōu)良,主電路不用附加其他裝置,已成為當前最有發(fā)展前途的一種結構形式。圖3-3所示為SPWM變頻器的電路原理,該電路的主要特點是:1.主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié),簡化了結構；2.使用了不可控的整流器,使電網功率因數(shù)與變頻器輸出電壓的大小無關而接近于1；3.變頻器在調頻的同時實現(xiàn)調壓,而與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無關,加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應；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,使負載電動機可在近似正弦波的交變電壓下運行,轉矩脈動小,大大擴展了拖動系統(tǒng)調速范圍,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與此面積相等的等高矩形脈沖來代替,矩形脈沖的中點與正弦波每一等份的中點重合,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,正弦波負半周也可用相同方法與一系列負脈沖波來等效。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。當變頻器各開關器件都是在理想狀態(tài)下工作時,驅動相應開關器件的信號也應為與圖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器件通斷的依據,可以嚴格地用計算機方法求得。但較為實用的方法是引用通訊技術中的“調制”這一概念,以所期望的波形(這里是正弦波)作為調制波,而受它調制的信號稱為載波。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,因為等腰三角波是上下寬度線性對稱變化的波形,當它與任何一個光滑的曲線相交時,在交點的時刻控制開關器件的通斷,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所需要的結果。.二、 SPWM變頻器的同步調制和異步調制定義載波的頻率與調制波頻率之比為載波比,即。視載波比的變化與否有同步調制與異步調制之分。1.同步調制在同步調制方式中, 為常數(shù),變頻時三角載波的頻率與正弦調制波的頻率同步變化,因而變頻器輸出電壓半波內的矩形脈沖數(shù)是固定不變的