交流變頻調(diào)速的發(fā)展及變頻器的選用

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述題目:交流變頻調(diào)速的發(fā)展及變頻器的選用院（系）計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)年級(jí)08自動(dòng)化一班學(xué)生姓名王仁明學(xué)號(hào)日 期 2012 年3月1日交流變頻調(diào)速的發(fā)展及變頻器的選用內(nèi)容提要本文主要根據(jù)閱讀有關(guān)三相異步電動(dòng)機(jī)變頻控制技術(shù)相關(guān)的參考文獻(xiàn)，簡(jiǎn)要的闡述了 三相異步電動(dòng)機(jī)變頻控制的應(yīng)用前景；簡(jiǎn)要的介紹了交流異步電機(jī)變頻控制的發(fā)展過(guò)程、 基本原理和結(jié)構(gòu)以及分類(lèi)；并對(duì)變頻器的分類(lèi)、選型、使用注意事項(xiàng)做了簡(jiǎn)要的說(shuō)明。關(guān)鍵字：異步電動(dòng)機(jī)、變頻器、變頻控制一、交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景工業(yè)生產(chǎn)的工作機(jī)或稱(chēng)生產(chǎn)機(jī)械必須用原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)才能工作，最早的原動(dòng)機(jī)是蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、水輪機(jī)等，都是些效率不高又

2、笨重的裝置。電動(dòng)機(jī)發(fā)明后，由于使用方便、效率 較高、裝置輕巧、占地面積少等一系列優(yōu)點(diǎn)，很快就取代了那些原動(dòng)機(jī)。用電動(dòng)機(jī)作原動(dòng) 機(jī)帶動(dòng)工作機(jī)叫做電機(jī)傳動(dòng)或電氣傳動(dòng)，于是工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入電氣傳動(dòng)時(shí)代。不僅工業(yè)生產(chǎn), 而且各種科研、交通運(yùn)輸、日用工具等也都用上電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電氣傳動(dòng)。由于生產(chǎn)需要，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)往往必須有調(diào)節(jié)速度的功能，才能達(dá)到提高工效、保證 質(zhì)量和節(jié)能的要求；直流電動(dòng)機(jī)首先能滿(mǎn)足這一要求。因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)可以方便地通過(guò)調(diào) 節(jié)電壓或調(diào)節(jié)勵(lì)磁，便可調(diào)節(jié)速度，而且是平滑連續(xù)無(wú)極調(diào)速。而交流電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)關(guān) 系和當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件不能滿(mǎn)足這個(gè)要求，故此在電氣傳動(dòng)中，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速簡(jiǎn)稱(chēng)直流調(diào) 速，基本上處于

3、壟斷地位。然而直流電動(dòng)機(jī)卻有著不可克服的缺點(diǎn)。第一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致造價(jià)較高；其次，具有換向器和電刷，經(jīng)常要清理和置換，增加維護(hù)工作量和成本；再有就是因有換向器和電刷，不適宜工作于惡劣工作條件，如潮濕、粉塵等環(huán)境，特別是有瓦斯的場(chǎng)合，電刷產(chǎn)生的火花會(huì)引起爆炸?？墒桥c此相反，交流電動(dòng)機(jī)特別是籠型異步電動(dòng)機(jī)沒(méi)有這些缺點(diǎn)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、體積小、重量輕、占地小、維護(hù)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，能適應(yīng)惡劣條件等一系列優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，同功率同速度定額，籠型電動(dòng)機(jī)的投資只是直流電動(dòng)機(jī)的六分之一，功率重量比卻是直流電動(dòng)機(jī)的兩倍。因此他們?cè)陔姎鈧鲃?dòng)中得到廣泛應(yīng)用，如把它們排斥在調(diào)速傳動(dòng)之外顯然是不合理的現(xiàn)象，也是一個(gè)顯著

4、的矛盾；解決這個(gè)矛盾，廣泛采用交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速即交流調(diào)速傳動(dòng)，一直使人們的愿望?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需要使這一矛盾更為突出，因?yàn)橐箅妱?dòng)機(jī)具有大容量、高電壓和高轉(zhuǎn)速，直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)不能滿(mǎn)足需要。這是由于它受到換向器和電刷結(jié)構(gòu)的限制，單機(jī)容量只能做到kw電壓只能做到1kv,轉(zhuǎn)速只能做到3000r/min。而交流電動(dòng)機(jī)單機(jī)已做到幾萬(wàn)千瓦，電壓達(dá)10-15kv ，轉(zhuǎn)速可達(dá)一萬(wàn)轉(zhuǎn)/ 分以上，因而廣泛采用交流調(diào)速更為迫切。過(guò)去交流調(diào)速實(shí)際上也有幾種方案，常見(jiàn)的有改變極對(duì)數(shù)調(diào)速和改變繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中所串電阻調(diào)速，這些調(diào)速均屬有級(jí)調(diào)速，且后者損耗大、效率低，故應(yīng)用不多。改變電源頻率實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，人們也有

5、所嘗試。早期采用變頻機(jī)組供電作變頻調(diào)速由于投資大、效率低，不宜推廣，后來(lái)相繼用水銀整流器和閘流管制造變頻器，也由于造價(jià)高且性能不好，很少被采用。所以總的來(lái)說(shuō)，過(guò)去有一段較長(zhǎng)的時(shí)間，交流調(diào)速發(fā)展很慢，采用很少，直流調(diào)速得以壟斷調(diào)速傳動(dòng)的領(lǐng)域。由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，可控的電力電子器件的研制成功，情況大有改變。首先是1957 年晶閘管的問(wèn)世，交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速問(wèn)題得到了突破。由于晶閘管具有良好的開(kāi)關(guān)特性與控制特性，促使交流調(diào)速發(fā)展很快，出現(xiàn)多種調(diào)速方案，在調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。許多先進(jìn)工業(yè)國(guó)家已經(jīng)有系列產(chǎn)品，所用電動(dòng)機(jī)容量從幾個(gè)千瓦到幾十兆瓦。機(jī)械、造紙、化纖、食品、紡織、交通運(yùn)輸?shù)?/p>

6、工業(yè)，廣泛予以采用，據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)外在20 世紀(jì) 70 年代后期，僅交流變頻調(diào)速在調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域中已占了相當(dāng)大的比重，過(guò)后新的功率器件如大功率晶體管、gtc體管、igbt等誕生，加速了交流調(diào)速的發(fā)展，極大地?cái)U(kuò)充調(diào)速領(lǐng)域。由于采用新型功率開(kāi)關(guān)器件，加上良好的控制技術(shù)，交流調(diào)速既有良好的調(diào)速特性，又能充分發(fā)揮交流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)越性，所以交流調(diào)速有完全取代直流調(diào)速的趨勢(shì)。二、變頻調(diào)速的發(fā)展過(guò)程從 20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)變頻器到今天，變頻器調(diào)速技術(shù)經(jīng)歷了不斷創(chuàng)新?lián)Q代的發(fā)展；變頻器的功能從簡(jiǎn)易到全面，調(diào)速精度從一般到趕上直流調(diào)速，應(yīng)用范圍從低壓到高壓，從很窄到寬廣，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步 ，逐漸成為調(diào)速領(lǐng)域中的

7、主要技術(shù)，并有一統(tǒng)天下之勢(shì)。這個(gè)發(fā)展可以從以下幾個(gè)方面來(lái)描述：1. 變頻器采用的電力電子器件電力電子器件是決定變頻器性能的關(guān)鍵，早期是晶閘管（scr） ，由于它是半控器件，需要換相回路， 后來(lái)被全控器件所取代。 全控型器件有大功率晶體管（ gtr） 、 門(mén)極關(guān)斷（ gto）品閘管、大功率 mo酸效應(yīng)晶體管（mosfet和絕緣柵雙極型晶體管（igbt）等，可以自 行關(guān)斷，提高功率；還能使變頻器各種功能得到不斷提高和完善。近年來(lái)igbt已經(jīng)模塊化、智能化，制成了智能功率模塊（ipm） ，大大地保證變頻器的可靠性和縮小變頻器的體積。2. 輸出波形的調(diào)制策略將波形調(diào)制為等幅等寬或不等寬的脈沖列，抑制了

8、諧波分量。3. 系統(tǒng)的控制技術(shù)矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等控制技術(shù)，當(dāng)前正嘗試著用智能控制，且已初見(jiàn)成效。4. 線(xiàn)路結(jié)構(gòu)將大規(guī)模集成塊組成的數(shù)字電路全面數(shù)字化， 將各個(gè)器件集成為一塊或者集成為一體，減小了裝置體積，提高了可靠性，有些模塊已經(jīng)智能化了。5. 計(jì)算機(jī)的使用計(jì)算機(jī)配合模塊及其他電氣設(shè)備，進(jìn)行協(xié)調(diào)、控制、通信、執(zhí)行變頻調(diào)速系統(tǒng)各項(xiàng)功能，成為系統(tǒng)的神經(jīng)樞紐，目前正向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。6. 變頻器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展可參考文獻(xiàn)3 、 11 、 12 、 13 、 14三、變頻調(diào)速系統(tǒng)概述變頻調(diào)速系統(tǒng)由變頻器、傳動(dòng)電機(jī)和控制裝置組成，有的把控制裝置歸并在變頻器，如圖一所示，有的還包括負(fù)載

9、，如圖二所示。變頻器將電網(wǎng)固定頻率變成可調(diào)的頻率，輸送給電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，因此變頻器是調(diào)速系統(tǒng)的核心部件。圖一 變頻調(diào)速系統(tǒng)圖二 變頻調(diào)速系統(tǒng)（包括了負(fù)載）四、變頻調(diào)速參考文獻(xiàn) 1 、 2 介紹了交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式是式中 n 轉(zhuǎn)速（r/min ）；f電源頻率（hz）；p 極對(duì)數(shù)；s 轉(zhuǎn)差率，對(duì)于同步電機(jī) s=0可見(jiàn)只要改變f、s或p三個(gè)參數(shù)之一即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， 其中改變f或s為無(wú)級(jí) 調(diào)速。改變p是有級(jí)調(diào)速，只在某些場(chǎng)合做輔助手段。根據(jù)上述的調(diào)速基本原理，出現(xiàn)了許多采用電力電子器件的交流調(diào)速方案，常用的可 歸納為五種基本方案：即定子調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、用級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速和無(wú)

10、 換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速。前三種屬于改變轉(zhuǎn)差率，后兩種屬于改變頻率。這五種方案在參考文 獻(xiàn)1、6中都有詳細(xì)介紹。五、變頻器的概念變頻器（variable-frequency drive , vfd是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變 工作電源方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。 變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、 再次整流（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。通過(guò)改變電 源的頻率來(lái)達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓， 進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保 護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器

11、也得到了非常廣泛的應(yīng)用。 六、變頻器的分類(lèi)變頻器按照主電路工作方式，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開(kāi)關(guān)方式 不同，可以分為pam空制變頻器、pwg制變頻器和高載頻pwm6制變頻器；根據(jù)變頻原 理可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是將電網(wǎng)固定頻率的交流電直接變成可調(diào)頻率的交流電，叫做交流-交流變頻器，簡(jiǎn)稱(chēng)交-交變頻器（如圖三所示）。另一類(lèi)是先將電網(wǎng)固定頻率的交流電整流 成直流電，經(jīng)過(guò)過(guò)濾，使直流較平直，再將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電，稱(chēng)為交流 - 直流-交流變頻器，簡(jiǎn)稱(chēng)交-直-交變頻器，它由整流器、濾波器和逆變器組成（如圖四所示）， 逆變器完成直流電變交流電的任務(wù)。變頻器分類(lèi)方法還有很多種，在文獻(xiàn)

12、1、5、6 中有詳細(xì)介紹。圖四交-直-交變頻器圖三交-交變頻器七、變頻器選型、容量選擇及應(yīng)用注意事項(xiàng)1. 變頻器的選型在參考文獻(xiàn)5 ，針對(duì)變頻器的選型做了簡(jiǎn)單介紹。主要原則如下：（ 1）根據(jù)機(jī)械對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求，確定機(jī)械要求的最大輸入功率。（ 2）選擇電機(jī)的極對(duì)數(shù)和額定功率（ 3）根據(jù)變頻器輸出功率和額定電流稍大于電機(jī)的功率和額定電流的原則來(lái)確定變頻器的參數(shù)和型號(hào)。2. 變頻器的容量選擇變頻器容量的選擇是一個(gè)重要且復(fù)雜的問(wèn)題， 要考慮變頻器容量與電動(dòng)機(jī)容量的匹配，容易偏小會(huì)影響電動(dòng)機(jī)有效力矩的輸出，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至損壞裝置，而容量偏大則電流的諧波分量會(huì)增大， 也增加了設(shè)備投資這部分在

13、參考文獻(xiàn)1617 中有詳細(xì)介紹。變頻器容量選擇可分三步：（ 1）了解負(fù)載性質(zhì)和變化，計(jì)算出負(fù)載電流的大小或作出負(fù)載電流圖 i=f（t） 。（ 2）預(yù)選變頻器容量及其他（ 3）校驗(yàn)預(yù)選變頻器。必要時(shí)進(jìn)行過(guò)載能力和起動(dòng)能力的校驗(yàn)。若都通過(guò)，則預(yù)選的變頻器容量便選定了；否則從（2）開(kāi)始重新進(jìn)行，直到通過(guò)為止。在滿(mǎn)足生產(chǎn)機(jī)械要求的前提下，變頻器容量越小越。3. 變頻器應(yīng)用注意事項(xiàng)在參考文獻(xiàn)5 、 18 、 19 、 20 ，對(duì)變頻器的使用注意事項(xiàng)做了詳細(xì)說(shuō)明。主要注意的有：1. 物理環(huán)境： （1）工作溫度； （2）環(huán)境溫度；（3）腐蝕性氣體；（4）振動(dòng)和沖擊。2. 電氣環(huán)境： （ 1）防止電磁波干擾；

14、（ 2）防止輸入端過(guò)電3. 接地4. 防雷本課題是對(duì)交流電機(jī)變頻調(diào)速的研究，我認(rèn)為研究此課題的意義非常重要，它讓我們了解了交流變頻調(diào)速的工作原理及控制方法，讓我們掌握了變頻器的使用方法。變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)滲透到所有經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的技術(shù)部門(mén)中。應(yīng)積極應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量，以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；要大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)，必須把我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)提高到一個(gè)新的水平，縮小與世界先進(jìn)水平的差距，提高自主開(kāi)發(fā)能力，滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)工程建設(shè)和市場(chǎng)的需求；并規(guī)范我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)方面的標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)品可靠性及工藝水平，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。參考文

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