橋式起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

1、前言橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的地位，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)橋式起重機(jī)制造廠和使用部門在設(shè)計(jì)、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷改造，推動(dòng)了橋式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。但在實(shí)際使用中，傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的控制系統(tǒng)所采用交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速，繼電接觸器控制，在工作環(huán)境差，工作任務(wù)重時(shí)，電動(dòng)機(jī)以及所串連電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生；繼電接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，機(jī)械特性軟，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想。所串連電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低。要從根本上解決這些問題，只有徹底改變傳統(tǒng)的控制方式。近年來，隨著計(jì)算

2、機(jī)技術(shù)和電力電子器件的迅猛發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)電氣傳動(dòng)和自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展。其中，具有代表性的交流變頻調(diào)速裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應(yīng)用，為 PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機(jī)系統(tǒng)提供了有利條件。變頻技術(shù)的運(yùn)用使得起重機(jī)的整體特性得到較大提高，可以解決傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)存在諸多的問題，變頻調(diào)速以其可靠性好，高品質(zhì)的調(diào)速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重運(yùn)輸機(jī)械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。本次設(shè)計(jì)采用 PLC和變頻器技術(shù)，以 PLC控制變頻器，即以程序控制取代繼電接觸器控制，控制變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，設(shè)計(jì)出 PLC控制的橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)的半自動(dòng)化控制。此系統(tǒng)特別適用于橋式

3、起重機(jī)在惡劣條件下的工作情況，對(duì)改善橋式起重機(jī)的調(diào)速性能，提高工作效率和功率因數(shù)，減小起制動(dòng)沖擊以及增加起重機(jī)使用的安全可靠性是非常有益的。1 緒 論1.1橋式起重機(jī)電氣傳動(dòng)技術(shù)的國(guó)外發(fā)展概況電氣調(diào)速控制的方法很多，對(duì)直流驅(qū)動(dòng)來講60 年代采用發(fā)電機(jī)電機(jī)系統(tǒng)。從控制電阻分級(jí)控制，到交磁放大控制，到可控硅SCR激磁控制，到主回路可控硅即晶閘管整流供電系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成模塊出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)、微處理器應(yīng)用，因此控制從分立組成模擬量控制發(fā)展至今天的數(shù)字量控制。從交流驅(qū)動(dòng)來講：常規(guī)的常采用繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，為滿足重物下放時(shí)的低速，一般依靠能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)，后來還采用渦流制動(dòng)，還有

4、靠轉(zhuǎn)子反饋控制制動(dòng)、反接制動(dòng)、單相制動(dòng)器抱閘松勁的所謂軟制動(dòng)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外開發(fā)研制變頻調(diào)速， PLC 可編程序控制器的應(yīng)用控制系統(tǒng)的性能更加完美。目前國(guó)外幾種常用調(diào)速系統(tǒng)配置及其性能：l) DC-300 直流驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)： GE公司 DC-300， DC-2000是微處理器數(shù)字量控制的直流驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)， 其控制功率從 300HP到 4000HP，并采用 PLC對(duì)整機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施故障診斷、檢測(cè)、報(bào)警及控制。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施主回路 SCR整流，其控制是給定模擬量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過速度環(huán)、電流環(huán)到 SCR移現(xiàn)觸發(fā)的邏輯無環(huán)流的調(diào)速系統(tǒng)?？捎脺y(cè)速反饋或電壓反饋，對(duì)磁場(chǎng)弱磁，以實(shí)施恒功

5、率控制。2) 交流調(diào)速控制系統(tǒng)：對(duì)于起重機(jī)械來講，交流驅(qū)動(dòng)仍是國(guó)普遍采用的方案而且多數(shù)停留在繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻來調(diào)速。隨著功率電子技術(shù)的發(fā)展，早在六十年代后期，國(guó)外就開始致力于晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)的開發(fā)研究。目前，該技術(shù)已進(jìn)入了成熟穩(wěn)定的發(fā)展應(yīng)用階段。日本安川電機(jī)制作所于1972 年就正式定為 VS系列，應(yīng)用于起重機(jī)及軋機(jī)輔助設(shè)備的交流調(diào)速。 法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等大電氣公司亦在這方面展開了重點(diǎn)研制開發(fā)。借助電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，由分離元件發(fā)展到大規(guī)模集成電路，從而實(shí)現(xiàn)控制部件的微型組件化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，進(jìn)而從模擬量控制發(fā)展到數(shù)字量控制?？删幊绦蚩刂破鱌LC引入到交流電氣傳

6、動(dòng)系統(tǒng)后，使傳動(dòng)系統(tǒng)性能發(fā)生了質(zhì)的變化。在橋式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)了抓斗的自動(dòng)控制和故障診斷、檢測(cè)顯示等，達(dá)到了新的技術(shù)高度。3) 變頻調(diào)速：變頻調(diào)速技術(shù)是國(guó)際上各大電氣公司在70 年代末 80 年代投入全力研制、開發(fā)，也是國(guó)際國(guó)這幾年全力研制應(yīng)用的目標(biāo)與方向。這幾年一些公司如德國(guó)SIEMENS，美國(guó) GE，日本三菱等推出全數(shù)字化的矢量控制技術(shù)，大功率的IGBT 模塊的出現(xiàn)使變頻技術(shù)在起升機(jī)械、電梯等位能負(fù)載控制成為現(xiàn)實(shí)。目前，變頻調(diào)速的控制方法有恒壓頻比控制，轉(zhuǎn)差頻率控制， 矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。 這些控制方法都得到了不同程度的應(yīng)用，但其控制性能有一定的差異。直流電動(dòng)機(jī)之所以與有良好的控制性能，其

7、根本原因是當(dāng)勵(lì)磁電流恒定時(shí)，控制電樞電流的大小就能無時(shí)間滯后的控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的大小。異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的原理雖然與直流電動(dòng)機(jī)相同，但由于建立氣隙磁場(chǎng)的勵(lì)磁分量和電磁轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)裝置電流有功分量都應(yīng)包含在定子電流中， 無法直接將它們分開， 在運(yùn)行過程中， 這兩個(gè)分量有會(huì)互相影響。因此要控制異步電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩十分困難。像采用恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)由于是從控制電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因而難以獲得較理想的動(dòng)態(tài)性能，異步電動(dòng)機(jī)在高精度調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。而矢量控制是從根本上解決了這個(gè)問題，使交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用圍迅速擴(kuò)大。適用于通用的鼠籠式電動(dòng)機(jī)，

8、無速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，該技術(shù)使變頻控制裝置不再配套專用電機(jī)，而且可通過軟件對(duì)一般的鼠籠式電機(jī)矢量控制裝置實(shí)施參數(shù)調(diào)整，進(jìn)一步降低電氣電機(jī)的投資而且維護(hù)保養(yǎng)方便。變頻器使用 PWM技術(shù)可嚴(yán)格地使輸入電流正弦cos1，即在下降過程各機(jī)械減速制動(dòng)中，將動(dòng)能和位能轉(zhuǎn)化為電能反饋電網(wǎng)，達(dá)到理想的節(jié)能指標(biāo)， 同時(shí)確保工況正常運(yùn)行，上述發(fā)展己完成了產(chǎn)品系列化上市，對(duì)“變頻”裝置在技術(shù)上以及經(jīng)濟(jì)上與其他驅(qū)動(dòng)裝置競(jìng)爭(zhēng)將有明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)隨著PLC系統(tǒng)的不斷成熟與完善，以及大容量變頻器在位能負(fù)載上的成功應(yīng)用，變頻調(diào)速系統(tǒng)必將成為未來調(diào)速市場(chǎng)的主流。1.2傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在的問題

9、橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的地位，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)橋式起重機(jī)制造廠和使用部門在設(shè)計(jì)、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷改造，推動(dòng)了橋式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。但在實(shí)際使用中，結(jié)構(gòu)開裂仍時(shí)有發(fā)生。究其原因是頻繁的超負(fù)荷作業(yè)及過大的機(jī)械振動(dòng)沖擊所引起的機(jī)械疲勞。因此，除了機(jī)械上改進(jìn)設(shè)計(jì)外，改善交流電氣傳動(dòng)，減少起制動(dòng)沖擊，也是一個(gè)很重要的方面。由于傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電控系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，致使機(jī)械沖擊頻繁，振動(dòng)劇烈，因此電氣控制上應(yīng)采用平滑的無級(jí)調(diào)速是解決問題的有效手段。傳統(tǒng)的起重機(jī)驅(qū)動(dòng)方案一般采用： （1）直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)；（ 2）改變

10、電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)調(diào)速；（ 3）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；（ 4）渦流制動(dòng)器調(diào)速；（5）可控硅串級(jí)調(diào)速；（6）直流調(diào)速。前四種方案均屬有級(jí)調(diào)速，調(diào)速圍小，無法高速運(yùn)行，只能在額定速度以下調(diào)速：起動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大；常在額定速度下進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)，對(duì)起重機(jī)的機(jī)構(gòu)沖擊大，制動(dòng)閘瓦磨損嚴(yán)重；功率因數(shù)低， 在空載或輕載時(shí)低于0.20.4 ，即使?jié)M載也低于0.75 ，線路損耗大?？煽毓璐?jí)調(diào)速雖克服了上述缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了額定速度以下的無級(jí)調(diào)速，提高了功率因數(shù)，減少了起制動(dòng)沖擊，價(jià)格較低，但目前串級(jí)調(diào)速產(chǎn)品的控制技術(shù)仍停留在模擬階段，尚未實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能和起制動(dòng)性能，很好的保護(hù)功能及系統(tǒng)監(jiān)控功能，所以有時(shí)采用直

11、流電動(dòng)機(jī)，而直流電動(dòng)機(jī)制造工藝復(fù)雜，使用維護(hù)要求高，故障率高。由于傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電控系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，盡管起動(dòng)性能與調(diào)速性能較交流鼠籠型電動(dòng)機(jī)有很大改善，但由于采用有級(jí)調(diào)速，依然存在以下問題：1）控制檔位較多時(shí)，控制電路復(fù)雜，系統(tǒng)的故障率較高；2）在換檔時(shí)依然存在電流與轉(zhuǎn)矩沖擊，重載情況下尤為突出；3）低速定位時(shí)由于采用“倒拉反接制動(dòng)”運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)子中串入了較大電阻導(dǎo)致機(jī)械特性變得很軟，低速定位困難；4）能量損耗大，特別是重載低速時(shí)的損耗尤其嚴(yán)重。1.3 起重機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀電動(dòng)機(jī)的調(diào)速經(jīng)過了很長(zhǎng)時(shí)間的演變過程，一直以來人們?cè)陔妱?dòng)機(jī)的調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制上做過了大量的研

12、究，嘗試過使用各種不同形式的調(diào)速方法，隨著大功率和高開關(guān)頻率的半導(dǎo)體器件的開發(fā)研制成功，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及應(yīng)用，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式在近20年取得了飛速發(fā)展，調(diào)速技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。根據(jù)異步電機(jī)的知識(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以用公式表示為：n60 f (1s)p其中： n 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min ；f 定子的電源頻率，單位為Hz；s 電機(jī)的轉(zhuǎn)速滑差率；p 電機(jī)的極對(duì)數(shù)。由上面的公式，我們不難看出，要改變電機(jī)的速度，我們可以通過如下的方法：（1）改變極對(duì)數(shù)的調(diào)速；（ 2）改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速；（ 3）變頻調(diào)速。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度與定子的極對(duì)數(shù)有關(guān)，定子繞組進(jìn)行切換就可以改變極對(duì)數(shù)，從而改變轉(zhuǎn)速。但是從

13、低極對(duì)數(shù)（高速）變換到高極對(duì)數(shù)，電機(jī)的實(shí)際速度會(huì)大幅度下降，如果切換速度很快，電機(jī)將會(huì)經(jīng)歷一個(gè)發(fā)電階段，從而在電機(jī)及機(jī)械裝置上產(chǎn)生較大的反向轉(zhuǎn)矩。改變磁極對(duì)數(shù)方式屬于有極調(diào)速，調(diào)速圍小。目前，在起重機(jī)上已經(jīng)很少應(yīng)用這種方式。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速是目前起重機(jī)上應(yīng)用較多的調(diào)速方式，轉(zhuǎn)子串電阻、定子調(diào)壓調(diào)速等均為這種調(diào)速方式，尤其是轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式更為普遍。該方式依賴?yán)@線電機(jī)轉(zhuǎn)子部分串不同阻值的金屬電阻來消耗部分能量以達(dá)到調(diào)速效果，但在低速區(qū)具有穩(wěn)定性差、出力不足的缺點(diǎn)，在重載下降時(shí)要有第三方制動(dòng)即拖拽才能保證重載不溜鉤，這種制動(dòng)方式常有能耗制動(dòng)、渦流制動(dòng)、單相制動(dòng)等。由于采用了第三方的拖拽對(duì)電機(jī)的沖擊

14、較大，在能耗和單相制動(dòng)要對(duì)電機(jī)注入直流電流和不平衡電流，在頻繁使用過程中會(huì)使電機(jī)的溫度過高，影響電機(jī)的絕緣壽命，加速了電機(jī)的老化過程。在機(jī)械平穩(wěn)方面也由于制動(dòng)的沖擊力使振動(dòng)加劇，加速了機(jī)械疲勞過程。隨著電氣設(shè)備自動(dòng)化控制要求及可靠性的不斷提高，變頻器在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。國(guó)起重機(jī)采用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制大概是從20 世紀(jì) 90 年代初期，由于其較于傳統(tǒng)起重機(jī)控制方式具有顯而易見的優(yōu)勢(shì)，因此很快被起重機(jī)廣大用戶所接受。早期在起重機(jī)上應(yīng)用的變頻器多用于行走機(jī)構(gòu)（即大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)），隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，以及各變頻器生產(chǎn)廠家對(duì)高性能變頻器從軟、硬件的不斷開發(fā)，在起升機(jī)構(gòu)的應(yīng)用也逐漸增多。眾

15、所周知，直流調(diào)速系統(tǒng)具有較為優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能，并且易于實(shí)現(xiàn)、便于控制，在很長(zhǎng)一段歷史時(shí)期，一直處于調(diào)速領(lǐng)域的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地。然而，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造費(fèi)時(shí)，對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求較高，電刷易于磨損，維護(hù)麻煩，這些問題極大限制了直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用，而交流電機(jī)在這方面存在顯著的優(yōu)勢(shì)。交流電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、成本低、易維護(hù)、可適合于大容量調(diào)速和惡劣環(huán)境工作等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著變頻器的發(fā)展，逐漸取代直流調(diào)速而成為調(diào)速領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，電子元件制造工藝的不斷進(jìn)步，變頻調(diào)速控制在起重機(jī)械中必將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。1.4本課題的研究意義和主要容本課題中以

16、橋式起重機(jī)作為研究實(shí)體，由上可知，傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的控制系統(tǒng)主要采用交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速，繼電接觸器控制，這種控制系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)有：1) 橋式起重機(jī)工作環(huán)境差，工作任務(wù)重，電動(dòng)機(jī)以及所串連電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生；2) 繼電接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高；3) 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，機(jī)械特性軟，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想，所串連電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低。要從根本上解決這些問題，只有徹底改變傳統(tǒng)的控制方式。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件的迅猛發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)電氣傳動(dòng)和自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展。其中，具有代表性的交流變頻調(diào)速裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應(yīng)用，

17、為 PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機(jī)系統(tǒng)提供了有利條件。變頻技術(shù)的運(yùn)用使得起重機(jī)的整體特性得到較大提高，可以解決傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)存在諸多的問題，變頻調(diào)速以其可靠性好，高品質(zhì)的調(diào)速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重運(yùn)輸機(jī)械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。由于起重機(jī)行業(yè)的特殊性，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用相對(duì)滯后。采用變頻調(diào)速取代傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)是近才開始應(yīng)用的新技術(shù)。無論是在起重機(jī)老產(chǎn)品還是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，變頻調(diào)速都是優(yōu)選方案。變頻調(diào)速裝置的先進(jìn)性能特別適用于起重機(jī)的惡劣工況，對(duì)改善起重機(jī)的調(diào)速性能，提高工作效率和功率因數(shù)，減小起制動(dòng)沖擊以及增加起重機(jī)使用的安全可靠性是非常有益的。相比較發(fā)達(dá)國(guó)家而言

18、，我國(guó)的相關(guān)技術(shù)水平差距較大。主要技術(shù)難度體現(xiàn)在：對(duì)起重機(jī)對(duì)電控系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性要求愈來愈高，起重機(jī)的起重量及運(yùn)行速度等技術(shù)參數(shù)越來越大，起重機(jī)的自動(dòng)化程度越來越高，起重機(jī)對(duì)管理和通訊的性能要求越來越嚴(yán)格。為此，有必要對(duì)橋式起重機(jī)電控系統(tǒng)的應(yīng)用研究。由變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)可取代直流調(diào)速系統(tǒng)，是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的不斷發(fā)展的必然結(jié)果，符合起重機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，適合發(fā)展大起重重量的起重機(jī)；提高工作速度、擴(kuò)大調(diào)速圍；提高金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)和電氣設(shè)備的可靠性和使用壽命；改善司機(jī)操作的條件，保證作業(yè)安全，提高自動(dòng)化控制程度和擴(kuò)大遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)的使用圍尤其是把它們應(yīng)用到作業(yè)頻繁

19、的倉(cāng)庫(kù)堆垛起重機(jī)和環(huán)境惡劣的冶金起重機(jī)上。也符合起重機(jī)向大型化、 高效率化、無保養(yǎng)化和節(jié)能化發(fā)展，向自動(dòng)化、智能化、集成化和信息化發(fā)展的方向。2 三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速調(diào)速就是在一定的負(fù)載下，根據(jù)生產(chǎn)的需要人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這是生產(chǎn)機(jī)械經(jīng)常向電動(dòng)機(jī)提出的要求。調(diào)速性能的好壞往往影響到生產(chǎn)機(jī)械的工作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。2.1電動(dòng)機(jī)的調(diào)速指標(biāo)1) 調(diào)速圍電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載( 電流為額定值 ) 情況下所能得到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速圍，用 D 表示，即Dnmaxnmax: nminnmin2) 調(diào)速方向調(diào)速方向指調(diào)速后的轉(zhuǎn)速比原來的額定轉(zhuǎn)速( 基本轉(zhuǎn)速 ) 高還是低。若比基本轉(zhuǎn)速高，稱為

20、往上調(diào)，比基本轉(zhuǎn)速低，稱為往下調(diào)。3) 調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性由一定圍能得到的轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)來說明。級(jí)數(shù)越多，相鄰兩轉(zhuǎn)速的差值越小，平滑性越好。 如果轉(zhuǎn)速只能跳躍式的調(diào)節(jié)，例如只能從 3000r/min 一下調(diào)節(jié)到 1500r/min ，在又調(diào)節(jié)到1000 r/min等，兩者之間的轉(zhuǎn)速無法得到，這種調(diào)速稱為有級(jí)調(diào)速。如果在一定的調(diào)速圍的任何轉(zhuǎn)速都可以得到則稱為無級(jí)調(diào)速。無級(jí)調(diào)速的平滑性當(dāng)然就比有級(jí)調(diào)速好。平滑的程度可用相鄰兩轉(zhuǎn)速之比來衡量，稱為平滑系數(shù)，即nini 1越接近于 1，平滑性越好。無級(jí)調(diào)速時(shí)=1，平滑性最好。4) 調(diào)速的穩(wěn)定性調(diào)速的穩(wěn)定性是用來說明電動(dòng)機(jī)在新的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載變化而引

21、起轉(zhuǎn)速變化的程度，通常用靜差率來表示。其定義為：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降n0 - n 與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，即s n0 n 100% n0s 越小，穩(wěn)定性越好。靜差率與機(jī)械特性的硬度有關(guān)。機(jī)械特性的硬度的定義為dTTdnn越大，轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，n 變化的程度就越小，機(jī)械特性就越硬，靜差率就越小，穩(wěn)定性就越好。靜差率還與理想空載轉(zhuǎn)速n0 的大小有關(guān)。例如兩條平行的機(jī)械特性硬度相同，在靜差率公式中的 n0 - n 相同，由于 n0 不同，他們的 s 就不同， n0 大的， s 小， n0 小的， s 就大。生產(chǎn)機(jī)械在調(diào)速時(shí)，為保持一定的穩(wěn)定性會(huì)對(duì)靜差率

22、提出一定的要求。靜差率還會(huì)對(duì)調(diào)速圍起到制約的作用， 因?yàn)槿绻{(diào)速時(shí)所得到的最低轉(zhuǎn)速下的s 太大，則該轉(zhuǎn)速性太差，便難以滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。5) 調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性這要由調(diào)速時(shí)的初期投資，調(diào)速后的電能消耗以及各種運(yùn)行費(fèi)用的多少來說明。6) 調(diào)速時(shí)的允許負(fù)載電動(dòng)機(jī)在各種不同轉(zhuǎn)速下滿載運(yùn)行時(shí)，如果允許輸出的功率相同，則這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速；如果允許輸出的轉(zhuǎn)矩相同，則這種調(diào)速的方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。不同的生產(chǎn)機(jī)械對(duì)此的要求往往不同。例如切削機(jī)床，要求精加工小切削量時(shí)，工件轉(zhuǎn)速高，粗加工大切削時(shí)，工件轉(zhuǎn)速低。因此，它希望電動(dòng)機(jī)能具有恒功率調(diào)速的性能。另一類生產(chǎn)機(jī)械， 例如起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等則要求電動(dòng)機(jī)在各種

23、轉(zhuǎn)速下都能輸出同樣的轉(zhuǎn)矩，因此，它希望電動(dòng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的性能1 。2.2變頻調(diào)速的基本原理根據(jù)異步電機(jī)的知識(shí)，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：n 60 f (1 s) p其中： n 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min ；f 定子的電源頻率，單位為Hz；s 電機(jī)的轉(zhuǎn)速滑差率；p 電機(jī)的極對(duì)數(shù)。三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法可分為兩大類：一類是通過改變同步轉(zhuǎn)速n0 來改變轉(zhuǎn)速 n ，具體方法有變極調(diào)速 ( 改變 p ) 和變頻調(diào)速 ( 改變 f ) ；另一類是通過改變轉(zhuǎn)差率s 來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這就需要讓電動(dòng)機(jī)從固有特性上運(yùn)行改為人為特性上運(yùn)行，具體方法有變壓調(diào)速( 改變 U 1) ，轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速 ( 改變

24、R2 ) ，等等。由上式可知，如果改變輸入電機(jī)的電源頻率 f ，則可相應(yīng)改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素時(shí)希望保持每極磁通量m 為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的磁心，是一種浪費(fèi)；若要增大磁通，又會(huì)使磁通飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槔@組過熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)來說，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對(duì)電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持m不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。三相異步電動(dòng)機(jī)每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是：E14.44 f1 N1k1m式中：E1 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值，單位為V；f1 定子頻率，單位為Hz；N 1 定子每相

25、繞組串聯(lián)匝數(shù)；k1 定子基波繞組系數(shù)；m 每極氣隙磁通量，單位為Wb；由公式可知，只要控制好E1 和 f1 ，便可以控制磁通中m 不變，需要考慮基頻 ( 額定頻率 ) 以下和基頻以上兩種情況；1) 基頻以下調(diào)速當(dāng)電源頻率f1 在基頻以下調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，但在調(diào)節(jié)電源頻率的同時(shí)，必須同時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的定子電壓U 1 ，且始終保持 U 1 / f 1常數(shù)，否則電動(dòng)機(jī)無常工作。這是因?yàn)槿喈惒诫妱?dòng)機(jī)定子繞組相電壓U 1E14.44 f1N 1m ，當(dāng) f 1 下降時(shí)，若 U 1 不變，則必使電動(dòng)機(jī)每極磁通m 增加，在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，m 處于磁路磁化曲線的膝部，m 的增加將進(jìn)入磁化曲線飽和段，使磁路

26、飽和，電動(dòng)機(jī)空載電流劇增，使電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力變小，而無常工作。為此，電動(dòng)機(jī)在基頻以下調(diào)速時(shí)，應(yīng)使m 恒定不變。所以，在頻率下調(diào)的同時(shí)應(yīng)使電動(dòng)機(jī)定子相電壓隨之下調(diào)，并使U 1'/ f1'U1 N/ f1N常數(shù)?？梢姡妱?dòng)機(jī)額基頻以下的調(diào)速為恒磁通調(diào)速，由于m 不變，調(diào)速過程中電磁轉(zhuǎn)矩TCTm I 2Ncos2 不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。2) 基頻以上調(diào)速當(dāng)電源頻率f1 在基頻以上調(diào)節(jié)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子相電壓是不允許在額定相電壓以上調(diào)節(jié)的，否則會(huì)危及電動(dòng)機(jī)的絕緣。所以，電源頻率上調(diào)時(shí)， 只能維持電動(dòng)機(jī)定子相電壓U 1n不變。于是，隨著f 1 升高m 將下降，但 n 上升，故屬于恒功率調(diào)速。

27、把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性，如圖 2-1 所示。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升容許的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)速，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速” 2 。U 1m恒轉(zhuǎn)距調(diào)速恒功率調(diào)速U1nmnU1mof1nf1圖 2-1異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性Fig. 2-1 Variable frequency speed-governing control characteristics of asynchronous motor2.3三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性U 1 /

28、 f1 = 常數(shù)時(shí)的變頻調(diào)速機(jī)械特性下面來分析機(jī)械特性中的三個(gè)特殊點(diǎn)，并由此來決定機(jī)械特性。同步點(diǎn)：由 n160 f1/ p1 ，則 n1f 1 ， f 1 下調(diào)， n1隨之下降。最 大 轉(zhuǎn) 矩 點(diǎn) ： 由 c= 常 數(shù) ， TmU 1 2 / f12 = 常 數(shù) ， 而 臨 界 轉(zhuǎn) 差 率Sm R2 / x2 R2 / 2f1 L21/ f1 ，臨界轉(zhuǎn)速降 nmSm n1 R2 / 2 f1 L2 60 f1 / p1 常數(shù)。因此，在不同頻率下，最大轉(zhuǎn)矩保持不變，且對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速降也不變。所以其機(jī)械特性基本上是平行的。 但當(dāng) f 1 下調(diào)過低時(shí)， 因 U 1 也很低，此時(shí)定子電阻 R1

29、 上的壓降 I 1 R1 已不能再忽略，而使E1 、m 下降更嚴(yán)重，電動(dòng)機(jī)的 Tm 將變小。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 Tst CU 12 R2 / f1 ( R22x22) CU12 R2 / f1 x221/ f1 。所以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨頻率下降而增加。由此可畫出 U 1 / f1 =常數(shù)時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速特性如圖2-2 所示：nf Nf 1f 2f 3nNf Nn1f 1n 2f 2n 3f 3oT圖 2-2三相異步電動(dòng)機(jī) U 1 / f1 =常數(shù)變頻調(diào)速機(jī)械特性Fig. 2-2 Mechanical characteristics of three-phase asynchronou

30、s motorU 1 / f1 =constantvariable Frequency speed-governing2.3.2 U 1 U 1N 的變頻調(diào)速機(jī)械特性同步點(diǎn)：由 n1 60 f1 / p1 ，則 n1f 1 ，當(dāng) f 1 調(diào)高時(shí)， n1 隨之上升。最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)：由 TstCU 1N2 / f1 2x2CU1N2 / 4 f 2 L2 1/ f12 ，當(dāng) f1 調(diào)高時(shí)， Tm 減小。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)： Tst 1/f13 ，當(dāng) f1 調(diào)高時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大大減小。此時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性如圖 2-3 所示：nf3f 2f1f Nn3f 3n2f 2n1f1nNfNoT圖 2-3 U1U 1N 時(shí)三

31、相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性Fig.2-3U 1U 1N Mechanical characteristics of three-phase asynchronous motor variablefrequency speed-governing2.4變頻器三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速所用的變頻電源有兩種，一種是變頻機(jī)組，另一種是靜止的變頻裝置變頻器。前者由直流電動(dòng)機(jī)和交流發(fā)電動(dòng)機(jī)組成，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就能改變交流發(fā)電動(dòng)機(jī)的頻率，由于變頻機(jī)組設(shè)備龐大，可靠性差。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，靜止式變頻器已完全取代了早期的旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組。變頻器的分類按變頻的原理有交交變頻器和交直交變頻器。前者是將頻

32、率固定的交流電源變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源，其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，變換頻率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率圍較窄，一般在0f1f1N / 2 ，故主要用于容量較大的低速拖動(dòng)系統(tǒng)中。后者是將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經(jīng)過逆變電路，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相電流。由于把直流電逆變成交流電較易控制，因此在頻率的調(diào)節(jié)圍、變頻后電動(dòng)機(jī)特性的改善等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前使用最多的變頻器均為交直交變頻器。根據(jù)直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式不同，交直交變頻器又分為電壓型和電流型兩種。電壓型變頻器是指變頻器整流后是由電容來濾波，現(xiàn)在使用的交直交變頻器大部分為電壓型變頻器。電流型變頻器是指變頻器整流后是由電感元

33、件來濾波，目前少見。根據(jù)調(diào)壓方式不同，交直交變頻器又分成脈幅調(diào)制型和脈寬調(diào)制型兩種。脈幅調(diào)制是指變頻器輸出電壓大小是通過改變直流電壓大小來實(shí)現(xiàn)的，常用 PAM表示。這種調(diào)壓方式很少使用。脈寬調(diào)制是指變頻器輸出電壓大小是通過改變輸出脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)的，常用PWM表示。目前使用最多的占空比按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制，即SPWM方式。變頻器的主電路變頻器的主電路包括整流電路、濾波及限流電路、直流中間電路、逆變電路和能耗制動(dòng)電路等部分組成，其中整流電路和逆變電路是很重要的兩部分，下面簡(jiǎn)單介紹一下整流電路和逆變電路。1) 整流電路一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它的主要作用是對(duì)工頻的

34、外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式，可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。直流中間電路的作用是對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。此外，由于電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的需要，在直流中間電路中有時(shí)還包括制動(dòng)電阻以及其它輔助電路。2) 逆變電路逆變電路是變頻器主要的部分之一。它是利用六個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出。由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬感性負(fù)載，無論電動(dòng)機(jī)處于拖動(dòng)狀態(tài)還是發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，變頻器功率因素總不會(huì)為1。因此，在直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)

35、機(jī)之間總會(huì)有無功功率的交換，這種無功能量就靠這之間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件來緩沖。它的主要作用是在控制電路的控制下，將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。變頻器的控制電路變頻器控制電路包括主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、門極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分，是變頻器的核心部分。控制電路的優(yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣。控制電路的主要作用是完成對(duì)逆變器開關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能。交直交變頻器這種變頻器主要由整流調(diào)壓、濾波及逆變?nèi)糠纸M成，如圖2-4 所示。在此，僅對(duì)逆變器的工作原理作一介

36、紹。50HzU'd濾波Ud整流調(diào)壓逆變圖 2-4 交直交變頻器Fig.2-4 AC-DC-AC transducer1) 單相逆變電路圖 2-5 為單相逆變電路原理圖。當(dāng)開關(guān) S1、 S4 同時(shí)閉合時(shí)， U ab 電壓為正；開關(guān) S2、 S3 同時(shí)閉合時(shí)， U ab 電壓為負(fù)。由于開關(guān) S1S4 的輪流通斷，從而將直流電壓 U d 逆變成了交流電壓 uab 。可以看到在交流電變化的一個(gè)周期中，一個(gè)臂上的兩個(gè)開關(guān)S1、 S2 交替導(dǎo)通，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通派的電角度。因此，交流電的頻率可以通過改變開關(guān)通斷的速度來調(diào)節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值U d 。S1S3U dabS2S4a)S1、S2

37、S1ONS2ONS3、S4S4ONS3ONb)u ab02tc)a) 主電路 b) 開關(guān)通斷規(guī)律 c) 波形圖圖 2-5 單相逆變電路原理圖a) main circuit b) switch make and break law c) oscillogram Fig.2-5 Single-phase invert schematic circuit2) 三相逆變電路圖 2-6 為三相逆變電路原理圖。 圖中開關(guān) S1S6 組成逆變電路。這 6 個(gè)開關(guān)交替的接通、關(guān)斷，就可以在輸出端獲得一個(gè)相位互差 2 / 3 的三相交流電壓。當(dāng) S1、S4 閉合時(shí)， uUV 為正；當(dāng) S2 、S3 閉合時(shí)， u

38、WU 為負(fù)；當(dāng) S3、S6 閉合時(shí)， uVW 為正；當(dāng) S5、S4 閉合時(shí)， uUV 、 uWU 、 uVW 在相位上依次相差 2 / 3 ，各開關(guān)的接通、斷開應(yīng)符合一定的規(guī)律。由上可看出：各橋臂上的開關(guān)始終處于交替閉合、斷開的狀態(tài)；各相的開關(guān)順序以各相的首端為準(zhǔn)，互差2/ 3電角度，如 S3比 S1滯后 2/3，S5比 S3滯后 2/3 。由以上分析可知，通過6 個(gè)開關(guān)的交替工作可以得到三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度就可以調(diào)節(jié)電頻率。S1S3S5UUU dVVWWS2S4S6a )S1、 S2S1 ONS2ONS1 ONS3、4S4ONS3 ONS4 ONSS5、 S6 S5ONS6ON

39、S5ONb )uUVU d0tuVW0tuWU0t2233c )a) 主電路 b) 開關(guān)通斷規(guī)律 c) 波形圖圖 2-6 三相逆變電路原理圖a) main circuit b) switch make and break law c) oscillogram Fig.2-6 Priciple diagram of three-phase inverting circuit3) 電壓型交直交變頻器的濾波器采用大容量的電容器。對(duì)逆變器來說，其直流電源的阻抗 ( 包括濾波器 ) 遠(yuǎn)小于逆變器的阻抗，故可將逆變器前面部分看作恒壓源，其直流輸出電壓 U d 穩(wěn)定不變。因此，經(jīng)過逆變器切換后輸出的交流電壓

40、波形接近于矩形波。圖 2-7 為簡(jiǎn)單三相電壓逆變器的主電路 ( 不包括換流 ) 圖。假設(shè)每一個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角為 ，且晶閘管按 VT1、VT2 、 、 VT6 的順序觸發(fā)導(dǎo)通，各觸發(fā)信號(hào)彼此相位差為 / 3 ，換流瞬時(shí)完成，則在任何瞬間，每個(gè)臂上只有一個(gè) VT 導(dǎo)通，而三個(gè)臂上各有一個(gè) VF導(dǎo)通。該電路波形如圖 2-8 所示?？梢娝且粋€(gè)方段矩形組成的三相交流波形。P+VT 1VT 3VT 5VD1VD3VD 5UCUVWVD 4VT 4VD 6VT 6VD 2VT 2NZUOZvZW圖 2-7三相橋式逆變電路主電路Fig.2-7 Three- phase bridge type main ci

41、rcuituUO2340wt / raduVO05 / 38 / 3wt / rad2 / 311/ 3uWO01/ 34 / 37 / 310 /3wt / rad圖 2-8三相逆變器輸出電壓波形圖Fig.2-8 Three-phase inverter output voltage oscillogram圖 2-7 中與晶閘管 VT反并聯(lián)的二極管 VD的作用是：在該晶閘管由截至轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí)，給負(fù)載電流提供一條通路，通過二極管將無功能量反饋給濾波電容。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用比較廣泛，其缺點(diǎn)是：電源側(cè)功率因數(shù)低，因存在較大的濾波環(huán)節(jié)，故動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。脈寬調(diào)制型 (PWM)變頻器1) 在一般的交直交

42、變頻器供電的變壓、變頻調(diào)速中，為獲得變頻調(diào)速所要求的變頻與變壓的協(xié)調(diào)控制，整流器必須是可控整流，這樣在變頻調(diào)速時(shí)要同時(shí)控制整流器和逆變器，這就帶來一系列的問題。 首先是主電路中有兩個(gè)可控功率環(huán)節(jié)，這樣使系統(tǒng)比較復(fù)雜；第二由于中間環(huán)節(jié)存在動(dòng)態(tài)元件，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢；第三由于整流器是可控的，使控電電源的功率因數(shù)隨變頻裝置輸出頻率的降低而變差，并產(chǎn)生高次諧波電源；第四逆變器輸出為六拍階梯波交變電壓，在拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)中形成較多的各次諧波，從而產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作，低速時(shí)尤為嚴(yán)重。為解決上述問題，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方式。圖2-9 為 PWM逆變器示意圖，在該逆變器電路中，

43、同時(shí)進(jìn)行輸出電壓幅值與頻率的控制，滿足變頻調(diào)速對(duì)電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求。這樣，首先使主電路只有一個(gè)可控的功率環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)；第二使用了不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小無關(guān)而接近1；第三逆變器在調(diào)節(jié)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)無關(guān)，加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；第四可獲得比常規(guī)六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)矩脈沖小，大大擴(kuò)展了拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速圍，提高了系統(tǒng)性能。PWM整流器逆變器CUM3U / f調(diào) U調(diào)f圖 2-9 PWM逆變器組成Fig.2-9 PWM inverter structure diag

44、ram2) 脈寬調(diào)制器的基本工作原理脈寬調(diào)制是將輸出電壓分解成很多的脈沖，調(diào)頻時(shí)控制脈沖的寬度和脈沖間的間隔時(shí)間就可控制輸出電壓的幅值，如圖2-10 所示。從圖中可以看到，脈沖的寬度t1 越大，脈沖的間隔 t 2 越小，輸出電壓的平均值就越大。為了說明t1 、 t2 和電壓平均值之間的關(guān)系，我們引入了占空比的概念。所謂占空比是指脈沖寬度與一個(gè)脈沖周期比值，用表示，即t1 /(t1t 2 ) 。因此，可以說輸出電壓的平均值與占空比成正比，調(diào)節(jié)電壓輸出就可以演化為調(diào)節(jié)脈沖的寬度，所以稱為脈寬調(diào)制。圖2-10a 為調(diào)制前的波形，電壓周期為TN ，圖 2-10b 為調(diào)制后的波形，電壓周期為TX 。與

45、a 圖相比， b 圖的電壓周期增大 ( 也就是說頻率降低 ) ，電壓脈沖的幅值不變，仍為U DN ，而占空比則減小，故平均電壓降低。ut1U DN0tt2TNa )ut1 'U DN0tt2 'TXb )a)調(diào)制前的波形b)調(diào)制后的波形圖 2-10 脈寬調(diào)制的輸出電壓a) modulate late waveform b) modulate rear waveform Fig.2-10 The output voltage of the PWM由于變頻器的輸出是正弦交流電，即輸出電壓的幅值是按正弦波規(guī)律變化，因此在一個(gè)周期的占空比也必須是變化的，也就是說在正弦波的幅值部分，取大一些，在正弦波到達(dá)零處，取小一