畢業(yè)設計--交流變頻調(diào)速系統(tǒng)[1]

1、摘  要  現(xiàn)在流行的異步電動機的調(diào)速方法可分為兩種：變頻調(diào)速和變壓調(diào)速，其中異步電動機的變頻調(diào)速應用較多，它的調(diào)速方法可分為兩種：變頻變壓調(diào)速和矢量控制法，前者的控制方法相對簡單，有二十多年的發(fā)展經(jīng)驗。因此應用的比較多，目前市場上出售的變頻器多數(shù)都是采用這種控制方法。 關(guān)鍵詞: 交流調(diào)速系統(tǒng), 異步電動機, PWM技術(shù).目錄摘  要1前言31.1 設計的目的和意義31.2變頻器調(diào)速運行的節(jié)能原理3第二章 變頻器42.1變頻器選型：42.2變頻器控制原理圖設計：42.3變頻器控制柜設計62.4變頻器接線規(guī)范72.5變頻器的運行和相關(guān)參數(shù)的設置82.6 常見故障分析

2、8第三章 交流調(diào)速系統(tǒng)概述103.1 交流調(diào)速系統(tǒng)的特點10第四章變頻電動機的特點144.1電磁設計144.2結(jié)構(gòu)設計14第五章 變頻電機主要特點和變頻電機的構(gòu)造原理155.1 變頻專用電動機具有如下特點：155.2變頻電機的構(gòu)造原理15第六章 交流異步電動機166.1交流異步電動機變頻調(diào)速基本原理166.2 變頻變壓（VVVF）調(diào)速時電動機的機械特性186.3變壓變頻運行時機械特性分折19第七章 PWM技術(shù)原理247.1  正弦波脈寬調(diào)制(SPWM）25 7.2單極性SPWM法.26結(jié)論31致 謝32參 考 文 獻33前言1.1 設計的目的和意義 近年來，隨著電力電子技術(shù)、計算機技

3、術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。電機交流變頻調(diào)速技術(shù)是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。深入了解交流傳動與控制技術(shù)的走向，具有十分積極的意義1.2變頻器調(diào)速運行的節(jié)能原理 實現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置稱為變頻器。變頻器一般由整流器、濾波器、驅(qū)動電路、保護電路以及控制器（MCUDSP

4、）等部分組成。首先將單相或三相交流電源通過整流器并經(jīng)電容濾波后，形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里，通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調(diào)制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時進行輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調(diào)速對Uf協(xié)調(diào)控制的要求。PWM的優(yōu)點是能消除或抑制低次諧波，使負載電機在近正弦波的交變電壓下運行，轉(zhuǎn)矩脈沖小，調(diào)速范圍寬。 采用PWM控制方式的電機轉(zhuǎn)速受到上限轉(zhuǎn)速的限制。如對壓縮機來講，一般不超過7000rrain。而采用PAM控制方式的壓縮機轉(zhuǎn)速可提高15倍左右，這樣大大提高了快速增速

5、和減速能力。同時，由于PAM在調(diào)整電壓時具有對電流波形的整形作用，因而可以獲得比PWM更高的效率。此外，在抗干擾方面也有著PWM無法比擬的優(yōu)越性，可抑制高次諧波的生成，減小對電網(wǎng)的污染。采用該控制方式的變頻調(diào)速技術(shù)后，電機定子電流下降64 ，電源頻率降低30 ，出膠壓力降低57 。由電機理論可知，異步電機的轉(zhuǎn)速可表示為：n=60·f 8（18）p第二章 變頻器變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交直交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制

6、的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 2.1變頻器選型： 變頻器選型時要確定以下幾點： 1) 采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。 2) 變頻器的負載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負載的性能曲線，性能曲線決定了應用時的方式方法。 3) 變頻器與負載的匹配問題； I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。 II. 電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。對于特殊的負載如深水泵等則需

7、要參考電機性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。 III.轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負載或有減速裝置時有可能發(fā)生。 4) 在使用變頻器驅(qū)動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。 5) 變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。 6) 對于一些特殊的應用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。 2.2變頻器控制原理圖設計： 1) 首先確認變頻器的安裝環(huán)

8、境； I.工作溫度。變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產(chǎn)品一般要求為055，但為了保證工作安全、可靠，使用時應考慮留有余地，最好控制在40以下。在控制箱中，變頻器一般應安裝在箱體上部，并嚴格遵守產(chǎn)品說明書中的安裝要求，絕對不允許把發(fā)熱元件或易發(fā)熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。 II. 環(huán)境溫度。溫度太高且溫度變化較大時，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，其絕緣性能就會大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。必要時，必須在箱中增加干燥劑和加熱器。在水處理間，一般水汽都比較重，如果溫度變化大的話，這個問題會比較突出。 III.腐蝕性氣體。使用環(huán)境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會腐蝕元器件的引線、印刷

9、電路板等，而且還會加速塑料器件的老化，降低絕緣性能。 IV. 振動和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機械振動和沖擊時，會引起電氣接觸不良。淮安熱電就出現(xiàn)這樣的問題。這時除了提高控制柜的機械強度、遠離振動源和沖擊源外，還應使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內(nèi)電磁開關(guān)之類產(chǎn)生振動的元器件。設備運行一段時間后，應對其進行檢查和維護。 V. 電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內(nèi)儀表和電子系統(tǒng)，應該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對儀表的干擾。所有的元器件均應可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應選用屏蔽控制電纜，且

10、屏蔽層應接地。如果處理不好電磁干擾，往往會使整個系統(tǒng)無法工作，導致控制單元失靈或損壞。 2) 變頻器和電機的距離確定電纜和布線方法； I.變頻器和電機的距離應該盡量的短。這樣減小了電纜的對地電容，減少干擾的發(fā)射源。 II. 控制電纜選用屏蔽電纜，動力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機全部用穿線管屏蔽。 III.電機電纜應獨立于其它電纜走線，其最小距離為500mm。同時應避免電機電纜與其它電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應盡可能使它們按90度角交叉。與變頻器有關(guān)的模擬量信號線與主回路線分開走線，即使在控制柜中也要如此。 IV.

11、與變頻器有關(guān)的模擬信號線最好選用屏蔽雙絞線，動力電纜選用屏蔽的三芯電纜（其規(guī)格要比普通電機的電纜大檔）或遵從變頻器的用戶手冊。 3) 變頻器控制原理圖； I.主回路：電抗器的作用是防止變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過電源的輸入回路返回到電網(wǎng)從而影響其他的受電設備，需要根據(jù)變頻器的容量大小來決定是否需要加電抗器；濾波器是安裝在變頻器的輸出端，減少變頻器輸出的高次諧波，當變頻器到電機的距離較遠時，應該安裝濾波器。雖然變頻器本身有各種保護功能，但缺相保護卻并不完美，斷路器在主回路中起到過載，缺相等保護，選型時可按照變頻器的容量進行選擇?？梢杂米冾l器本身的過載保護代替熱繼電器。 II. 控制回路：具有工頻變頻

12、的手動切換，以便在變頻出現(xiàn)故障時可以手動切工頻運行，因輸出端不能加電壓，固工頻和變頻要有互鎖。 4) 變頻器的接地； 變頻器正確接地是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制噪聲能力的重要手段。變頻器的接地端子的接地電阻越小越好，接地導線的截面不小于4mm，長度不超過5m。變頻器的接地應和動力設備的接地點分開，不能共地。信號線的屏蔽層一端接到變頻器的接地端，另一端浮空。變頻器與控制柜之間電氣相通。 2.3變頻器控制柜設計 變頻器應該安裝在控制柜內(nèi)部，控制柜在設計時要注意以下問題 1) 散熱問題：變頻器的發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的。在變頻器中各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正常

13、可靠運行，必須對變頻器進行散熱我們通常采用風扇散熱；變頻器的內(nèi)裝風扇可將變頻器的箱體內(nèi)部散熱帶走，若風扇不能正常工作，應立即停止變頻器運行；大功率的變頻器還需要在控制柜上加風扇，控制柜的風道要設計合理，所有進風口要設置防塵網(wǎng)，排風通暢，避免在柜中形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積；根據(jù)變頻器說明書的通風量來選擇匹配的風扇，風扇安裝要注意防震問題。 2) 電磁干擾問題： I.變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾，而且會產(chǎn)生高次諧波，這種高次諧波會通過供電回路進入整個供電網(wǎng)絡，從而影響其他儀表。如果變頻器的功率很大占整個系統(tǒng)25%以

14、上，需要考慮控制電源的抗干擾措施。 II.當系統(tǒng)中有高頻沖擊負載如電焊機、電鍍電源時，變頻器本身會因為干擾而出現(xiàn)保護，則考慮整個系統(tǒng)的電源質(zhì)量問題。 3) 防護問題需要注意以下幾點： I.防水防結(jié)露：如果變頻器放在現(xiàn)場，需要注意變頻器柜上方不的有管道法蘭或其他漏點，在變頻器附近不能有噴濺水流，總之現(xiàn)場柜體防護等級要在IP43以上。 II. 防塵：所有進風口要設置防塵網(wǎng)阻隔絮狀雜物進入，防塵網(wǎng)應該設計為可拆卸式，以方便清理，維護。防塵網(wǎng)的網(wǎng)格根據(jù)現(xiàn)場的具體情況確定，防塵網(wǎng)四周與控制柜的結(jié)合處要處理嚴密。 III.防腐蝕性氣體：在化工行業(yè)這種情況比較多見，此時可以將變頻柜放在控制室中。 2.4變頻

15、器接線規(guī)范 信號線與動力線必須分開走線：使用模擬量信號進行遠程控制變頻器時，為了減少模擬量受來自變頻器和其它設備的干擾，請將控制變頻器的信號線與強電回路（主回路及順控回路）分開走線。距離應在30cm以上。即使在控制柜內(nèi)，同樣要保持這樣的接線規(guī)范。該信號與變頻器之間的控制回路線最長不得超過50m。 信號線與動力線必須分別放置在不同的金屬管道或者金屬軟管內(nèi)部：連接PLC和變頻器的信號線如果不放置在金屬管道內(nèi)，極易受到變頻器和外部設備的干擾；同時由于變頻器無內(nèi)置的電抗器，所以變頻器的輸入和輸出級動力線對外部會產(chǎn)生極強的干擾，因此放置信號線的金屬管或金屬軟管一直要延伸到變頻器的控制端子處，以保證信號線

16、與動力線的徹底分開。 1) 模擬量控制信號線應使用雙股絞合屏蔽線，電線規(guī)格為0.75mm2。在接線時一定要注意，電纜剝線要盡可能的短（5-7mm左右），同時對剝線以后的屏蔽層要用絕緣膠布包起來，以防止屏蔽線與其它設備接觸引入干擾。 2) 為了提高接線的簡易性和可靠性，推薦信號線上使用壓線棒端子。 2.5變頻器的運行和相關(guān)參數(shù)的設置 變頻器的設定參數(shù)多，每個參數(shù)均有一定的選擇范圍，使用中常常遇到因個別參數(shù)設置不當，導致變頻器不能正常工作的現(xiàn)象。 控制方式：即速度控制、轉(zhuǎn)距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根據(jù)控制精度，需要進行靜態(tài)或動態(tài)辨識。 最低運行頻率：即電機運行的最小轉(zhuǎn)速，

17、電機在低轉(zhuǎn)速下運行時，其散熱性能很差，電機長時間運行在低轉(zhuǎn)速下，會導致電機燒毀。而且低速時，其電纜中的電流也會增大，也會導致電纜發(fā)熱。 最高運行頻率：一般的變頻器最大頻率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高頻率將使電機高速運轉(zhuǎn)，這對普通電機來說，其軸承不能長時間的超額定轉(zhuǎn)速運行，電機的轉(zhuǎn)子是否能承受這樣的離心力。 載波頻率：載波頻率設置的越高其高次諧波分量越大，這和電纜的長度，電機發(fā)熱，電纜發(fā)熱變頻器發(fā)熱等因素是密切相關(guān)的。 電機參數(shù)：變頻器在參數(shù)中設定電機的功率、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、最大頻率，這些參數(shù)可以從電機銘牌中直接得到。 跳頻：在某個頻率點上，有可能會發(fā)生共振現(xiàn)象，特別在整個裝置比較高

18、時；在控制壓縮機時，要避免壓縮機的喘振點。 2.6 常見故障分析 1) 過流故障：過流故障可分為加速、減速、恒速過電流。其可能是由于變頻器的加減速時間太短、負載發(fā)生突變、負荷分配不均，輸出短路等原因引起的。這時一般可通過延長加減速時間、減少負荷的突變、外加能耗制動元件、進行負荷分配設計、對線路進行檢查。如果斷開負載變頻器還是過流故障，說明變頻器逆變電路已環(huán)，需要更換變頻器。 2) 過載故障：過載故障包括變頻過載和電機過載。其可能是加速時間太短，電網(wǎng)電壓太低、負載過重等原因引起的。一般可通過延長加速時間、延長制動時間、檢查電網(wǎng)電壓等。負載過重，所選的電機和變頻器不能拖動該負載，也可能是由于機械潤

19、滑不好引起。如前者則必須更換大功率的電機和變頻器；如后者則要對生產(chǎn)機械進行檢修。 3) 欠壓：說明變頻器電源輸入部分有問題，需檢查后才可以運行。 第三章 交流調(diào)速系統(tǒng)概述3.1 交流調(diào)速系統(tǒng)的特點對于可調(diào)速的電力拖動系統(tǒng)，工程上往往把它分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩類。這主要是根據(jù)采用什么電流制型式的電動機來進行電能與機械能的轉(zhuǎn)換而劃分的，所謂交流調(diào)速系統(tǒng)，就是以交流電動機作為電能機械能的轉(zhuǎn)換裝置，并對其進行控制以產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)速?？v觀電力拖動的發(fā)展過程，交、直流兩大調(diào)速系統(tǒng)一直并存于各個工業(yè)領域，雖然由于各個時期科學技術(shù)的發(fā)展使得它們所處的地位有所不同，但它們始終是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別

20、是隨著電力電子元器件的發(fā)展而在相互競爭。在過去很長一段時期，由于直流電動機的優(yōu)良調(diào)速性能，在可逆、可調(diào)速與高精度、寬調(diào)速范圍的電力拖動技術(shù)領域中，幾乎都是采用直流調(diào)速系統(tǒng)。然而由于直流電動機其有機械式換向器這一致命的弱點，致使直流電動機制造成本高、價格昂貴、維護麻煩、使用環(huán)境受到限制，其自身結(jié)構(gòu)也約束了單臺電機的轉(zhuǎn)速，功率上限，從而給直流傳動的應用帶來了一系列的限制。相對于直流電動機來說，交流電動機特別是鼠籠式異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，堅固耐用，運行可靠，維護方便，慣性小，動態(tài)響應好，以及易于向高壓、高速和大功率方向發(fā)展等優(yōu)點。因此，近幾十年以來，不少國家都在致力于交流調(diào)速系統(tǒng)的研究

21、，用沒有換向器的交流電動機實現(xiàn)調(diào)速來取代直流電動機，突破它的限制。隨著電力電子器件，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動領域的滲透，為交流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)研究進一步創(chuàng)造了有利的條件。諸如交流電動機的串級調(diào)速、各種類型的變頻調(diào)速，特別是矢量控制技術(shù)的應用，使得交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)速精度、快速的動態(tài)響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術(shù)性能?，F(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)百千瓦的特大功率高速傳動系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動到高精度、快響應、大范圍的調(diào)速傳動，從單機傳動到多機協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，已幾乎都可采用交流調(diào)速傳動。交流調(diào)速傳動的客觀發(fā)展趨勢已表

22、明，它完全可以和直流傳動相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢。3.2 交流調(diào)速常用的調(diào)速方案及其性能比較由電機學知，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式如下：n= 601 (1-s) pn (1-1)式中 Pn電動機定子繞阻的磁極對數(shù)； f1電動機定子電壓供電頻率； s 電動機的轉(zhuǎn)差率。從式（1-1）中可以看出，調(diào)節(jié)交流異步電動機的轉(zhuǎn)速有三大類方案。（1）改變電動機的磁極對數(shù)由異步電動機的同步轉(zhuǎn)速no= 601 pn可知，在供電電源頻率f1不變的條件下，通過改接定子繞組的連接方式來改變異步電動機定子繞組的磁極對數(shù)Pn，即可改變異步電動機的同步轉(zhuǎn)速n0，從而達到調(diào)速的目的。這種控制方式比較簡單，只要求電動機定子繞

23、組有多個抽頭，然后通過觸點的通斷來改變電動機的磁極對數(shù)。采用這種控制方式，電動機轉(zhuǎn)速的變化是有級的，不是連續(xù)的，一般最多只有三檔，適用于自動化程度不高，且只須有級調(diào)速的場合。（2）變頻調(diào)速 從式（11）中可以看出，當異步電動機的磁極對數(shù)Pn一定，轉(zhuǎn)差率s定時，改變定子繞組的供電頻率f1可以達到調(diào)速目的，電動機轉(zhuǎn)速n基本上與電源的頻率f1成正比，因此，平滑地調(diào)節(jié)供電電源的頻率，就能平滑，無級地調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速調(diào)速范圍大，低速特性較硬，基頻f=50Hz以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，在基頻以上，屬于恒功率調(diào)速方式，與直流電動機的降壓和弱磁調(diào)速十分相似。且采用變頻起動更能顯著改善交流電動機的

24、起動性能，大幅度降低電機的起動電流，增加起動轉(zhuǎn)矩。所以變頻調(diào)速是交流電動機的理想調(diào)速方案。（3）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法很多，常用的方案有：異步電動機定子調(diào)壓調(diào)速，電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速和繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，串級調(diào)速等。定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)就是在恒定交流電源與交流電動機之間接入晶閘管作為交流電壓控制器，這種調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)僅適用于一些屬短時與重復短時作深調(diào)速運行的負載。為了能得到好的調(diào)速精度與能穩(wěn)定運行，一般采用帶轉(zhuǎn)速負反饋的控制方式。所使用的電動機可以是繞線式異電動機或是有高轉(zhuǎn)差率的鼠籠式異步電動機。電磁轉(zhuǎn)差離臺器調(diào)速系統(tǒng)，是由鼠籠式異步電動機、電磁轉(zhuǎn)差離合器以及控制裝置組合而成

25、。鼠籠式電動機作為原動機以恒速帶動電磁離合器的電樞轉(zhuǎn)動，通過對電磁離合器勵磁電流的控制實現(xiàn)對其磁極的速度調(diào)節(jié)。這種系統(tǒng)一般也采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速就是通過改變轉(zhuǎn)子回路所串電阻來進行調(diào)速，這種調(diào)速方法簡單，但調(diào)速是有級的，串入較大附加電阻后，電動機的機械特性很軟，低速運行損耗大，穩(wěn)定性差。繞線式異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)就是在電動機的轉(zhuǎn)子回路中引入與轉(zhuǎn)子電勢同頻率的反向電勢Ef，只要改變這個附加的，同電動機轉(zhuǎn)子電壓同頻率的反向電勢Ef，就可以對繞線式異步電動機進行平滑調(diào)速。Ef越大，電動機轉(zhuǎn)速越低。 上述這些調(diào)速的共同特點是調(diào)速過程中沒有改變電動機的同步轉(zhuǎn)速n0，所以低

26、速時，轉(zhuǎn)差率s較大。 在交流異步電動機中，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率PM可以分成兩部分：一部分P2=（1s）PM是拖動負載的有效功率，另一部分是轉(zhuǎn)差功率PS=sPM，與轉(zhuǎn)差率s成正比，它的去向是調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標志。就轉(zhuǎn)差功率的去向而言，交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)可以分為三種：1）轉(zhuǎn)差功率消耗型 這種調(diào)速系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)差功率都被消耗掉，用增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)差功率PS=sPM增大，以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電路里，使得系統(tǒng)效率也隨之降低。定子調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速及繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速這三種方法屬于這一類，這類調(diào)速系統(tǒng)存在著調(diào)速范圍愈寬，轉(zhuǎn)差功率PS愈大，系統(tǒng)

27、效率愈低的問題，故不值得提倡。2）轉(zhuǎn)差功率回饋型 這種調(diào)速系統(tǒng)的大部分轉(zhuǎn)差功率通過變流裝置回饋給電網(wǎng)或者加以利用，轉(zhuǎn)速越低回饋的功率越多，但是增設的裝置也要多消耗一部分功率。繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串級調(diào)速即屬于這一類，它將轉(zhuǎn)差功率通過整流和逆變作用，經(jīng)變壓器回饋到交流電網(wǎng)，但沒有以發(fā)熱形式消耗能量，即使在低速時，串級調(diào)速系統(tǒng)的效率也是很高的。3）轉(zhuǎn)差功率不變型 這種調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率仍舊消耗在轉(zhuǎn)子里，但不論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變。如變極對數(shù)調(diào)速，變頻調(diào)速即屬于這一類，由于在調(diào)速過程中改變同步轉(zhuǎn)速n0，轉(zhuǎn)差率s是一定的，故系統(tǒng)效率不會因調(diào)速而降低。在改變n0的兩種調(diào)速方案中，又因變極對數(shù)調(diào)速

28、為有極調(diào)速，且極數(shù)很有限，調(diào)速范圍窄，所以，目前在交流調(diào)速方案中，變頻調(diào)速是最理想，最有前途的交流調(diào)速方案。第四章變頻電動機的特點4.1電磁設計 對普通異步電動機來說，再設計時主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、啟動性能、效率和功率因數(shù)。而變頻電動機，由于臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，可以在臨界轉(zhuǎn)差率接近1時直接啟動，因此，過載能力和啟動性能不在需要過多考慮，而要解決的關(guān)鍵問題是如何改善電動機對非正弦波電源的適應能力。方式一般如下： 1） 盡可能的減小定子和轉(zhuǎn)子電阻。 減小定子電阻即可降低基波銅耗，以彌補高次諧波引起的銅耗增 2）為抑制電流中的高次諧波，需適當增加電動機的電感。但轉(zhuǎn)子槽漏抗較大其集膚效應

29、也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動機漏抗的大小要兼顧到整個調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。 3）變頻電動機的主磁路一般設計成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波會加深磁路飽和，二是考慮在低頻時，為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而適當提高變頻器的輸出電壓。 4.2結(jié)構(gòu)設計 再結(jié)構(gòu)設計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機的絕緣結(jié)構(gòu)、振動、噪聲冷卻方式等方面的影響，一般注意以下問題： 1）絕緣等級，一般為F級或更高，加強對地絕緣和線匝絕緣強度，特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。 2）對電機的振動、噪聲問題，要充分考慮電動機構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 3）冷卻方式：一般采用強迫通風冷

30、卻，即主電機散熱風扇采用獨立的電機驅(qū)動。 4）防止軸電流措施，對容量超過160KW電動機應采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對稱，也會產(chǎn)生軸電流，當其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一起作用時，軸電流將大為增加，從而導致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。第五章 變頻電機主要特點和變頻電機的構(gòu)造原理5.1 變頻專用電動機具有如下特點：B級溫升設計，F(xiàn)級絕緣制造。采用高分子絕緣材料及真空壓力浸漆制造工藝以及采用特殊的絕緣結(jié)構(gòu)，使電氣繞組采用絕緣耐壓及機械強度有很大提高，足以勝任馬達之高速運轉(zhuǎn)及抵抗變頻器高頻電流沖擊以及電壓對絕緣之破壞。平衡質(zhì)量高，震動等級為R級（降振級）機械零部件加工精度高，并采用專

31、用高精度進口軸承，可以高速運轉(zhuǎn)。強制通風散熱系統(tǒng)，全部采用進口軸流風機超靜音、高壽命，強勁風力。保障馬達在任何轉(zhuǎn)速下，得到有效散熱，可實現(xiàn)高速或低速長期運行。經(jīng)AMCAD軟件設計的YP系列電機，與傳統(tǒng)變頻電機相比較，具備更寬廣的調(diào)速范圍和更高的設計質(zhì)量，經(jīng)特殊的磁場設計，進一步抑制高次諧波磁場，以滿足寬頻、節(jié)能和低噪音的設計指標。具有寬范圍恒轉(zhuǎn)矩與功率調(diào)速特性，調(diào)速平穩(wěn)，無轉(zhuǎn)矩脈動。與各類變頻器均具有良好的參數(shù)匹配，配合矢量控制，可實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速全轉(zhuǎn)矩、低頻大力矩與高精度轉(zhuǎn)速控制、位置控制及快速動態(tài)響應控制。YP系列變頻專用電機可配制剎車器，編碼器供貨，這樣即可獲得精準停車，和通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實現(xiàn)

32、高精度速度控制。采用“微電機+變頻專用電機+編碼器+變頻器”實現(xiàn)超低速無級調(diào)速的精準控制。YP系列變頻專用電機通用性好，其安裝尺寸符合IEC標準，與一般標準型電機具備可互換性。5.2變頻電機的構(gòu)造原理電動機的調(diào)速與控制，是工農(nóng)業(yè)各類機械及辦公、民生電器設備的基礎技術(shù)之一。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的驚人發(fā)展，采用“專用變頻感應電動機+變頻器”的交流調(diào)速方式，正在以其卓越的性能和經(jīng)濟性，在調(diào)速領域，引導了一場取代傳統(tǒng)調(diào)速方式的更新?lián)Q代的變革。它給各行各業(yè)帶來的福音在于：使機械自動化程度和生產(chǎn)效率大為提高、節(jié)約能源、提高產(chǎn)品合格率及產(chǎn)品質(zhì)量、電源系統(tǒng)容量相應提高、設備小型化、增加舒適性，目前正以

33、很快的速度取代傳統(tǒng)的機械調(diào)速和直流調(diào)速方案。由于變頻電源的特殊性，以及系統(tǒng)對高速或低速運轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速動態(tài)響應等需求，對作為動力主體的電動機，提出了苛刻的要求，給電動機帶來了在電磁、結(jié)構(gòu)、絕緣各方面新的課題。第六章 交流異步電動機交流曳引電動機廣泛使用在電梯的電氣控制系統(tǒng)中。實際上交流曳引電動機就是一臺交流鼠籠式異步電動機。由于交流電力傳動技術(shù)以及其控制理論的發(fā)展與提高，同時，大功率半導體器件（GTO、GTR等）技術(shù)的日趨完善，以及PLC、微電子、微處理器等技術(shù)在電力拖動系統(tǒng)中得以充分地利用，使得結(jié)構(gòu)簡單、維護保養(yǎng)方便、價格低廉的交流異步電動機在電梯的電力控制系統(tǒng)中又得以充分發(fā)揮其最大的效率。使用交

34、流鼠籠式電動機變頻變壓調(diào)速拖動系統(tǒng)的電梯（VVVF交流調(diào)速電梯）在目前電梯的電氣控制應用中具有領先地位。6.1交流異步電動機變頻調(diào)速基本原理從電機及電力拖動中可知，三相交流異步電動機的機械特性可分成兩種：異步電動機的固有機械特性是指異步電動機工作在額定電壓UN和額定頻率fN下，按規(guī)定的接線方式接線，定子、轉(zhuǎn)子及外接電阻均為0時，討論轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem的關(guān)系：n=f（Tem）（見圖1）。異步電動機的人為機械特性是指人為地改變電動機參數(shù)或電源參數(shù)而得的機械特性。電動機參數(shù)又可分為三類：1異步電動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)2異步電動機的運行參數(shù)3異步電動機的輸入?yún)?shù)U1和f 1。異步電動機調(diào)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電阻、定

35、子端電壓、磁極對數(shù)時的機械特性見圖（2） 。交流異步電動機變頻調(diào)速時電動機的轉(zhuǎn)速為：式中：f1為電源頻率；P為磁極對數(shù)；S為轉(zhuǎn)差率。交流異步電動機定子繞組上的感應電動勢：式中：N1為定子繞組匝數(shù)；k1為繞組系數(shù)；m為氣隙合成磁通。忽略電動機定子繞組的阻抗壓降，交流異步電動機的端電壓：交流異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩：式中：CT為電動機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；I2 cos轉(zhuǎn)子電流有功分量。從電磁轉(zhuǎn)距公式可知，連續(xù)不斷地改變送入異步電動機定子端的的供電電源頻率f1，則可連續(xù)地改變異步電動機的同步轉(zhuǎn)速： 。但是若U1不變，則f 1上升將會導致的m下降增加，這樣會出現(xiàn)電動機的轉(zhuǎn)子電流有功分量I2cos的變化；電動機效率會

36、下降及電動機最大轉(zhuǎn)距Tm會變化等問題，嚴重的時候會出現(xiàn)電動機的堵轉(zhuǎn)?；蛘哂捎趂1 的減低會使m增大，導致電機磁路飽和使I0增大，即電動機的銅耗PCu、和鐵耗PFe增大。 因此在電梯電氣控制系統(tǒng)中，要求變頻的同時，必須同時改變電動機定子端輸入的端電壓，從而保持氣隙合成磁通m 近似不變。6.2 變頻變壓（VVVF）調(diào)速時電動機的機械特性根據(jù)端電壓和頻率不同的比例關(guān)系，將會有幾種不同的變頻調(diào)速方式。1比例控制方式根據(jù)電壓公式，在忽略異步電動機定子繞組的阻抗壓降后可近似的得到： ，要維持m 不變的情況下，只要U1和f 1成比例的變化即可，從最大轉(zhuǎn)矩公式中可研得知：在低頻段時，由于定子繞組中的Xm，X1

37、，X2以及L1，L2不可忽略，則將會增加使得最大轉(zhuǎn)矩Tm也將隨f 1的降低而降低就會將使低頻段時異步電動機的起動轉(zhuǎn)矩Tq大大減小。這在電梯的電力拖動控制系統(tǒng)中是不希望出現(xiàn)的。2恒磁通控制方式要求調(diào)速范圍大、恒轉(zhuǎn)矩的電梯負載希望在整個調(diào)速范圍中保持Tem= C不變，按公式 進行控制減小時，應適當提高輸入定子的端電壓U1，以補償異步電動機定子繞組的阻抗壓降。按Tem=C的恒磁通em=C控制方式，變頻時異步電動機機械特性見圖（3） 。這是電梯的電力拖動控制系統(tǒng)要求和希望的。3恒功率控制方式這種控制方式是在變頻調(diào)速時，保持異步電動機定子繞組的電流為恒定值。即通過PI調(diào)節(jié)器和電流閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用而實現(xiàn)的

38、。但這種控制方式僅僅適用負載變化不大的場合，而不適用于電梯的電力拖動控制系統(tǒng)。由此可見，按Tem= C的恒磁通變頻的異步電動機的機械特性是電梯電力拖動所需求的。6.3變壓變頻運行時機械特性分折異步電動機的T 型等效電路見圖4。1電壓為額定值時改變頻率的機械特性電源頻率f1的改變，對異步電動機產(chǎn)生兩方面的影響：一是改變同步轉(zhuǎn)速n1；二是改變電動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)。（1）當f 1下降時，由于 ，所以f 1的下降會造成n1上升    （2）由于 ，所以f 1下降時， X1，X2，Xm均會成正比下降。又由于PFe與f 21成正比，所以f1下降時會造成Xm下降。（3）因為勵磁電流

39、由于f 1的下降，會使I0的變化為非線性，在低頻段I0將急劇上升。（4）氣隙合成磁通m同是由勵磁電流I0所產(chǎn)生的。磁通 大小大小取決于I0的大小以及電動機磁路的狀況。由于電動機的磁路一般設計在接近飽和的狀態(tài)，故頻率f 1下降時，m 會出現(xiàn)過飽和。這也是I0隨f 1下降急劇上升的原因。（5）轉(zhuǎn)子電流I2的大小決定于負載的大小。在額定負載下，當f1下降時，m上升，cos2上升，所以I2會下降。（6） 因為定子電流I1=I0+（-I2），因此當f1下降時，I1可能會出現(xiàn)變化。在低頻段重負載下I1上升；在較高頻率段輕負載下I1下降。（7）f1的下降對起動轉(zhuǎn)矩Tq的影響。因為當f 1處于較高頻率段時，隨

40、著f1的下降Tq會出現(xiàn)急劇上升；在低頻段時隨著f1的下降Tq的上升將會趨緩。2頻率為額定值時改變電壓的機械特性改變輸入定子電壓U1，主要影響電動機的運行參數(shù)，并會對運行時的I0，I2，m等產(chǎn)生影響。（1）I0的影響。因為當U1下降，I0也隨之下降。（2）氣隙合成磁通m的影響。由于電壓U1的下降，電機磁路處于非飽和的狀態(tài)，所以可以認為m隨U1正比下降。（3）轉(zhuǎn)子電流I2的影響。I2的大小取決于負載的大小，在額定負載時，因為TN=Tem，當U1下降時，I2上升。（4）定子電流I1的影響。當U1下降時，使I2上升，造成I1的變化，輕負載時I1則下降，重負載時I1則上升。（5）起動轉(zhuǎn)矩Tq。因為當U1

41、下降時，Tq隨U21成正比下降。（6）最大轉(zhuǎn)矩Tm。因為Tm與U21成正比，電壓降低，會使電動機過載能力下降。第七章  PWM技術(shù)原理  由于全控型電力半導體器件的出現(xiàn)，不僅使得逆變電路的結(jié)構(gòu)大為簡化，而且在控制策略上與晶閘管類的半控型器件相比，也有著根本的不同，由原來的相位控制技術(shù)改變?yōu)槊}沖寬度控制技術(shù)，簡稱PWM技術(shù)。  PWM技術(shù)可以極其有效地進行諧波抑制，在頻率、效率各方面有著明顯的優(yōu)點使逆變電路的技術(shù)性能與可靠性得到了明顯的提高。采用PWM方式構(gòu)成的逆變器，其輸人為固定不變的直流電壓，可以通過PWM技術(shù)在同一逆變器中既實現(xiàn)調(diào)壓又實現(xiàn)調(diào)頻。由于這種逆變器只

42、有一個可控的功率級，簡化了主回路和控制回路的結(jié)構(gòu)，因而體積小、質(zhì)量輕、可靠性高。又因為集凋壓、調(diào)頻于一身，所以調(diào)節(jié)速度快、系統(tǒng)的動態(tài)響應好。此外，采用PWM技術(shù)不僅能提供較好的逆變器輸出電壓和電流波形，而且提高了逆變器對交流電網(wǎng)的功率因數(shù)。  把每半個周期內(nèi)，輸出電壓的波形分割成若干個脈沖，每個脈沖的寬度為每兩個脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比為此時，電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，也同樣可以實現(xiàn)變頻也變壓的效果，如圖5一l所示。其中，圖5一la為調(diào)制前的波形，圖5一lb為調(diào)制后的波形。與圖5一la相比，圖5一l

43、b的電壓周期增大(頻率降低)，電壓脈沖的幅值不變，而占空比則減小，故平均電壓降低。    PWM的輸出電壓和電流的波形都是非正弦波，具有許多高次諧波成分。為了使輸出電流的波形接近于正弦波，又提出了正弦波脈寬調(diào)制的方式。7.1  正弦波脈寬調(diào)制(SPWM）1SPWM的概念工程實際中應用最多的是正弦PWM法(簡稱SPWM)，它是在每半個周期內(nèi)輸出若干個寬窄不同的矩形脈沖波，每一矩形波的面積近似對應正弦波各相應局部波形下的面積，如圖52所示。例如，將一個正弦波的正半周劃分為N等份(圖中N=12)，每一等份的正弦波形下的面積可用一個與該面積相等的矩形來代替，于是

44、正弦波形所包圍的面積可用這N個等幅(VD)不等寬的矩形脈沖面積之和來等效。各矩形脈沖的寬度自可由理論計算得出，但在實際應用中常由正弦調(diào)制波和三角形載波相比較的方式來確定脈寬：因為等腰三角形波的寬度自上向下是線性變化的，所以當它與某一光滑曲線相交時，可得到一組幅值不變而寬。度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖。若使脈沖寬度與正弦函數(shù)值成比例，則也可生成SPWM波形。在工程應用中感興趣的是基波，假定矩形脈沖的幅值VD恒定，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)N也不變，通過理論分析可知，其基波的幅值V1m脈寬i有線性關(guān)系，如下式所示    -   該式說明，逆變器輸出基波電壓

45、幅值隨調(diào)制脈沖的寬度而變化，只要采取措施(利用控制信號去調(diào)節(jié)脈寬)，即可調(diào)節(jié)基波幅值。半周期內(nèi)的脈沖數(shù)N越多，諧波抑制效果越顯著，但值將受到換流電路中為減少額外損耗和保證安全換流所允許的最大換流速率以及最小脈寬、最小間隙的限制。    在進行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小。反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，如圖5 3所示；這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。    SPWM方式的控制方法可分為

46、多種。從實現(xiàn)的途徑可分為硬件電路與軟件編程兩種類型；而從工作原理上則可按調(diào)制脈沖的極性關(guān)系和控制波與載波間的頻率關(guān)系來分類。按調(diào)制脈沖極性關(guān)系可分為單極性SPWM和雙極性SPWM兩種。7.2 單極性SPWM法所謂單極性控制是指在輸出波形  的半個周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的兩個開關(guān)元件只有一個處于不斷切換  的開關(guān)狀態(tài)，另一個則始終處于關(guān)斷狀態(tài)。因此，輸出波形在任何半周期  內(nèi)始終為一個極性，單極性控制方式的SPWM波形如圖54所示，載波信號UT采用單極性等腰三角形波，控制信號UC為正弦波形，利用倒相信號UX來處理兩者間的配合關(guān)系。當UCUT時，元件開通；當UC、&

47、lt;UT時，元件關(guān)斷，形成的調(diào)制波是等幅、等距但不等寬的脈沖列，經(jīng)半波倒相后輸出。改變控制信號UC的幅值時，調(diào)制波的脈寬將隨之改變，從而改變了輸出電壓的大小。改變控制信號UC的頻率，則輸出電壓的基波頻率亦隨之而改變，這樣就實現(xiàn)既可調(diào)壓又可調(diào)頻的目的。< FONT> 3雙極性SPWM法  雙極性控制則是指在輸出波形的半周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的兩只元件均處于開關(guān)狀態(tài)，但它們之間的關(guān)系是互補的，即通斷狀態(tài)彼此是相反交替的。這樣輸出波形在任何半周期內(nèi)都會出現(xiàn)正、負極性電壓交替的情況，故稱之為雙極性控制，其波形示意圖如圖55所示。與單極性控制方式相比，載波和控制波都變

48、成了有正、負半周的交流方式，其輸出矩形波也是任意半周中均出現(xiàn)正負交替的情況。  4SPWM渡生成方法  正弦脈寬調(diào)制波SPWM)的生成方法可分為硬件電路與軟件編程兩種方式。  (1)三角波法。前已述及，生成SPWM波形要求按正弦規(guī)律控制脈沖列的脈寬。其原理是，將等腰三角形載波與正弦控制波通過比較器進行比較，則在比較器輸出端就形成了SPWM波?？梢?，生成SPWM波的電路必須由三部分組成：三角波發(fā)生器、正弦波發(fā)生器和比較器，其框圖及波形示意如圖56所示。由圖中的波形可以看出，若等腰三角載波的頻率是正弦波頻率的N倍時，N稱為載波比，則正弦波形在一個周期內(nèi)被劃分為N等分，并對應著N個寬度不等的矩形脈沖。當足夠大時(例如N20)， 這一串矩形脈沖序列的面積將非常接近正弦波形的面積。各矩形脈沖的寬度是可近似用下式表示式中，VCM為正弦控制波幅值；VTM為三角載波的幅值。    這種生成SPWM形的方法稱為三角波調(diào)制法。