交直交變頻調(diào)速設計及仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 要近些年來，隨著現(xiàn)代電力電子技術、計算機技術和自動控制技術的迅速發(fā)展，交流傳動與控制技術成為目前發(fā)展最為迅速的技術之一，電氣傳動技術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)字控制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。變頻調(diào)速技術的迅速發(fā)展被越來越多的應用于電機控制領域中，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，以及廣泛的適用范圍和調(diào)速時因轉(zhuǎn)差功率不變而無附加能量損失等優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為是最有發(fā)展前途的高效調(diào)速方式。所以，對交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本工作

2、原理和特性的研究是十分有積極意義的。本文研究了變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本組成部分，主回路主要有三部分組成：將工頻電源變換為直流電源的“整流器”；吸收由整流器和逆變器回路產(chǎn)生的電壓脈動的“濾波回路”，也是儲能回路；將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。以Matlab/Simulink為仿真工具，搭建交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，并對仿真結果進行分析研究。通過仿真試驗對該交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理、工作特性及作用有更深的認識，也對諧波對于交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的影響有了一定的了解。第一章 緒 論1.1 交流調(diào)速技術發(fā)展概況 在很長的一個歷史時期內(nèi)，直流調(diào)速系統(tǒng)以其所具有優(yōu)良的靜、動態(tài)性能指標壟斷調(diào)速傳動

3、應用領域。但是隨著生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展，直流電機的缺點逐步顯示出來，由于機械式換向器的存在使直流電機的維護工作量增加并限制了電機容量、電壓、電流和轉(zhuǎn)速的上限值，加之故障率高、效率低、成本高、使用環(huán)境受限等缺點，使其在一些大容量的調(diào)速領域中無法應用。而異步電動機特別是鼠籠異步電動機，容量、電壓、電流和轉(zhuǎn)速的上限，不像直流電動機那樣受限制。而且異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源相連，其定子電流直接取自交流電力系統(tǒng)。與其它電機相比，異步電動機的結構簡單，制造、使用、維護方便，堅固耐用，運行可靠，重量輕，故障率低，成本低。以三相異步電動機為例，與同功率、同轉(zhuǎn)速的直流電動機相比，前者重量只及后者的二分之一

4、，成本僅為三分之一。異步電動機還容易按不同環(huán)境條件的要求，派生出各種系列產(chǎn)品。它還具有接近恒速的負載特性，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械拖動的要求。但是在過去很長的時間里由于交流電動機調(diào)速困難的致命缺點，簡單調(diào)速方案不能得到很好的性能指標。20世紀70年代之后，隨著交流電動機調(diào)速的理論問題的突破和調(diào)速裝置（主要是變頻器）性能的完善，交流電動機調(diào)速性能的缺點得到了克服，使得交流調(diào)速系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，其技術和性能勝過其它任何一種調(diào)速方式 (如:降壓調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、內(nèi)反饋串級調(diào)速和液力偶合調(diào)速)。目前，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵，甚至可以超過并逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。目前

5、，從數(shù)百瓦級的家用電器到數(shù)千千瓦級乃至數(shù)萬千瓦級的調(diào)速傳動裝置，可以說無所不包的都可用交流調(diào)速傳動方式來實現(xiàn)。交流調(diào)速傳動已經(jīng)從最初的只用于風機、泵類的調(diào)速過渡到針對各類高精度、快響應的高性能指標的調(diào)速控制。與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，交流調(diào)速系統(tǒng)具有以下特點：（1） 容量大；（2） 轉(zhuǎn)速高且耐高壓；（3） 交流電動機的體積、重量、價格比同等容量的直流電動機小，且結構簡單、經(jīng)濟可靠、慣性小；（4） 交流電動機環(huán)境使用性強，堅固耐用，可以在十分惡劣的環(huán)境下使用；（5） 高性能、高精度的新型交流拖動系統(tǒng)已達同直流拖動系統(tǒng)一樣的性能指標；（6） 交流調(diào)速系統(tǒng)能顯著的節(jié)能。從性能價格比的角度看，交流調(diào)速裝置已

6、經(jīng)優(yōu)于直流調(diào)速裝置。交流調(diào)速系統(tǒng)最終將取代直流調(diào)速系統(tǒng)。 而交流調(diào)速傳動控制技術之所發(fā)展得如此迅速，與一些關鍵性技術的突破性進展有關，這些技術包括電力電子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技術、基于電力電子電路的電力變換技術、交流電動機的矢量變換控制技術、直接轉(zhuǎn)矩控制技術、PWM（Pulse Width Modulation）技術以及微型計算機和大規(guī)模集成電路為基礎的全數(shù)字化控制技術等?？刂葡啾?，加、減速更為平滑，且容易使系統(tǒng)穩(wěn)定。但是轉(zhuǎn)差頻率控制并未能實施對電機瞬時轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，而且動態(tài)電流相位的延時會影響系統(tǒng)的實際動態(tài)響應。目前，交流調(diào)速系統(tǒng)的主要應用方向可分為如下三大類。（1） 以節(jié)

7、能目的的改恒速為可調(diào)速。在原來大量的交流不調(diào)速領域（如風機、水泵、壓縮機等）中，改直流啟動為軟啟動；改恒速為可調(diào)速；在調(diào)速性能要求不高的場合，為降低成本采用開環(huán)調(diào)速。僅以泵的控制改造為例，節(jié)電高達20%以上。（2） 以少維護省力為目的的取代直流調(diào)速系統(tǒng)。在直接關系到生產(chǎn)和人身安全的重要場合，為減少直流電機的故障和節(jié)省維護時間，改用交流調(diào)速系統(tǒng)。如直流電梯改為交流電梯，有利于保證人身安全，增加正常運轉(zhuǎn)運營時間；直流軋機改為交流軋機，可以大大節(jié)省檢修時間，提高生產(chǎn)效率；電動汽車中采用交流驅(qū)動，可以減小體積和重量，提高可靠性。（3） 直流調(diào)速難以實現(xiàn)的領域在直流電機很難實現(xiàn)的大容量高速領域，交流調(diào)速

8、系統(tǒng)可以大顯身手。如電動機車、厚板軋機、高速電鉆等。從多方面來看，交流調(diào)速系統(tǒng)完全可以取代直流調(diào)速系統(tǒng)，并將為工業(yè)生產(chǎn)以及節(jié)電節(jié)能等方面帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益【0】。1.2 研究變頻調(diào)速的目的與意義異步電動機比直流電機結構簡單、成本低、工作可靠、維護方便、效率高。因此，研究異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)，對于提高經(jīng)濟效益具有十分重要的現(xiàn)實意義。由電機學可知，異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式為: (1-1)式中 電動機的輸出轉(zhuǎn)速; 為電機的定子供電頻率； 電動機的轉(zhuǎn)差率: 電機的極對數(shù)。由公式(1-1)可知，實現(xiàn)異步電動機輸出速度的改變，主要通過3類方式來實現(xiàn)，即改變電機的極對數(shù)、變化轉(zhuǎn)差率以及改變供電頻率。

9、目前常見到的具體實現(xiàn)調(diào)速方案有：變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速以及變頻調(diào)速等。其中變極調(diào)速方式屬于有級調(diào)速，調(diào)速范圍窄，應用場合有限；調(diào)壓調(diào)速方式是以消耗轉(zhuǎn)差功率為代價，不利于節(jié)能，一般應在中小型風機、泵類等功率調(diào)速系統(tǒng)中；串級調(diào)速是以消耗部分轉(zhuǎn)差功率為代價較前者在節(jié)能方面略勝一籌，是一種結構簡單，實現(xiàn)方便，較為經(jīng)濟方式，多用在繞線式異步電動機技術改造中；變頻調(diào)速是最為理想的異步電動機調(diào)速方式，以其高效率和高性能等優(yōu)勢，目前應用最為廣泛。通過流體力學的基本定律可知:風機 (或水泵)類設備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、壓力(揚程)H以及軸功率P具有如下關系 （1-2） （1-3） （1-4）

10、由公式(1-4)可知，在其它運行條件不變的情況下，通過下調(diào)電機的運行速度，其節(jié)電效果是與轉(zhuǎn)速降落成立方的關系，因此，節(jié)電效果非常明顯。例如在工況只需要50%的風量或水量時，則可以將電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為額定的一半，而此時電機消耗的功率僅為額定的2.5%，即理論上節(jié)能可達87.5%.目前交流傳動己經(jīng)上升為電氣調(diào)速傳動的主流，直流傳動系統(tǒng)占統(tǒng)治地位的局面已經(jīng)受到強烈的沖擊。推廣使用可調(diào)速電動機及其控制系統(tǒng)的節(jié)能具有廣闊的前景，在不久的將來，交流電氣傳動將會完全取代直流電氣傳動。電動機作為風機、水泵、壓縮機、機床等各種設備的動力，已廣泛應用于工業(yè)、商業(yè)、公用設施和家用電器等各個領域，其中異步電動機是各類電

11、動機中應用最廣、需要量最大的一種。使之成為國內(nèi)外企業(yè)采用電機節(jié)能方式的首選。因此，提高電機系統(tǒng)的效率，對節(jié)約電能意義十分重大。隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術得到了迅速發(fā)展，其顯著的節(jié)能效益，高精確的調(diào)速精度，寬泛的調(diào)速范圍，完善的保護功能，以及易于實現(xiàn)的自動通信功能，得到了廣大用戶的認可，在運行的安全可靠、安裝使用、維修維護等方面，也給使用者帶來了極大的便利。因此，研究交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)將有利于提高系統(tǒng)的可靠性和工作效率。為了研究交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)，本論文主要利用Matlab/Simulink仿真工具，搭建交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，通過對系統(tǒng)各部分參

12、數(shù)的設定對該系統(tǒng)進行仿真，根據(jù)仿真結果，分析三相異步電動機交流交直交變頻調(diào)速的工作原理與工作特性及變頻器對電機的影響等，實現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)設計，這對高性能的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有一定的應用價值和現(xiàn)實意義。1.3 交流調(diào)速的研究分析(1) 電力電子器件的使用 現(xiàn)代交流調(diào)速技術的快速發(fā)展和電力電子技術的發(fā)展是分不開的，以電力為對象的電子技術稱為電力電子技術。它是一門利用電力電子器件對電能進行轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)膶W科，是現(xiàn)代電子學的一個重要分支。從20世紀50年代末晶閘管問世以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，電力電子器件得到了迅猛的發(fā)展。從只能觸發(fā)導通而不能控制關斷的半控型器件（如Thyristor晶閘管），到可以控制導通和關斷

13、的全控型器件（如GTO門極可關斷晶閘管、GTR電力晶閘管）；從電流控制到電壓（電場）控制（如IGBT絕緣柵雙極型晶閘管、MOSFET電力場效應晶閘管），它們的使用使得開關高頻化的PWM 技術成為可能。 目前功電力電子器件正向大功率、高頻化、集成化、智能化、易觸發(fā)、低損耗和好保護等方向發(fā)展。典型的電力電子變頻裝置有電壓型交直交變頻器、電流型交直交變頻器和交交變頻器三種。電壓型交直交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電容作儲能元件，無功功率將由大電容來緩沖，不具有四象運行能力。對于負載電動機而言，電壓型變頻器相當于一個交流電壓源，在不超過容量限度的情況下，可以驅(qū)動多臺電動機并聯(lián)運行。電壓型PWM 變頻器在

14、中小功率電力傳動系統(tǒng)中占有主導地位，是目前發(fā)展最快，應用最廣的變頻器。但電壓型變頻器的缺點在于電動機處于制動(發(fā)電)狀態(tài)時，回饋到直流側(cè)的再生電能難以回饋給交流電網(wǎng)，要實現(xiàn)這部分能量的回饋，網(wǎng)側(cè)不能采用不可控的二極管整流器或一般的可控整流器，必須采用可逆變頻器，這種再生能量回饋式高性能變頻器具有直流輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸入電流 (網(wǎng)側(cè)電流)波形基本為正弦波，電壓波形為矩形波，功率因數(shù)保持為1并且能量可以雙向流動的特點。電流型交直交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖，它的一個突出優(yōu)點是當電動機處于制動 (發(fā)電)狀態(tài)時，只需改變網(wǎng)側(cè)可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到

15、直流側(cè)的再生電能方便地回饋到交流電網(wǎng)，構成的調(diào)速系統(tǒng)具有四象限運行能力，能很好地實現(xiàn)電機的制動功能，可用于頻繁加減速等對動態(tài)性能有要求的單機應用場合。交-交變頻器電路具有效率高，可實現(xiàn)四象限工作，低頻輸出波形接近正弦波。但它接線復雜，輸入電流諧波大，輸入功率因數(shù)低，受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，所以一般只用于低速（低頻）的大容量調(diào)速傳動中。為此，矩陣式交一交變頻器應運而生。矩陣式交一交變頻器是近年出現(xiàn)的一種新穎的變頻電路，它是直接的變頻電路，采用全控型的開關器件，以斬波方式控制，具有功率密度大，沒有中間直流環(huán)節(jié)，輸入功率因數(shù)為1,輸入電流為正弦波，以及具有能量雙向流動、四象限運行能力和輸出

16、頻率不受電網(wǎng)頻率的限制的優(yōu)點。(2) 應用脈寬調(diào)制( PWM)技術 電壓型PWM變頻器是目前最常用的，發(fā)展最快的變頻器，也是一種很有發(fā)展前途的變頻調(diào)速方法。PWM 技術利用功率半導體器件的高頻開通和關斷，把直流電壓變成按一定的寬度規(guī)律變化的電壓脈沖序列，以實現(xiàn)變頻與變壓，并有效地抑制和消除諧波的影響。PWM控制技術一般可分為三大類，即:正弦PWM、優(yōu)化PWM 及隨機PWM。正弦PWM 包括電壓、電流和磁通的正弦PWM ，正弦PWM一般隨著功率器件開關頻率的提高而得到很好的性能。在中小功率交流傳動的系統(tǒng)中被廣泛的采用。但是對于大容量的電力變換裝置來說，太高的開關頻率會增加開關的損耗，而且大功率器

17、件的開關頻率目前還不能做得很高，在這種情況下，優(yōu)化PWM 技術正好符合裝置的需要。特定諧波消除法 (Selected Harmonic Mi-inationPWM,SHE PWM)、效率最優(yōu)PWM和轉(zhuǎn)矩脈動最小PWM都屬于優(yōu)化PWM技術的范疇。對于普通的PWM變頻器，其輸出電流往往含有較大的諧波成分，諧波電流的存在，會使電動機定子產(chǎn)生振動而發(fā)出電磁噪聲而且還容易引起電動機的機械共振，導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。為了解決以上問題，可以提高功率器件的開關頻率，但這會增加開關的損耗；另一種解決方法是隨機地改變功率器件的導通位置和開關頻率，使變頻器輸出電壓的諧波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍內(nèi)，從而抑制那些

18、幅值比較大的諧波成分，以達到抑制電磁噪聲和機械共振的目的，這就是隨機PWM 技術。(3) 應用矢量控制技術、直接轉(zhuǎn)矩控制技術及現(xiàn)代控制理論 交流傳動系統(tǒng)中的交流電動機是一個多變量、非線性、強禍合、時變的被控對象，VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)控制是從電動機穩(wěn)態(tài)方程出發(fā)研究其控制特性，動態(tài)控制效果很不理想。20世紀70年代初提出用矢量變換的方法來研究交流電動機的動態(tài)控制過程。它其原理是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相/二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1及Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步

19、旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流Im1及It1(Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿對直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質(zhì)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(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)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。但是在實際應用中，由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。此外，它必須直

20、接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實現(xiàn)定子電流解耦控制，這需要在控制系統(tǒng)中配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應用場合帶來不便。0為了解決系統(tǒng)復雜性和控制精度的問題，又提出了直接轉(zhuǎn)矩控制方法。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。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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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。

21、(4) 應用微電子技術隨著微電子技術的快速發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到了很大的提高，實現(xiàn)了模擬控制無法實現(xiàn)的復雜控制，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)有望取代模擬控制系統(tǒng)。目前用于交流傳動系統(tǒng)的微處理器有單片機、數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP )、專用集成電路(Application Specific IntegratedCircuit, ASIC)等。其中，高性能的計算機結構形式采用超高速緩沖儲存器、多總線結構、流水線結構和多處理器結構等。核心控制算法的實時完成、功率器件驅(qū)動信號的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保護功能都可以通過微處理器實現(xiàn)，為交流傳

22、動系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標準化程度高，成本低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達到了較高的性能價格比。(5) 開發(fā)新型電動機和無機械傳感器技術交流傳動系統(tǒng)的發(fā)展對電動機本體也提出了更高的要求。電動機設計和建模有了新的研究內(nèi)容，如三維渦流場的計算、考慮轉(zhuǎn)子運動及外部變頻供電系統(tǒng)方程的聯(lián)解、電動機阻尼繞組的合理設計及籠條的故障檢測等。為了更詳細地分析電動機內(nèi)部過程，如繞組短路或轉(zhuǎn)子斷條等問題，多回路理論應運而生。隨著永磁材料特別是欽鐵硼永磁的發(fā)展，永磁同步電動機(Permanent-Magnet Synchronous Motor, PMSM)的研究逐漸熱門和深入，由于這類

23、電動機無需勵磁電流，運行效率、功率因數(shù)和功率密度都很高，因而在交流傳動系統(tǒng)中獲得了日益廣泛的應用。在高性能的交流調(diào)速傳動系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子速度 (位置)閉環(huán)控制往往是必需的。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速 (位置)反饋控制，須用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等與電動機同軸安裝的機械速度(位置)傳感器來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子速度和位置的檢測。但機械式的傳感器有安裝、電纜連接和維護等問題，降低了系統(tǒng)的可靠性。對此，許多學者開展了無速度 (位置)傳感器控制技術的研究，即利用檢測到的電動機出線端電量 (如電機電壓、電流)，估測出轉(zhuǎn)子的速度、位置，還可以觀測到電動機內(nèi)部的磁通、轉(zhuǎn)矩等，進而構成無速度 (位置)傳感器高性能交流傳動系統(tǒng)。該技術無需在電

24、動機轉(zhuǎn)子和機座上安裝機械式的傳感器，具有降低成本和維護費用、不受使用環(huán)境限制等優(yōu)點，將成為今后交流電氣傳動技術發(fā)展的必然趨勢。(6) 變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波對交流電機負載運行的影響 電機的轉(zhuǎn)速和電源的頻率是線性關系，變頻器就是利用這一原理將50Hz的工頻電通過整流和逆變電路轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電源。從結構來看，變頻器可分為間接變頻和直接變頻兩大類。間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成頻率和電壓可控的交流。直接變頻器則將工頻交流直接變換成頻率和電壓可控的交流，沒有中間的直流環(huán)節(jié)。目前變頻調(diào)速系統(tǒng)應用較多的還是間接變頻器，即交直交變頻器.由于變頻器供電側(cè)電流中會含有諧

25、波，這些諧波電流注入電網(wǎng)后將對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，而其逆變電路輸出側(cè)產(chǎn)生的高次諧波也會給電動機帶來諸如發(fā)熱加劇、轉(zhuǎn)矩脈動及噪聲等問題，甚至造成電機損壞，另外，諧波還對通信以及電子設備產(chǎn)生嚴重干擾，影響周圍設備的正常運行。因此，研究變頻器的諧波特性將有利于提高交流傳動系統(tǒng)的可靠性和工作效率。1.4 論文內(nèi)容安排第一章 緒論：主要介紹交流調(diào)速技術的發(fā)展概況、研究變頻調(diào)速的目的與意義、交流調(diào)速的研究分析及介紹論文章節(jié)內(nèi)容的安排。第二章 系統(tǒng)仿真技術：比較交流調(diào)速系統(tǒng)的各種調(diào)速方案，重點分析了交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的原理及機械特性，及對交流調(diào)壓調(diào)速電路以及閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)進行了重點的研究分析。第三章

26、 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真：運用MATLAB的SIMULINK工具箱分別對異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的主電路與控制電路進行建模和參數(shù)設置，最終建立了異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)電路的仿真模型，并對其進行了仿真分析和研究，給出仿真結果，通過對仿真結果的分析驗證了交流調(diào)壓電路的工作原理和所建模型的正確性。 第四章 結論：對全文進行總結，指明異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向。第二章 系統(tǒng)仿真技術2.1 系統(tǒng)仿真技術的概述 系統(tǒng)是由客觀世界中實體與實體間的相互作用和相互依賴的關系構成的具有某種特定功能的有機整體。系統(tǒng)的分類方法是有多種多樣的，習慣上依照其應用范圍可以將系統(tǒng)分為工程系統(tǒng)和非工程系統(tǒng)。工程

27、系統(tǒng)的含義是指由相互關聯(lián)部件組成的一個整體，以實現(xiàn)特定的目的。例如電機驅(qū)動自動控制系統(tǒng)是由執(zhí)行部件、功率轉(zhuǎn)換部件以及檢測部件所組成，用它來完成電機的轉(zhuǎn)速、位置和其他參數(shù)控制的某個特定目標。非工程系統(tǒng)的定義范圍很廣，大至宇宙，小至原子，只要存在著相互關聯(lián)、相互制約的關系，形成一個整體，實現(xiàn)某種目的的均可以認為是系統(tǒng)。如果想定量地研究系統(tǒng)地行為，可以將其本身的特性及內(nèi)部的相互關系抽象出來，構造出系統(tǒng)的模型，系統(tǒng)的模型分為物理模型和數(shù)學模型。由于計算機技術的快速發(fā)展和廣泛應用，數(shù)學模型的應用越來越普遍。系統(tǒng)的數(shù)學模型是描述系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學表達式，用來表示系統(tǒng)運動過程中的各個量的關系，是分析與設計系

28、統(tǒng)的依據(jù)。從它所描述的系統(tǒng)的運動性質(zhì)和數(shù)學工具來分，又可以分為連續(xù)系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)、離散事件系統(tǒng)及混雜系統(tǒng)等。還可細分為線性、非線性、定常、時變、集中參數(shù)、分布參數(shù)、確定性、隨機等子類。系統(tǒng)仿真是根據(jù)被研究的真實系統(tǒng)的數(shù)學模型研究系統(tǒng)性能的一門重要的學科，現(xiàn)在尤指是利用計算機去研究數(shù)學模型行為的方法。計算機仿真的基本內(nèi)容包括了系統(tǒng)、算法、模型、計算機程序設計與仿真結果顯示、分析與驗證等環(huán)節(jié)。 2.2 仿真軟件與仿真步驟2.2.1 仿真軟件電力拖動自動控制系統(tǒng)的動態(tài)過程是非常復雜的，這是由變流器電機系統(tǒng)的非線性何不連續(xù)性引起的。因此，當研究一種控制的方案時，通常的做法是將電氣傳動系統(tǒng)在計算機上

29、進行仿真。這樣在建立線路實驗模型之前，即可對性能進行詳細的研究。電氣傳動系統(tǒng)覆蓋著納秒級的電子器件暫態(tài)過程、毫秒級的控制其調(diào)節(jié)過程和秒級的機電過渡過程。因此，對于電力電子系統(tǒng)必須分別研究其變流器部分和系統(tǒng)部分。前者需要采用精確的電力電子器件模型；后者則只需采用理想化的器件模型，包括理想化的交流器和系統(tǒng)的完整傳動系統(tǒng)，避免了諸多的假定條件和復雜的數(shù)學運算，是系統(tǒng)的設計和研究更加直觀、實際。在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，直流電動機、異步電動機和同步電動機的電氣動態(tài)特性可以分別用不同階數(shù)的非線性微分方程表示。此方程可以以定子作為參考系統(tǒng)，或者采用同步旋轉(zhuǎn)參考系統(tǒng)。整流器和逆變器可以準確的用開關電路表示，

30、并忽略其離散時間性質(zhì)，經(jīng)過變換與電機模型合并起來。待反饋控制的變流器電機模型可以在計算上進行仿真，對控制參數(shù)可以進行細微的調(diào)整，得到所需要的性能。另一種研究方法是利用小信號擾動原理，對變流器電機系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析，一旦得到滿意的仿真性能，就可以著手進行模擬線路實驗，并與仿真結果進行比較。近年來多個著名的仿真軟件已成功的應用于電力電子仿真，如MATLAB、Pspice、Saber、IsPspice、dSPACE等。當前電子技術已經(jīng)全面進入了數(shù)字化時代，為了大幅度提高效率，在研制新型電子系統(tǒng)過程中，往往首先提出一個新的設想；然后對其進行仿真以驗證設想的可行性，并預測其性能參數(shù)；在達到了預期的效果之

31、后，在進行硬件的實現(xiàn)。這種方法已經(jīng)逐步成為科研工作的一種主要模式，其中進行系統(tǒng)仿真是其重要的一環(huán)。2.2.2 電子系統(tǒng)的仿真步驟 一般來說，一個電子系統(tǒng)可以抽象為由線性器件和非線性器件組成的數(shù)學模型，而電子系統(tǒng)仿真就是根據(jù)適當?shù)哪Ｐ蛯嶋H的電子系統(tǒng)進行實驗研究的過程。數(shù)學模型的建立是進行系統(tǒng)仿真的基礎，也是進行系統(tǒng)仿真必須首先解決的問題。數(shù)學模型的正確與否、與實際電子系統(tǒng)的近似程度都會直接影響仿真的結果。數(shù)學模型的建立通常又稱為系統(tǒng)建模，它是對電子系統(tǒng)進行仿真的一個重要的環(huán)節(jié)。在確定了電子系統(tǒng)的數(shù)學模型之后，就可以用適當?shù)姆抡嬲Z言或仿真工具對系統(tǒng)進行仿真。在電子系統(tǒng)的數(shù)學模型建立起來后，必須利

32、用一種或幾種合適的仿真算法編制仿真程序，進而進行電子系統(tǒng)的仿真實驗。仿真算法、仿真語言和仿真程序構成了數(shù)學仿真軟件。對于電子系統(tǒng)來說，可以采用的仿真語言有很多種，其中MATLAB語言具有非常突出的優(yōu)點，目前已經(jīng)成為電子系統(tǒng)的首選的仿真語言，在科研與教學領域內(nèi)被廣泛使用。一般來說，電子系統(tǒng)的仿真可以分為如下五個步驟：1、 根據(jù)要分析的電子系統(tǒng)，建立相應的數(shù)學模型；2、 找到合適的仿真算法；3、 應用仿真語言編制計算程序；4、 根據(jù)初步的仿真結果對該數(shù)學模型進行驗證；5、 進行系統(tǒng)仿真并認真分析仿真結果。 上述五個步驟之間是有連帶關系的，不可能將它們完全分離開。在實際仿真時，往往反復重復前四個步驟

33、，以保證數(shù)學模型的正確性和仿真算法的可行性。2.3 MATLAB 概述MATLAB是國際上仿真領域最權威、最實用的計算機工具。它是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化數(shù)學軟件，被譽為“巨人肩上的工具”。MATLAB是一種應用于計算技術的高性能語言。它將計算、可視化和編程結合在一個易于使用的環(huán)境中，此而將問題解決方案表示成我們所熟悉的數(shù)學符號，其典型的使用包括:.數(shù)學計算.運算法則的推導.模型仿真和還原.數(shù)據(jù)分析，采集及可視化.科技和工程制圖.開發(fā)軟件，包括圖形用戶界面的建立MATLAB是一個交互式系統(tǒng)，它的基本數(shù)據(jù)元素是矩陣，且不需要指定大小。通過它可以解決很多技

34、術計算問題，尤其是帶有矩陣和矢量公式推導的問題，有時還能寫入非交互式語言如C和Fortran等。MATLAB的名字象征著矩陣庫。它最初被開發(fā)出來是為了方便訪問由LINPACK和EISPAK開發(fā)的矩陣軟件，其代表著藝術級的矩陣計算軟件。MATLAB在擁有很多用戶的同時經(jīng)歷了許多年的發(fā)展時期。在大學環(huán)境中，它作為介紹性的教育工具，以及在進階課程中應用于數(shù)學，工程和科學。在工業(yè)上它是用于高生產(chǎn)力研究、開發(fā)、分析的工具之一。MATLAB的一系列的特殊應用解決方案稱為工具箱（toolboxes）。作為用戶不可缺少的工具箱，它可以使你學習和使用專門技術。工具箱包含著M-file集，它使MATLAB可延展至

35、解決特殊類的問題。在工具箱的范圍內(nèi)可以解決單個過程、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯、小波、仿真及其他很多問題。經(jīng)過幾十年的完善和擴充，它已發(fā)展成線形代數(shù)課程的標準工具。在美國，MATLAB是大學生和研究生必修的課程之一。美國許多大學的實驗室都安裝有MATLAB，供學習和研究之用。它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。其包含的SIMULINK是用于在MATLAB下建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境的組件，其包含有大量的模塊集，可以很方便的調(diào)取各種模塊來搭建所構想的試驗平臺，同時SIMULINK還提供時域和頻域分析工具，能夠直接繪制系統(tǒng)的Bode圖和Nyquis

36、t圖。MATLAB系統(tǒng)可分為五個部分:1 MATLAB語言： 這是一種高級矩陣語言，其有著控制流程狀態(tài)，功能，數(shù)據(jù)結構，輸入輸出及面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。它既有“小型編程”的功能，快速建立小型可棄程序，又有“大型編程”的功能，開發(fā)一個完整的大型復雜應用程序。MATLAB 語言具有功能強大、界面友好、編程效率高、擴展性強的特點。MATLAB的工作環(huán)境：這是一套工具和設備方便用戶和編程者使用MATLAB。它包含有在你的工作空間進行管理變量及輸入和采集數(shù)據(jù)的設備。同時也有開發(fā)、管理、調(diào)試profiling 、 M-files、 MATLABs applications的系列工具。圖形操作： 這是MATL

37、AB的圖形系統(tǒng)。它包含有系列高級命令，其內(nèi)容包括二維及三維數(shù)據(jù)可視化，圖形處理，動畫制作，表現(xiàn)圖形。同時它也提供低級命令便于用戶完全定制圖形界面并在你的MATLAB軟件中建立完整的用戶圖形界面。MATLAB數(shù)據(jù)功能庫：它擁有龐大的數(shù)學運算法則的集合，包含有基本的加，正弦，余弦功能到復雜的求逆矩陣及求矩陣的特征值， Bessel功能和快速傅立葉變換。MATLAB應用程序編程界面： 這是一個允許你在MATLAB界面下編寫C和Fortran程序的庫。它方便從MATLAB中調(diào)用例程(即動態(tài)鏈接)，使MATLAB成為一個計算器，用于讀寫MAT-files。 Simulink是MATLAB軟件的擴展，是用

38、來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，是面向系統(tǒng)結構的方便的仿真工具。它支持線形和非線性系統(tǒng)，能在連續(xù)時間、離散時間或兩者的復合情況下建模。系統(tǒng)也能采用復合速率，也就是不同的部分用不同的速率來采樣和更新。Simulink提供一個圖形化用戶界面用于建模，用鼠標拖拉塊狀圖表即可完成建模。在此界面下能像用鉛筆在紙上一樣畫模型。相對于以前的仿真需要用語言和程序來表明不同的方程式而言有了極大的進步。Simulink擁有全面的庫，如接收器，信號源，線形及非線形組塊和連接器。同時也能自己定義和建立自己的塊。模塊有等級之分，因此可以由頂層往下的步驟也可以選擇從底層往上建模。可以在高層上統(tǒng)觀系統(tǒng)，然后雙擊模

39、塊來觀看下一層的模型細節(jié)。這種途徑可以深入了解模型的組織和模塊之間的相互作用。在定義了一個模型后，就可以進行仿真了，用綜合方法的選擇或用Simulink的菜單或MATLAB命令窗口的命令鍵入。菜單的獨特性便于交互式工作，當然命令行對于運行仿真的分支是很有用的。使用scopes或其他顯示模塊就可在模擬運行時看到模擬結果。進一步，可以改變其中的參數(shù)同時可以立即看到結果的改變，仿真結果可以放到MATLAB工作空間來做后處理和可視化。模型分析工具包括線性化工具和微調(diào)工具，它們可以從MATLAB命令行直接訪問，同時還有很多MATLAB的toolboxes中的工具。因為MATLAB和Simulink是一體

40、的，所以可以仿真、分析，修改模型在兩者中的任一環(huán)境中進行。2.5變頻調(diào)速系統(tǒng)2.5.1變頻調(diào)速的控制方式變頻調(diào)速的控制方式經(jīng)歷了V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制的發(fā)展, 前者屬于開環(huán)控制, 后兩者屬于閉環(huán)控制, 正在發(fā)展的是直接轉(zhuǎn)矩控制.1.V/F控制異步電動機的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率、極對數(shù)有關, 改變頻率就可平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速. 但頻率上升或下降可能會引起磁路飽和轉(zhuǎn)矩不足現(xiàn)象，所以在改變頻率的同時， 需調(diào)節(jié)定子電壓，使氣隙磁通維持不變、電機效率不下降, 這就是V/F控制. V/F控制簡單, 通用性優(yōu)良, 但因是開環(huán)控制, 調(diào)速精度低、范圍小，只能用在調(diào)速精度和動態(tài)響應要求不高的場合。2.轉(zhuǎn)差

41、頻率控制由電機基礎知識知, 異步電動機轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通、轉(zhuǎn)差頻率的關系為：只要保持氣隙磁通一定，控制轉(zhuǎn)差頻率就能控制電機轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制。轉(zhuǎn)差頻率控制利用速度檢測器檢出電機的轉(zhuǎn)速，然后以電機速度與轉(zhuǎn)差頻率的和給定逆變器的輸出頻率，其控制精度和過電流的抑制等特性較V/ F控制都有所提高，但沒有考慮電機電磁慣性的影響，動態(tài)轉(zhuǎn)矩仍沒得到控制, 動態(tài)響應效果仍不理想。3.矢量控制矢量控制是在交流電動機上模擬直流電機控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應于直流電機的電樞電流的量和勵磁電流的量，并分別進行任意控制。矢量控制能夠?qū)D(zhuǎn)矩進行控制，獲得和直流電機一樣的優(yōu)良性能，它適用于要求快速響應或?qū)ζ饎印?/p>

42、制動有嚴格要求的場合。4.直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)的變頻調(diào)速是目前正在發(fā)展的調(diào)速方式，它無需像矢量控制那樣進行復雜的矢量變換運算，直接由定子空間矢量分析三相電動機的數(shù)學模型，并決定其控制量. DTC能夠用開環(huán)方式對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進行控制，簡化了控制結構，但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，影響低速性能，調(diào)速范圍受到限制。2.5.2變頻調(diào)速原理及其機械特性在各種異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，效率最高、性能最好的系統(tǒng)是變頻調(diào)速系統(tǒng)。 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，改變異步電動機定子繞組供電電源的頻率可以達到調(diào)速目的，如果頻率連續(xù)可調(diào)，則可平滑地調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速，即為變

43、頻調(diào)速原理。像三相異步電動機在運行時，忽略定子阻抗壓降時，定子每相電壓為 式中為氣隙磁通在定子每相中的感應電動勢；為定子電源頻率；為定子每相繞組匝數(shù)；為基波繞組系數(shù)，為每極氣隙磁通量。如果改變頻率，且保持定子電源電壓不變，則氣隙每極磁通將增大，會引起電動機鐵芯磁路飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機，這是不允許的。因此，降低電源頻率時，必須同時降低電源電壓，已達到控制磁通的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率f=50Hz）以下的調(diào)速和基頻以上調(diào)速兩種情況。2.5.3 基頻以下變頻調(diào)速為了防止磁路的飽和，當降低定子電源頻率時，保持為常數(shù)，使氣每極磁通為常數(shù)，應使電壓和頻率按比

44、例的配合調(diào)節(jié)。這時，電動機的電磁矩為上式對求導，即 ，有最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為由上式可知：當常數(shù)時，在較高時，即接近額定頻率時，隨著的降低，減少的不多；當較低時，較?。幌鄬ψ兇?，則隨著的降低，就減小了。顯然，當降低時，最大轉(zhuǎn)矩不等于常數(shù)。保持常數(shù)，降低頻率調(diào)速時的機械特征如圖1所示。這相當于他勵直流電機的降壓調(diào)速。圖1 變頻調(diào)速的機械特性（a） 基頻以下調(diào)速（常數(shù)） （b）基頻以上調(diào)速（=常數(shù)）2.5.4 基頻以上變頻調(diào)速在基頻以上變頻調(diào)速時，也按比例身高電源電壓時不允許的，只能保持電壓為不變，頻率越高，磁通越低，是一種降低磁通升速的方法，這相當于它勵電動機弱磁調(diào)速。保持=常數(shù),升高頻率時，電

45、動機的電磁轉(zhuǎn)矩為： 上式求，得最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為： 由于較高，、和比大的多，則上式變?yōu)?因此，頻率越高時，越小，也越小。保持 為常數(shù)，升高頻率調(diào)速時的機械特性如圖1（b）所示。 第三章2 交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及特性研究變頻調(diào)速系統(tǒng)的結構框圖: 圖2-1變頻器調(diào)速系統(tǒng)的原理接線圖變頻器原理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。交直交變頻器則是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，再經(jīng)過逆變器把這個直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。  交直交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬

46、件設計等各種因素，電壓型逆變器應用比較廣泛。傳統(tǒng)的電流型交直交變頻器采用自然換流的晶閘管作為功率開關，其直流側(cè)電感比較昂貴，而且應用于雙饋調(diào)速中，在過同步速時需要換流電路，在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風力發(fā)電中應用的不多。采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結構簡單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機的運行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量，并且該結構通過直流母線側(cè)電容完全實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的分離。 變頻器的整流部分通常采用三相6脈動橋式整流電路，因此，交流供電側(cè)電流中所包含的諧波主要是(k為正整數(shù))次諧波，這些諧波電流注入電網(wǎng)后將對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生不利

47、影響。在變頻器的逆變側(cè)，通過控制裝置產(chǎn)生6組脈寬可調(diào)的PWM波控制三相的6組功率元件的導通和關斷，從而形成電壓、頻率可調(diào)的三相輸出電壓。2.1 系統(tǒng)的構成交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本構成如原理圖2-1所示，它由整流、濾波、逆變等部分組成。交流電源經(jīng)整流、濾波、逆變后變成直流電源，再通過逆變器的有規(guī)則的導通和截止使之輸出頻率可變的電源。其主回路主要有三部分構成：將工頻電源變換為直流電源的“整流器”；吸收由整流器和逆變器回路產(chǎn)生的電壓脈動的“濾波回路”，也是儲能回路；將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。(1) 整流器近來大量使用的就是二極管整流器，它把工頻電源變換為直流電源，電功率的傳送是不可逆的。

48、(2) 濾波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有六倍電源頻率的脈動電壓，此外，逆變器回路產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓波動。為了抑制這些電壓波動，采用直流電抗器和電容器吸收脈動電壓（電流）。裝置容量較小時，如果電源輸出阻抗和整流器容量足夠時，可以省去直流電抗器而采用簡單的阻容濾波回路。(3) 逆變器 同整流器相反，逆變器的作用是在所確定的時間里有規(guī)則地使六個功率開關器件導通、關斷，從而將直流功率變換為所需電壓和頻率的交流輸出功率。2.2 交直交變頻的基本工作特性Ø 調(diào)速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關率較高，相對穩(wěn)定性好。 Ø 調(diào)速范圍較大，精度高。Ø

49、起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯。 Ø 變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便。Ø 易于實現(xiàn)過程自動化。 Ø 必須有專用的變頻電源，目前造價較高。 Ø 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機的過載能力大為降低。2.3 交直交變頻調(diào)速的優(yōu)越性交流電動機的調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。其中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢。這里僅就交流變頻調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)做一比較。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，由于直流電動機具有電刷和整流子，因而必須對其進行檢查，電機安裝環(huán)境受到限制。例如：不能在有易爆氣體及塵埃多的場合使用。此外，也限制了電

50、機向高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)展。而交流電機就不存在這些問題，主要表現(xiàn)為以下幾點： 第一，直流電機的單機容量一般為12 - 14MW，還常制成雙電樞形式，而交流電機單機容量卻可以數(shù)倍于它。第二，直流電機由于受換向限制，其電樞電壓最高只能做到一千多伏，而交流電機可做到6 - 10kV。第三，直流電機受換向器部分機械強度的約束，其額定轉(zhuǎn)速隨電機額定功率而減小，一般僅為每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)到一千多轉(zhuǎn)，而交流電機的達到每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)。第四，直流電機的體積、重量、價格要比同等容量的交流電機大。最后，特別要指出的是交流調(diào)速系統(tǒng)在節(jié)約能源方面有著很大的優(yōu)勢。一方面，交流拖動的負

51、荷在總用電量中占一半或一半以上的比重，這類負荷實現(xiàn)節(jié)能，可以獲得十分可觀的節(jié)電效益。另一方面，交流拖動本身存在可以挖掘的節(jié)電潛力。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，選用電機時往往留有一定余量，電機又不總是在最大負荷情況下運行；如果利用變頻調(diào)速技術，輕載時，通過對電機轉(zhuǎn)速進行控制，就能達到節(jié)電的目的。工業(yè)上大量使用風機、水泵、壓縮機等，其用電量約占工業(yè)用電量的50%；如果采用變頻調(diào)速技術，既可大大提高其效率，又可減少10%的電能消耗。2.4 交直交變頻調(diào)速合理應用交流變頻調(diào)速技術在工業(yè)發(fā)達國已得到廣泛應用。美國有60% - 65%的發(fā)電量用于電機驅(qū)動，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術，僅工業(yè)傳動

52、用電就節(jié)約了15% - 20%的電量。 采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。它主要基于下面幾個因素： (1) 變頻調(diào)速系統(tǒng)自身損耗小，工作效率高。 (2) 電機總是保持在低轉(zhuǎn)差率運行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。 (3) 可實現(xiàn)軟啟、制動功能，減小啟動電流沖擊。 在采用變頻調(diào)速時，需從工藝要求、節(jié)約效益、投資回收期等各方面考慮。如果僅從工藝要求、節(jié)約效益考慮，下面幾種情況選用變頻調(diào)速較有利： (1) 根據(jù)工藝要求，生產(chǎn)線或單臺設備需要按程序或按要求調(diào)整電機速度的。如：包裝機傳送系統(tǒng)，根據(jù)不同品種的產(chǎn)品，需要改變系統(tǒng)傳

53、送速度，使用變頻調(diào)速可使調(diào)速控制系統(tǒng)結構簡單，控制準確，并易于實現(xiàn)程序控制。 (2) 用變頻調(diào)速代替機械變速。如：機床，不僅可以省去復雜的齒輪變速箱，還能提高精度、滿足程序控制要求。 (3) 用變頻調(diào)速代替用閘門或擋板調(diào)整流量適于風機、水泵、壓縮機等。例如：鍋爐上水泵、鼓風機、引風機實行了變頻調(diào)速控制，不僅省去了伺服放大器、電動操作器、電動執(zhí)行器和給水閥門（或擋風板），而且使得整個鍋爐鍋爐控制系統(tǒng)得到了快速的動態(tài)響應、高的控制精度和穩(wěn)定性。 2.5 變頻器容量的確定變頻調(diào)速是通過變頻器來實現(xiàn)的，對于變頻器的容量確定至關重要。合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。

54、根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗，比較簡便的方法有三種： (1)電機實際功率確定發(fā) 首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。 (2)公式法 設安全系數(shù)取1.05，則變頻器的容量為  （2-1）式中，為電機負載；為電機功率。 計算出Pb后，按變頻器產(chǎn)品目錄可選出具體規(guī)格。 為第n臺電動機的額定電流，n為電機的臺數(shù)。在任何情況下，都不能在連續(xù)使用時超過額定電流I，當一臺變頻器用于多臺電機時，應滿足 電機額定電流法變頻器 變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大

55、于或等于電機的額定功率，但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少，通常都是設備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機的實際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過大，使投資增大。 雖然變頻調(diào)速有諸多優(yōu)點，但也有其不利因素，主要問題是電流中含高次諧波較多，除對電網(wǎng)有污染外，也使電機自身增加損耗，引起電機發(fā)熱。再有，變頻器價格貴、投資回收器長、技術復雜、尤其在實現(xiàn)閉環(huán)自動控制時，還需進行技術處理。 此外，不是任何情況下變頻器都節(jié)電，如果電機負載變化不大，或深井泵配有水塔，節(jié)電、節(jié)水效果都不大，就不宜使用變頻調(diào)速。2.6 熟悉Matlab的原理及應用及Simul

56、ink仿真Matlab(Matrix Laboratory的縮寫)是Mathworks公司開發(fā)的一種集計算、圖形可視化和編輯功能于一體的功能強大、操作簡便、易于擴充的語言，是目前國際上公認的優(yōu)秀的數(shù)學應用軟件之一。 Matlab系統(tǒng)的強大功能是由其核心內(nèi)容（語言系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境、圖形系統(tǒng)、數(shù)學函數(shù)庫、應用程序接口等）和輔助工具箱（符號計算、圖象處理、優(yōu)化、統(tǒng)計和控制等工具箱）兩大部分構成。Simulink是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務、多任務離散事件系統(tǒng)。在Simulink 提供的圖形用戶界面GUI上，只要

57、進行鼠標的簡單拖拉操作就可構造出復雜的仿真模型。它外表以方塊圖形式呈現(xiàn)，且采用分層結構。從建模角度講，這既適于自上而下（Top-down）的設計流程（概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、直至器件），又適于自下而上（Bottum-up） 逆程設計。從分析研究角度講，這種Simulink模型不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動態(tài)細節(jié)，而且能讓用戶清晰地了解各器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分之間的交互影響。在Simulink環(huán)境中，用戶將觀察到現(xiàn)實世界中摩擦、風阻、齒隙、飽和、死區(qū)等非線性因素和各種隨機因素對系統(tǒng)行為的影響。在Simulink環(huán)境中，用戶可以在仿真進程中改變感興趣的參數(shù)，實時地觀察系統(tǒng)行為的變化。Simulink環(huán)境使用戶擺脫了深奧數(shù)學推