交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的研究

1、交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的研究摘要：最近幾年，隨著新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能的交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，他的顯著的節(jié)能效果和靈活的運行方式，給人們留下了深刻的印象。本論文首先論述了變頻調(diào)速的基礎(chǔ)技術(shù)，簡述了它在我國的發(fā)展和應(yīng)用以及今后在這方面應(yīng)做的工作；其次對系統(tǒng)的主電路、控制電路、電氣控制電路以及實現(xiàn)控制的軟、硬件進行了系統(tǒng)地分析，并對調(diào)速系統(tǒng)的實施方案進行了論證。在此基礎(chǔ)上，調(diào)速系統(tǒng)主電路采用了交-直-交型電路形式及交交調(diào)速系統(tǒng)；最后以PWM電壓源型交流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理框圖為例，分析并介紹交流電動機的調(diào)速系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：交流調(diào)速 變頻調(diào)速 PWM第一章

2、 引言1.1 設(shè)計的目的和意義近年來，隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(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(dāng)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(rèn)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國內(nèi)外研究現(xiàn)狀交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國已得到廣泛應(yīng)用。美

3、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(shù)，僅工業(yè)傳動用電就節(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(shè)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)傳送速度，使用變頻

4、調(diào)速可使調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制準(zhǔn)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(fù)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(fēng)機、水泵、壓縮機等。例如：鍋爐上水泵、鼓風(fēng)機、引風(fēng)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(fēng)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(yīng)、高的控制精度和穩(wěn)定性。交流變頻調(diào)速的方法是異步電機最有發(fā)展前途的調(diào)速方法。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，性能可靠、匹配完善、價格便宜的變頻器會不斷出現(xiàn)，這一技術(shù)會得到更為廣泛、普遍的應(yīng)用。目前，國外先進國

5、家的變頻技術(shù)正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向發(fā)展，我國也在加快發(fā)展步伐。第二章 變頻調(diào)速系統(tǒng)2.1 變頻調(diào)速交流異步電動機的調(diào)速方式有多種，諸如調(diào)壓調(diào)速、變級調(diào)速、串級調(diào)速、滑差調(diào)速等，而變頻調(diào)速優(yōu)于上述任何一種調(diào)速方式，是當(dāng)今國際上廣泛采用的效益高、性能好、應(yīng)用廣的新技術(shù)。它采用微機控制、電力電子技術(shù)及電機傳動技術(shù)取得工業(yè)交流異步電機的無級調(diào)速功能。目前在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用，是自動化電力傳動的發(fā)展方向。交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成熟。高壓大功率變頻器（幾千V，數(shù)千kW）已在大容量風(fēng)機、高壓水泵等電機上應(yīng)用。低壓小功率（幾百V，幾個kW）變頻器在鼓風(fēng)機、壓縮機、離心機、攪拌機、水泵、

6、機床，甚至在空調(diào)、洗衣機等方面被廣泛采用。在紡織工業(yè)方面，用于織布機、毛紡機等。2.2 變頻調(diào)速原理變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻可以調(diào)速這個概念，可以說是交流電動機“與生俱來”的。同步電動機不消說，即使是異步電動機，其轉(zhuǎn)速也是取決于同步轉(zhuǎn)速(即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速)的： （2.11）式中： 電動機的轉(zhuǎn)速，m/min電動機的同步轉(zhuǎn)速，r/min電動機的轉(zhuǎn)差率 s=(n1-n/)=n/ n1而同步轉(zhuǎn)速則主要取決于頻率 （2.12）式中：輸入頻率，Hz電動機的磁極對數(shù)由式（2.11）與式（2.12）可知變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的

7、關(guān)系： （2.13）由上式可知，在電動機磁極對數(shù)不變的情況下，通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。在進行電機調(diào)速時，通常要考慮的一個重要因素是，希望保持電機中每極磁通量為額定值，并保持不變。如果磁通太弱，即電機出現(xiàn)欠勵磁，將會影響電機的輸出轉(zhuǎn)矩，由 （2.14）（式中 ：電磁轉(zhuǎn)矩，：主磁通，：轉(zhuǎn)子電流，:轉(zhuǎn)子回路功率因素，：比例系數(shù))，可知，電機磁通的減小，勢必造成電機電磁轉(zhuǎn)矩的減小。由于電動機設(shè)計時，電動機的磁通常處于接近飽和值，如果進一步增大磁通，將使電動機鐵心出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的銅損耗和鐵損耗，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電動機。因此，在改

8、變電動機頻率時，應(yīng)對電動機的電壓進行協(xié)調(diào)控制，以維持電動機磁通的恒定。2.3 變頻調(diào)速優(yōu)點利用變頻器可以根據(jù)電機負(fù)載的變化實現(xiàn)自動、平滑的增速或減速，基本保持異步電機固有特性轉(zhuǎn)差率小的特點，具有效率高、范圍寬、精度高且能無級變速的優(yōu)點，這對于水泵，風(fēng)機等設(shè)備是很適用的。我國應(yīng)用的變頻器，國外產(chǎn)品以日本富士、三菱牌號較多，臺灣普傳產(chǎn)品也不少，國內(nèi)有西普（西安）、艾倫（上海）、華為（深圳）、艾普斯（天津）等廠家的產(chǎn)品均在推廣應(yīng)用。第三章 交流電動機變頻調(diào)速3.1交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展交流電動機的調(diào)速系統(tǒng)是一項以大功率電力電子器件為基礎(chǔ)的新型技術(shù)學(xué)科在過去的十幾年間由于大功率電力電子器件的不斷出現(xiàn)，

9、使交流電動機的調(diào)速技術(shù)取得了很大的發(fā)展。在六十年代以后，交流調(diào)速系統(tǒng)采用半導(dǎo)體變流技術(shù)，尤其是七十年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流電力拖動的開發(fā)進一步創(chuàng)造了有利條件，交流伺服控制是自動化領(lǐng)域中剛剛發(fā)展起來的新分支，交流伺服系統(tǒng)將廣泛取代目前直流伺服系統(tǒng)這一觀念已經(jīng)被越來越多的人所接受，在數(shù)控機床及機器人等高精尖設(shè)備系統(tǒng)中，以往一直使用直流電機，因為調(diào)節(jié)直流電機的電樞電壓或電流就可以方便的獲得優(yōu)良的調(diào)速特性。交流傳動與相當(dāng)?shù)闹绷鱾鲃酉啾韧ǔＳ袃r格方面的優(yōu)勢，而且具有較少維護、較小的電機尺寸和更高的可靠性。然而對這些傳動系統(tǒng)可利用的控制靈活性是非常有限

10、的，而且它們的應(yīng)用主要局限在風(fēng)機、泵和壓風(fēng)機等應(yīng)用方面，其速度只需要粗略調(diào)節(jié)而對暫態(tài)響應(yīng)和低速特性沒有嚴(yán)格要求。用于機床、高速電梯、測功器、礦井提升機等的傳動裝置，有更加復(fù)雜的要求，而且必須提供允許調(diào)節(jié)多個變量的靈活性，例如速度、位置、加速度和轉(zhuǎn)矩等，這樣的高性能應(yīng)用，一般在速度閉環(huán)下要求高速段保持高于0.5%的調(diào)速精度和至少20：1的寬調(diào)速范圍，以及高于50rad/s的快速暫態(tài)響應(yīng)。以前，這樣的傳動裝置幾乎全部是直流電機的應(yīng)用領(lǐng)域，并根據(jù)具體應(yīng)用的需要配置各種結(jié)構(gòu)的AC.DC變換器。然而，采用適當(dāng)控制的感應(yīng)電動機傳動在高性能應(yīng)用上已勝過直流傳動，并且交流傳動更加廣泛的應(yīng)用于計算機外圍設(shè)備的傳

11、動、機床和電動工具、機器人和自動裝置的傳動、電動汽車和電器火車傳動等等。3.2 交流電機交流電機是用于實現(xiàn)機械能和交流電能相互轉(zhuǎn)換的機械。由于交流電力系統(tǒng)的巨大發(fā)展，交流電機已成為最常用的電機。交流電機與直流電機相比，由于沒有換向器（見直流電機的換向），因此結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機。交流電機功率的覆蓋范圍很大，從幾瓦到幾十萬千瓦、甚至上百萬千瓦。20世紀(jì)80年代初，最大的汽輪發(fā)電機已達150萬千瓦。3.3 變頻調(diào)速變頻調(diào)速是一種最有發(fā)展前途得一種調(diào)速方式,其調(diào)速花樣繁多。從60年代提出的邁克默雷電壓型變頻器開始,發(fā)展到電流型脈寬調(diào)治(PWM)型

12、以及循環(huán)變流器,現(xiàn)在又向著高性能、高精密、響應(yīng)快、大容量化、微型化以及理想化的方面發(fā)展,并不斷出現(xiàn)新的控制結(jié)構(gòu)及控制方式。由簡單的開環(huán)控制轉(zhuǎn)為閉環(huán)控制,諸如位置控制、鎖相控制、速度閉環(huán)、及數(shù)字控制等,隨著功率半導(dǎo)體器件質(zhì)量得提高,從普通可控硅(SCR)發(fā)展到快速可控硅及關(guān)斷可控硅(GTO)的應(yīng)用,從普通晶體管發(fā)展到動力晶體管(GTR)的應(yīng)用?？刂茊卧拖到y(tǒng)從分力元件向著大規(guī)模集成電路微型化和數(shù)字化方向發(fā)展,從而使可控硅變頻調(diào)速裝置的可靠性及經(jīng)濟性不斷提高。變頻調(diào)速這一技術(shù)正越來越廣泛的深入到行業(yè)中。它的節(jié)能、省力、易于構(gòu)成自控系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)也是改造挖潛、增加效益的一條有效途徑。尤其是在高能耗、低產(chǎn)出的設(shè)備較多的企業(yè)，采用變頻調(diào)速裝置將使企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟利益，同時這也是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要。 在畢業(yè)設(shè)計這段時間中,通過多次的修改，終于圓滿完成了此次畢業(yè)設(shè)計。此次畢業(yè)設(shè)計，我