現(xiàn)代交流電機(jī)控制技術(shù)C0緒論課件

1、緒論*現(xiàn)代交流電機(jī)控制技術(shù)內(nèi)容概要交流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展概況；交流電動機(jī)控制系統(tǒng)的類型；交流電動機(jī)控制方法和應(yīng)用領(lǐng)域。本章講述：*0.1 交流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展概況 19世紀(jì)70年代前后相繼誕生了直流電動機(jī)和交流電動機(jī)，從此人類社會進(jìn)入了以電動機(jī)為動力設(shè)備的時代。以電動機(jī)作為動力機(jī)械，為人類社會的發(fā)展和進(jìn)步、為工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化起到了巨大的推動作用。 在用電系統(tǒng)中，電動機(jī)作為主要的動力設(shè)備而廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、空間技術(shù)、國防及社會生活等方面。電動機(jī)負(fù)荷約占總發(fā)電量的70%，為用電量最多的電氣設(shè)備。* 根據(jù)采用的電流制式不同，電動機(jī)分為直流電動機(jī)和交流電動機(jī)兩大類，其中交流電動機(jī)

2、擁有量最多，提供給工業(yè)生產(chǎn)的電量多半是通過交流電動機(jī)加以利用的。經(jīng)過一百二十多年的發(fā)展，至今已經(jīng)制造了型式多樣、用途各異的各種容量、各種品種的交流電動機(jī)。交流電動機(jī)分為同步電動機(jī)和異步（感應(yīng)）電動機(jī)兩大類：電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電流的頻率保持嚴(yán)格不變的關(guān)系，即是同步電動機(jī)；反之，若不保持這種關(guān)系，即是異步電動機(jī)。20世紀(jì)80年代以來，開關(guān)磁阻電動機(jī)、永磁無刷直流電動機(jī)（梯形波永磁同步電動機(jī)）、正弦波永磁同步電動機(jī)等新型交流電動機(jī)得到了很快的發(fā)展和應(yīng)用。根據(jù)統(tǒng)計，交流電動機(jī)用電量占電動機(jī)總用電量的85%左右，可見交流電動機(jī)應(yīng)用的廣泛性及其在國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位。* 在實際應(yīng)用中，一是要使電動機(jī)具

3、有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電動機(jī)的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。以直流電動機(jī)作為控制對象的電力拖動自動控制系統(tǒng)稱為直流調(diào)速系統(tǒng)；以交流電動機(jī)作為控制對象的電力拖動自動控制系統(tǒng)稱為交流調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)交流電動機(jī)的分類，相應(yīng)有同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。*0.1.1直流電動機(jī)控制技術(shù)存在的問題 20世紀(jì)60年代以前是以旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)為主（見圖0-1），還有一些靜止式水銀整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)如圖0-2所示。1957年美國通用電氣公司的A.R.約克制成了世界上第一只晶閘管（S

4、CR），又稱為可控硅整流元件（簡稱可控硅），這標(biāo)志著電力電子時代的開始。20世紀(jì)60年代以后以晶閘管組成的直流供電系統(tǒng)逐步取代了直流機(jī)組和水銀整流器。20世紀(jì)80年代末期全數(shù)字控制的直流調(diào)速系統(tǒng)迅速取代了模擬控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。*圖0-1直流發(fā)動機(jī)-直流電動機(jī)系統(tǒng)* 由于直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速容易控制和調(diào)節(jié)，在額定轉(zhuǎn)速以下，保持勵磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上，保持電樞電壓恒定，可用改變勵磁的方法實現(xiàn)恒功率調(diào)速。近代采用晶閘管供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。因此，長期以來（20世紀(jì)80年代中期以前）在變速傳動領(lǐng)域中，直流調(diào)速一直占據(jù)主

5、導(dǎo)地位。然而，由于直流電動機(jī)本身存在機(jī)械式換向器和電刷這一固有的結(jié)構(gòu)性缺陷，這給直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展帶來了一系列限制，即：* 1）機(jī)械式換向器表面線速度及換向電壓、電流有一極限容許值，這就限制了電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率（其極限容量與轉(zhuǎn)速乘積被限制在106kWr/min）。如果要超過極限容許值，則大大增加電機(jī)制造的難度和成本以及調(diào)速系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，對一些要求特高轉(zhuǎn)速、特大功率的場合則根本無法采用直流調(diào)速方案。 2）為了使機(jī)械式換向器能夠可靠工作，往往增大電樞和換向器直徑，使得電機(jī)體積增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動慣量增大，對于要求快速響應(yīng)的生產(chǎn)工藝，采用直流調(diào)速方案難以實現(xiàn)。 3）機(jī)械式換向器必須經(jīng)常

6、檢查和維修，電刷必須定期更換。這就表明了直流調(diào)速系統(tǒng)維護(hù)工作量大，維修費(fèi)用高，同時停機(jī)檢修和更換電刷也直接影響了正常生產(chǎn)。 4）在一些易燃、易爆的生產(chǎn)場合，一些多粉塵、多腐蝕性氣體的生產(chǎn)場合不能或不宜使用直流調(diào)速系統(tǒng)。* 由于直流電動機(jī)在應(yīng)用中存在著這樣的一些限制，使得直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展也相應(yīng)受到限制。但是目前工業(yè)生產(chǎn)中許多場合仍然沿用以往的直流電動機(jī)，因此在今后相當(dāng)長的一個時期內(nèi)直流調(diào)速和交流調(diào)速并存，直流調(diào)速系統(tǒng)還將繼續(xù)使用。*0.1.2交流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展概況 交流電動機(jī)，特別是鼠籠型異步電動機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格便宜、堅固耐用、轉(zhuǎn)動慣量小、運(yùn)行可靠、很少維修、使用環(huán)境及結(jié)

7、構(gòu)發(fā)展不受限制等優(yōu)點。但是，長期以來由于受科技發(fā)展的限制，把交流電動機(jī)作為調(diào)速電機(jī)的困難問題未能得到較好的解決，在早期只有一些調(diào)速性能差、低效耗能的調(diào)速方法，如：繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子外串電阻調(diào)速方法（見圖0-3）*圖0-3繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子外串電阻調(diào)速原理圖* 鼠籠式異步電動機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速方法（利用自耦變壓器變壓調(diào)速；利用飽和電抗器變壓調(diào)速；利用晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)壓調(diào)速）如圖0-4所示。還有變極對數(shù)調(diào)速方法（見圖0-5）及后來的電磁（轉(zhuǎn)差離合器）調(diào)速方法（見圖0-6）等。*圖0-4異步電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)*圖0-5變極對數(shù)調(diào)速方法原理圖 圖0-5a為一臺4極電動機(jī)A相兩個線圈連接示意圖，每個線

8、圈代表半個繞組。如果兩個線圈處于首尾相連的順向串聯(lián)狀態(tài)，根據(jù)電流方向可以確定出磁場的極性，顯然為4極，如果將兩個線圈改為圖b所示反向串聯(lián)狀態(tài)，致使極數(shù)減半。*圖0-6電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)* 在圖0-1中，當(dāng)勵磁繞組通以直流電，電樞為電動機(jī)所拖動以恒速定向旋轉(zhuǎn)時，在電樞中感應(yīng)產(chǎn)生渦流，渦流與磁極的磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使磁極跟著電樞同方向旋轉(zhuǎn)。改變勵磁電流的大小就可以實現(xiàn)對負(fù)載的調(diào)速。 20世紀(jì)60年代以后，由于生產(chǎn)發(fā)展的需要和（由能源危機(jī)引起）節(jié)省電能的迫切要求，促使世界各國重視交流調(diào)速技術(shù)的研究與開發(fā)。尤其是20世紀(jì)80年代以來，由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，為交流調(diào)速的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術(shù)

9、條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。從此，以變頻調(diào)速為主要內(nèi)容的現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)沿著下述四個方面迅速發(fā)展。* （1）電力電子器件（Power Electronic Device）的蓬勃發(fā)展和迅速換代推動了交流調(diào)速的迅速發(fā)展 電力電子器件是現(xiàn)代交流調(diào)速裝置的支柱，其發(fā)展直接決定和影響交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)80年代中期以前，變頻調(diào)速裝置功率回路主要采用晶閘管元件。裝置的效率、可靠性、成本、體積均無法與同容量的直流調(diào)速裝置相比。80年代中期以后采用第二代電力電子器件GTR（Giant Transistor）、GTO（Gate Turn Off thyristor）、VDMOS-IGBT（Insulated Gat

10、e Bipolar Transistor）等功率器件制造的變頻器在性能上與直流調(diào)速裝置相當(dāng)。90年代第三代電力電子器件問世，在這個時期中，中、小功率的變頻器（11000kW）主要采用IGBT器件，大功率的變頻器采用GTO器件。20世紀(jì)90年代末至今，電力電子器件的發(fā)展進(jìn)入了第四代，主要實用的器件有：* 高壓IGBT器件（SIEMENS公司 HVIGBT）溝槽式結(jié)構(gòu)的絕緣柵晶體管IGBT問世，使IGBT器件的耐壓水平由常規(guī)1200V提高到4500V，實用功率容量為3300V/1200A，表明IGBT器件突破了耐壓限制，進(jìn)入第四代高壓IGBT階段，與此相應(yīng)的三電平IGBT中壓（23004160V）

11、大容量變頻調(diào)速裝置進(jìn)入實用化階段。 IGCT（Insulated Gate Controlled Transistor）器件 ABB公司把環(huán)形門極GTO器件外加MOSFET功能，研制成功全控型IGCT（ETO）器件，使其耐壓及容量保持了GTO的水平，但門極控制功率大大減小，僅為0.51W。目前實用化的IGCT功率容量為4500V/3000A，相應(yīng)的變頻器容量為(31510000kW)/(610kV)。* IEGT（Injection Enhanced GateTransistor）器件東芝GE公司研制的高壓、大容量、全控型功率器件IEGT是把IGBT器件和GTO器件二者優(yōu)點結(jié)合起來的注入增強(qiáng)柵

12、晶體管。IEGT器件實用功率容量為4500V/1500A，相應(yīng)的變頻器容量達(dá)810MW。 由于GTR、GTO器件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件進(jìn)入第四代以來，GTR器件已被淘汰不再使用，GTO器件也將被逐步淘汰。用第四代電力電子器件制造的變頻器性能/價格比與直流調(diào)速裝置相當(dāng)。 第四代電力電子器件模塊化更為成熟，如功率集成電路PIC、智能功率模塊IPM等，模塊化器件將是21世紀(jì)主宰器件。* （2）脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù) 1964年，德國學(xué)者A.Schonung和H.Stemmler提出將通信中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到電機(jī)控制中，于是產(chǎn)生了脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（pulse width modulation

13、PWM），簡稱脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用優(yōu)化了變頻裝置的性能，適用于各類調(diào)速系統(tǒng)。 脈寬調(diào)制（PWM）種類很多，并且正在不斷發(fā)展之中?；旧峡煞譃樗念悾吹葘扨WM、正弦PWM（SPWM）、磁鏈追蹤型PWM (SVPWM)及電流滯環(huán)跟蹤型PWM（CHBPWM）。PWM技術(shù)的應(yīng)用克服了相控方法的所有弊端，使交流電動機(jī)定子得到了接近正弦波的電壓和電流，提高了電機(jī)的功率因數(shù)和輸出功率?，F(xiàn)代PWM生成電路大多采用具有高速輸出口(HSO)的單片機(jī)（如80196）及高速數(shù)字信號處理器(DSP)，通過軟件編程生成PWM。近年來，新型全數(shù)字化專用PWM生成芯片HEF4752、SLE452

14、0、MA818等已實際應(yīng)用。* （3）矢量控制理論的誕生和發(fā)展奠定了現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)高性能化的基礎(chǔ) 1971年德國學(xué)者伯拉斯切克（F.Blaschke）提出了交流電動機(jī)矢量控制理論，這是實現(xiàn)高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的一個重要突破。 矢量控制的基本思想是應(yīng)用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念實現(xiàn)交流電動機(jī)定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，將交流電動機(jī)的控制過程等效為直流電動機(jī)的控制過程，從而交流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了顯著的提高，這使交流調(diào)速最終取代直流調(diào)速成為可能。目前對調(diào)速特性要求較高的生產(chǎn)工藝已較多地采用了矢量控制型的變頻調(diào)速裝置。實踐證明，采用矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性高于直流調(diào)速

15、系統(tǒng)。* 針對電機(jī)參數(shù)時變特點，在矢量控制系統(tǒng)中采用了自適應(yīng)控制技術(shù)。毫無疑問，矢量控制技術(shù)在應(yīng)用實踐中將會更加完善，其控制性能將得到進(jìn)一步提高。繼矢量控制技術(shù)之后，于1985年由德國學(xué)者M(jìn).Depenbrock提出的直接自控制(DSC)的直接轉(zhuǎn)矩控制，以及于1986年由日本學(xué)者I.Takahashi提出的直接轉(zhuǎn)矩控制都取得了實際應(yīng)用的成功。近十幾年的實際應(yīng)用表明，與矢量控制技術(shù)相比直接轉(zhuǎn)矩控制可獲得更大的瞬時轉(zhuǎn)矩和快速的動態(tài)響應(yīng)，因此，交流電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制也是一種很有發(fā)展前途的控制技術(shù)，目前，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式的IGBT、IEGT、IGCT變頻器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及交通運(yùn)輸部門中。*

16、（4）計算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用 微型計算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的成功應(yīng)用提供了重要的技術(shù)手段和保證。近十幾年來，由于微機(jī)控制技術(shù)，特別是以單片微機(jī)及數(shù)字信號處理器DSP為控制核心的微機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，促使交流調(diào)速系統(tǒng)的控制回路由模擬控制迅速走向數(shù)字控制。當(dāng)今模擬控制器已被淘汰，全數(shù)字化的交流調(diào)速系統(tǒng)已普遍應(yīng)用。 * 數(shù)字化使得控制器對信息處理能力大幅度提高，許多難以實現(xiàn)的復(fù)雜控制，如矢量控制中的坐標(biāo)變換運(yùn)算、解耦控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識的自適應(yīng)控制等，采用微機(jī)控制器后便都迎刃而解了。此外，微機(jī)控制技術(shù)又給交流調(diào)速系統(tǒng)增加了多方面的功能，特

17、別是故障診斷技術(shù)得到了完全的實現(xiàn)。 計算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和操作、設(shè)置的多樣性和靈活性，降低了變頻調(diào)速裝置的成本和體積。以微處理器為核心的數(shù)字控制已成為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的主要特征之一。* 交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展過程表明，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會發(fā)展的需要推動了交流調(diào)速的發(fā)展；現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應(yīng)用、電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用、微機(jī)控制技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應(yīng)用為交流調(diào)速的發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)條件。 20世紀(jì)90年代以來，電力傳動領(lǐng)域面貌煥然一新。各種類型的異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)、各種類型的同步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)覆蓋了電力傳動領(lǐng)域的方方面面。電壓等級從110V到10000V，

18、容量從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)萬千瓦的特大功率調(diào)速系統(tǒng)，從一般要求的調(diào)速傳動到高精度、快速響應(yīng)的高性能調(diào)速傳動，從單機(jī)調(diào)速傳動到多機(jī)協(xié)調(diào)調(diào)速傳動，幾乎無所不有。*0.1.3交流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展動向 交流調(diào)速取代直流調(diào)速已是不爭的事實，21世紀(jì)必將是交流調(diào)速的時代。當(dāng)前交流調(diào)速系統(tǒng)正朝著高電壓、大容量、高性能、高效率、綠色化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，主要有：高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與技術(shù)開發(fā)；新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率變換器的研究與技術(shù)開發(fā)；PWM模式的改進(jìn)和優(yōu)化；中壓變頻裝置（我國稱為高壓變頻裝置）的開發(fā)研究* （1）控制理論與控制技術(shù)方面的研究與開發(fā) 十幾年的應(yīng)用實踐表明，矢量控制理論及其他現(xiàn)代控制理

19、論的應(yīng)用尚待隨著交流調(diào)速的發(fā)展而不斷完善，從而進(jìn)一步提高交流調(diào)速系統(tǒng)的控制性能。各種控制結(jié)構(gòu)所依據(jù)的都是被控對象的數(shù)學(xué)模型，因此，為了建立交流調(diào)速系統(tǒng)的合理的控制結(jié)構(gòu)，仍需對交流電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)、特點及內(nèi)在規(guī)律作深入研究和探討。 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)實現(xiàn)了定子勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的完全解耦，然而轉(zhuǎn)子參數(shù)估計的不準(zhǔn)確及參數(shù)變化造成定向坐標(biāo)的偏移是矢量控制研究中必須解決的重要問題之一。* 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在應(yīng)用實踐中不斷完善和提高，其研究的主攻方向是進(jìn)一步提高低速時的控制性能，以擴(kuò)大調(diào)速范圍。 實現(xiàn)無硬件測速傳感器的系統(tǒng)已有許多應(yīng)用，但是轉(zhuǎn)速推算精度和控制的實時性有待于深入研究

20、與開發(fā)。近年來，為了進(jìn)一步提高和改善交流調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，國內(nèi)外學(xué)者致力于將先進(jìn)的控制策略引入到交流調(diào)速系統(tǒng)中來，諸如,滑模變結(jié)構(gòu)控制、非線性反饋線性化控制、Backstepping控制、自適應(yīng)逆控制、內(nèi)?？刂啤⒆钥箶_控制、智能控制等，已經(jīng)成為交流調(diào)速發(fā)展中新的研究內(nèi)容。* （2）變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究與開發(fā) 提高變頻器的輸出效率是電力電子技術(shù)發(fā)展中主要解決的重要問題之一。提高變頻器輸出效率的主要措施是降低電力電子器件的開關(guān)損耗。具體解決方法是開發(fā)研制新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變流器，如20世紀(jì)80年代中期美國威斯康星大學(xué)Divan教授提出的諧振直流環(huán)逆變器，可使電力電子器件在零電壓或零電流下轉(zhuǎn)換，即

21、工作在所謂“軟開關(guān)”狀態(tài)下，從而使開關(guān)損耗降低到接近于零。 此外，電力電子逆變器正朝著高頻化、大功率方向發(fā)展，這使裝置內(nèi)部電壓、電流發(fā)生劇變，不但使器件承受很大的電壓、電流應(yīng)力，而且在輸入、輸出引線及周圍空間里產(chǎn)生高頻電磁噪聲，引發(fā)電氣設(shè)備誤動作，這種公害稱為電磁干擾（EMI，Electro Magnetic Interference）。抑制EMI的有效方法也是采用軟開關(guān)技術(shù)。具有軟開關(guān)功能的諧振逆變器，國內(nèi)外都在積極進(jìn)行研究與開發(fā)。今后串并聯(lián)諧振式變頻器將會有越來越多的應(yīng)用。* 針對交交變頻器的輸出頻率低（不到供電頻率的1/2）的缺點，于20世紀(jì)80年代人們開始研究矩陣式變頻器（Matrix

22、 Converter）（見圖0-7）。矩陣式變頻器是一種可選擇的交交變頻器結(jié)構(gòu)，其輸出頻率可以提高到45Hz以上。這種變頻器可以拓?fù)湔钩葾CDC、DCAC或ACAC轉(zhuǎn)換，且不受相數(shù)和頻率的限制，并且能量可以雙向流動，功率因數(shù)可調(diào)。盡管這種變頻器所需功率器件較多，但它的一系列優(yōu)點已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注，必將有一個很好的發(fā)展前景。*圖0-7矩陣式變頻器主電路原理圖* 具有PWM整流器/PWM逆變器的“雙PWM變頻器”(圖0-8)已進(jìn)入實用化階段，并且迅速向前發(fā)展。這種變頻器的變流功率因數(shù)為1，能量可以雙向流動，網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的諧波量比較低，減少了對電網(wǎng)的公害和電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動，被稱為“綠色變頻器”，

23、代表了交流調(diào)速一個新的發(fā)展方向。*圖0-8由三相、兩電平變流器構(gòu)成的雙側(cè)PWM變頻器主電路（12開關(guān)）* （3）PWM模式改進(jìn)與優(yōu)化研究 近年來，隨著中壓變頻器的興起，對于SVPWM模式進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化研究，其中為解決三電平中壓變頻器中點電壓偏移問題，研究了虛擬電壓矢量合成PWM模式（不產(chǎn)生中點電壓偏移時的電壓長矢量、短矢量、零矢量的組合），已取得了具有實用價值的研究成果；用于級聯(lián)式多電平中壓變頻器的脈沖移相PWM技術(shù)已有應(yīng)用。* （ 4）中壓變頻裝置的研究與開發(fā) 中壓是指電壓等級為1kV10kV，中、大功率是指功率等級在300kW以上。中壓、大容量的交流調(diào)速系統(tǒng)研究與開發(fā)實踐已有20多年了，

24、逐步走上了實際應(yīng)用階段，尤其隨著全控型功率器件耐壓的提高，中壓變頻器的應(yīng)用迅速加快了。應(yīng)用較多的是采用IGBT、IEGT、IGCT三電平中壓變頻器（見圖0-9）及級聯(lián)式單元串聯(lián)多電平中壓變頻器（見圖0-10）。目前，中壓變頻器已成為交流調(diào)速開發(fā)研究的新領(lǐng)域，是熱點課題之一。圖0-9采用IGBT、IGCT三電平中電壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖*圖0-10級聯(lián)式多電平中壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖* 中壓變頻器的發(fā)展受到了電力電子器件耐壓等級不高的限制。為此，美國Cree公司、德國西門子公司、日本東芝公司，還有歐洲ABB公司等都投入巨資研制一種碳化硅（SiC）電力電子器件，其PN結(jié)耐壓等級可達(dá)到10kV以

25、上，預(yù)計不久的將來會有突破性的進(jìn)展，新一代的中壓變頻器將隨之誕生。*0.2 交流電動機(jī)控制系統(tǒng)的類型 現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)由交流電動機(jī)、電力電子功率變換器、控制器和檢測器等四大部分組成。如圖0-11所示。電力電子功率變換器與控制器及電量檢測器集中于一體，稱為變頻器（變頻調(diào)速裝置），如圖0-11內(nèi)框虛線所框部分。從系統(tǒng)方面定義，圖0-11外框虛線所框部分稱為交流變速系統(tǒng)。 *圖0-11現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)組成示意圖 根據(jù)被控對象交流電動機(jī)的種類不同，現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)可分為異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。*0.2.1 同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的基本類型 由同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式 （ 定子供電頻率， 電動機(jī)極

26、對數(shù)）可知，同步電動機(jī)惟一依靠變頻調(diào)速。根據(jù)頻率控制方式的不同，同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可分為兩類，即他控式同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和自控式同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。*1.他控式同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 用獨(dú)立的變頻裝置作為同步電動機(jī)的變頻電源叫做他控式同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。他控式恒壓頻比的同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)目前多用于小容量場合，例如永磁同步電動機(jī)、磁阻同步電動機(jī)。2.自控式同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 采用頻率閉環(huán)方式的同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)叫做自控式同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，是用電機(jī)軸上所裝轉(zhuǎn)子位置檢測器來控制變頻裝置觸發(fā)脈沖，使同步電動機(jī)工作在自同步狀態(tài)。自控式同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可分為兩種類型。*（1）負(fù)載換向自控式同步電動機(jī)調(diào)速系

27、統(tǒng)（無換向器電機(jī)） 負(fù)載換向自控式同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路常采用交-直-交電流型變流器，利用同步電動機(jī)電流超前電壓的特點，使逆變器的晶閘管工作在自然換向狀態(tài)。國際上簡稱這種系統(tǒng)為LCI（Load Commutated Inverter）。目前這種調(diào)速系統(tǒng)容量已達(dá)到數(shù)萬千伏安，電壓等級達(dá)到萬伏以上。值得注意的是這種超大容量的系統(tǒng)所用同步電動機(jī)滑環(huán)式勵磁系統(tǒng)已改用無刷勵磁機(jī)系統(tǒng)。*（2）交-交變頻供電的同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 交-交變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的逆變器采用交-交循環(huán)變流結(jié)構(gòu)，由晶閘管組成，提供頻率可變的三相正弦電流給同步電動機(jī)。采用矢量控制后，這種系統(tǒng)具有優(yōu)良的動態(tài)性能，廣泛用于軋鋼機(jī)主傳動

28、調(diào)速中。交-交變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)容量可以做到很大，達(dá)到10000kVA以上。但是調(diào)速范圍最高達(dá)到20Hz（工頻為50Hz時），這是這種調(diào)速系統(tǒng)的不足之處。*0.2.2 異步電動機(jī)控制系統(tǒng)的基本類型 由異步電動機(jī)工作原理可知，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率 可分為兩部分：一部分 是拖動負(fù)載的有效功率；另一部分是轉(zhuǎn)差功率 ，與轉(zhuǎn)差率 成正比。轉(zhuǎn)差功率如何處理，是消耗掉還是回饋給電網(wǎng)，可衡量異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的效率高低。因此按轉(zhuǎn)差功率處理方式的不同可以把現(xiàn)代異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分為三類。*（1）轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能的形式而消耗掉。晶閘管調(diào)壓調(diào)速屬于這一類。在異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

29、中，這類系統(tǒng)的效率最低，是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗為代價來換取轉(zhuǎn)速的降低。但是由于這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡單，所以對于要求不高的小容量場合還有一定的應(yīng)用。（2）轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)差功率一小部分消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋給電網(wǎng)。轉(zhuǎn)速越低，回饋的功率越多。繞線式異步電動機(jī)串級調(diào)速和雙饋調(diào)速屬于這一類。顯然這類調(diào)速系統(tǒng)效率最高。*（3）轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)差功率中轉(zhuǎn)子銅損部分的消耗是不可避免的，但在這類系統(tǒng)中，無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變，因此效率很高。變頻調(diào)速屬于這一類。目前在交流調(diào)速系統(tǒng)中，變頻調(diào)速應(yīng)用最多、最廣泛，可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速。變頻調(diào)速技術(shù)及其

30、裝置仍是21世紀(jì)的主流技術(shù)和主流產(chǎn)品。*0.3交流電動機(jī)控制方法和應(yīng)用領(lǐng)域0.3.1 交流電動機(jī)控制方法1.同步電動機(jī)的調(diào)速方法 由電機(jī)學(xué)可知，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為（0-1）式中， 為同步頻率， 為同步轉(zhuǎn)速， 為極對數(shù)。 現(xiàn)代同步電機(jī)的調(diào)速方法有變頻調(diào)速（如式（0-1）、最大轉(zhuǎn)矩控制、100%功率因數(shù)控制等方法。*2.異步電動機(jī)的調(diào)速方法（1）變壓變頻調(diào)速由電機(jī)學(xué)可知，異步電動機(jī)的調(diào)速公式（0-2）式中， 為轉(zhuǎn)差率， 為同步角速度。 由式（0-2）可知，異步電動機(jī)的調(diào)速方法是通過改變同步頻率 或改變轉(zhuǎn)差率 來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與控制。*（2）繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的雙饋調(diào)速與串級調(diào)速 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的雙饋調(diào)速與串級調(diào)速是通過轉(zhuǎn)差功率回饋（電網(wǎng)）方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)