基于-matlab變頻器仿真研究報(bào)告

1、-. z摘要目前國(guó)際形勢(shì)紛亂復(fù)雜、能源危機(jī)日益突出，能源瓶頸已經(jīng)逐漸成為了制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)開展的主要因素之一，迫切需要提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的能源利用率。而隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速開展，交流變頻調(diào)速技術(shù)得到了迅速開展，其顯著的節(jié)能效益，高準(zhǔn)確的調(diào)速精度，廣泛的調(diào)速圍，完善的保護(hù)功能，以及易于實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)通信功能，得到了廣闊用戶的認(rèn)可。在運(yùn)行的平安可靠、安裝使用、維修維護(hù)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)的根本工作原理和作用特性意義十分重大。本文根據(jù)變頻器的根本工作原理和工作特性，設(shè)計(jì)了一種電壓源型交-直-交變頻器。主要容如下:1設(shè)計(jì)變頻器的工作原理

2、系統(tǒng)框圖，選擇用到的元件并確定其參數(shù)2通過MATLAB/SIMULINK搭建交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型3進(jìn)展仿真，得到仿真波形仿真結(jié)果說明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制效果是比擬理想的，仿真實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)運(yùn)行良好，設(shè)計(jì)切實(shí)可行。關(guān)鍵詞：變頻器；異步電機(jī)； MATLAB仿真；交流調(diào)速The simulation and research of the frequency converter based on MATLABAbstractAs the current international situation is ple* and confusing, energy crisis is being mo

3、re and more serious, the energy bottleneck has gradually bee the one of the main factors restricting the national economy sustainable development, there is a urgent need to enhance the utilization rate of the energy in the production of industry and agriculture. Along with the rapid development of p

4、ower electronic technology, puter technology, automatic control technology, AC variable frequency speed control technology has been rapidly developed, its significant energy efficiency, high precise speed control precision, wide speed range, perfect protection function, and easy to achieve municatio

5、n function has been recognized by the vast numbers of users. It also bring great convenience to the users in the safe and reliable installation, using, maintenance and repair operation.According to the basic principle and characteristics of the converter, this paper designed a voltage source type AC

6、-DC-AC converter. The main contents are as follows:(1) Design the working principle diagram of the converter system, choose the elements which need and determine the parameters.(2) Use the MATLAB/SIMULINK to build an AC-DC-AC speed control system.(3) Running the simulation and get the simulation wav

7、eform.The simulation results show that the system control effect is ideal, the simulation e*periments prove that the system operates well , the design is viable.Key words: Frequency converter; Asynchronous machine; MATLAB simulation; AC variable speed目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc4215999721引言 P

8、AGEREF _Toc421599972 h 3HYPERLINK l _Toc4215999731.1 交流變頻調(diào)速技術(shù)的開展與研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc421599973 h 3HYPERLINK l _Toc4215999741.2 變頻器的概況 PAGEREF _Toc421599974 h 3HYPERLINK l _Toc4215999751.3 變頻器的開展過程和現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc421599975 h 3HYPERLINK l _Toc4215999761.3.1 變頻器的開展過程 PAGEREF _Toc421599976 h 3HYPERLINK l _

9、Toc4215999771.3.2 變頻器的現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc421599977 h 3HYPERLINK l _Toc4215999781.3.3 現(xiàn)代通用變頻器的根本構(gòu)造 PAGEREF _Toc421599978 h 3HYPERLINK l _Toc4215999791.4 變頻器的應(yīng)用 PAGEREF _Toc421599979 h 3HYPERLINK l _Toc4215999801.4.1 節(jié)能調(diào)速 PAGEREF _Toc421599980 h 3HYPERLINK l _Toc4215999811.4.2 特大容量和極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 PAGEREF _Toc4

10、21599981 h 3HYPERLINK l _Toc4215999821.4.3 交流調(diào)速裝置應(yīng)用時(shí)考前須知 PAGEREF _Toc421599982 h 3HYPERLINK l _Toc4215999831.5 通用變頻器的術(shù)語和技術(shù)參數(shù) PAGEREF _Toc421599983 h 3HYPERLINK l _Toc4215999841.5.1 通用變頻器的術(shù)語 PAGEREF _Toc421599984 h 3HYPERLINK l _Toc4215999851.5.2 通用變頻器的技術(shù)參數(shù) PAGEREF _Toc421599985 h 3HYPERLINK l _Toc42

11、15999861.6 本文所做的工作 PAGEREF _Toc421599986 h 3HYPERLINK l _Toc4215999871.7 本章小結(jié) PAGEREF _Toc421599987 h 3HYPERLINK l _Toc4215999882 異步電動(dòng)機(jī) PAGEREF _Toc421599988 h 3HYPERLINK l _Toc4215999892.1 異步電機(jī)的根本工作原理 PAGEREF _Toc421599989 h 3HYPERLINK l _Toc4215999902.2 異步電機(jī)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc421599990 h 3HYPERLI

12、NK l _Toc4215999912.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 PAGEREF _Toc421599991 h 3HYPERLINK l _Toc4215999922.3.1 交流調(diào)速的根本類型 PAGEREF _Toc421599992 h 3HYPERLINK l _Toc4215999932.3.2 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)控制原理及其機(jī)械特性 PAGEREF _Toc421599993 h 3HYPERLINK l _Toc4215999942.3.3 恒壓頻比控制的根本電路 PAGEREF _Toc421599994 h 3HYPERLINK l _Toc4215999952.4

13、本章小結(jié) PAGEREF _Toc421599995 h 3HYPERLINK l _Toc4215999963 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制PWM技術(shù) PAGEREF _Toc421599996 h 3HYPERLINK l _Toc4215999973.1 PWM技術(shù)的開展 PAGEREF _Toc421599997 h 3HYPERLINK l _Toc4215999983.2 PWM控制技術(shù)的分類 PAGEREF _Toc421599998 h 3HYPERLINK l _Toc4215999993.3 PWM控制性能指標(biāo) PAGEREF _Toc421599999 h 3HYPERL

14、INK l _Toc4216000003.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc421600000 h 3HYPERLINK l _Toc4216000014 變頻器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421600001 h 3HYPERLINK l _Toc4216000024.1 三相電壓型交-直-交變頻器的根本構(gòu)成及工作原理 PAGEREF _Toc421600002 h 3HYPERLINK l _Toc4216000034.1.1 三相電壓型交-直-交變頻器的根本構(gòu)成 PAGEREF _Toc421600003 h 3HYPERLINK l _Toc4216000044.1.2 三相電壓

15、型交-直-交變頻器的工作原理 PAGEREF _Toc421600004 h 3HYPERLINK l _Toc4216000054.2 整流器的工作原理及參數(shù)計(jì)算 PAGEREF _Toc421600005 h 3HYPERLINK l _Toc4216000064.2.1 整流器的工作原理 PAGEREF _Toc421600006 h 3HYPERLINK l _Toc4216000074.2.2 整流元件的選擇 PAGEREF _Toc421600007 h 3HYPERLINK l _Toc4216000084.2.3 電抗器參數(shù)計(jì)算 PAGEREF _Toc421600008 h

16、3HYPERLINK l _Toc4216000094.3 逆變器的工作原理 PAGEREF _Toc421600009 h 3HYPERLINK l _Toc4216000104.4 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421600010 h 3HYPERLINK l _Toc4216000114.4.1 過電壓保護(hù) PAGEREF _Toc421600011 h 3HYPERLINK l _Toc4216000124.4.2 過電流保護(hù) PAGEREF _Toc421600012 h 3HYPERLINK l _Toc4216000134.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc42

17、1600013 h 3HYPERLINK l _Toc4216000145 基于MATLAB的仿真研究 PAGEREF _Toc421600014 h 3HYPERLINK l _Toc4216000155.1 MATLAB/SIMULINK簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc421600015 h 3HYPERLINK l _Toc4216000165.2 變頻器各主要模塊仿真分析 PAGEREF _Toc421600016 h 3HYPERLINK l _Toc4216000175.2.1 整流器的仿真 PAGEREF _Toc421600017 h 3HYPERLINK l _Toc42160

18、00185.2.2 逆變器的仿真 PAGEREF _Toc421600018 h 3HYPERLINK l _Toc4216000195.2.3 PI控制電路的仿真 PAGEREF _Toc421600019 h 3HYPERLINK l _Toc4216000205.2.4 PWM波的產(chǎn)生設(shè)計(jì)與仿真 PAGEREF _Toc421600020 h 3HYPERLINK l _Toc4216000215.3 交-直-交變頻系統(tǒng)綜合仿真分析 PAGEREF _Toc421600021 h 3HYPERLINK l _Toc4216000225.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc4216000

19、22 h 3HYPERLINK l _Toc4216000236 結(jié)論與展望 PAGEREF _Toc421600023 h 3HYPERLINK l _Toc4216000246.1 結(jié)論 PAGEREF _Toc421600024 h 3HYPERLINK l _Toc4216000256.2 展望 PAGEREF _Toc421600025 h 3HYPERLINK l _Toc421600026致 PAGEREF _Toc421600026 h 3HYPERLINK l _Toc421600027參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc421600027 h 3-. z1引言1.1 交流變頻

20、調(diào)速技術(shù)的開展與研究現(xiàn)狀隨著電機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)，電動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力設(shè)備而越來越廣泛的應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科技及社會(huì)生活等各個(gè)方面。從全球圍看，電動(dòng)機(jī)的用電量平均占世界各國(guó)社會(huì)總用電量的一半以上，占工業(yè)用電量的70%左右。因此，提高電機(jī)系統(tǒng)的效率，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的開展意義十分重大。根據(jù)采用的電流制式不同，電動(dòng)機(jī)分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類，其流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用極為廣泛，工業(yè)生產(chǎn)所消耗的的電能大多是通過交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化的。交流電動(dòng)機(jī)的誕生和開展己有一百多年的歷史8，至今已經(jīng)研究、制造了形式多樣、用途各異的各種容量、各種品種的交流電動(dòng)機(jī)。交流電動(dòng)機(jī)分為同步電動(dòng)機(jī)和異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)兩大類。所謂同步電動(dòng)機(jī)

21、，即電動(dòng)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。反之，即是異步電動(dòng)機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，交流電動(dòng)機(jī)用電量占電機(jī)總用電量的85%左右，可見交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的廣泛性及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位1 ,2 。電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中，一是要使電動(dòng)機(jī)具有較高的機(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(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度1, 2 ,3 。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的影響。為了控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，就要為電動(dòng)機(jī)配上控制裝置。電動(dòng)機(jī)和控制裝置即為電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。以直流電機(jī)作為控制對(duì)象的電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)稱之為直流調(diào)速系統(tǒng)；以交流電動(dòng)

22、機(jī)作為控制對(duì)象的電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)稱之為交流調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)交流電機(jī)的分類，相應(yīng)有同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。一般來說，交流傳動(dòng)與相當(dāng)?shù)闹绷鱾鲃?dòng)相比通常有價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)，而且所需維護(hù)較少、電機(jī)尺寸較小以及更高的可靠性。然而，由于技術(shù)上的原因，以往交流傳動(dòng)的調(diào)速性能與直流傳動(dòng)有較大差距，因而它們的應(yīng)用主要局限在風(fēng)機(jī)、泵和壓風(fēng)機(jī)等對(duì)調(diào)速性能要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合。而在高性能應(yīng)用場(chǎng)合，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D=20的寬調(diào)速圍，以及高于50rad/s的快速暫態(tài)響應(yīng)這些場(chǎng)合，幾乎全部是直流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。不過隨著科學(xué)技術(shù)的方丈，采用適當(dāng)控制的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)在高

23、性能應(yīng)用上已經(jīng)勝過直流傳動(dòng)，并且交流傳動(dòng)更加廣泛的應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的傳動(dòng)、機(jī)床和電開工具、機(jī)器人和自動(dòng)裝置的傳動(dòng)、紡織廠和造紙廠的傳動(dòng)、電動(dòng)汽車和電器火車傳動(dòng)、船舶傳動(dòng)、水泥窯和軋鋼機(jī)傳動(dòng)等等。交流電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格廉價(jià)、鞏固耐用、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)行可靠、維修簡(jiǎn)便、使用環(huán)境及構(gòu)造開展不受限制等優(yōu)點(diǎn)。但是長(zhǎng)期以來由于受科技開展的限制，把交流電動(dòng)機(jī)作為調(diào)速電機(jī)的困難問題未能得到很好的解決，只有一些性能差，低效耗能的調(diào)速方法1 2 ，如：(1) 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外串電阻及機(jī)組式串級(jí)調(diào)速方法。(2) 鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速方法(自耦變壓器、飽和電抗

24、器)及后來的電磁滑差調(diào)速方法。20世紀(jì)70年代以后，由于生產(chǎn)開展的需要和席卷全球的石油危機(jī)，促使世界各國(guó)開場(chǎng)重視交流調(diào)速技術(shù)的研究與開發(fā)。電力電子功率器件和控制理論的開展使得交流傳動(dòng)得以飛速開展。1.2 變頻器的概況變頻器是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制裝置。變頻器最早的形式是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組作為可變頻率電源，供應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)。隨著電力半導(dǎo)體器件的開展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式4,5,6。靜止式變頻器從主電路的構(gòu)造形式上可分為兩種：交一直一交型和交一交型。(1) 交一直一交型變頻器：根據(jù)直流局部電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種。電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動(dòng)機(jī)施加穩(wěn)定電

25、壓，其主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行幾乎不受負(fù)載的功率因數(shù)或換流的影響，它主要適用于中、小容量的交流傳動(dòng)系統(tǒng)。電流型變頻器向負(fù)載提供的電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源，它主要應(yīng)用在大容量的電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)以及大容量風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中12。(2) 交一交型變頻器：它的功能是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率的交流電。由于中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)，不需換流，因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機(jī)等。但由于控制方式的限制，其最高輸出頻率只能到達(dá)電源頻率的1/3-1/2，所以不能高速運(yùn)行。變頻器按主電路方式分類，種類有限，新的電路方式較少。相比之下，按控制方式分類時(shí)，種類較多，由于可控制的對(duì)象較多，包括頻率、電壓

26、、電流、磁通、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、位置等，而且對(duì)每一種控制對(duì)象又有多種控制方式。其中以V/f控制的變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻器和矢量控制的變頻器等較為常見。由于轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻器需要針對(duì)具體電機(jī)的機(jī)械特性調(diào)整控制參數(shù)，而矢量控制的變頻器一般應(yīng)用于軋鋼、造紙?jiān)O(shè)備等對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合，所以它們的通用性較差，目前市場(chǎng)上銷售的通用變頻器的控制方式多半為V/F比恒定控制。V/F比恒定控制方式又稱為VVVF(變壓變頻)控制方式。在V/F控制的變頻器中，主電路中逆變器采用IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶閘管)構(gòu)成三相逆變橋，控制原理采用PWM脈沖

27、寬度調(diào)制方式。其主要的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)展電機(jī)的開環(huán)速度控制，無需速度傳感器，控制電路簡(jiǎn)單，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，所以V/F比恒定控制方式通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。但其較差的低速性能是V/F比恒定控制存在的主要問題7。飛速開展的變頻器，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各部門得到了廣泛的應(yīng)用。從使用對(duì)象的角度，變頻器又可分為通用變頻器和專用變頻器。專用變頻器用于特定的控制對(duì)象，例如機(jī)床的主軸、進(jìn)給局部的控制器等。通用變頻器是相對(duì)專用變頻器而言的，我們通常把系列化、批量化、占市場(chǎng)量最大的中小功率變頻器稱為通用變頻器。通用一詞有兩方面的含義：一是這種變頻器可用以驅(qū)動(dòng)通用型交流電

28、機(jī)，而不一定使用專用變頻電機(jī)；二是通用變頻器具有各種可供選擇的功能，能適應(yīng)許多不同性質(zhì)的負(fù)載機(jī)械。由于通用變頻器強(qiáng)調(diào)通用性，其性能可以滿足大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械調(diào)速控制的需要，而且比專用變頻器價(jià)格廉價(jià)，因此應(yīng)用廣泛。通用變頻器和異步電動(dòng)機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速傳動(dòng)控制，在很多文獻(xiàn)中都簡(jiǎn)單的稱其為變頻器傳動(dòng)。1變頻器傳動(dòng)具有它固有的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)引用到不同的生產(chǎn)機(jī)械或設(shè)備上，可以表達(dá)出不同的功能，到達(dá)不同的目的，收到相應(yīng)的效益。在需要進(jìn)展速度控制的場(chǎng)合，變頻器傳動(dòng)以其操作方便、體積小、控制性能高而成為目前世界上最受歡送的調(diào)速方式，它的優(yōu)越性已帶來了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益4。1.3 變頻器的開展過程

29、和現(xiàn)狀1.3.1 變頻器的開展過程早在二戰(zhàn)之前，德國(guó)和聯(lián)就開場(chǎng)研制變頻調(diào)速系統(tǒng)5。但一直到50年代中期，由于1957年晶閘管的創(chuàng)造，才使得電力電子技術(shù)進(jìn)入了強(qiáng)電領(lǐng)域，伴隨著電力半導(dǎo)體器件的開展，1964年第一臺(tái)變頻器問世了，變頻調(diào)速的各種方案開場(chǎng)進(jìn)入使用階段。但是當(dāng)時(shí)用晶閘管制成的變頻器因造價(jià)高，僅僅用于紡織，磨床等特定用途。進(jìn)入70年代，受石油危機(jī)的影響，電機(jī)調(diào)速問題漸漸得到人們的重視，這對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的開展起到了很大的推動(dòng)作用6,7。為節(jié)能效勞的低價(jià)變頻器開場(chǎng)出現(xiàn)，但仍屬于專用變頻器。1974年德國(guó)的F.Barnet等人開場(chǎng)利用著名的空間電壓矢量概念對(duì)PWM波進(jìn)展評(píng)估5，控制理論的開展和實(shí)

30、現(xiàn)手段上的進(jìn)步使得變頻調(diào)速技術(shù)經(jīng)歷了第一個(gè)頂峰7。進(jìn)入80年代以后，電力電子技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的開展，新的器件和變換技術(shù)不斷涌現(xiàn)。從早期的SCR到GTO到近幾年出現(xiàn)的1GBT, SITH靜電感應(yīng)晶閘管、SIT靜電感應(yīng)晶體管、MCTMOS控制晶閘管，器件的功率級(jí)別、開關(guān)頻率等都大大提高。同時(shí)還出現(xiàn)了與半導(dǎo)體器件配套的功率集成電路POWER IC和功能更完善的智能化功率半導(dǎo)體器件IPM 2。逆變器由以晶閘管為核心的外部換相電路向以自關(guān)斷器件為核心的自換相電路變化，功率器件開關(guān)頻率的大大提高也使得各種復(fù)雜控制方式易于實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在功率半導(dǎo)體器件的開展目標(biāo)是：高集成度、制成各種特定用戶的模塊、大大降低本錢

31、、提高可靠性、研制新一代IPEMIntegrated Power Electonic Module以取代PLC這些成就和開展為變頻器的飛速開展和大規(guī)模普及提供了物質(zhì)上的準(zhǔn)備條件13。隨著微處理器的不斷進(jìn)步，從8-16位的單片機(jī)，到16-32位的數(shù)字信號(hào)處理器DSP，再到32-64位的精簡(jiǎn)指令集合計(jì)算機(jī)RISC,位數(shù)增多，執(zhí)行速度快，控制能力也就越來越強(qiáng)，從而導(dǎo)致了變頻調(diào)速控制技術(shù)由模擬控制向全數(shù)字化控制轉(zhuǎn)化。今后變頻器的開展方向是進(jìn)一步縮小元器件的體積，提高專用集成電路ASIC的集成度，使小容量系統(tǒng)的控制器和變換器都能嵌裝在電機(jī)機(jī)殼里面，構(gòu)成機(jī)電一體化7 ,8。伴隨著電子控制器和電力電子技術(shù)的

32、不斷開展，相應(yīng)的自動(dòng)控制策略也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在變換器的PWM控制技術(shù)方面先后提出了SPWM正弦波PWM方式、SVPWM Space Vector PWM空間電壓矢量PWM方式和各種優(yōu)化PWM方式，先進(jìn)的PWM方式使輸出諧波大大降低12。同時(shí)在控制理論上也提出了一系列新的控制方法，如無速度傳感變頻控制、轉(zhuǎn)矩直接控制、非線性解藕控制等，因而電機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)造不斷簡(jiǎn)化，性能不斷提高。1.3.2 變頻器的現(xiàn)狀進(jìn)入90年代，變頻器以其優(yōu)異的控制性能，在調(diào)速領(lǐng)域獨(dú)樹一幟，并在工業(yè)領(lǐng)域及家電產(chǎn)品中得到迅速推廣8。此時(shí)，變頻技術(shù)和變頻器制造已經(jīng)從一般意義的拖動(dòng)技術(shù)中別離出來，成為世界各國(guó)在工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)電

33、一體化領(lǐng)域中爭(zhēng)強(qiáng)占先的陣地，各興旺國(guó)家更是在該技術(shù)領(lǐng)域注入了極大的人力、物力、財(cái)力，使之目前己經(jīng)進(jìn)入了高新技術(shù)行業(yè)。就變頻技術(shù)而言，目前日本、美國(guó)及法國(guó)、荷蘭、丹麥等國(guó)家可以說是齊頭并進(jìn)，不分仲伯9。在這一領(lǐng)域的研制、生產(chǎn)方面，220KW功率以上的變頻器根本被歐、美等國(guó)家壟斷，如德國(guó)的西門子SIEMENS、丹佛斯DANFOSS、美國(guó)的AB, GE公司、歐洲的ABB等9。中小容量的變頻器85%為日本產(chǎn)品和產(chǎn)品所占領(lǐng)，如富士FUJI、三墾SAMCO、東芝TOSHIBA、松下PANASONIC,三菱MITSUBISHI、安川以及的臺(tái)達(dá)11。由于這些國(guó)家、地區(qū)的工業(yè)根底好、制造業(yè)興旺、開發(fā)生產(chǎn)能力強(qiáng)，

34、所以他們生產(chǎn)的變頻器適應(yīng)圍廣，變頻器應(yīng)用普及率在85%以上。相對(duì)于這些工業(yè)興旺國(guó)家而言，國(guó)廠家在電子產(chǎn)品的科研開發(fā)、工藝設(shè)計(jì)、加工制造能力等方面，同國(guó)外廠家相比存在一定差距，從總體上看，我國(guó)電氣傳動(dòng)的技術(shù)水平較國(guó)際先進(jìn)水平差距10-15年。國(guó)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下:(1) 變頻器的整機(jī)技術(shù)落后，國(guó)雖有很多單位投進(jìn)了一定的人力、物力，但由于氣力分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。(2) 變頻器產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空缺。(3) 相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。 (4) 產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。1.3.3 現(xiàn)代通用變頻器的根本構(gòu)造現(xiàn)代通用變頻器大都是選用全控型的BJT,

35、IGBT, GTO等功率開關(guān)器件的電壓型變頻器，其控制方式為各種PWM控制，而半控型的SCR器件、PAMPules Amplitude Modulation脈沖幅值調(diào)制控制方式、電流型變頻器，在通用變頻器中己很少采用2。此外，通用變頻器大都是頻率開環(huán)控制的。輸出頻率的設(shè)定，分模擬設(shè)定方式與數(shù)字設(shè)定方式兩種。模擬設(shè)定方式，通常以0-5 V作為頻率設(shè)定信號(hào)，用可調(diào)電位器進(jìn)展設(shè)定與調(diào)節(jié)，數(shù)字設(shè)定方式則是已按鍵或觸摸式開關(guān)進(jìn)展設(shè)定。因此，通常把變頻器分為模擬設(shè)定式PWM通用變頻器與數(shù)字式設(shè)定PWM變頻器兩種。但數(shù)字設(shè)定方式的變頻器，一般也都留有模擬設(shè)定的端口5。1.4 變頻器的應(yīng)用交流變頻傳動(dòng)裝置現(xiàn)已

36、在我國(guó)各行業(yè)廣泛應(yīng)用，特別在石化、冶金、汽車、造紙、熱電、食品、紡織、包裝等工業(yè)。最大交流變頻傳動(dòng)用于鋼鐵企業(yè)5 000 kW 控制準(zhǔn)確度要求高的軋機(jī)上，最小用在家用空調(diào)的風(fēng)機(jī)上，幾乎包括各個(gè)領(lǐng)域。1.4.1 節(jié)能調(diào)速節(jié)能調(diào)速目前普遍使用在控制準(zhǔn)確度不高、動(dòng)態(tài)性能要求低的平方率負(fù)載上，如風(fēng)機(jī)和水泵。風(fēng)機(jī)和水泵等機(jī)械總?cè)萘繋缀跽脊I(yè)電氣傳動(dòng)總?cè)萘康囊话?，也是耗能大戶。如一個(gè)5000t/d的水泥廠，窯尾高溫風(fēng)機(jī)2500kW，全廠風(fēng)機(jī)的耗電量約占整個(gè)廠用電量的30%；大的水廠如水源九廠，僅水泵容量為2500kW 的就有4臺(tái)。如交流傳動(dòng)不調(diào)速，風(fēng)量和水的流量，靠檔板和閥門來調(diào)節(jié)，相當(dāng)于增加管道的阻力，

37、使大量電能消耗在檔板和閥門上，負(fù)載下降又使驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)降低。由于風(fēng)機(jī)和水泵屬于平方率負(fù)載，如換成交流調(diào)速系統(tǒng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)平均節(jié)能在20%左右。目前在城市供水、供熱系統(tǒng)的離心泵、循環(huán)泵、風(fēng)機(jī)已普遍使用變頻器調(diào)速，在煤礦、化工、食品、冶金、有色、建材行業(yè)中的泵類和風(fēng)機(jī)也開場(chǎng)大量使用變頻器，并取得較好的節(jié)能效果。由于控制要求不高，只要選型正確，各類變頻器都可用于泵類和風(fēng)機(jī)中。如大功率高壓泵類和風(fēng)機(jī)負(fù)載可采用低壓半導(dǎo)體器件組成功率單元串聯(lián)的大功率高壓變頻器，當(dāng)然也可使用大功率器件組成的高壓變頻器，但價(jià)格較貴。大的水廠如、水廠，大的熱電廠如熱電廠、首鋼熱電廠等采用了大功率高壓變頻器；珠江水泥廠、都江

38、堰水泥廠等幾乎所有風(fēng)機(jī)都采用了大功率高壓變頻器。1.4.2 特大容量和極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速對(duì)于特大容量和極高轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)裝置，當(dāng)極限容量與轉(zhuǎn)速的乘積超過約106 kWr/min 這一數(shù)值時(shí)，由于直流電動(dòng)機(jī)換向器的換向能力，限制了其容量和轉(zhuǎn)速，交流電動(dòng)機(jī)則不受限制。因此特大容量的傳動(dòng)如鋼板軋機(jī)、礦井主皮帶機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等，以采用交流變頻調(diào)速為宜。對(duì)此類傳動(dòng)裝置控制要求很高。西門子SIMOVERT MV 用在鋼鐵公司和鋼鐵公司特大容量的軋機(jī)上，傳動(dòng)裝置功率為5000kW 和3500kW；用在平朔安家?guī)X井工礦1號(hào)井、2號(hào)井主皮帶機(jī)的功率分別為3*1080kW 和3*850kW；燕山石化高壓聚乙烯擠壓機(jī)功率為

39、3000kW。對(duì)極高轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)裝置如在化工和食品行業(yè)的離心機(jī)，高速攪拌機(jī)和高速磨頭也應(yīng)采用交流調(diào)速裝置。這種傳動(dòng)裝置容量不大，但動(dòng)態(tài)性能要求高，在運(yùn)行時(shí)要防止超速。1.4.3 交流調(diào)速裝置應(yīng)用時(shí)考前須知交流調(diào)速裝置應(yīng)用時(shí)有以下幾個(gè)考前須知17 ：1交流變頻調(diào)速傳動(dòng)裝置對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生諧波干擾，應(yīng)按中國(guó)諧波標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93 加諧波濾波器或電抗器，使其對(duì)電網(wǎng)干擾最小。2為使變頻調(diào)速器受外界干擾影響最小,在布線時(shí)控制電纜，電源電纜與電動(dòng)機(jī)的連接電纜走線須相互隔離，不能放在同一電纜線槽中或電纜架上；輸入和輸出信號(hào)回路須用屏蔽對(duì)絞線，接到電動(dòng)機(jī)主回路連接電纜應(yīng)屏蔽或鎧裝，屏蔽層接地；用短而粗的節(jié)

40、電接地線按規(guī)定正確連接保護(hù)接地和系統(tǒng)接地，最后連接到公共的星形接地網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)需要還可考慮加隔離變壓器和進(jìn)線電抗器，使其受干擾影響最小。3在低速運(yùn)行時(shí)，須防止軸系的震蕩；在高速運(yùn)行時(shí)，須防止超速。1.5 通用變頻器的術(shù)語和技術(shù)參數(shù)1.5.1 通用變頻器的術(shù)語根據(jù)變頻器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 12668-2002中國(guó)調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的幾個(gè)重要專業(yè)術(shù)語如下：1輸出電壓：GB 12668-2002定義輸出電壓是輸出端子間的基波均方根電壓。2輸出頻率調(diào)節(jié)圍：GB 12668-2002規(guī)定為使被控電機(jī)在持續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩下穩(wěn)定運(yùn)行的頻率圍。3頻率分辨率：GB 12668-2002規(guī)定為兩個(gè)頻率之間增量的最小

41、值。1.5.2 通用變頻器的技術(shù)參數(shù)1輸出容量：規(guī)定輸出容量為視在功率，單位是kVA，并規(guī)定應(yīng)在以下數(shù)據(jù)中選擇：2, 4, 6, 10, 35, 50, 60, 100, 150, 200,230, 330, 360, 420, 470, 500 (kVA)。2額定輸出電壓：GB 12668-2002中規(guī)定變頻器輸出頒定電壓，最大不超過輸入線電壓值。當(dāng)輸入單相220 V士10%的情況下，其額定輸出電壓為三相220V(最大值)。3額定輸出頻率：在我國(guó)，一般工業(yè)用電設(shè)備的額定頻率為50Hz。1.6 本文所做的工作基于通用變頻器良好的市場(chǎng)環(huán)境，結(jié)合國(guó)的研發(fā)現(xiàn)狀以及現(xiàn)代電力電子技術(shù)的開展，中、小容量變

42、頻器擁有廣闊的開展前景。出于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益兩方面的考慮，應(yīng)一般中小功率交流異步電動(dòng)機(jī)對(duì)變頻器高性能低本錢的客觀要求，本次設(shè)計(jì)的通用變頻器主要使用功率器件IGBT、PWM逆變器等，采用V/F控制，通過MATLAB /SIMULINK設(shè)計(jì)仿真模型并進(jìn)展頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，從而檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，及該通用變頻器設(shè)計(jì)的可行性。1.7 本章小結(jié)本章主要介紹了在生產(chǎn)生活中越來越廣泛應(yīng)用的變頻調(diào)速及變頻器。從交流調(diào)速的開展、變頻器的概況、開展及應(yīng)用等方面對(duì)變頻器相關(guān)情況進(jìn)展了簡(jiǎn)要的介紹；通過對(duì)國(guó)外變頻器研究、生產(chǎn)、應(yīng)用情況的簡(jiǎn)單分析，說明了變頻器研究在當(dāng)今社會(huì)的必要性和實(shí)際意義；最后簡(jiǎn)單介紹了本文的主要研究容

43、。2 異步電動(dòng)機(jī)交流電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔芑蛘甙呀涣麟娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。交流電機(jī)分為同步電機(jī)(synchronous machine) 和異步電機(jī)asynchronous machine。同步電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速之比為常數(shù)，不隨負(fù)載變化而變化。而異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速則由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載情況等決定。同步電機(jī)和異步電機(jī)雖然運(yùn)行性能有很大差異，但是電機(jī)部發(fā)生的電磁現(xiàn)象和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理根本一樣，因而可以一起來進(jìn)展研究。本文主要針對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)展調(diào)速，因而著重介紹交流異步電動(dòng)機(jī)的根本工作原理。2.1 異步電機(jī)的根本工作原理異步電機(jī)主要用作電動(dòng)機(jī)，用途十分廣泛。普

44、及工農(nóng)業(yè)及家用的各個(gè)方面，容量從幾十瓦到數(shù)千千瓦。其數(shù)量約占各種電動(dòng)機(jī)總數(shù)的90%，其中中、小型異步電動(dòng)機(jī)占了70%以上，在工業(yè)中，風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、中小型軋鋼設(shè)備、各種金屬切削機(jī)床、輕工機(jī)械、礦山機(jī)械等可由異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)家用電器如電扇、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)等也可由單相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)11。異步電動(dòng)機(jī)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、容易制造、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠、鞏固耐用、運(yùn)行效率高、工作特性好等優(yōu)點(diǎn)。和同容量的直流電機(jī)相比，異步電動(dòng)機(jī)的重量約為直流電機(jī)的一半，而價(jià)格僅為直流電機(jī)的三分之一。它的缺點(diǎn)是功率因數(shù)較低，由于它必須從電網(wǎng)中吸收滯后性的無功功率，因而功率因數(shù)總小于1。但是隨著交流調(diào)速技術(shù)的不斷開展，三相異步

45、電動(dòng)機(jī)在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中正得到越來越廣泛的應(yīng)用。三相異步電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大局部組成，定子和轉(zhuǎn)子之間是空氣隙。此外，還有端蓋、軸承、機(jī)座、風(fēng)扇等部件。異步電動(dòng)機(jī)的額定值包含以下幾項(xiàng)：1額定功率P 指電動(dòng)機(jī)在額定情況下運(yùn)行時(shí)，輸出的機(jī)械功率，單位kW。2額定電壓U 指電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，外加于定子繞組上的線電壓，單位是V。3額定電流I 指電動(dòng)機(jī)在額定電壓下，軸上有額定功率輸出時(shí)定子繞組上的線電流值，單位是A。4額定頻率f 我國(guó)的工業(yè)用電的頻率是50Hz，一般國(guó)的異步電動(dòng)機(jī)的額定頻率都為50Hz。5額定轉(zhuǎn)速n 指電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率下，軸端輸出額定功率時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速值，單位為r/min。6功

46、率因數(shù)指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載情況下，定子邊的功率因數(shù)值。三相異步電動(dòng)機(jī)的定子上裝有三相對(duì)稱繞組，轉(zhuǎn)子繞組是一個(gè)自身短路的多相繞組。異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，將定子繞組接到三相交流電源上，在電機(jī)的氣隙中建立一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速為同步速n1=60f1/p，如圖2-1所示的，是一簡(jiǎn)單的二極異步電機(jī)的示意圖。圖2-1 異步電動(dòng)機(jī)工作原理圖中，N和S表示旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的兩極，并以同步速n1逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線切割轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)條，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，此時(shí)轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組自身短路，因而在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中會(huì)有電流流過。根據(jù)右手定則，可以判斷轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中電勢(shì)和電流的方向。又根據(jù)電磁力定律，載流的導(dǎo)條在旋轉(zhuǎn)磁

47、場(chǎng)中必然受到電磁力的作用，電磁力的方向由左手定則決定。由此可以判斷圖2-1中作用于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條上的電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向一樣，也是逆時(shí)針方向。如果電磁轉(zhuǎn)矩足以克制轉(zhuǎn)子上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(包括電機(jī)本身的控制制動(dòng)轉(zhuǎn)矩)，轉(zhuǎn)子就可以在逆時(shí)針方向加速旋轉(zhuǎn)了。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)就處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行，此時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n為*一穩(wěn)定值。一般情況下，轉(zhuǎn)子的n轉(zhuǎn)速總是略小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速n1，因?yàn)檗D(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)才能在轉(zhuǎn)子繞組里產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。正是由于異步電動(dòng)機(jī)靠自身的電磁轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不可能到達(dá)其同步速n1,異步電動(dòng)機(jī)的名稱才由此而得。我們

48、把同步轉(zhuǎn)速n1，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的差值叫做轉(zhuǎn)速差n，即n=n1n。將n表示為同步轉(zhuǎn)速n的百分值，稱為轉(zhuǎn)差率也叫轉(zhuǎn)差或者滑差，用s表示，即：s QUOTE 2-1s是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)根本參數(shù)，它是表征異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行性能的一個(gè)根本變量。不難看出，當(dāng)n=0時(shí)，s=1，當(dāng)n= n1時(shí)，s=0；當(dāng)nn1時(shí)，s1。2.2 異步電機(jī)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型1異步電動(dòng)機(jī)的在調(diào)速時(shí)需要進(jìn)展電壓(電流)和頻率的協(xié)調(diào)控制，因而有電壓(電流)和頻率兩個(gè)獨(dú)立的輸入變量。由于它只有一個(gè)三相輸入電源，磁通的建立和轉(zhuǎn)速的變化是同時(shí)進(jìn)展的，在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，為了獲得較大的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，也需要對(duì)磁通施加*種控制?？梢姡惒诫妱?dòng)機(jī)是一個(gè)多變

49、量的輸入、輸出系統(tǒng)。而電壓(電流)、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又互相有影響，所以它又是一個(gè)強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)12。2異步電動(dòng)機(jī)中，電流和磁通共同作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘以磁通得到感應(yīng)電勢(shì)，而它們又都是變化的，因而即使不考慮磁飽和等因素，數(shù)學(xué)模型也是非線性的。3三相異步電動(dòng)機(jī)定子有三個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子也可等效為三個(gè)繞組，每個(gè)繞組產(chǎn)生磁通時(shí)都有自己的電磁慣性，再加上運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系，即使不考慮變頻裝置的滯后因素，也是一個(gè)八階系統(tǒng)15?？偟膩碚f，異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。異步電動(dòng)機(jī)部發(fā)生的各種能量轉(zhuǎn)換涉及電、磁和機(jī)械力三種物理量并且遵守能量守恒關(guān)系，反映在電磁和機(jī)械力

50、方面分別為電勢(shì)平衡關(guān)系、磁勢(shì)平衡關(guān)系和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系。三相定子繞組電壓方程： (2-2)與此應(yīng)地，三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為： (2-3) 式中：uA，uB，uC，ua，ub，uc一定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值；iA，iB， iC， ia，ib， ic一定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值；，一各相繞組的全磁鏈；Rs, Rr一定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻。每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對(duì)它的互感磁鏈之和。因此，六個(gè)繞組的磁鏈可表達(dá)為：2-4或者寫成 QUOTE 式中，L是6*6電感矩陣，其中對(duì)角線元素LAA、LBB、LCC、Laa、Lbb、Lcc是各有關(guān)繞組的自感，其余各項(xiàng)則是繞組間的互感。與電機(jī)

51、繞組交鏈的磁通有兩類：一類是只與*一相繞組交鏈而不穿過氣隙的漏磁通，另一類是穿過氣隙的相間互感磁通，后者是主要的。互感磁通又分為兩類：1定子三相彼此之間和轉(zhuǎn)子三相彼此之間位置是固定的，故互感為常值。2定子任一相與轉(zhuǎn)子任一相間的位置是變化的，互感是角位移的函數(shù)。在一般情況下，忽略電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的阻轉(zhuǎn)矩阻尼和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩時(shí)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程是：2-5式中 TL一負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩；J一機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；np一極對(duì)數(shù)假定線性磁路、磁動(dòng)勢(shì)在空間按正弦分布，可得轉(zhuǎn)矩方程為：2-6其中np為極對(duì)數(shù)；Lms為定子互感上式中對(duì)于定子、轉(zhuǎn)子電流對(duì)時(shí)間的波形未作任何假定，式中的電流都是瞬時(shí)值。因此，上式完全適用于變壓

52、變頻器供電的含有電流諧波的三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。電磁轉(zhuǎn)矩的正方向?yàn)槭箿p小的方向。改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速18。2.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法2.3.1 交流調(diào)速的根本類型交流調(diào)速的難點(diǎn)主要來自于交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，它造成轉(zhuǎn)矩控制困難。與其相關(guān)的電子器件和微處理器更新?lián)Q代的速度，制約了交流調(diào)速系統(tǒng)的開展速度，調(diào)速系統(tǒng)的精度和本錢，又使得交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用復(fù)雜化。1交流電機(jī)是一個(gè)多輸入多輸出、非線性、強(qiáng)耦合且時(shí)變的被控對(duì)象，對(duì)象的復(fù)雜性直接帶來了轉(zhuǎn)矩控制的困難。穩(wěn)態(tài)時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩式：2-7式中，CT為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，為轉(zhuǎn)矩磁通，Ir為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電流幅值，為轉(zhuǎn)子的功率

53、因數(shù)角。式中是由定子電流is和轉(zhuǎn)子電流ir共同產(chǎn)生的；與ir是兩個(gè)相互耦合的變量，且對(duì)于一般的鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)是無法測(cè)量的，更無法直接控制16；2調(diào)速裝置中兩大組成部件是變頻器和控制器。變頻器中的組成部件大功率電力電子器件在近五十年來就更新了五代之多，以適應(yīng)高頻變頻的需要；控制器中的最主要器件微處理器在近二十年中的運(yùn)算速度提高了數(shù)倍，以適應(yīng)復(fù)雜的交流調(diào)速算法的需要。直到進(jìn)入20世紀(jì)90年代，這些器件的開展才日漸成熟，根本上能夠滿足高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)的需要。3針對(duì)如此復(fù)雜的控制對(duì)象，新的控制方法、新的器件構(gòu)成的新的調(diào)速系統(tǒng)，很難一步到達(dá)己經(jīng)成熟的直流調(diào)速系統(tǒng)所具有的精度，因而需要反復(fù)大量的研制

54、工作，并承受長(zhǎng)期的、各種工礦的考驗(yàn)。這需要大量的時(shí)間和資金13,14。現(xiàn)在文獻(xiàn)中介紹的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)種類很多，常見的有：(1)降電壓調(diào)速；(2)電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；(3)繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；4線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)串級(jí)調(diào)速；(5)變極對(duì)數(shù)調(diào)速；(6)變頻調(diào)速等等。按照交流異步電動(dòng)機(jī)的根本原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率Pm可分為兩局部：一局部是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率P2=(1-s)Pm，另一局部是轉(zhuǎn)差功率Ps=sPm，與轉(zhuǎn)差率s成正比。轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，可以衡量調(diào)速系統(tǒng)的效率上下。按照轉(zhuǎn)差功率處理方式的不同，可以把異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分為三類：l轉(zhuǎn)差功率消耗型的調(diào)速系統(tǒng)：全

55、部轉(zhuǎn)差功率都換成熱能的形式消耗掉。晶閘管調(diào)壓調(diào)速屬于這一類。在異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)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(jià)來換取轉(zhuǎn)速的降低。但是這類系統(tǒng)構(gòu)造最簡(jiǎn)單，對(duì)于要求不高的小容量場(chǎng)合還有一定的應(yīng)用。2)轉(zhuǎn)差功率回饋型的調(diào)速系統(tǒng)：轉(zhuǎn)差功率的一局部消耗掉，大局部則通過變流裝置回饋電網(wǎng)或者轉(zhuǎn)化為機(jī)械能予以利用，轉(zhuǎn)速越低回饋的功率也越多。繞線式異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速和雙饋調(diào)速屬于這一類。這類調(diào)速系統(tǒng)的效率顯然比第一類高。串級(jí)調(diào)速就屬于這種調(diào)速方法。3)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)：轉(zhuǎn)差功率中轉(zhuǎn)子銅耗局部是不可防止的，但在這類系統(tǒng)中無論轉(zhuǎn)速上下，轉(zhuǎn)差功率的消耗根本不變，因此效率很高。變極對(duì)數(shù)調(diào)速和

56、變頻調(diào)速都屬于此類。但是，變極對(duì)數(shù)是有級(jí)調(diào)速。目前變頻調(diào)速應(yīng)用最廣泛，可以構(gòu)成高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速。交流異步電動(dòng)機(jī)的諸多調(diào)速方法中，變壓變頻調(diào)速的性能最好。它調(diào)速圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運(yùn)行效率高。異步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不變，在各種異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中效率最高，同時(shí)性能也最好，是交流調(diào)速的主要開展方向 25。由電機(jī)學(xué)可知，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：2-8式中，fs為電機(jī)定子供電頻率；np為電機(jī)極對(duì)數(shù)：為轉(zhuǎn)差率，其中為同步轉(zhuǎn)速。由式(2-7)可以看出，如果均勻地改變異步電動(dòng)機(jī)的定子供電頻率fs，就可以平滑地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。實(shí)際應(yīng)用中，不

57、僅要求調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，還要求調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的機(jī)械特性。對(duì)異步電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下進(jìn)展調(diào)速控制時(shí)，希望電動(dòng)機(jī)中每極的主磁通，保持額定值不變。因?yàn)榇磐ㄌ?，鐵心利用不充分，同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力下降，有可能造成電機(jī)的堵轉(zhuǎn)；磁通太強(qiáng)，則電機(jī)處于過勵(lì)磁狀態(tài)，使勵(lì)磁電流過大，鐵損增加，而且限制了定子電流的負(fù)載分量，為使電動(dòng)機(jī)不至于過熱燒毀，負(fù)載能力也要下降。因此在調(diào)速時(shí)不僅要改變供電頻率，而且要保持磁通恒定26。2.3.2 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)控制原理及其機(jī)械特性1V/f根本原理根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速是由電源頻率和電機(jī)極對(duì)數(shù)決定的，在改變供電頻率時(shí)，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也相應(yīng)的

58、改變，實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)在負(fù)載條件下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差的大小與電機(jī)的負(fù)載有關(guān)。圖2-2異步電動(dòng)機(jī)T型等效電路異步電機(jī)的T型等效電路如圖2-2所示。三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相感應(yīng)電勢(shì)的有效值為： QUOTE 2-9式中，Es定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)的方均根值(V)；fs為定子頻率(Hz)；Ns為定子相繞組有效匝數(shù)；k為基波繞組系數(shù)；m為每極氣隙磁通量(Wb)。異步電動(dòng)機(jī)端電壓與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系式為： QUOTE 2-10在交流異步電動(dòng)機(jī)中，氣隙磁通m (即主磁通)是由定子和轉(zhuǎn)子的合成磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的。由公式2-8可以看出，要保持恒定不變，就要同時(shí)協(xié)調(diào)控制Es和fs，就可以到達(dá)控

59、制m并使之恒定的目的31。對(duì)此，需考慮額定頻率以下和額定頻率以上兩種情況26：基頻以下恒磁通變頻調(diào)速：(即從電動(dòng)機(jī)額定頻率f1N向下調(diào)速的情況)為了保持電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，應(yīng)保持氣隙主磁通m不變，這就要求在改變供電頻率的同時(shí)改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，保持Es/fs=常數(shù)，即保持電動(dòng)勢(shì)與頻率之比為常數(shù)。這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。電機(jī)在額定運(yùn)行情況下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值較高，電機(jī)定子電阻和漏電抗上的壓降所占的比例較小，由式(2-9)可知，電機(jī)端電壓和電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)近似相等。當(dāng)電機(jī)的定子頻率fs降低時(shí)，假設(shè)繼續(xù)保持電機(jī)的端電壓不變，即保持電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Es不變，則由式(2-8)可知，電機(jī)的

60、磁通m將增大。由于電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，在額定情況下的磁通常處于接近飽和狀態(tài)，磁通的進(jìn)一步增大將導(dǎo)致出現(xiàn)飽和，造成電機(jī)中的勵(lì)磁電流過大，增加電機(jī)的銅耗和鐵耗，使溫升過高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電機(jī)。而在另一種情況下，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)欠勵(lì)磁時(shí)，不能充分利用鐵心，將會(huì)影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的帶載能力下降。因此，在改變電機(jī)頻率時(shí)，應(yīng)對(duì)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)展控制，保持Es/fs為恒值，即可以保持磁通中m不變34。然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Es難以直接檢測(cè)和控制。當(dāng)定子頻率fs較高時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的值也較大，定子的漏阻抗壓降相比照擬小，如果忽略不計(jì)，則可以近似的認(rèn)為Es=Us，此時(shí)磁通可以用式(2-10)表達(dá)，為一個(gè)恒值：2-1