畢業(yè)設(shè)計(jì)-交流變頻調(diào)速系統(tǒng)

摘要

現(xiàn)在流行的異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速應(yīng)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(duì)簡單，有二十多年的開展經(jīng)驗(yàn)。因此應(yīng)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(dòng)機(jī),PWM技術(shù)目錄TOC\o"1-3"\h\u31591摘要 115710前言 321491.1設(shè)計(jì)的目的和意義 3240601.2變頻器調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理 315585第二章變頻器4138642.1變頻器選型： 4106552.2變頻器控制原理圖設(shè)計(jì)： 435262.3變頻器控制柜設(shè)計(jì) 6205752.4變頻器接線標(biāo)準(zhǔn) 7315762.5變頻器的運(yùn)行和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置 887892.6常見故障分析 829970第三章交流調(diào)速系統(tǒng)概述10100933.1交流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn) 1019351第四章變頻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)14155144.1電磁設(shè)計(jì) 14254684.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 142502第五章變頻電機(jī)主要特點(diǎn)和變頻電機(jī)的構(gòu)造原理15276535.1變頻專用電動(dòng)機(jī)具有如下特點(diǎn)： 1551515.2變頻電機(jī)的構(gòu)造原理 151215第六章交流異步電動(dòng)機(jī)16142806.1交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速根本原理 1643166.2變頻變壓〔VVVF〕調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 18277216.3變壓變頻運(yùn)行時(shí)機(jī)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〕257.2單極性SPWM法 2611899結(jié)論314390致謝3214672參考文獻(xiàn)33前言1.1設(shè)計(jì)的目的和意義近年來，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，交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前開展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動(dòng)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(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為開展趨勢。電機(jī)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(dòng)技術(shù)進(jìn)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(dòng)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(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有開展前途的調(diào)速方式。深入了解交流傳動(dòng)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(yùn)行的節(jié)能原理實(shí)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(dòng)電路、保護(hù)電路以及控制器〔MCU／DSP〕等局部組成。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，形成幅值根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(shí)進(jìn)行輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調(diào)速對(duì)U／f協(xié)調(diào)控制的要求。PWM的優(yōu)點(diǎn)是能消除或抑制低次諧波，使負(fù)載電機(jī)在近正弦波的交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈沖小，調(diào)速范圍寬。采用PWM控制方式的電機(jī)轉(zhuǎn)速受到上限轉(zhuǎn)速的限制。如對(duì)壓縮機(jī)來講，一般不超過7000r／rain。而采用PAM控制方式的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可提高1．5倍左右，這樣大大提高了快速增速和減速能力。同時(shí)，由于PAM在調(diào)整電壓時(shí)具有對(duì)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無法比較的優(yōu)越性，可抑制高次諧波的生成，減小對(duì)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(jī)定子電流下降64％，電源頻率降低30％，出膠壓力降低57％。由電機(jī)理論可知，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速可表示為：n=60·f8〔1—8〕／p第二章變頻器變頻器是利用電力半導(dǎo)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、電壓均可控制的交流電源以供應(yīng)電動(dòng)機(jī)。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(gè)局部組成。整流局部為三相橋式不可控整流器，逆變局部為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(chǔ)能和緩沖無功功率。2.1變頻器選型：變頻器選型時(shí)要確定以下幾點(diǎn)：1)采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。2)變頻器的負(fù)載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時(shí)的方式方法。3)變頻器與負(fù)載的匹配問題；I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負(fù)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(jī)的額定電流相符。對(duì)于特殊的負(fù)載如深水泵等那么需要參考電機(jī)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(fù)載或有減速裝置時(shí)有可能發(fā)生。4)在使用變頻器驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)時(shí)，由于高速電機(jī)的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型。5)變頻器如果要長電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長電纜對(duì)地耦合電容的影響，防止變頻器出力缺乏，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(duì)于一些特殊的應(yīng)用場合，如高溫，高海拔，此時(shí)會(huì)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(shè)計(jì)：1)首先確認(rèn)變頻器的安裝環(huán)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0～55℃，但為了保證工作平安、可靠，使用時(shí)應(yīng)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(yīng)安裝在箱體上部，并嚴(yán)格遵守產(chǎn)品說明書中的安裝要求，絕對(duì)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(shí)，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，其絕緣性能就會(huì)大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。必要時(shí)，必須在箱中增加枯燥劑和加熱器。在水處理間，一般水汽都比較重，如果溫度變化大的話，這個(gè)問題會(huì)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(huì)腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會(huì)加速塑料器件的老化，降低絕緣性能。IV.振動(dòng)和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機(jī)械振動(dòng)和沖擊時(shí)，會(huì)引起電氣接觸不良?；窗矡犭娋统霈F(xiàn)這樣的問題。這時(shí)除了提高控制柜的機(jī)械強(qiáng)度、遠(yuǎn)離振動(dòng)源和沖擊源外，還應(yīng)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(dòng)的元器件。設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行檢查和維護(hù)。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(duì)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(yīng)該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對(duì)儀表的干擾。所有的元器件均應(yīng)可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應(yīng)選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應(yīng)接地。如果處理不好電磁干擾，往往會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無法工作，導(dǎo)致控制單元失靈或損壞。2)變頻器和電機(jī)的距離確定電纜和布線方法；I.變頻器和電機(jī)的距離應(yīng)該盡量的短。這樣減小了電纜的對(duì)地電容，減少干擾的發(fā)射源。II.控制電纜選用屏蔽電纜，動(dòng)力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機(jī)全部用穿線管屏蔽。III.電機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其它電纜走線，其最小距離為500mm。同時(shí)應(yīng)防止電機(jī)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(yīng)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(hào)線與主回路線分開走線，即使在控制柜中也要如此。IV.與變頻器有關(guān)的模擬信號(hào)線最好選用屏蔽雙絞線，動(dòng)力電纜選用屏蔽的三芯電纜〔其規(guī)格要比普通電機(jī)的電纜大檔〕或遵從變頻器的用戶手冊(cè)。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(shè)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(dāng)變頻器到電機(jī)的距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)該安裝濾波器。雖然變頻器本身有各種保護(hù)功能，但缺相保護(hù)卻并不完美，斷路器在主回路中起到過載，缺相等保護(hù)，選型時(shí)可按照變頻器的容量進(jìn)行選擇。可以用變頻器本身的過載保護(hù)代替熱繼電器。II.控制回路：具有工頻變頻的手動(dòng)切換，以便在變頻出現(xiàn)故障時(shí)可以手動(dòng)切工頻運(yùn)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(dǎo)線的截面不小于4mm，長度不超過5m。變頻器的接地應(yīng)和動(dòng)力設(shè)備的接地點(diǎn)分開，不能共地。信號(hào)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(shè)計(jì)變頻器應(yīng)該安裝在控制柜內(nèi)部，控制柜在設(shè)計(jì)時(shí)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。在變頻器中各局部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可靠運(yùn)行，必須對(duì)變頻器進(jìn)行散熱我們通常采用風(fēng)扇散熱；變頻器的內(nèi)裝風(fēng)扇可將變頻器的箱體內(nèi)部散熱帶走，假設(shè)風(fēng)扇不能正常工作，應(yīng)立即停止變頻器運(yùn)行；大功率的變頻器還需要在控制柜上加風(fēng)扇，控制柜的風(fēng)道要設(shè)計(jì)合理，所有進(jìn)風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)，排風(fēng)通暢，防止在柜中形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積；根據(jù)變頻器說明書的通風(fēng)量來選擇匹配的風(fēng)扇，風(fēng)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(duì)附近的儀表、儀器有一定的干擾，而且會(huì)產(chǎn)生高次諧波，這種高次諧波會(huì)通過供電回路進(jìn)入整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)，從而影響其他儀表。如果變頻器的功率很大占整個(gè)系統(tǒng)25%以上，需要考慮控制電源的抗干擾措施。II.當(dāng)系統(tǒng)中有高頻沖擊負(fù)載如電焊機(jī)、電鍍電源時(shí)，變頻器本身會(huì)因?yàn)楦蓴_而出現(xiàn)保護(hù)，那么考慮整個(gè)系統(tǒng)的電源質(zhì)量問題。3)防護(hù)問題需要注意以下幾點(diǎn)：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(diǎn)，在變頻器附近不能有噴濺水流，總之現(xiàn)場柜體防護(hù)等級(jí)要在IP43以上。II.防塵：所有進(jìn)風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)阻隔絮狀雜物進(jìn)入，防塵網(wǎng)應(yīng)該設(shè)計(jì)為可拆卸式，以方便清理，維護(hù)。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(yán)密。III.防腐蝕性氣體：在化工行業(yè)這種情況比較多見，此時(shí)可以將變頻柜放在控制室中。2.4變頻器接線標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)線與動(dòng)力線必須分開走線：使用模擬量信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制變頻器時(shí)，為了減少模擬量受來自變頻器和其它設(shè)備的干擾，請(qǐng)將控制變頻器的信號(hào)線與強(qiáng)電回路〔主回路及順控回路〕分開走線。距離應(yīng)在30cm以上。即使在控制柜內(nèi)，同樣要保持這樣的接線標(biāo)準(zhǔn)。該信號(hào)與變頻器之間的控制回路線最長不得超過50m。信號(hào)線與動(dòng)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(hào)線如果不放置在金屬管道內(nèi)，極易受到變頻器和外部設(shè)備的干擾；同時(shí)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(jí)動(dòng)力線對(duì)外部會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的干擾，因此放置信號(hào)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(hào)線與動(dòng)力線的徹底分開。1)模擬量控制信號(hào)線應(yīng)使用雙股絞合屏蔽線，電線規(guī)格為0.75mm2。在接線時(shí)一定要注意，電纜剝線要盡可能的短〔5-7mm左右〕，同時(shí)對(duì)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(shè)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(hào)線上使用壓線棒端子。2.5變頻器的運(yùn)行和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置變頻器的設(shè)定參數(shù)多，每個(gè)參數(shù)均有一定的選擇范圍，使用中常常遇到因個(gè)別參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)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(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)辨識(shí)。最低運(yùn)行頻率：即電機(jī)運(yùn)行的最小轉(zhuǎn)速，電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，其散熱性能很差，電機(jī)長時(shí)間運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速下，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)燒毀。而且低速時(shí)，其電纜中的電流也會(huì)增大，也會(huì)導(dǎo)致電纜發(fā)熱。最高運(yùn)行頻率：一般的變頻器最大頻率到60Hz，有的甚至到400Hz，高頻率將使電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這對(duì)普通電機(jī)來說，其軸承不能長時(shí)間的超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，電機(jī)的轉(zhuǎn)子是否能承受這樣的離心力。載波頻率：載波頻率設(shè)置的越高其高次諧波分量越大，這和電纜的長度，電機(jī)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(jī)參數(shù)：變頻器在參數(shù)中設(shè)定電機(jī)的功率、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、最大頻率，這些參數(shù)可以從電機(jī)銘牌中直接得到。跳頻：在某個(gè)頻率點(diǎn)上，有可能會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，特別在整個(gè)裝置比較高時(shí)；在控制壓縮機(jī)時(shí)，要防止壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)。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(shí)間太短、負(fù)載發(fā)生突變、負(fù)荷分配不均，輸出短路等原因引起的。這時(shí)一般可通過延長加減速時(shí)間、減少負(fù)荷的突變、外加能耗制動(dòng)元件、進(jìn)行負(fù)荷分配設(shè)計(jì)、對(duì)線路進(jìn)行檢查。如果斷開負(fù)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(jī)過載。其可能是加速時(shí)間太短，電網(wǎng)電壓太低、負(fù)載過重等原因引起的。一般可通過延長加速時(shí)間、延長制動(dòng)時(shí)間、檢查電網(wǎng)電壓等。負(fù)載過重，所選的電機(jī)和變頻器不能拖動(dòng)該負(fù)載，也可能是由于機(jī)械潤滑不好引起。如前者那么必須更換大功率的電機(jī)和變頻器；如后者那么要對(duì)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行檢修。3)欠壓：說明變頻器電源輸入局部有問題，需檢查后才可以運(yùn)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(diǎn)對(duì)于可調(diào)速的電力拖動(dòng)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(dòng)機(jī)來進(jìn)行電能與機(jī)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(dòng)機(jī)作為電能—機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，并對(duì)其進(jìn)行控制以產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)速。

縱觀電力拖動(dòng)的開展過程，交、直流兩大調(diào)速系統(tǒng)一直并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，雖然由于各個(gè)時(shí)期科學(xué)技術(shù)的開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)的開展，特別是隨著電力電子元器件的開展而在相互競爭。在過去很長一段時(shí)期，由于直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，幾乎都是采用直流調(diào)速系統(tǒng)。然而由于直流電動(dòng)機(jī)其有機(jī)械式換向器這一致命的弱點(diǎn)，致使直流電動(dòng)機(jī)制造本錢高、價(jià)格昂貴、維護(hù)麻煩、使用環(huán)境受到限制，其自身結(jié)構(gòu)也約束了單臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，功率上限，從而給直流傳動(dòng)的應(yīng)用帶來了一系列的限制。相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來說，交流電動(dòng)機(jī)特別是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造本錢低，鞏固耐用，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，以及易于向高壓、高速和大功率方向開展等優(yōu)點(diǎn)。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，用沒有換向器的交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速來取代直流電動(dòng)機(jī)，突破它的限制。

隨著電力電子器件，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速開展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的滲透，為交流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)研究進(jìn)一步創(chuàng)造了有利的條件。諸如交流電動(dòng)機(jī)的串級(jí)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(yīng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)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(dòng)系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動(dòng)到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動(dòng)，從單機(jī)傳動(dòng)到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，已幾乎都可采用交流調(diào)速傳動(dòng)。交流調(diào)速傳動(dòng)的客觀開展趨勢已說明，它完全可以和直流傳動(dòng)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(jī)學(xué)知，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式如下：

n=60?1(1-s)pn(1-1)

式中Pn——電動(dòng)機(jī)定子繞阻的磁極對(duì)數(shù)；

f1——電動(dòng)機(jī)定子電壓供電頻率；

s——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

從式〔1-1〕中可以看出，調(diào)節(jié)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三大類方案。

〔1〕改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)

由異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速

no=60?1pn

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(dòng)機(jī)定子繞組的磁極對(duì)數(shù)Pn，即可改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，從而到達(dá)調(diào)速的目的。這種控制方式比較簡單，只要求電動(dòng)機(jī)定子繞組有多個(gè)抽頭，然后通過觸點(diǎn)的通斷來改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。采用這種控制方式，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化是有級(jí)的，不是連續(xù)的，一般最多只有三檔，適用于自動(dòng)化程度不高，且只須有級(jí)調(diào)速的場合。

〔2〕變頻調(diào)速

從式〔1—1〕中可以看出，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)Pn一定，轉(zhuǎn)差率s—定時(shí)，改變定子繞組的供電頻率f1可以到達(dá)調(diào)速目的，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n根本上與電源的頻率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(jí)地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的降壓和弱磁調(diào)速十分相似。且采用變頻起動(dòng)更能顯著改善交流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，大幅度降低電機(jī)的起動(dòng)電流，增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。所以變頻調(diào)速是交流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，串級(jí)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(dòng)機(jī)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(shí)與重復(fù)短時(shí)作深調(diào)速運(yùn)行的負(fù)載。為了能得到好的調(diào)速精度與能穩(wěn)定運(yùn)行，一般采用帶轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)的控制方式。所使用的電動(dòng)機(jī)可以是繞線式異電動(dòng)機(jī)或是有高轉(zhuǎn)差率的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。

電磁轉(zhuǎn)差離臺(tái)器調(diào)速系統(tǒng)，是由鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器以及控制裝置組合而成。鼠籠式電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)以恒速帶動(dòng)電磁離合器的電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，通過對(duì)電磁離合器勵(lì)磁電流的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)機(jī)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(jìn)行調(diào)速，這種調(diào)速方法簡單，但調(diào)速是有級(jí)的，串入較大附加電阻后，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性很軟，低速運(yùn)行損耗大，穩(wěn)定性差。

繞線式異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)就是在電動(dòng)機(jī)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(gè)附加的，同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電壓同頻率的反向電勢Ef，就可以對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行平滑調(diào)速。Ef越大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低。

上述這些調(diào)速的共同特點(diǎn)是調(diào)速過程中沒有改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，所以低速時(shí)，轉(zhuǎn)差率s較大。

在交流異步電動(dòng)機(jī)中，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率PM可以分成兩局部：一局部P2=〔1—s〕PM是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，另一局部是轉(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)效率上下的標(biāo)志。就轉(zhuǎn)差功率的去向而言，交流異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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)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)的大局部轉(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(shè)的裝置也要多消耗一局部功率。繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串級(jí)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(shí)，串級(jí)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，但不管轉(zhuǎn)速上下，轉(zhuǎn)差功率根本不變。如變極對(duì)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(huì)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(duì)數(shù)調(diào)速為有極調(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(dòng)機(jī)的特點(diǎn)4.1電磁設(shè)計(jì)對(duì)普通異步電動(dòng)機(jī)來說，再設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、啟動(dòng)性能、效率和功率因數(shù)。而變頻電動(dòng)機(jī)，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(shí)直接啟動(dòng)，因此，過載能力和啟動(dòng)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(dòng)機(jī)對(duì)非正弦波電源的適應(yīng)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(bǔ)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(dāng)增加電動(dòng)機(jī)的電感。但轉(zhuǎn)子槽漏抗較大其集膚效應(yīng)也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動(dòng)機(jī)漏抗的大小要兼顧到整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。3〕變頻電動(dòng)機(jī)的主磁路一般設(shè)計(jì)成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波會(huì)加深磁路飽和，二是考慮在低頻時(shí)，為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓。4.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要也是考慮非正弦電源特性對(duì)變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、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(jí)，一般為F級(jí)或更高，加強(qiáng)對(duì)地絕緣和線匝絕緣強(qiáng)度，特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。2〕對(duì)電機(jī)的振動(dòng)、噪聲問題，要充分考慮電動(dòng)機(jī)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(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。4〕防止軸電流措施，對(duì)容量超過160KW電動(dòng)機(jī)應(yīng)采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對(duì)稱，也會(huì)產(chǎn)生軸電流，當(dāng)其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一起作用時(shí)，軸電流將大為增加，從而導(dǎo)致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。第五章變頻電機(jī)主要特點(diǎn)和變頻電機(jī)的構(gòu)造原理5.1變頻專用電動(dòng)機(jī)具有如下特點(diǎn)：B級(jí)溫升設(shè)計(jì)，F(xiàn)級(jí)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(jī)械強(qiáng)度有很大提高，足以勝任馬達(dá)之高速運(yùn)轉(zhuǎn)及抵抗變頻器高頻電流沖擊以及電壓對(duì)絕緣之破壞。平衡質(zhì)量高，震動(dòng)等級(jí)為R級(jí)〔降振級(jí)〕機(jī)械零部件加工精度高，并采用專用高精度進(jìn)口軸承，可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)。強(qiáng)制通風(fēng)散熱系統(tǒng)，全部采用進(jìn)口軸流風(fēng)機(jī)超靜音、高壽命，強(qiáng)勁風(fēng)力。保障馬達(dá)在任何轉(zhuǎn)速下，得到有效散熱，可實(shí)現(xiàn)高速或低速長期運(yùn)行。經(jīng)AMCAD軟件設(shè)計(jì)的YP系列電機(jī)，與傳統(tǒng)變頻電機(jī)相比較，具備更寬廣的調(diào)速范圍和更高的設(shè)計(jì)質(zhì)量，經(jīng)特殊的磁場設(shè)計(jì)，進(jìn)一步抑制高次諧波磁場，以滿足寬頻、節(jié)能和低噪音的設(shè)計(jì)指標(biāo)。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(dòng)。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(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)控制。YP系列變頻專用電機(jī)可配制剎車器，編碼器供貨，這樣即可獲得精準(zhǔn)停車，和通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)高精度速度控制。采用“微電機(jī)+變頻專用電機(jī)+編碼器+變頻器”實(shí)現(xiàn)超低速無級(jí)調(diào)速的精準(zhǔn)控制。YP系列變頻專用電機(jī)通用性好，其安裝尺寸符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，與一般標(biāo)準(zhǔn)型電機(jī)具備可互換性。5.2變頻電機(jī)的構(gòu)造原理電動(dòng)機(jī)的調(diào)速與控制，是工農(nóng)業(yè)各類機(jī)械及辦公、民生電器設(shè)備的根底技術(shù)之一。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的驚人開展，采用“專用變頻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+變頻器”的交流調(diào)速方式，正在以其卓越的性能和經(jīng)濟(jì)性，在調(diào)速領(lǐng)域，引導(dǎo)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(jī)械自動(dòng)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(yīng)提高、設(shè)備小型化、增加舒適性，目前正以很快的速度取代傳統(tǒng)的機(jī)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(duì)高速或低速運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)等需求，對(duì)作為動(dòng)力主體的電動(dòng)機(jī)，提出了苛刻的要求，給電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)交流曳引電動(dòng)機(jī)廣泛使用在電梯的電氣控制系統(tǒng)中。實(shí)際上交流曳引電動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)交流鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。由于交流電力傳動(dòng)技術(shù)以及其控制理論的開展與提高，同時(shí)，大功率半導(dǎo)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(dòng)系統(tǒng)中得以充分地利用，使得結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)保養(yǎng)方便、價(jià)格低廉的交流異步電動(dòng)機(jī)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。使用交流鼠籠式電動(dòng)機(jī)變頻變壓調(diào)速拖動(dòng)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(yīng)用中具有領(lǐng)先地位。6.1交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速根本原理從電機(jī)及電力拖動(dòng)中可知，三相交流異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性可分成兩種：①異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是指異步電動(dòng)機(jī)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(shí)，討論轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem的關(guān)系：n=f〔Tem〕〔見圖1〕。②異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性是指人為地改變電動(dòng)機(jī)參數(shù)或電源參數(shù)而得的機(jī)械特性。電動(dòng)機(jī)參數(shù)又可分為三類：1．異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)2．異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)3．異步電動(dòng)機(jī)的輸入?yún)?shù)U1和f1。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電阻、定子端電壓、磁極對(duì)數(shù)時(shí)的機(jī)械特性見圖〔2〕。交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：式中：f1為電源頻率；P為磁極對(duì)數(shù)；S為轉(zhuǎn)差率。交流異步電動(dòng)機(jī)定子繞組上的感應(yīng)電動(dòng)勢：式中：N1為定子繞組匝數(shù)；k1為繞組系數(shù)；φm為氣隙合成磁通。忽略電動(dòng)機(jī)定子繞組的阻抗壓降，交流異步電動(dòng)機(jī)的端電壓：交流異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：式中：C′T為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；I′2cosφ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(dòng)機(jī)定子端的的供電電源頻率f1，那么可連續(xù)地改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速：。但是假設(shè)U1不變，那么f1上升將會(huì)導(dǎo)致的φm下降增加，這樣會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流有功分量I′2cosφ的變化；電動(dòng)機(jī)效率η會(huì)下降及電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)距Tm會(huì)變化等問題，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)?；蛘哂捎趂1的減低會(huì)使φm增大，導(dǎo)致電機(jī)磁路飽和使I0增大，即電動(dòng)機(jī)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(shí)，必須同時(shí)改變電動(dòng)機(jī)定子端輸入的端電壓，從而保持氣隙合成磁通φm近似不變。6.2變頻變壓〔VVVF〕調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性根據(jù)端電壓和頻率不同的比例關(guān)系，將會(huì)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(dòng)機(jī)定子繞組的阻抗壓降后可近似的得到：，要維持φm不變的情況下，只要U1和f1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(shí)，由于定子繞組中的Xm，Xδ1，X′δ2以及Lδ1，L′δ2不可忽略，那么將會(huì)增加使得最大轉(zhuǎn)矩Tm也將隨f1的降低而降低就會(huì)將使低頻段時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq大大減小。這在電梯的電力拖動(dòng)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(fù)載希望在整個(gè)調(diào)速范圍中保持Tem=C不變，按公式進(jìn)行控制減小時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高輸入定子的端電壓U1，以補(bǔ)償異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的阻抗壓降。按Tem=C的恒磁通φem=C控制方式，變頻時(shí)異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性見圖〔3〕。這是電梯的電力拖動(dòng)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(shí)，保持異步電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)的。但這種控制方式僅僅適用負(fù)載變化不大的場合，而不適用于電梯的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)。由此可見，按Tem=C的恒磁通變頻的異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是電梯電力拖動(dòng)所需求的。6.3變壓變頻運(yùn)行時(shí)機(jī)械特性分折異步電動(dòng)機(jī)的T型等效電路見圖4。1．電壓為額定值時(shí)改變頻率的機(jī)械特性電源頻率f1的改變，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。〔1〕當(dāng)f1下降時(shí)，由于，所以f1的下降會(huì)造成n1上升〔2〕由于，所以f1下降時(shí)，Xδ1，X′δ2，Xm均會(huì)成正比下降。又由于PFe與f21成正比，所以f1下降時(shí)會(huì)造成Xm下降?！?〕因?yàn)閯?lì)磁電流由于f1的下降，會(huì)使I0的變化為非線性，在低頻段I0將急劇上升?！?〕氣隙合成磁通φm同是由勵(lì)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(dòng)機(jī)磁路的狀況。由于電動(dòng)機(jī)的磁路一般設(shè)計(jì)在接近飽和的狀態(tài)，故頻率f1下降時(shí)，φm會(huì)出現(xiàn)過飽和。這也是I0隨f1下降急劇上升的原因?！?〕轉(zhuǎn)子電流I′2的大小決定于負(fù)載的大小。在額定負(fù)載下，當(dāng)f1下降時(shí)，φm上升，cosφ2上升，所以I′2會(huì)下降。〔6〕因?yàn)槎ㄗ与娏鱅1=I0+〔-I′2〕，因此當(dāng)f1下降時(shí)，I1可能會(huì)出現(xiàn)變化。在低頻段重負(fù)載下I1上升；在較高頻率段輕負(fù)載下I1下降?！?〕f1的下降對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq的影響。因?yàn)楫?dāng)f1處于較高頻率段時(shí)，隨著f1的下降Tq會(huì)出現(xiàn)急劇上升；在低頻段時(shí)隨著f1的下降Tq的上升將會(huì)趨緩。2．頻率為額定值時(shí)改變電壓的機(jī)械特性改變輸入定子電壓U1，主要影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，并會(huì)對(duì)運(yùn)行時(shí)的I0，I′2，φm等產(chǎn)生影響。〔1〕I0的影響。因?yàn)楫?dāng)U1下降，I0也隨之下降?！?〕氣隙合成磁通φm的影響。由于電壓U1的下降，電機(jī)磁路處于非飽和的狀態(tài)，所以可以認(rèn)為φm隨U1正比下降。〔3〕轉(zhuǎn)子電流I′2的影響。I′2的大小取決于負(fù)載的大小，在額定負(fù)載時(shí)，因?yàn)門N=Tem，當(dāng)U1下降時(shí)，I′2上升?！?〕定子電流I1的影響。當(dāng)U1下降時(shí)，使I′2上升，造成I1的變化，輕負(fù)載時(shí)I1那么下降，重負(fù)載時(shí)I1那么上升?！?〕起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq。因?yàn)楫?dāng)U1下降時(shí)，Tq隨U21成正比下降?！?〕最大轉(zhuǎn)矩Tm。因?yàn)門m與U21成正比，電壓降低，會(huì)使電動(dòng)機(jī)過載能力下降。第七章PWM技術(shù)原理由于全控型電力半導(dǎo)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(jìn)行諧波抑制，在頻率、效率各方面有著明顯的優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)調(diào)壓又實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。由于這種逆變器只有一個(gè)可控的功率級(jí)，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?yàn)榧驂?、調(diào)頻于一身，所以調(diào)節(jié)速度快、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(duì)交流電網(wǎng)的功率因數(shù)。

把每半個(gè)周期內(nèi)，輸出電壓的波形分割成假設(shè)干個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的寬度為每兩個(gè)脈沖間的間隔寬度為t2，那么脈沖的占空比γ為此時(shí)，電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時(shí)，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(shí)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lb的電壓周期增大(頻率降低)，電壓脈沖的幅值不變，而占空比那么減小，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〕1．SPWM的概念

工程實(shí)際中應(yīng)用最多的是正弦PWM法(簡稱SPWM)，它是在每半個(gè)周期內(nèi)輸出假設(shè)干個(gè)寬窄不同的矩形脈沖波，每一矩形波的面積近似對(duì)應(yīng)正弦波各相應(yīng)局部波形下的面積，如圖5—2所示。例如，將一個(gè)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(gè)與該面積相等的矩形來代替，于是正弦波形所包圍的面積可用這N個(gè)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(jì)算得出，但在實(shí)際應(yīng)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?yàn)榈妊切尾ǖ膶挾茸陨舷蛳率蔷€性變化的，所以當(dāng)它與某一光滑曲線相交時(shí)，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。假設(shè)使脈沖寬度與正弦函數(shù)值成比例，那么也可生成SPWM波形。在工程應(yīng)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δi有線性關(guān)系，如下式所示-

該式說明，逆變器輸出基波電壓幅值隨調(diào)制脈沖的寬度而變化，只要采取措施(利用控制信號(hào)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Ⅳ值將受到換流電路中為減少額外損耗和保證平安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(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔那么最小。反之，當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔那么較大，如圖53所示；這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)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多種。從實(shí)現(xiàn)的途徑可分為硬件電路與軟件編程兩種類型；而從工作原理上那么可按調(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(gè)周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的兩個(gè)開關(guān)元件只有一個(gè)處于不斷切換的開關(guān)狀態(tài)，另一個(gè)那么始終處于關(guān)斷狀態(tài)。因此，輸出波形在任何半周期內(nèi)始終為一個(gè)極性，單極性控制方式的SPWM波形如圖5—4所示，載波信號(hào)UT采用單極性等腰三角形波，控制信號(hào)UC為正弦波形，利用倒相信號(hào)UX來處理兩者間的配合關(guān)系。當(dāng)UC＞UT時(shí)，元件開通；當(dāng)UC、<UT時(shí)，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(hào)UC的幅值時(shí)，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(hào)UC的頻率，那么輸出電壓的基波頻率亦隨之而改變，這樣就實(shí)現(xiàn)既可調(diào)壓又可調(diào)頻的目的。<FONT>3．雙極性SPWM法

雙極性控制那么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(bǔ)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(huì)出現(xiàn)正、負(fù)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5—5所示。與單極性控制方式相比，載波和控制波都變成了有正、負(fù)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(fù)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(jìn)行比較，那么在比較器輸出端就形成了SPWM波。可見，生成SPWM波的電路必須由三局部組成：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5—6所示。由圖中的波形可以看出，假設(shè)等腰三角載波的頻率是正弦波頻率的N倍時(shí)，N稱為載波比，那么正弦波形在一個(gè)周期內(nèi)被劃分為N等分，并對(duì)應(yīng)著N個(gè)寬度不等的矩形脈沖。當(dāng)Ⅳ足夠大時(shí)(例如N＞20