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1、1摘要随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流变频调速技术得到了迅速发展，其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽泛的调速范围，完善的保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利。因此，研究交直交变频调速系统的基本工作原理和作用特性意义十分重大。本文研究了变频调速系统的基本组成部分，主回路主要有三部分组成：将工频电源变换为直流电源的“整流器” ；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路” ，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器” 。使用 Matlab/Simulink 搭
2、建交直交变频调速系统的仿真模型，通过试验对该交直交变频调速系统的基本工作原理、工作特性及作用有更深的认识，也对谐波对于交直交变频调速系统的影响有了一定的了解。关键词 ：交直交变频，整流，逆变，谐波，仿真。11 引言1.1 交流调速技术的发展随着电机制造技术的不断进步，电动机作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力，已广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各个领域，其中异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。在我国，异步电动机的用电量约占总负荷的 80%以上，其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的 10.4%, 20.9%, 9.4%和 6%。从全球范围
3、看，电动机的用电量平均占世界各国社会总用电量的一半以上，占工业用电量的 70%左右。因此，提高电机系统的效率，对节约电能意义十分重大。异步电动机的基本特点是，转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统。与其它电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速
4、性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合(如传动轧机、卷扬机、大型机床、风机、水泵等)，不如直流电动机经济、方便。但是，直流电动机结构上存在机械换向器和电刷，使它具有一些难以克服的固有缺点，如维修工作量大，事故率高，容量受换向条件的制约，使用环境受限 (特别在易燃、易爆、粉尘等场合难以应用)。20 世纪 70 年代初，席卷世界先进工业国家的石油危机迫使他们投入大量人力和财力去研究高效节能的交流传动系统。到了二十世纪 90 年代，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流变频调速技术得到了迅速发展，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式 (如:降压调速、变极调速、滑差调速、
5、内反馈串级调速和液力偶合调速)。所谓变频调速就是利用变频调速器从电网接收工频 50HZ 的交流电，经过恰当的强制变换方法，将输入的给定频率交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，从而实现交流电动机的变速运行。电力电子课程设计21.2 交直交变频调速系统研究的目的与意义电动机调速的节能效果交流异步电动机的输出转速由下式确定:(1-1)Psfn/)1(60式中 电动机的输出转速;n 输入的电源频率;f 电动机的转差率:s 电机的极对数。P由公式(1-1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整 P)、转子
6、串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整 s)和变频调速 (调整 f)等.通过流体力学的基本定律可知:风机 (或水泵)类设备均属平方转矩负载，其转速 n 与流量 Q、压力(扬程)H 以及轴功率 P 具有如下关系（1-2）2121/nQ（1-3）)(H（1-4）32121/由公式(1-4)可知，在其它运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其节电效果是与转速降落成立方的关系，因此，节电效果非常明显。例如在工况只需要 50%的风量或水量时，则可以将电机的转速调节为额定的一半，而此时电机消耗的功率仅为额定的 2.5%，即理论上节能可达 87.5%.随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速
7、发展，交流变频调速技术得到了迅速发展，其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽泛的调速范围，完善的保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利。因此，研究交直交变频调速系统将有利于提高系统的可靠性和工作效率。为了分析变频器对电动机的影响，利用 Matlab 仿真工具，搭建交直 交变频调速系统的仿真模型，对系统进行仿真研究。1.3 研究现状分析(1) 采用新型功率半导体器件电力电子课程设计3功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如 BIT(双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化硅场效应管)、IGBT(绝
8、缘栅双极型晶体管)的实用化，使得开关高频化的 PWM 技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。典型的电力电子变频装置有电压型交直交变频器、电流型交直交变频器和交交变频器三种。对于负载电动机而言，电压型变频器相当于一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。用脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)技术随着电压型 PWM 变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛， PWM 技术的研究越来越深入。PWM 利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压
9、并有效地控制和消除谐波。PWM 技术可分为三大类:正弦 PWM、优化 PWM 及随机 PWM。正弦 PWM 包括以电压、电流和磁通的正弦为目标的各种 PWM 方案.正弦 PWM 一般随着功率器件开关频率的提高会得到很好的性能，因此在中小功率交流传动系统中被广泛采用。但对于大容量的电力变换装置来说，太高的开关频率会导致大的开关损耗，而且大功率器件如 GTO 的开关频率目前还不能做得很高，在这种情况下，优化PWM 技术正好符合装置的需要。特定谐波消除法 (Selected Harmonic Mi-inationPWM,SHE PWM)、效率最优 PWM 和转矩脉动最小 PWM 都属于优化 PWM技
10、术的范畴。普通 PWM 变频器的输出电流中往往含有较大的和功率器件开关频率相关的谐波成分，谐波电流引起的脉动转矩作用在电动机上，会使电动机定子产生振动而发出电磁噪声，其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变频率。如果电磁噪声处于人耳的敏感频率范围，将会使人的听觉受到损害。一些幅度较大的中频谐波电流还容易引起电动机的机械共振，导致系统的稳定性降低。为了解决以上问题，一种方法是提高功率器件的开关频率，但这种方法会使得开关损耗增加;另一种方法就是随机地改变功率器件的导通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，从而抑制某些幅值较大的谐波成分，以达到抑制电磁噪声和机械共
11、振的目的，这就是随机 PWM 技术。(2) 应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论交流传动系统中的交流电动机是一个多变量、非线性、强祸合、时变的被控对象，VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)控制是从电动机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果很不理想。20 世纪 70 年代初提出用矢量变换的方法来研究交流电动机的动态控制过程，不但要控制各变量的幅值，同时还要控制其相位，以实现交流电动机磁通和转矩的解祸，促使了高性能交流传动系统逐步走向实用化。电力电子课程设计4目前高动态性能的矢量控制变频器已经成功地应用在轧机主传动、电力机车牵引系统和数
12、控机床中。此外，为了解决系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制、电压定向控制等。另外，智能控制技术如模糊控制、神经元网络控制等也开始应用于交流调速传动系统中，以提高控制的精度。(3) 广泛应用微电子技术随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP )、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit, ASIC)等。其中，
13、高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。2 交直交变频调速系统的基本原理及特性研究变频调速系统的结构框图: MABCLV dV dC+-I G B T I G B T I G B TI G B T I G B T I G B T264531图 2-1 变频器调速系统的原理接线图变频器原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源
14、变换为另一频率的电能控制装置。交直交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，直流中电力电子课程设计5间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。交直交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。传统的电流型交直交变频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电中应用的不多。采用电压型交直交变频器这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点，可以明显地改善
15、双馈发电机的运行状态和输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离。2.1 系统的构成交直交变频调速系统的基本构成如原理图 2-1 所示，它由整流、滤波、逆变等部分组成。交流电源经整流、滤波、逆变后变成直流电源，再通过逆变器的有规则的导通和截止使之输出频率可变的电源。其主回路主要有三部分构成：将工频电源变换为直流电源的“整流器” ；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路” ，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器” 。(1) 整流器近来大量使用的就是二极管整流器，它把工频电源变换为直流电源，电功率的传送是不可逆的。(2) 滤波回路在整流器整流后的
16、直流电压中，含有六倍电源频率的脉动电压，此外，逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采用直流电抗器和电容器吸收脉动电压（电流） 。装置容量较小时，如果电源输出阻抗和整流器容量足够时，可以省去直流电抗器而采用简单的阻容滤波回路。(3) 逆变器同整流器相反，逆变器的作用是在所确定的时间里有规则地使六个功率开关器件导通、关断，从而将直流功率变换为所需电压和频率的交流输出功率。2.2 交直交变频的基本工作特性 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 电力电子课程设计6 调速范围较大，精度高。 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。 易于实现过程自动化。 必须有专用的变频电源，目前造价较高。 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。2.3 交直交变频调速的优越性交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频
