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1、11 前言前言1.1 交流交流调调速的意速的意义义电动机及其控制在国民经济中起着至关重要的作用。无论是在工农业生产、运输、国防宇航、医疗卫生、商务办公设施还是日常生活中的家用电器，都广泛地使用各种各样的电动机。电动机是电能应用的主要形式，是应用最广泛的电能到机械能的变换装置，世界上超过 60%的发电量用于驱动各种各样的以电动机为基础的电力传动装置与系统。其中许多的机械能有着调速的要求，如车辆、机床、纺织机械等。另一类设备如风机、水泵等为了减少运行的损耗节约电能，满足生产工艺等要求为目的，也需要对电动机进行调速控制。鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速系统一般采用直流电动机。在过去，直流
2、电动机调速系统占据主导地位。但是直流电动机本身在机构上存在严重的问题，它的机械接触式换向器不但结构复杂、制造复杂、生产周期长、价格昂贵，而且运行中容易产生火花，以及更换机械强度不高，电刷易于磨损等。在运行中需要有经常性的维护，同时对环境的要求也比较高，不能适用于化工、矿山等周围环境中，以及有粉尘、腐蚀、易燃易爆气体的场合。即便应用于车辆千引上，也感到维护检修不便，特别是由于换向问题的存在，直流电动机无法做成高速大容量的机组，目前高速直流电动机所能做到的最大容量只有 400 千瓦左右，低速的也只能做到几千千瓦，容量较大的直流电机往往要做成双电枢，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。众所
3、周知，直流他励电动机是一种控制性能非常优越的电动机，因为在几何中性线上，电机的励磁回路所产生的励磁电流与电枢回路所产生的电枢在空间是垂直的。若不考虑磁路饱和的影响，他们之间没有耦合关系，互不影响，可以分别独立进行调节，所以它调速方便，只要改变电机的输入电压电流，就可以在宽广的范围内实现无级调速，而且在磁场一定的条件下它和电枢电流成正比，它的转矩易于控制，因此直流电动机调速系统比较容易得到良好的动态特性，所以过去直流电动机调速系统一直在变速传动领域占主导地位。而交流电机早在十九世纪八十年代中期就已问世，由于它具有消耗原材料少、制造成本低、结构牢固、运行安全可靠、环境适应性强以及易于向高压、高速度
4、和大容量方向发展的特点，迅速得到广泛的应用。这种所谓的不变速系统是指交流电机本身不进行调速，而为了达到对整个系统的控制又不得不采用其它的措施进行调速，从而白白消耗了大量的电能。这样，如何从本质上改变交流电机调速控制特性，使之具有直流电机的调速性能，便成为近几十年来电气传动研究工作者努力研究的主要课题之一。交流调速系统具有以下几个主要优点：交流电机的价格远低于直流电机，而2且结构简单、重量轻、制造简单、可靠性和运行效率高，不易出故障，维修工作量小，适用场合几乎没有限制，并且单机容量远大于直流电动机。正是由于交流电动机的这种优势，使它在电力拖动系统中的应用范围比直流电动机要广泛得多，约占整个电力拖
5、动总容量的 80%以上。在整个电机调速中有重要的地位。然而，由于交流电机是高阶、多变量、强耦合、非线性系统等原因，与直流电机相比，转矩难以控制。这也严重制约了交流调速的发展。交流变频调速技术是集电力电子技术、微电子技术、电机学及自动控制于一身的一项技术高度发展的产物，它通过改变电动机定子供电频率来控制转速，从而实现交流电动机调速的一种方法。交流变频调速以其调速范围广，平滑性好，具有优良的动静态特性，显著地节能效果和广泛的适用性被公认为应用性好、效率高，是理想的电气传动方案。随着电力电子学与电子技术的发展，使得采用半导体交流技术的交流调速系统得以实现，特别是大规模集成电器和计算机控制技术的发展，
6、以及现代控制理论的不断创新，为交流电力传动的开发创造了有利条件，使得交流电力传动加宽了调速范围、提高了问素精度、很快的动态响应以及在四象限作可逆运行的技术性能。随着各种功率半导体开关器件的相继问世，使得长期阻碍变频技术推广应用的关键问题得到解决，从而使变频调速方式在工业应用中显示出强大的生命力。今年来，随着数字化控制的变频调速系统获得巨大发展，先进的控制理论（如磁场定向矢量控制、直接转矩控制）被广泛应用，变频装置中的电器件如 IGBT、IGCT 等性能的大大提高，以及现代数字化控制变频调速系统噪声大大降低，耗电量大幅减少，并且可以得到良好的电流波形，从而使系统更加可靠。同时调速范围、调速精度、
7、动态响应、功率因数、运行效率和使用性能等方面的提高使交流调速系统发生了质的飞跃，逐步取代直流调速系统，成为主要传动装置。1.2 国内外交流国内外交流调调速速现现状状1.2.1 国外国外现现状状在大功率交-交变频调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达 3 万千瓦的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利 ABB 公司提供了单机容量为 6 万千瓦的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子的 SimovertA 电流型晶闸管变频调速设备单机容量为 10-2600KVA，其控制系统已实现全数字化。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士 BJT
8、变频器单机容量可达 700KVA，IGBT 变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。1.2.2 国内国内现现状状3从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距 10-15 年。在大功率交-交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。在中小功率变频技术方面，国内学者作了大量的变频理论的基础研究，早在 80 年代，已经成功引进了矢量控制的理论，针对交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦合的方法，探讨交流电机变频调速的控制策略。进入 90 年代随着高性能单片机和数字信号处理器的使用，国内学者紧跟国外最
9、新控制策略，针对交流感应电机特点，采用高次谐波注入 SPWM 和空间磁通矢量 PWM 等方法，控制算法采用模糊控制、神经网络理论对感应电机转子电阻、磁链和转矩进行在线观测，在实现无转速传感器交流变频调速系统的研究上作了大量有益的基础研究。在新型电力电子器件应用方面由于 GTR、GTO、IGBT 等全控器件的使用，使得中小功率的变流主电路大大简化，并使高电压、大电流变频器产品的生产及应用成为现实。但由于半导体功率器件和控制器件等器件依赖进口，使得变频器的制造成本较高，无法形成产业化与国外的知名品牌相抗衡，并且品质与质量还不能满足市场需要，每年还要大量进口高性能的变频器。2 变频调变频调速的原理与
10、方法速的原理与方法2.1 异步异步电动电动机机调调速原理概述速原理概述在进行电机调速时，总是希望每极磁通量为额定值。如果磁通太弱，则m没有充分利用铁心；如果磁通过大，则容易导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。而交流电机只有一个供电回路，一个定子绕组，磁通是定子和转子磁动势合成产生的，这就是它的控制比较困难。由电机理论知道，电机定子的感应电势有效值是： （2-1） 11114.44NmEf N K由式 2-1 可知，只要适当控制和，便可达到控制磁通的目的，在确保1E1fm不变的情况下，分两种情况考虑：m(1)基频以下调速要保持不变，当从额定值向下调节时，必须同时降低，使/为常m1f
11、1E1E1f值，即采用恒定的电动势频率比控制方式。然而绕组中的感应是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降。但是在低频时，和1U都很小，定子阻抗压降不可再忽略。于是这是可以采取将电压曲线向上抬1E1U高的措施，以便补偿定子压降。恒压频比控制特性如图 2-1。其中 a 为无补偿特性曲线，b 为带定子压降补偿特性曲线。4恒转矩调速恒功率调速图 2-1 恒压频比控制图 图 2-2 异步电动机变压变频调速控制特性（2）基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从额定值往上增高，但电压却不能增加到比额定电压还要大，最多二者相等。由式 2-1 知磁通将随着的增加而降低，相当于1f直流
12、电动机的弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得到图 2-2 所示的异步电动机变压变频调速控制特性。根据电机原理，在基频以下磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”的性质；在基频以上，转速升高，转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。2.2 PWM 脉脉宽调宽调制技制技术简术简介介为了对所设计的驱动保护电路进行试验，在驱动保护电路之前必须有 PWM信号形成电路，属于主回路开关器件的控制信号，是进行试验的基础，PWM 信号的形成也是目前电力电子研究领域的热点。本文主要对正弦波脉宽调制信号（SPWM）进行研究。2.3 正弦波脉正弦波脉宽调宽调制（制（SPWM）的原理及其特点）的原理及
13、其特点根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性系统上时，其输出响应基本相同，且脉冲越窄，输出的差异越小。换句话说，如果把各输出波形用傅里叶变化分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。这是一个非常重要的结论，它表明惯性系统的输出响应主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉冲的形状无关。对上述等效调宽脉冲，在选定了等分数 k 后，可以借助计算机严格的算出各段矩形脉冲的宽度，以作为控制逆变器开关元件通断的依据。这种由控制线路按一定的规律控制开关元件的通断，从而得到一组等效于正弦波的一组等幅不等宽的矩形脉冲的方法，称作逆变器的正弦波脉宽调制方法（SPWM）。5(a)(b)
14、图 2-3（a）电路原理图 （b）SPWM 脉冲的形成在实际应用中，人们常采用正弦波与三角波相交的方法来确定各段矩形脉冲的宽度。三角波是上下宽度按线性变化的波形，任何一条光滑的曲线与三角波相交，如果令该曲线大于三角波时输出高电平，小于三角波时输出低电平，就能够得到一组等幅的、脉冲宽度正比于该函数值的矩形脉冲。依据这一理论，可由载波调制正弦波而获得脉冲宽度按正弦波规律变化又和正弦波等效的脉冲宽度调制波形，称为正弦波脉宽调制。PWM 脉宽调制是利用相当于基波分量的信号对三角载波进行调制，达到调节脉冲宽度的一种方法，图 2-3 中可看出三角波调制法原理。它是利用三角波电压与参考电压相比较，以确定各分
15、段矩形脉冲的宽度。为了减少谐波影响，要求采用对称的三相正弦波电源为三相交流电动机供电，因此广泛应用的是采用正弦波作为 PWM 逆变器的参考信号，即逆变器称为 SPWM 逆变器。SPWM 逆变器的两个重要的性能参数，调制比（即调制深度）m=U1/U2 和载波比 N=f1/f2。其中 U1、f1 为正弦波（调制波）信号的幅值和频率；U2、f2 为三角波（载波）信号的幅值和频率。在 SPWM 控制方式中，U2 的值保持不变，m 值的改变通过改变 U1 来实现。改变参考信号的频率 f1 时，可以改变输出基波的频率，当改变参考信号 U1 的幅6值时，输出脉冲的宽度随之改变，从而可以改变基波电压的大小。2
16、.4 逆逆变变原理及其原理及其电电路路简图简图变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。在本设计中采用图 2-4 的主电路，这也是变频器常用的格式。C01 10uFV D 1RV D 3SV D 2V D 4V D 12IN 4007V D 7IN 4007V D 11IN 4007V D 8IN 4007V D 6V D 5TV D 01IN 4007V D 10IN 4007V D 02IN 4007V D 03 V D 9IN 4007V D 04CF 33uFRL1kRB M F 11500R03 7.5KR05 7.5KR06 7.5KR04 7.5KR01 7.5KR02 7.5KH LSLSG H 80N 60V 4SG H 80N 60V 6SG H 80N 60V 5SG H 80N 60V 3SG
