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1、第四章 交流调速系统由知，当极对数p不变时，同步转速和电源频率成正比。连续地改变供电电源频率，就可以平滑地调节电动机的转速。这样的调速方法叫变频调速。变频调速具有很好的调速性能，在交流调速方式中具有重要意义，应用越来越广泛。 因此，本章对异步电动机变频调速的一般原理、变频器分类、变频调速的控制方式和机械特性及转速开环的变频调速系统、异步电动机转差频率控制系统、脉宽调制变频调速系统、矢量控制的变频调速系统进行全面介绍。由于可关断功率器件的发展，主回路结构及换流方式大为简化，所以本章重点研究控制系统及其主要控制单元的原理。第一节 交流调速的发展动向一、直流电机固有的问题和交流调速的优势直流电动机转
2、矩容易控制。在晶闸管- 电动机系统中，额定转速以上调节电动机磁场，额定转速以下调节电动机电枢电压。另外，采用转速、电流双闭环系统，可以得到良好的动、静态特性。所以很长时期以来在调速领域占据首位。但是由于直流电动机本身有机械换向器，给直流调速系统造成一些固有的、难於解决的问题。而交流调速系统刚好能够克服这些固有问题，下面进行具体分析对比。 结构、维修和运行效率 直流电动机有机械换向器，而且除励磁外，全部输入功率从换向器流入电枢，电动机效率低，转子散热条件差，冷却费用高。交流电动机结构坚固，易于维护，维修费用低，运行效率高。例如德国某厚板轧钢机，采用直流调速时，年维修145 h（小时）；采用交流调
3、速后，只用36 h，为直流传动的1/4。宁夏某钢铁厂将一台34/550直进式拉丝机改为笼型异步电动机变频调速，据现场统计，运行效率从65%提高到90%，几乎不用维修，年节约维修费和电费10万元。 容量、转速、电压 直流电动机向高电压、 高转速、大容量发展困难， 最高电压为1kV，交流电动机很容易达到6kV、10kV。由此在相同的电流下，交流电动机的容量大大增加。直流电动机的极限容量和速度乘积为kWr/min，交流电动机则为200400kWr/min。 体积、价格、惯性 直流电动机单位功率指标为50N/kW (牛顿/千瓦)，而笼型异步电动机为4015N/kW，因此体积、价格大大低于直流电动机，而
4、且小。为改善直流电动机的换向能力，要求电枢漏感小，转子短粗，导致增大，影响系统动态性能，需采用双电枢，使价格提高，占地大，易共振。例如某厂热连轧机，主传动采用直流电动机24500kW，双电枢，为19.2Nm，而采用交流电动机9000kW，单电枢，为4.3Nm，减小为直流时的1/4.5，转速响应时间由120ms降至80ms。 总成本对比 交流调速的功率装置（变频器和电网补偿装置）和控制装置价格贵，但电动机便宜，三者在总装置成本中所占比例大致为：控制装置 功率装置 电动机 直流调速 5 % 40 % 55 % 交流调速 10 % 60 % 30 %由此看出，由于交流调速控制装置和功率装置在总成本中
5、所占比重较大，在电动机容量小时，交流电动机比直流电动机成本低的因素不明显，但随着电动机功率的增加，交流调速总成本的增加将比直流调速总成本增长要慢。大于某一功率后，交流调速将比直流调速成本低。目前一般认为其临界功率是20003000kW。随着交流调速的发展，此功率将近一步降低。如果直流电动机的不能满足要求，需要采用双电枢或三电枢时，交流调速比直流调速成本要低更多。二、发展交流调速势在必行 节省能源我国工业生产能耗高，能源也紧张，节能是急待解决的问题。我国发电总量中，大约有60%是电动机消耗掉的，因此电技术节能是非常重要的课题。 风机、水泵节能 风机、水泵是应用面最广、耗电量大的生产机械。全国风机
6、、水泵类总装机容量在 3000万台以上，耗电量约占发电量的38 %，占全国工业用电40 %45 %，是个用电大户。而且我国风机平均运行效率为50 %，水泵为41 %，用挡板调节流量浪费相当严重。由于风量Q与转速n成正比，功率与成正比，当需要一半风量时，将电动机转速降低50 %，输出功率只有13 %，节能相当可观。可见对这个用电大户发展速度控制是节能的有效途径。 工业锅炉节能 工业锅炉耗煤占煤产量的1/3以上，耗电也相当严重。若将锅炉鼓风机所用恒速电动机改为调速电动机，可以节电30 %38 %。 空调机节能 空调机在工业、民用各个领域的应用日趋增多，发展自动调温的空调机，既利国又利民。 新型供水
7、装置节能 用变频器和压力传感器实现上水压力闭环控制，代替体积大、耗电多的气压罐，可使设备造价平均少10 %，建筑面积少80 %，节电30 % 以上。2提高产品质量和产量例如某卷烟厂的5.57.5kW交流电动机采用无级调速后，使产品质量产量提高，一天就可以回收19台变频器的成本。前述的拉丝机电控系统采用变频调速，用可编程控制器实现过程控制，钢丝断头率下降，停机时间减少，年新增产值173万元，钢丝质量得到提高。3交通运输系统的交流化由于普通燃油汽车对环境造成污染，各发达国家都在竟相开发电动汽车，而且电力机车正由直流调速向交流调速发展，采用可关断晶闸管（GTO）元件，脉冲宽度调制（PWM）控制方式，
8、车速可达270km/h ，充电一次可行数百公里。采用直线同步电动机驱动的磁悬浮列车也正在发展中。4五六十年代的设备更新换代由交、直流调速装置对比看出，可以采用笼型异步电动机变频调速代替直流双闭环系统。若采用同步电动机变频调速，还可以改善电网的功率因数。对大型设备进行总体价格对比，交流调速更显出其优越性。三、国内外交流调速发展情况正因为交流电动机能够克服直流电动机固有的缺点，所以人们一直想以交流调速代替直流调速，30年代就有人提出有关理论。到60年代，随着电力电子技术的发展，交流调速得以迅速发展。日本在1975年直流调速占80 %，交流调速占20 %；到1985年其比例刚好相反。美、日的加工机械
9、主轴传动系统已全部实现交流化。80年代后5年，世界交流调速传动的年平均增长率为13 %14 %；直流传动年平均增长率只有3 %4 %。世界工业发达国家交流调速的发展与应用，经历了风机、水泵初轧机连轧机的过程。1987年日本川崎钢铁公司水岛钢厂投入使用的号带钢冷连轧机， 是世界上第一套采用矢量控制的交交变频器、全数字控制的带钢冷连轧机，从此结束了冷连轧机只能采用直流调速的历史，到目前为止，已有四套这类系统在亚洲、北美投产。西门子公司和法国公司将交交变频调速应用于热连轧机主传动，也证实大容量的交流调速系统达到并超过了直流调速性能，标志着交流调速代替直流调速的巨大成功。开关元件频率提高，IGBT工作
10、频率可达20kHz，MOSFET可达100kHz，更有利于采用各种PWM方式控制，但是使开关损耗增加。为解决此问题，又推出谐振式逆变器，使开关元件在零电压或零电流时导通和关断，将开关损耗减小到最低程度，并且减小了主回路体积，这也是降低交流调速装置成本的良好途径。四、交流调速发展动向 主回路 由于新型开关器件的发展，主回路可以向高电压、大容量、小型化方向发展。 元件开关频率提高，更便于采用各种PWM控制，使变频器输出波形理想化，还可以降低滤波电抗、电容及电路中变压器的体积，同时减少对电网的公害。谐振式逆变器也是发展方向之一。 控制系统向数字化方向发展 数字化系统克服了模拟控制系统电路功能单一，参
11、数离散性大，控制精度不高的缺点。它的体积小，抗干扰能力强，可靠性高，功耗低，可以实现很多复杂的控制，并增加了控制的灵活性，具有自诊断能力。80年代后期，美国GE公司，AGE公司等先后推出全数字化控制系统。我国也引进了具有90年代世界先进水平的全数字化变频调速装置，同时把研制大功率全数字化交交变频装置定为八五科技攻关项目。所用的微处理器从8位、16位到32位数字信号处理器DSP。DSP的运算速度高，效能超出其他计算机的处理器1050倍。 无速度传感器交流调速系统的研究 国外从70年代开始，最初用电动机的电压电流对转速进行估计，后来采用模型参考自适应（MRAS）进行转速辨识，近来卡尔曼滤波器理论被
12、用于电机的参数及转速辨识。 控制方式 控制方式需要开关元件工作频率高，在历史上推动了电力电子技术的发展。电力电子器件的高频化，又使PWM控制方式的应用更加广泛。它的应用遍及斩波、逆变、整流、变频等各种电路。矢量控制方式使交流调速控制性能可以和直流调速相媲美，但也有不足之处。定子磁场定向方式正在研究之中。转矩直接控制是在定子坐标系下，分析交流电动机的数学模型，控制其转矩和磁链，其特点是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用离散的电压矢量控制，借助于离散的两点式调节，产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的最佳性能。它省去了复杂的矢量变换、电动机数学模型的简化处理及通常的PWM信号发生器，控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，动、静态性能高。 现代控制理论在交流调速中的应用 现代控制理论如专家系统、模糊控制、神经元网络等在交流调速中的应用，是现在研究的热门课题。它使电力电子系统的控制技术发展到一个崭新的阶段。如果说80年代是现代控制理论应用的起步阶段，90年代则是现代控制理论向高水平发展的时代，21世纪将是智能控制的时代。
