三垦变频器性能研究和应用

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1、1.绪论1.1 选题的目的及研究意义电气传动技术是以电力电子功率变换装置为执行机构，以电子装置为核心，以电动机为控制对 象，在自动控制理论的指导下完成对电气传动自动控制系统的设计，控制电动机的转矩和转速，从 而将电能转化成机械能，实现工作机械的往复运动或者是旋转运动。根据电动机种类的不同，电气传动可以分成直流电动机传动和交流电动机传动两大类。自 19世纪 80 年代开始，直流电动机一直垄断工业上传动用的电动机。直到 19 世纪末期，出现了结构 简单且坚固耐用的交流鼠笼型电动机和三相电源后，直流电动机传动装置才在不调速的领域里被交 流电动机替代了。随着生产的快速发展，速度可调节逐渐成为了电动装置

2、的一项基本要求。而且， 除了要满足一定的调速范围外，还必须要具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。从 20 世纪 50 年 代开始，国外逐渐重视到了交流电动机调速的重要性。随着电力电子技术的出现以及发展，采用半 导体的变流调速系统逐渐成为了现实。尤其是自 70 年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术 的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电机拖动控制系统提供了更加有利的发展条件，从而产 生了各种类型的交流电动机调速系统，如串级调速系统、变频调速系统、无换向器电动机调速系统 以及矢量控制调速系统等。目前，交流调速技术在工业发达的国家已经得到了广泛的应用。变频调速系统具有高效率，宽范围，以及高精度等

3、特点，是目前市场上运用最广、最有发展前 景的一种调速方式。交流电动机变频调速系统的种类比较多。从上世纪 50 年代提出的电压源型变 频器开始，相继出现了电流源型、脉宽调制型等各种类型的变频器。就目前而言，变频调速的主要 方案有交-交变频调速、交-直-交变频调速、同步电动机自控式变频调速系统、正弦波脉宽调制(SPWM）、 矢量控制，以及直接转矩控制变频调速等。而且，随着传感技术的日渐成熟，许多智能技术也慢慢 地渗透到了其中，如模糊控制、专家系统、神经网络、自适应控制等。与这些控制方式的有效结合， 极大地改善了变频调速控制系统的控制效果。变频调速技术的发展在很大程度上依赖于大功率半导 体器件的制造

4、工艺水平和电力电子技术的发展状况。随着第三代电力半导体器件（如门极可关断晶 闸管 GTO、绝缘栅型双极晶体管 IGBT 等）的快速发展，交流变频调速技术得到了很大的进步，逐 渐变得越来越成熟。日、美、德、英等老牌发达国家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术， 以及电机传动技术的基础上，陆续推出了各种型号的变频器，而且在不断地进行升级换代。这些高 精度、多功能、智能化的变频器将调速效率和控制精度提高到了一个前所未有的高度1。交流变频调速技术是一门强弱电结合，机电一体化的综合性技术。它既需要处理巨大电能的转 换（整流、逆变）问题，还要处理信息的收集、变换以及传输问题。在电力拖动这个领域里，由于

5、变 频调速系统的转差功率不变，所以高效率、高性能是交流调速技术的主要发展方向。变频调速技术 在国民经济和日常生活中占有十分重要的地位，它将频率转变成了可以被充分利用的重要资源。近 年来变频调速技术获得了不错的成绩，而且，在社会生产的各个领域都产生着越来越广泛的影响， 并取得了显著的经济效益与社会价值。因此，研究变频调速对异步电动机的自动控制在工业生产中 具有一定的实际意义。1.2 变频调速技术的研究现状与发展趋势自 20 世纪 60 年代变频器的出现到现在，经过半个多世纪的发展，变频调速技术已经开始逐 渐成熟完善了。近年来，由于一些新技术、新材料、新方法的出现和应用，从而研制出了更好的器件或是

6、串联 单元，这样就进一步解决了一直以来困扰人们的高压问题，使其应用领域和范围更加宽泛。同时， 也使得更为高效、合理地利用能源的愿望成为了现实。自 20 世纪 80 年代开始，变频器在西方主要工业国家被广泛使用，并逐渐随进口设备配套被引入中国。至 90 年代时，变频器已经在中国得1到了迅速的推广。 变频器是利用电力半导体器件的通断作用，将工频电源转换成为另一种频率的电源的电能控制装置。电动机是国民经济中主要的耗电大户，高压大功率电动机更为突出，而这些设备的电能利用 率普遍偏低，所以都有很大的节能空间。因此，不论从社会价值还是经济效益上来讲，大力发展高 压大功率变频调速技术都具有非常深远的意义。同

7、时，随着社会的发展和人民生活水平的提高，中小功率的变频器又逐渐突显出其不可替代的 作用。近年来，我国提出了建设节能型社会，倡导绿色、和谐的发展理念。因此，在做好高压大功率 变频器的同时应该兼顾中小功率变频器的发展。这是我国变频器行业今后发展的总体趋势。国外变频器产业发展历史较长。目前，除日本外，美、英、德、法、意等发达国家也都已经形成 了较为完善的变频器技术产业发展体系。同时，几乎所有的产品均具有矢量控制功能，且工艺水平 较以前有了大幅提高。目前，各发达国家现阶段的发展状况主要表现在以下几个方面：（1）变频调速技术发展时间较长，具有一定的产业化生产规模，生产经验、技术水平和产品品 质比较高；（

8、2）能够生产 1 万 kW 以上的 SCR 变频器，如美国的 A-B 公司等。但是没有 10kV 及以上的 高压产品；（3）与变频器相关的产业已经初具规模，形成了产业化生产，能够生产诸如 IGBT、IGCT、SGCT 等变频器中的多种功率器件；（4）新技术、新工艺不断广泛应用于产品中，促进了高压、高功率、高精度、多功能、智能化变 频器的出现，使高压变频器在各个行业中被广泛使用，并取得了显著的经济效益。然而，我国国产变频器的生产，主要是交流 380V 的中小型变频器，且大部分产品为低压，而 高压大功率则很少，能够研制、生产、并提供服务的高压变频器厂商更少，不过是少数几个具备科 研能力或资金实力强

9、的企业。并且在技术方面，更是仅仅少数普遍采用 V/F 控制方式，对中、高压 电机的变频调速进行改造。我国高压变频器的品种和性能，还处于发展的初步阶段，仍需大量从国 外进口。这一现状主要表现在以下方面：（1）国外各大品牌的产品，加快了占领国内市场的步伐并将产品本地化，但我国目前变频器市 场较大，仍有巨大的发展潜力；（2）多数企业不具有足够资金进行科研和规模化生产，生产工艺相对落后，产品的技术含量低， 品质有待提高，但总体上价格低廉；（3）国内高压变频器尚未形成一套完备的标准，产品差异性大，需要进一步完备、完善高压变 频器的标准，同时，国产高压变频器的功率等级较低，一般不超过 3500kW；（4）

10、高压变频器周边产业少，不够发达，约束了高压变频器的发展速度，很多变频器中的主要 功率器件，无法自行生产，如：驱动电路，电解电容等；（5）自主研发能力在逐步提高，与发达国家的技术差距在缩小，自主创新的技术和产品也逐步 得到应用；（6）已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等性能的变频器，同时正在研发能够进行四 象限运行的高压变频器2；变频技术发展至今，总结起来从控制的角度而言，先后经历了这样 4 个阶段：矢量控制、磁通 控制、转矩控制、智能（PWM）控制这 4 个阶段。20 世纪 80 年代后期开始，欧美发达国家的 VVVF（Variable Voltage Variable Frequenc

11、y）变频器，投入市场并广泛应用，使变频器技术又达到一 个新的水平。目前，交流变频调速技术的主要发展方向有以下几个方面：（1）控制理论与控制技术方面的研究与开发，如矢量控制理论及其他现代控制理论随着交流 调速的发展而不断完善；转子磁链定向的异步电动机矢量控制；直接转矩控制技术等；（2）变频器主电路拓扑结构研究与开发；提高变频器的输出效率；电力电子逆变器朝着高频 化、大功率方向发展；矩阵式变频器提高输出频率；2（3）PWM 模式改进与优化研究：为解决三电平中压变频器中点电压偏移问题，研究了虚拟电 压矢量合成 PWM 模式，并取得了具有实用价值的研究成果；（4）中压变频装置的研究与开发：中压是指电压

12、等级为 1kV10kV，中、大功率是指功率等 级在 300kW 以上。随着全控型功率器件耐压的提高，中压变频器的应用迅速加快了。应用较多的 是采用 IGBT、IEGT、IGCT 三电平中压变频器及级联式单元串联多电平中压变频器。最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等， 到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机 到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器。1.3 本课题需研究的问题及思路方法本课题要研究的问题主要有以下几点：（1）三相异步电动机变频调速系统的工作原理；（2）三垦变频

13、器的使用；（3）变频器的选择和参数设计；（4）基于三垦变频器的交流异步电机的自动控制系统的搭建与调试； 本次毕业设计采用的研究思路和方法为：（1）首先掌握三相异步电动机变频调速系统的工作原理并熟悉三垦变频器的使用；（2）其次完成三相异步电动机变频调速系统反馈控制规律的研究。主要应用工程设计法；（3）再组建变频器+交流异步机的调速自动控制系统。系统设计中主要采用模拟控制器，对不 同速度的控制，控制规律拟采用 PID 算法；（4）最后完成三相异步电动机变频调速系统硬件连接及实验调试，并对实验结果进行合理地 分析；控制系统一般可以分为开环控制和闭环控制。根据控制对象和控制精度等要求的不同，我们可 以

14、综合选择一种进行操作使用。下面我们就这两种控制方法进行简单的说明比较。所谓开环控制，即控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程其特点是 系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，不具备自动修正的能力。如图 1.1 所示，为开环系 统结构框图。图 1.1 开环系统结构框图 在本次毕业设计中，控制器为转速调节器，执行器为三垦变频器，被控对象为电动机的转速。 虽然开环系统结构相对简单，但是其抗干扰能力差，响应缓慢，在大多数场合下控制效果不够理想。图 1.2 闭环系统结构框图如图 1.2 所示为闭环系统结构框图。闭环控制是将输出量直接或间接反馈到输入端形成闭环、 参与控制的控制方式。

15、若由于干扰的存在，使得系统实际输出偏离期望输出，系统自身便利用负反 馈产生的偏差所取得的控制作用再去消除偏差，使系统输出量恢复到期望值上，这正是反馈工作原 理。可见，闭环控制具有较强的抗干扰能力.其主要特点有：（1）系统输出量对控制作用有直接影响；（2）有反馈环节，并应用反馈减小误差；（3）当出现干扰时，可以自动减弱其影响；（4）低精度元件可组成高精度系统。 综合以上两点，开环控制系统的优点是结构简单，比较经济。但其也有无法避免的缺点，它无法消除干扰所带来的误差。同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中， 不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，

16、就会产生相应的控制作 用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。 但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不恰当时会引起系统的不稳定。为提高控制 精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而 构成复合控制系统。闭环控制与开环控制的区别主要表现在以下几个方面：（1）从原理上看：开环控制系统不能检测误差，也不能校正误差。控制精度和抑制干扰的性能 都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。合闭环控制系统不管出于什么原因（外部扰动或系统内 部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。控制精度和抑制干扰的 性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。因此，一般仅用于可以不考虑外界影响，或