畢業(yè)設(shè)計---三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)研究

1、<p>　　一、課題名稱：三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)研究</p><p><b>　　二、指導教師： </b></p><p><b>　　三、設(shè)計內(nèi)容與要求</b></p><p><b>　　<一> 課題概述</b></p><p>　　本課題進行三相異

2、步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路、控制策略、系統(tǒng)仿真以及諧波分析等方面的研究。要求學生利用電機學、電力電子、電機控制等理論知識結(jié)合Matlab/simulink仿真工具，研究交流調(diào)速基本原理和發(fā)展趨勢、調(diào)速系統(tǒng)主電路拓撲及其控制的工作原理和參數(shù)設(shè)計。包括：交流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型研究、變頻器主電路主電路拓撲和參數(shù)設(shè)計、各種變頻調(diào)速策略研究及仿真、逆變器控制方法及調(diào)制策略研究、系統(tǒng)諧波分析等。</p><p>　　<二

3、> 設(shè)計內(nèi)容及要求</p><p><b>　　1、設(shè)計內(nèi)容：</b></p><p>　　課題組全體成員通過方案論證優(yōu)化設(shè)計出三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)搭建仿真平臺。</p><p>　?。?）5KW三相異步電機變頻調(diào)速主回路的設(shè)計。</p><p>　?。?）PWM整流逆變器控制策略的仿真研究。</p>

4、;<p>　?。?）變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)設(shè)計。</p><p>　　（4）三相異步電機變頻調(diào)速控制策略的研究。</p><p>　　（5）交流調(diào)速系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究。</p><p>　　（6）SPWM電壓源型逆變電路輸出電壓的諧波分析。</p><p><b>　　2、設(shè)計要求：</b></

5、p><p>　　1、畫出系統(tǒng)各環(huán)節(jié)電路圖；</p><p>　　2、系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的原理介紹；</p><p>　　3、系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的元件參數(shù)計算及選擇；</p><p>　　4、搭建調(diào)速系統(tǒng)Matlab/simulink仿真模型；</p><p>　　5、輸入/輸出額定線電壓為380V，額定功率為5KW；</p>

6、<p>　　6、額定頻率為50HZ，頻率調(diào)整范圍為5HZ-60HZ</p><p><b>　　四、設(shè)計資料</b></p><p>　　1.電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術(shù). 藏英杰等編. 機械工業(yè)出版社，1994</p><p>　　2.大功率交－交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù). 馬小亮編. 機械工業(yè)出版社，1999

7、</p><p>　　3. PWM整流器及其控制. 張崇巍等編. 機械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　4. MATLAB語言與自動控制. 巍克新等編. 機械工業(yè)出版社，2002 </p><p>　　5.電機學. 湯蘊璆編. 機械工業(yè)出版社，2000</p&

8、gt;<p>　　6.基于simulink仿真工具的感應(yīng)電機模型仿真模型研究 孟慶春等. 基礎(chǔ)自動化</p><p>　　7. 李華德主編. 交流調(diào)速控制系統(tǒng). 電子工業(yè)出版社，2003</p><p>　　五、設(shè)計說明書要求 </p><p>　　封面（學校統(tǒng)一格式、版面）</p><p><b>　　目錄<

9、/b></p><p>　　內(nèi)容摘要(200~400字左右，中英文)</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　正文（設(shè)計方案比較與選擇，設(shè)計方案原理、計算、分析、論證，設(shè)計結(jié)果的說明及特點）</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p&g

10、t;　　附錄(參考文獻、圖紙、材料清單等)</p><p>　　六、畢業(yè)設(shè)計答辯及論文要求</p><p>　　1、畢業(yè)設(shè)計答辯要求</p><p>　　答辯前三天，每個學生應(yīng)按時將畢業(yè)設(shè)計說明書或畢業(yè)論文、專題報告等必要資料交指導教師審閱，由指導教師寫出審閱意見。</p><p>　　學生答辯時對自述部分應(yīng)寫出書面提綱，內(nèi)容包括課題的任務(wù)、

11、目的和意義，所采用的原始資料或參考文獻、設(shè)計的基本內(nèi)容和主要方法、成果結(jié)論和評價。</p><p>　　答辯小組質(zhì)詢課題的關(guān)鍵問題，質(zhì)詢與課題密切相關(guān)的基本理論、知識、設(shè)計與計算方法、實驗方法、測試方法，鑒別學生獨立工作能力、創(chuàng)新能力。</p><p>　　2、畢業(yè)設(shè)計論文要求</p><p>　　文字要求:說明書要求打印(除圖紙外)，不能手寫。文字通順，語言流暢，

12、排版合理，無錯別字，不允許抄襲。</p><p>　　圖紙要求:按工程制圖標準制圖，圖面整潔，布局合理，線條粗細均勻，圓弧連接光滑，尺寸標注規(guī)范，文字注釋必須使用工程字書寫。</p><p>　　曲線圖表要求：所有曲線、圖表、線路圖、程序框圖、示意圖等不準用徒手畫，必須按國家規(guī)定的標準或工程要求繪制。</p><p>　　摘要：交流電機變頻調(diào)速在近20年來得到越來越

13、廣泛的應(yīng)用，尤其是電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及自動控制技術(shù)的迅猛發(fā)展使得交流電機變頻調(diào)速開始逐步替代直流調(diào)速。本文在總結(jié)電機與變頻調(diào)速的基本原理和分類的基礎(chǔ)上，通過對變頻調(diào)速現(xiàn)狀的分析，對其今后的的發(fā)展和趨向進行了研究。對比國內(nèi)外變頻調(diào)速現(xiàn)狀，對其特點進行分析，本文將重點對于變頻電路將要面對的四個領(lǐng)域發(fā)展進行研究。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 變頻調(diào)速 發(fā)展和趨向 四個領(lǐng)域 </p>

14、<p>　　Abstract ：VVVF in the past 20 years more and more widely used, especially in the power electronics technology, Computer technology and the automatic control of the rapid development of technology makes VVVF

15、began gradually to replace the DC converter. Based on the summarization of the motor and the fundamental principle of variable frequency control and classification, and on the basis of variable frequency speed regulation

16、 through to the analysis of the present situation for its future developm</p><p>　　Keywords ： Variable frequency speed regulation Development and trend </p><p><b>　　目 錄</b>&

17、lt;/p><p><b>　　1.緒 論1</b></p><p>　　1.1我國電機工業(yè)發(fā)展狀況1</p><p>　　1.2變頻調(diào)速的應(yīng)用1</p><p>　　1.3異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向3</p><p>　　1.4本課題的意義及要解決的問題4</p>

18、<p>　　2.電機的現(xiàn)狀和發(fā)展5</p><p>　　2.1電機在國民經(jīng)濟中的作用5</p><p>　　2.2電機的認識5</p><p>　　2.3電機技術(shù)的應(yīng)用和未來6</p><p>　　3.異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)狀8</p><p>　　3.1變頻器的基本原理及分類8</p&

19、gt;<p>　　3.1.1變頻調(diào)速的基本原理8</p><p>　　3.2.1變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)13</p><p>　　3.2.2三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計15</p><p>　　3.2.3三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式16</p><p>　　3.3三相變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究背景和意義17</p&

20、gt;<p>　　3.3我國變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用19</p><p>　　3.3.2國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀對比21</p><p>　　4.現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和動向26</p><p>　　4.1現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展26</p><p>　　4.1.1電力電子器件的蓬勃發(fā)展26</p><p&

21、gt;　　4.1.2脈寬調(diào)制(PWM) 技術(shù)26</p><p>　　4.1.3矢量變換控制技術(shù)及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)27</p><p>　　4.1.4微型計算機控制技術(shù)28</p><p>　　4.2異步電機變頻調(diào)速今后的發(fā)展趨勢和動向28</p><p>　　4.2.1控制理論和控制技術(shù)方面的研究與開發(fā)29</p>

22、<p>　　4.2.2 PWM模式改進與優(yōu)化研究29</p><p>　　4.2.3中壓變頻裝置的研究與開發(fā)29</p><p>　　4.2.4變頻主電路拓撲結(jié)構(gòu)研究與開發(fā)30</p><p><b>　　心得體會31</b></p><p><b>　　謝 辭32</b>

23、</p><p><b>　　參考文獻33</b></p><p><b>　　1.緒 論</b></p><p>　　1.1我國電機工業(yè)發(fā)展狀況</p><p>　　解放前，我國電機工業(yè)極端落后，全國只有少數(shù)幾個城市有電機制造廠；這些廠規(guī)模小，設(shè)備差，生產(chǎn)力底下，產(chǎn)品規(guī)格混亂，材料多依賴進口。

24、解放前的最高年產(chǎn)量（1947），發(fā)電機為2萬KW，電動機為5.1萬KW，交流發(fā)電機的單機容量不超過200KW，交流電動機不超過230KW.</p><p>　　建國以來，我國的電機制造業(yè)得到快速發(fā)展。經(jīng)過50年的努力，在大型交直流電機方面，已研制成功2×500KW的直流電機，4700KW的直流發(fā)電機和42MWW的同步電動機。在大型發(fā)電設(shè)備方面，已研制出300MW和600MW水氫氫冷汽輪發(fā)電機，300MW

25、雙水內(nèi)冷和全氫冷汽輪發(fā)電機，650MW核電機組；還相繼研究出125、250、300、400和550MW的水輪發(fā)電機。電力變壓器的最大容量已經(jīng)做到400MVA，電壓最高為500KV。</p><p>　　在中、小型和微型電機方面，已開發(fā)和制成125個系列，900多個品種，幾千個規(guī)格的各種電機。在特殊電機方面，由于新的永磁材料的出現(xiàn)，制成許多高效節(jié)能、維護簡單的永磁電機。由于電機和電力電子裝置、單片微型計算機相結(jié)合，

26、出現(xiàn)了各種性能和形態(tài)迥異的“一體化電機”。</p><p>　　上述各種類型的電機，除了滿足我國生產(chǎn)和生活領(lǐng)域中各種不同的需求外，尚有部分電機出口。</p><p>　　1.2變頻調(diào)速的應(yīng)用</p><p>　　在現(xiàn)代的各種工礦企業(yè)中,電動機是應(yīng)用最廣、數(shù)量最多的電器設(shè)備之一,電機的控制及運行與企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益密切相關(guān)。所以從很早開始電機的調(diào)速問題便受到人們

27、的普遍關(guān)注。交流變頻調(diào)速技術(shù)是電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)約效果，廣泛的適用范圍及其許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。由于變頻調(diào)速是電動機最理想的調(diào)速方式，國外上世紀70年代即得到較廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)也于90年代得到迅速推廣。</p><p>　

28、　作為變頻裝置的變頻器具有明顯的節(jié)能的優(yōu)點，而在高速增長的經(jīng)濟以及能源工業(yè)為主的前提下，能源問題成為制約國家工業(yè)發(fā)展的重要因素，能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，又使能源的價格直接影響到國家社會、經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，所以各個國家都大力倡導變頻器的應(yīng)用。目前變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域大體上可以分為以下三大類：</p><p><b>　　1.電動機的調(diào)速</b></p><p&

29、gt;　　(1) 節(jié)能調(diào)速 幾乎在所有的行業(yè)中,風機和泵類通用機械都由交流電動機拖動,它的用電量占全國總電量的1/3左右.在過去這類電機都直接接入電網(wǎng),不能實現(xiàn)調(diào)速,由于選擇設(shè)備時都按最大電流加裕量選取,實際中又不需要這么大,只好采用擋板和閥門來調(diào)節(jié),浪費了大量電能.采用變頻調(diào)速后,通過改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量,一般可節(jié)電30%~50%。除節(jié)電外，通過調(diào)速還能實現(xiàn)工藝優(yōu)化，帶來最大效益。隨著變頻器價格的降低，投資回收期逐漸縮短，因此越來

30、越多的設(shè)備改用變頻調(diào)速。</p><p>　?。?）工藝調(diào)速 許多機械由于工藝需要，要求電動機調(diào)速運行。過去由于交流電機調(diào)速困難，都采用直流電機調(diào)速。直流電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、維護困難，因此隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日趨成熟，直流調(diào)速逐漸被變頻調(diào)速取代。這類調(diào)速裝置的數(shù)量不能和節(jié)能調(diào)速相比，但對調(diào)速性能有一定的要求，往往需要進行矢量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制。另外為了滿足各種工藝要求，變頻器中都需要裝設(shè)一定數(shù)量的可自由編程

31、的調(diào)節(jié)控制功能塊或?qū)ｉT的工藝控制可選附件。</p><p>　?。?）牽引調(diào)速 牽引調(diào)速用于運輸機械，例如電力機車、輕軌及工程和軍事車輛的電驅(qū)動。這類調(diào)速裝置由于工作環(huán)境惡劣（電壓波動、振動、海拔及環(huán)境溫度范圍大等），對產(chǎn)品耐電壓波動、結(jié)構(gòu)、冷卻等方面都有特殊要求。另一方面牽引負載要求恒功率調(diào)速范圍寬，相應(yīng)要求變頻器的弱磁調(diào)速段更寬。所以牽引調(diào)速用的變頻器多為專用變頻器。有些車輛的電源采用蓄電池，因此對電機和變

32、頻器的重量和效率提出了更高的要求，并且出現(xiàn)了許多電機和變頻器一體化設(shè)計的方案，電機也多采用永磁電機。</p><p>　?。?） 特種調(diào)速 在某些場合，對調(diào)速精度、調(diào)速范圍有特殊要求，例如要求極高速度，極寬調(diào)速范圍等，為滿足這些要求，電機和變頻器都是特制的。</p><p><b>　　2 綠色發(fā)電 </b></p><p>　　綠色發(fā)電即利

33、用風力、水力及太陽能發(fā)電，在環(huán)境問題日益突出的今天，這類發(fā)電受到越來越多的關(guān)注，其發(fā)展非常迅速。</p><p>　　太陽能發(fā)電利用光電器件把太陽能轉(zhuǎn)換成電能。由于光電器件發(fā)出的是直流電，要把電能送至電網(wǎng)或用電設(shè)備，必須加入直-交逆變器。</p><p><b>　　3 變頻電源</b></p><p>　　變頻器除了與電機配合使用外，還常常單

34、獨作電源使用。例如不間斷電源（UPS），50HZ/60HZ和50HZ/400HZ變頻電源以及車輛和艦船上使用的直-交逆變電源等。</p><p>　　除此之外，由于人們對變頻器認識的深化，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，特別是人們多節(jié)能意識的增加，使得變頻器的市場不斷擴大。所以變頻器是一種很有發(fā)展前途的裝置。</p><p>　　1.3異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向</p><

35、;p>　　自電機調(diào)速系統(tǒng)廣泛應(yīng)用以來，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng)，而且采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，可以得到良好的動、靜態(tài)特性，所以直流電氣傳動在很長時間內(nèi)在電氣傳動領(lǐng)域中占據(jù)主導地位換向器，使直流電動機制造成本增大。但由于直流電動機本身結(jié)構(gòu)上存在有電刷和機械維護不便、使用環(huán)境受到一定的限制。即能克服直流電動機固有的缺點，具有制造成本低、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)動慣量小、而交流電動動態(tài)響應(yīng)性能好、效率高、運行可靠、維護方便、抗惡劣

36、環(huán)境能力強等一系列優(yōu)點，隨著高性能、高精度的新型調(diào)速系統(tǒng)的不斷出現(xiàn)和發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)可以得到同直流調(diào)速系統(tǒng)一樣好的性能指標。</p><p>　　隨著電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展和新型電路變換器的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代控制理論向交流調(diào)速領(lǐng)域的滲透，特別是微型計算機及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電動機調(diào)速技術(shù)正向高頻化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。</p><p>　　控制策略的應(yīng)用：由于電力電子電路良好

37、的控制特性及現(xiàn)代微電子技術(shù)的不斷進步，使幾乎所有新的控制理論，控制方法都得以在交流調(diào)速裝置上應(yīng)用和嘗試。從最簡單的轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制發(fā)展到基于動態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制和基于動態(tài)模型保持定子磁鏈恒定的直接轉(zhuǎn)矩控制。</p><p>　　近年來電力電子裝置的控制技術(shù)研究十分活躍，各種現(xiàn)代控制理論，如自適應(yīng)控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制，以及智能控制（如專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等）和無速度傳感的高動態(tài)性能

38、控制都是研究的熱點，這些研究必將把交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展到一個新的水平。</p><p>　　微機數(shù)字控制：微機控制或稱數(shù)字控制，其優(yōu)點是：使硬件簡化，柔性的控制算法使控制靈活、可靠，易實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，便于故障診斷和監(jiān)視?？刂葡到y(tǒng)的軟化對CPU芯片提出了更高的要求，為了實現(xiàn)高性能的交流調(diào)速，要進行矢量的坐標變換，磁通矢量的在線計算和適應(yīng)參數(shù)變化而修正磁通模型，以及內(nèi)部的加速度、速度、位置的重疊外環(huán)控制的在線實時調(diào)節(jié)

39、等，都需要存儲多種數(shù)掘和快速實時處理大量信息?？梢灶A(yù)見，隨著計算機芯片容量的增加和運算速度的加快，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能將得到很大的提高。</p><p>　　1.4本課題的意義及要解決的問題</p><p>　　近10年來，隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。電機交流變

40、頻調(diào)速技術(shù)是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。本課題的任務(wù)是應(yīng)用已了解的電機學和變頻調(diào)速電動機的知識，通過對變頻調(diào)速電動機的發(fā)展與現(xiàn)狀的研究，對交流調(diào)速系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢與動向進行分析。</p><p>　　2.電機的現(xiàn)狀和發(fā)展</p

41、><p>　　2.1電機在國民經(jīng)濟中的作用</p><p>　　電機是一種機電能量轉(zhuǎn)換或信號轉(zhuǎn)換的電磁機械裝置。就能量轉(zhuǎn)換的功能來看，電機可分為兩大類。第一類是發(fā)電機，它把機械能轉(zhuǎn)換為電能；通過原動機先把各類一次能源蘊藏的能量轉(zhuǎn)化為機械能，然后通過發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)輸、配電網(wǎng)絡(luò)送往城市各工礦企業(yè)、家庭等各種用電場合。第二類是電動機，它把電能裝換為機械能，用來驅(qū)動各種用途的生產(chǎn)機械和其

42、它裝置，以滿足不同的需求。電力變壓器則是將一種交流變壓、電流轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓、電流的靜止電器。</p><p>　　由于一次能源形態(tài)的不同，可制成不同的發(fā)電機。利用水力資源，和水輪機配合，可制成水輪發(fā)電機；利用煤、石油等資源的熱能，和鍋爐，汽輪機配合，可制成汽輪發(fā)電機。此外，還有利用風能、原子能、地熱等能源的各類發(fā)電機。</p><p>　　到1999年，我國電力總裝機容量已達29

43、.4萬MW,年總發(fā)電量為12300億KW·H。從放電量看，已居世界第二位。隨著三峽水利電力工程的啟動，大亞灣、泰山核電站的建成和發(fā)電，今后將會加強大型水電站和核電站的開發(fā)工作，并加大水電和核電的比重。</p><p>　　電動機作為原動機，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，大至冶金企業(yè)使用的高達上萬千瓦的電動機，小至小功率電動機、乃至幾瓦的為電動機。在各類原動機中，電動機的容量已超過總?cè)萘康?0％。</p&g

44、t;<p>　　根據(jù)應(yīng)用場合的要求和電源的不同，電動機有直流電動機、交流同步電動機、交流感應(yīng)電動機，以及滿足不同需求的控制電機和特種電動機。70年代以后，由于大功率電力電子元件、微電子器件、變頻技術(shù)以及微型計算機技術(shù)取得的一系列進展。為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，從而研制出多種調(diào)速性能優(yōu)良、效率高、能滿足不同要求的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　電力工業(yè)是一種先行工業(yè)，只有當電力工業(yè)的增

45、長率高于其他工業(yè)的發(fā)展速度，才能促使整個國民經(jīng)濟的全面迅速增長。我國是一個擁有十多億人口的大國，水力、煤炭等資源十分豐富，相信在今后，電力和電機制造工業(yè) 將會得到最快的發(fā)展。</p><p><b>　　2.2電機的認識</b></p><p><b>　　a．電機概念</b></p><p>　　電機是借助于電磁原理（原

46、理）工作的能量轉(zhuǎn)換（功能）設(shè)備。</p><p>　　只有給電機輸入能量，它才會輸出能量，并且在其輸入和輸出的能量中至少應(yīng)該有一方是電能。可見“電機”一詞本質(zhì)上是電磁機的簡稱。</p><p><b>　　b. 電機的種類</b></p><p>　　電動機機應(yīng)用廣泛，種類繁多、性能各異，分類方法也很多。</p><p&g

47、t;　　1.根據(jù)電動機工作電源的不同，可分為直流電動機和交流電動機。其中交流電動機還分為單相電動機和三相電動機。 </p><p>　　2.電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為異步電動機和同步電動機。 同步電動機還可分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。異步電動機可分為感應(yīng)電動機和交流換向器電動機。感應(yīng)電動機又分為三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機。交流換向器電動機又分為單相串勵電動機、交直流兩

48、用電動機和推斥電動機。 </p><p>　　3.電動機按起動與運行方式可分為電容起動式電動機、電容運轉(zhuǎn)式電動機、電容起動運轉(zhuǎn)式電動機和分相式電動機。 按用途分類。電動機按用途可分為驅(qū)動用電動機和控制用電動機。驅(qū)動用電動機又分為電動工具用電動機、家電用電動機及其它通用小型機械設(shè)備用電動機?？刂朴秒妱訖C又分為步進電動機和伺服電動機等。 </p><p>　　4.電動機按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可分為籠型感

49、應(yīng)電動機和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機。 </p><p>　　5.電動機按運轉(zhuǎn)速度可分為高速電動機、低速電動機、恒速電動機、調(diào)速電動機。</p><p>　　2.3電機技術(shù)的應(yīng)用和未來</p><p>　　電動機是一種實現(xiàn)機、電能量轉(zhuǎn)換的電磁裝置。它是隨著生產(chǎn)力的發(fā)展而發(fā)展的，反過來，電動機的發(fā)展也促進了社會生產(chǎn)力的不斷提高。從19世紀末期起，電動機就逐漸代替蒸汽機作為拖動

50、生產(chǎn)機械的原動機，一個多世紀以來，雖然電動機的基本結(jié)構(gòu)變化不大，但是電動機的類型增加了許多，在運行性能，經(jīng)濟指標等方面也都有了很大的改進和提高，而且隨著自動控制系統(tǒng)和計算機技術(shù)的發(fā)展，在一般旋轉(zhuǎn)電動機的理論基礎(chǔ)上又發(fā)展出許多種類的控制電動機，控制電動機具有高可靠性﹑好精確度﹑快速響應(yīng)的特點，已成為電動機學科的一個獨立分支。電動機的功能是將電能轉(zhuǎn)換成機械能，它可以作為拖動各種生產(chǎn)機械的動力，是國民經(jīng)濟各部門應(yīng)用最多的動力機械。</p

51、><p>　　在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了實現(xiàn)各種生產(chǎn)工藝過程，需要各種各樣的生產(chǎn)機械。拖動各種生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)，可以采用氣動，液壓傳動和電力拖動。由于電力拖動具有控制簡單﹑調(diào)節(jié)性能好﹑耗損小﹑經(jīng)濟，能實現(xiàn)遠距離控制和自動控制等一系列優(yōu)點，因此大多數(shù)生產(chǎn)機械都采用電力拖動。 按照電動機的種類不同，電力拖動系統(tǒng)分為直流電力拖動系統(tǒng)和交流電力拖動系統(tǒng)兩大類。 </p><p>　　縱觀電力拖動的發(fā)展過

52、程，交、直流兩種拖動方式并存于各個生產(chǎn)領(lǐng)域。在交流電出現(xiàn)以前，直流電力拖動是唯一的一種電力拖動方式，19世紀末期，由于研制出了經(jīng)濟實用的交流電動機，致使交流電力拖動在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，特別是精密機械加工與冶金工業(yè)生產(chǎn)過程的進步，對電力拖動在起動，制動，正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度與范圍等靜態(tài)特性和動態(tài)響應(yīng)方面提出了新的，更高的要求。由于交流電力拖動比直流電力拖動在技術(shù)上難以實現(xiàn)這些要求，所以20世紀以來，在可逆，可調(diào)速

53、與高精度的拖動技術(shù)領(lǐng)域中，相當時期內(nèi)幾乎都是采用直流電力拖動，而交流電力拖動則主要用于恒轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。 </p><p>　　雖然直流電動機具有調(diào)速性能優(yōu)異這一突出特點，但是由于它具有電刷與換向器（又稱整流子），使得他的故障率較高，電動機的使用環(huán)境也受到了限制（如不能在有易爆氣體及塵埃多的場合使用），其電壓等級，額定轉(zhuǎn)速，單機容量的發(fā)展也受到了限制。所以，在20世紀60年代以后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，半導體交流技術(shù)

54、的交流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實現(xiàn)。尤其是70年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，為交流電力拖動的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。諸如交流電動機的串級調(diào)速，各種類型的變頻調(diào)速，無換向器電動機調(diào)速等，使得交流電力拖動逐步具備了調(diào)速范圍寬，穩(wěn)態(tài)精度高，動態(tài)響應(yīng)快以及在四象限做可逆運行等良好的技術(shù)性能，在調(diào)速性能方面完全可與直流電力拖動媲美。除此之外，由于交流電力拖動具有調(diào)速性能優(yōu)良，維修費用低等優(yōu)點，將廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)電氣自動化領(lǐng)域中，

55、并逐步取代直流電力拖動而成為電力拖動的主流。</p><p>　　經(jīng)歷了100多年的技術(shù)發(fā)展，電動機自身的理論基本成熟。隨著電工技術(shù)的發(fā)展，對電能的轉(zhuǎn)換、控制以及高效使用的要求越來越高。電磁材料的性能不斷提高，電工電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為電動機的發(fā)展注入了新的活力。 </p><p>　　未來電動機將會沿著體積更小、機電能量轉(zhuǎn)換效率更高、控制更靈活的方向繼續(xù)發(fā)展。</p>&l

56、t;p>　　3.異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)狀</p><p>　　3.1變頻器的基本原理及分類</p><p>　　3.1.1變頻調(diào)速的基本原理</p><p>　?。?）變頻調(diào)速的定義</p><p>　　由于異步電動機的同步轉(zhuǎn)速與電源頻率轉(zhuǎn)速差和電極級對數(shù)成正比，</p><p>　　即

57、 </p><p>　　可以把調(diào)速分為三大類：</p><p>　　a. 改變電機的極對數(shù)，不方便，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不能實現(xiàn)無極調(diào)速。</p><p>　　b. 改變轉(zhuǎn)差率，會帶來較大的轉(zhuǎn)差損耗，效率降低，調(diào)速范圍受影響。</p><p>　　c. 改變電源頻率，從低速到高速都可保持高效寬范圍和高精度的調(diào)速性能。改變電

58、流頻率 就能改變轉(zhuǎn)速 ，從而實現(xiàn)調(diào)速，這就是變頻調(diào)速。</p><p>　　（2）變頻調(diào)速原理和機械特性</p><p>　　在電機調(diào)速時希望保持每極磁通量 為固定值。磁通量太小，浪費鐵芯，太大則導致勵磁電流過大，甚至過熱損壞電機。</p><p>　　異步電動機的電勢方程為</p><p>　　因為 ，如果忽略定子壓降，則 ，所以可得到

59、 </p><p>　　式中， ----定子每相感應(yīng)電動勢有效值</p><p><b>　　----定子頻率</b></p><p>　　----定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)</p><p>　　----基波繞組系數(shù)</p><p>　　----每級氣隙磁通量

60、</p><p><b>　　----常數(shù)， </b></p><p>　　由表達式可見，要保持電機磁通量恒定，必須使定子電壓隨定子頻率成正比變化，即：，這種 和 的配合變化稱為恒磁通變頻調(diào)速中的協(xié)調(diào)控制，根據(jù) 協(xié)調(diào)控制的方式不同，可以得到不同的調(diào)速特性：</p><p><b>　?。?）基頻以下調(diào)速</b></p

61、><p>　?。┖汶妷侯l率比調(diào)速：由電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式可知與、成正比，要保持不變，則保持不變，</p><p>　　即 常數(shù)</p><p>　　這就是恒電壓頻率比的協(xié)調(diào)控制公式，其機械特特征曲線如圖2.1所示</p><p>　　圖2.1 恒壓頻比控制變頻調(diào)速的異步電機機械特性</p><p>　　由圖

62、2.1可知，從同步轉(zhuǎn)速到最大轉(zhuǎn)矩可以近似地看成線性，且線性段基本平行，類似于直流電機的調(diào)壓特征。但最大轉(zhuǎn)矩隨下降而減小，因為高時，和的數(shù)值較大，定子阻抗壓降所占比例小，所以；而低時，和數(shù)值較小，而電子阻抗壓降所占分量就比較大，使，則就小，就下降，這對于滿載或者過載啟動很不利，但對于風機水泵類機械負載很合適。</p><p>　　恒最大轉(zhuǎn)矩調(diào)速：由于低速時，與相差很大，不能用代替，則采用（為定子電勢，為定子頻率）的

63、協(xié)調(diào)控制。由于小時，則定子電壓應(yīng)適當提高，使，以近似補償由于定子阻抗引起的壓降，從而保證電機具有最大轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　圖2.2 恒壓頻比控制異步電機機械特性</p><p>　?。?）基頻以上調(diào)速（恒功率調(diào)速）</p><p>　　有時為了擴大調(diào)速范圍，可以使從而使但是定子電壓卻不能大于電源額定電壓，最高只維持不變。這樣，隨著運行頻率升高，比值下降氣隙磁通

64、隨之減小，弱磁后額定電流時的轉(zhuǎn)矩將減小，特性變軟。</p><p>　　把基頻以下和基頻以上兩種情況完全綜合起來，可得圖2.3的異步電動機變頻調(diào)速控制特性。</p><p>　　如果電機在不同轉(zhuǎn)速下都不超過額定電流，則電機都能在溫度允許下長期運行，這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通量變化，按電力拖動原理，在基頻以下屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”，基頻以上為“恒功率調(diào)速”，通過以上分析，變頻調(diào)速可得幾乎與直流電機調(diào)壓

65、調(diào)速相同“硬度”的機械特性。</p><p>　　圖2.3 異步電機變頻調(diào)速控制特性</p><p>　　3.1.2變頻器的分類</p><p>　　在本文中將主要以中小容量交-直-交通用變頻器我主要介紹對象，但它畢竟只是整個變頻器家族的一員，本節(jié)將大體介紹一下變頻器的分類。</p><p>　　變頻器的種類很多，按以下幾種分類：</

66、p><p>　　一、按變換頻率的方法分類</p><p>　　1、交-直-交變頻器</p><p>　　交-直-交變頻器首先將恒定50Hz的交流經(jīng)整流，變換成直流，經(jīng)過濾波，</p><p>　　再將平滑的直流逆變成頻率可調(diào)的交流。根據(jù)直流回路的濾波方式不同，變頻器的形式又可以分為兩種：一種是電容濾波，直流回路電壓比較平直，輸出阻抗很小，電壓不易

67、突變，相當于直流恒壓源，稱之為電壓型變頻器；另一種是用電感濾波，其直流回路的電流波形比較平直，輸出阻抗很大，電流不易突變稱之為電流型變頻器。圖2-6為交-直-交電壓型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)。，圖2-7為交-直-交電流型變頻器原理圖。</p><p>　　圖2-6 交-直-交電壓型變頻器主回路</p><p>　　圖2-7 交-直-交電流型變頻器原理圖</p><p>　

68、　電感型負載不容許電流突變，如果用電流型做脈寬調(diào)制則很快的開關(guān)速度會導致過高的電流變化率，在負載上激發(fā)出很高的瞬時電壓，則可導致器件的過電壓擊穿，因此，用電流型濾波電路作SPWM變頻不適合電感負載。由于電動機正是電感負載，因此采用SPWM方式的通用變頻器中基本上全是采用電壓型濾波電路。</p><p><b>　　1.交-交變頻器</b></p><p>　　交-交變

69、頻調(diào)速系統(tǒng)如圖2-8所示，它由三組反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變流器組成，采用電網(wǎng)自然換相原理，具有過載能力強、效率高、輸出波形好等優(yōu)點，但同時也存在著輸出頻率低（最高頻率小于1/2電網(wǎng)頻率）、電網(wǎng)功率因數(shù)低、旁頻諧波影響等缺點，交-交變頻分為有環(huán)流方式和無環(huán)流方式，可驅(qū)動同步電動機或異步電動機。</p><p>　　雖然交-交變頻原理簡單，能量變換直接、效率高，但其主電路復(fù)雜，可控器件多，觸發(fā)驅(qū)動電路就會復(fù)雜，從單位功

70、率成本考慮，只適合大容量場合應(yīng)用，不適合小容量場合應(yīng)用。而且，交-交變頻輸出波形與頻率有關(guān)，頻率越低，波形越接近正弦波，頻率一高，波形就失真了，甚至嚴重畸變而導致力矩脈動嚴重，因此交-交變頻只適合低頻低速運行。</p><p>　　只適合于大容量、大轉(zhuǎn)矩、低頻低速運行的特殊場合應(yīng)用，大大限制了交-交變頻的應(yīng)用領(lǐng)域，因此，交-交變頻方法不適合作為通用變頻器變頻方法的選擇。</p><p>　

71、　圖2-8交-交變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　二、按變頻器輸出電壓（或電流）的方法分類</p><p><b>　　1、PAM</b></p><p>　　所謂PAM(Pulse Amplitude Modulation),是一種改變電壓源的電壓或電流源電流的幅值，進行輸出控制的方式。因此，在逆變部分只控制頻率，在變流部分控制輸出

72、的電壓或電流。</p><p><b>　　2、PWM</b></p><p>　　PWM(Pulse Width Modulation)方式是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各個脈沖的等值電壓為正弦波狀，輸出電壓或電流波形平滑且低次諧波少。</p><p>　　PAM變頻器是早期變頻器的基本形式，隨著脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的發(fā)展，交-直

73、-交變頻的波形大大改善，調(diào)速性能大幅度提高，因此，PAM已經(jīng)在通用變頻器中被淘汰了。</p><p><b>　　三、按電壓等級分類</b></p><p>　　變頻器按電壓等級分為兩類：一種是變頻器電壓等級為340V~460V屬低壓型變頻器；第二種是高壓型變頻器，電壓等級為3Kv、6kV、10kV。</p><p><b>　　低壓

74、型變頻器</b></p><p>　　這類變頻器單相為220V~240V，三相為220V或380V~460V容量從0.2kV ~280kV ~500kV,一般稱為中小容量變頻器。</p><p>　　2、高壓大容量變頻器</p><p>　　高壓大容量變頻器主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種采用升、降壓變壓器稱之為“高-低-高”式變頻器，亦稱為間接高壓變頻器；另一

75、種采用高壓大容量GTO晶閘管或晶閘管功率元件串聯(lián)結(jié)構(gòu)，無輸入，輸出變壓器，直接將高壓電流整流為直流，稱之為“高-高”式變頻器，亦稱直接高壓變頻器。</p><p><b>　　用對象分類</b></p><p>　　以應(yīng)用對象劃分，可以將變頻器分為通用變頻器及專用變頻器兩類，專用變</p><p>　　頻器應(yīng)該是針對特定應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)的、在電路結(jié)

76、構(gòu)、控制原理等方面與通用變頻器有顯著差別的變頻器，專用變頻器由于應(yīng)用對象的差別，本身沒有很明顯的共同性。</p><p>　　本文重點介紹通用變頻器，按照上面的分類，其全稱應(yīng)該是交-直-交SPWM電壓型通用變頻器。</p><p>　　3.2變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方案</p><p>　　3.2.1變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　從

77、結(jié)構(gòu)上看，變頻調(diào)速系統(tǒng)可分為直接變頻和間接變頻兩類。直接變頻又稱交—交變頻，是一種將工頻交流電直接變換為頻率可控的交流電，中間沒有直流環(huán)節(jié)的變頻形式；間接變頻又稱為交—直—交變頻，是將工頻交流電先經(jīng)過整流器整流成直流，再通過逆變器將直流變換成頻率可變的交流的變頻形式，因此這種變頻方式又被稱為有直流環(huán)節(jié)的變頻。</p><p>　　交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)一般使用的開關(guān)器件是晶閘管，利用電網(wǎng)電壓有自動過零并變負的特點，將

78、晶閘管直接接在交流電源上，使晶閘管能自然關(guān)斷。其過程與可控整流器一樣，不需要附加換流元件，方法簡單，運行可靠。而且，交—交變頻器在低頻時輸出波形接近正弦，且為一次變流，具有較高的效率，還能實現(xiàn)四象限運行。但是由于這種方法使用晶閘管數(shù)量較多，主回路復(fù)雜，且輸出頻率受電源頻率的限制，一般不能高于電網(wǎng)頻率的1/2,所以交—交變頻器在交流異步電機調(diào)速方面主要用于低速大功率傳動，特別是起動轉(zhuǎn)矩要求高的場合。</p><p>

79、;　　交—直—交變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖3-1所示，是目前變頻電機的主要形式，該方式必須通過兩次電能變換。效率稍低。但前級市電的干擾不會影響后級，輸出波形好，變頻范圍寬。</p><p>　　圖3-1交—直—交變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖</p><p>　　AC/DC：將交流電變?yōu)橹绷麟姡瑢崿F(xiàn)這一功能的變換電路一般稱為整流電路。在AC/DC變換過程中常常引入高頻變換環(huán)節(jié)，達到減小電源設(shè)備體積、減輕重量、

80、提高效率、改善動態(tài)特性等目的，轉(zhuǎn)換頻率一般為幾十千赫至幾百千赫。</p><p>　　DC/AC：將直流電變?yōu)榻涣麟?，實現(xiàn)這一功能的變換電路，一般稱為逆變器。逆變電路既可將固定的直流電壓變換為固定幅值和頻率的交流電壓，亦可將其變換為幅值和頻率都可調(diào)節(jié)的交流電壓，后者常稱為變頻器。</p><p>　　逆變器是電力電子裝置中的重要組成部分，是不間斷電源、交流電氣傳動、中頻電源等許多設(shè)備的核心

81、，因而其研究工作倍受人們的關(guān)注，研究的焦點是如何方便地調(diào)節(jié)逆變電源的輸出電壓和頻率，并降低諧波含量，改善輸出波形。迄今為止，降低諧波含量和調(diào)節(jié)輸出電壓(大小或頻率)的常用措施有： </p><p>　　1）對逆變電源的開關(guān)管進行高頻PWM調(diào)制，使逆變器輸出為高頻等幅的PWM波。</p><p>　　2）通過改變逆變電源主電路拓撲結(jié)構(gòu)，在主電路上進行波形重構(gòu)以實現(xiàn)階梯波形輸出，減小低階高

82、次諧波含量。</p><p>　　3.2.2三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計</p><p>　　由DSP控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖3-2所示，本系統(tǒng)以DSP為控制核心，主要由整流器，濾波環(huán)節(jié)，逆變器，檢測環(huán)節(jié)及控制回路組成。</p><p>　　圖3-2三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計框圖</p><p>　　系統(tǒng)主電路采用典型交一直一交電壓

83、源型變頻器結(jié)構(gòu)，整流環(huán)節(jié)采用單相橋式不控整流模塊，逆變電路功率器件采用IGBT，中間直流環(huán)節(jié)加大電容濾波以獲得平滑的直流電壓，電網(wǎng)電壓經(jīng)橋式整流后對直流母線上的濾波電容充電，串聯(lián)限流電阻R，是為限制過大的充電電流。若不用限流電阻，當系統(tǒng)合閘時會有相當大的充電電流，可能燒毀濾波大電容和整流模塊。限流電阻只在電容剛開始充進行限流，當電容兩端的電壓充到一定值時，繼電器K吸合，把限流電阻R，短路。電路中電容CZ、二極管VD和電阻R、構(gòu)成一個典型

84、的吸收緩沖電路。主回路工作時，因為功率器件開關(guān)頻率很高，開關(guān)動作時會在直流環(huán)節(jié)中產(chǎn)生電流突變，若直流環(huán)節(jié)存在電感，則可能在功率器件兩端產(chǎn)生很大的尖峰電壓，吸收緩沖電路的作用就是吸收消除此尖峰電壓。電容電壓的檢測用電阻RZ和R3分壓進行檢測，分別控制繼電器K和過壓保護電路。功率器件采用三菱公司智能IGBT模塊。內(nèi)含過壓、過流、過熱保護，是一種新型的功率器件。具有驅(qū)動電路簡單、可靠性高等優(yōu)點。系統(tǒng)控制電路包括了DSP的電路板以及以該板為核心

85、分別擴展的數(shù)字信號處理板和模擬信號處理板，分別完成頻率給定、按鍵選擇調(diào)制方式及顯示、低頻</p><p>　　本設(shè)計用TMS320F2808作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制芯片與其他單片機相比，其優(yōu)勢表現(xiàn)為:數(shù)據(jù)處理能力強、高運算速度、能實時完成復(fù)雜計算、單周期多功能指令、PWM分辨率高、更短的采樣周期。TMS320F2808芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，集成了A/D轉(zhuǎn)換，廣泛采用流水線操作，可以用來快速地實現(xiàn)各

86、種數(shù)字信號處理算法。</p><p>　　3.2.3三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式</p><p>　　目前，大部分三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)主要是基于間接SPWM技術(shù)，采用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)作為功率控制器件來提高功率主電路的控制性、穩(wěn)定性和效率，以DSP作為控制核心進行控制和參數(shù)運算處理，提高了變頻調(diào)速系統(tǒng)的操作性。生成SP

87、WM常采用的方法有三種:一是完全由模擬電路生成；二是由數(shù)字電路生成；三是由專用集成芯片生成。模擬方法電路復(fù)雜，硬件太多，抗干擾性差，有溫漂現(xiàn)象，難以實現(xiàn)最優(yōu)化PWM控制(最優(yōu)化PWM的調(diào)制波都不是正弦波)，系統(tǒng)可靠性差;數(shù)字方法按照不同的數(shù)字模型用計算機算出各切換點，將其存入內(nèi)存，然后通過查表及必要的運算產(chǎn)生SPWM波，該方法調(diào)頻范圍不寬，且占用內(nèi)存大，與系統(tǒng)精度之間存在矛盾;由專用集成芯片生成三相SPWM波的技術(shù)近年來被廣泛采用，常用

88、的有NEF4752, SLE4520, MA818, MA828, MA838和MITEL公司研制的三相/單相PWM產(chǎn)生器SA828, SA838系列芯片。它們多與微處理器連接，完成外圍控制功能，但在系統(tǒng)構(gòu)成上仍然復(fù)雜。</p><p>　　PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)是利用半導體開關(guān)器件的導通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓的脈沖寬度以達到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。SPWM(正弦脈寬調(diào)制)是由控

89、制回路產(chǎn)生一組等幅而不等寬的矩形脈沖序列，用來近似正弦電壓波。</p><p>　　對于高頻PWM調(diào)制來說，開關(guān)頻率越高，諧波含量越小，但開關(guān)損耗也越大，故不宜用在大功率逆變電源中。而波形重構(gòu)方式往往需要多個逆變器來實現(xiàn)電壓的疊加。波形重構(gòu)的級數(shù)越多，出現(xiàn)的最低諧波次數(shù)越高，但主電路和控制電路也越復(fù)雜，相應(yīng)地控制難度也越大，輸出電壓的調(diào)節(jié)也不甚方便，因此這種方式通常只在大功率逆變電源中采用。</p>

90、<p>　　利用PWM調(diào)制來調(diào)節(jié)輸出電壓和降低諧波含量是目前最為普及的技術(shù)，在中小功率逆變電源中應(yīng)用非常廣泛，PWM的生成方法也很多。</p><p>　　變頻電源采用的脈寬調(diào)制技術(shù)有兩種:</p><p>　　一種是開關(guān)點預(yù)置控制方式，也叫消諧PWM，理論分析表明，早在1973年提出的消諧控制策略能有效地克服上述問題，它只需要較少的開關(guān)脈沖數(shù)即可完全消除容量較大的低階高次諧波

91、，取得很好的濾波效果，具有開關(guān)頻率低、開關(guān)損耗小、電壓利用率高等許多優(yōu)點，是實現(xiàn)逆變電源PWM控制的理想方法。</p><p>　　消諧PWM控制就是一種經(jīng)過計算的PWM控制策略，其基本方法是：通過PWM控制的傅里葉級數(shù)分析，得出傅里葉級數(shù)展開式，以脈沖相位角為未知數(shù)，令某些特定的諧波為零，便得到一個非線性方程組，該方程組即為消諧PWM模型，按模型求解的結(jié)果進行控制，則輸出不含這些特定的低次諧波。消諧控制的優(yōu)勢己

92、為人們認識，并開展了不少的研究工作，希望該方法得到實際應(yīng)用。遺憾的是，迄今為止消諧方法還沒有真正進入實際應(yīng)用。按照消諧控制的思想，PWM波的相位是通過模型的求解獲得的，而消諧模型是一個正弦函數(shù)的多元非線性方程組，其數(shù)值求解的過程極其復(fù)雜并且難以保證收斂，因此這種求解計算要在現(xiàn)有的微處理器(MCU)系統(tǒng)中快速實時地完成是相當困難的，這在相當程度上制約了消諧方法的實際應(yīng)用。目前該方法的應(yīng)用主要以離線控制方式實現(xiàn)，將其應(yīng)用于無需調(diào)節(jié)電壓大小的

93、恒頻恒壓電源的控制是可行的;或事先計算某些特定電壓的有關(guān)控制參數(shù)存入存儲器中，根據(jù)實際需要分級調(diào)節(jié)輸出電壓，這種方式往往需要很大的存儲空間，而且隨著電壓調(diào)節(jié)的分辨率增高，其存儲空間隨之增大。</p><p>　　另一種是SPWM方案，SPWM方式的缺點是不易獲得較高的基波幅值比、開關(guān)損耗較大。優(yōu)點是可以通過提高開關(guān)頻率來減小低次諧波影響，并可通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓。本設(shè)計就是采用SPWM方案。</p

94、><p>　　3.3三相變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究背景和意義</p><p>　　在國民經(jīng)濟建設(shè)和國防科技事業(yè)的進程當中，交流變頻調(diào)速的應(yīng)用極為廣泛和重要。而隨著電力電子和微處理器技術(shù)的發(fā)展，調(diào)速系統(tǒng)也成為發(fā)展的潮流和目標。三相異步變頻調(diào)速系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)，農(nóng)業(yè)，國防等各個領(lǐng)域。當前國外交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展十分迅速各大商場推出的交流調(diào)速系統(tǒng)層出不窮，與國外相比，我國交流調(diào)速控制方式的研究起步較晚，技術(shù)基

95、礎(chǔ)薄弱，實際產(chǎn)品應(yīng)用出現(xiàn)更晚。而且多數(shù)產(chǎn)品應(yīng)用的是基本的SPWM控制，在高性能變頻技術(shù)方面處于劣勢。因此研究異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對于推動我國高性能變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展具有積極的促進作用和重要的現(xiàn)實意義。隨著新型電力電子器件的不斷出現(xiàn),三相異步變頻調(diào)速系統(tǒng)將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)下,由于功率器件性能的限制而使電機的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性,使器件性能對電機性能的影響減至最小,新型的電機技術(shù)和

96、新型的控制技術(shù),可使功率開關(guān)工作在零電壓或零電流狀態(tài),從而可大大的提高工作頻率,提高異步電機工作效率。</p><p>　　在交流調(diào)速領(lǐng)域中，應(yīng)用最廣的是交流變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)。它主要用于需要交流電源的電壓、頻率可調(diào)(或恒壓、恒頻)的用電設(shè)備，如交流電機、中頻電源及各種專用電源的中間環(huán)節(jié)等。這一技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展為交流調(diào)速開拓了廣闊的天地。國外交流調(diào)速在電氣傳動行業(yè)已占絕對優(yōu)勢，雖然國內(nèi)直流調(diào)速還在大量使用，但近年來

97、凡新建的電氣傳動系統(tǒng)均采用交流調(diào)速，其發(fā)展勢頭是迅速的。變頻技術(shù)在供電電源方面的應(yīng)用主要是:（1)將過去用電機、變壓器產(chǎn)生交流電的地方用變頻電源取代;（2）將計算機、電焊機、電子裝置等用直流電源的地方改為以變頻技術(shù)為核心的開關(guān)電源。變頻技術(shù)在電源中的應(yīng)用，極大地減小了電源裝置的體積，提高了效率，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。</p><p>　　所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT

98、)將5OHz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻(又稱交―交變頻)，即把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的交流調(diào)速中;間接變頻(又稱交—直—交變頻)，即先將市電整流成直流，再變換為要求頻率的交流。它又分為諧振變頻和方波變頻。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅、等寬和SPWM變頻。常用的方法有正弦波(調(diào)制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。</p&g

99、t;<p>　　它是作為80年代中發(fā)展起來的高性能的新型電機調(diào)速方法，在很大程度上解決了矢量控制中計算控制復(fù)雜，實際性能難于達到理論分析結(jié)果的一些重大問題。而本文研究的正是從異步電機的數(shù)學模型出發(fā)，根據(jù)變頻調(diào)速原理從簡單到復(fù)雜，利用比較容易實現(xiàn)的正弦脈寬調(diào)制的方法調(diào)試了系統(tǒng)的部分硬件電路，然后根據(jù)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩的控制原理，對于近似圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩理論進行了實驗分析。在硬件方面課題采用了目前比較流行的數(shù)字信號處理器（DSP）

100、作為本實驗的控制器，其處理速度高的特點正好符合本實驗的需要；主電路中，本系統(tǒng)采用了集成度高的功率器件；智能模塊作為逆變環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了高開關(guān)效率逆變以及故障診斷的功能，從而使控制系統(tǒng)的體積大大縮小，控制更加靈活。</p><p>　　異步電機變頻調(diào)速技術(shù)就是使用DSP器件及電子技術(shù)對異步電機進行變頻和控制的技術(shù)。是一門綜合了電力半導體器件、電力變頻技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、DSP芯片技術(shù)等許多學科的交叉學科。

101、隨著科學技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前，它已逐步發(fā)展成為一門包含更多學科的綜合性技術(shù)學科，并在為現(xiàn)代通訊、電子儀器、計算機工業(yè)自動化、電網(wǎng)優(yōu)化、電力工程、國防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電能方面起著關(guān)鍵的作用。</p><p>　　變頻調(diào)速技術(shù)誕生至今已經(jīng)近50年，它對人類的文明起了巨大的推動作用。特別是在近年來，這種技術(shù)更是取得了

102、突飛猛進的發(fā)展，己經(jīng)形成較為完整的學科體系和理論。</p><p>　　變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展主要是兩個方面:一是變頻調(diào)速系統(tǒng)所需器件的發(fā)展，因為變頻調(diào)速系統(tǒng)器件是變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)和源頭，變頻調(diào)速器件的性能的提高，促進了變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，提高了變頻調(diào)速系統(tǒng)裝置的功率，減小了體積。另一方面是變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)在不同應(yīng)用領(lǐng)域具體控制技術(shù)的發(fā)展。尤其是電機轉(zhuǎn)速變換技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。異步電機變頻調(diào)速技術(shù)是變頻技術(shù)中

103、最重要、最基本的共性技術(shù)。為了滿足高效、高能量密度、高精度、快速響應(yīng)、寬調(diào)節(jié)范圍、低諧波失真和低成本的要求，變頻調(diào)速技術(shù)從不控、半控強迫換流技術(shù)發(fā)展到普遍采用PWM控制和采用自關(guān)斷器件的變頻技術(shù)。</p><p>　　3.3我國變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用</p><p>　　3.3.1我國變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況</p><p>　　電氣傳動控制系統(tǒng)通常由電動機、控制裝

104、置和信息裝置3部分組成。電氣傳動關(guān)系到合理地使用電動機以節(jié)約電能和控制機械的運轉(zhuǎn)狀態(tài)（位置、速度、加速度等），實現(xiàn)電能-機械能的轉(zhuǎn)換，達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。電氣傳動分成不調(diào)速和調(diào)速兩大類，調(diào)速又分交流調(diào)速和直流調(diào)速兩種方式。不調(diào)速電動機直接由電網(wǎng)供電，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展這類原本不調(diào)速的機械越來越多地改用調(diào)速傳動以節(jié)約電能（節(jié)約15%～20%或更多），改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)量。在我國60%的發(fā)電量是通過電動機消耗的，因此調(diào)速春傳

105、動是一個重要行業(yè)，一直得到國家重視，目前已有一定規(guī)模。</p><p>　　近年來交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個世紀變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。</p><p>　　我國電氣傳動產(chǎn)業(yè)始建于1954年當時第一批該專業(yè)范

106、圍內(nèi)的學生從各大專院校畢業(yè)，同時在機械工業(yè)部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司，這就是后來天津電氣傳動設(shè)計研究所的前身。我國電氣傳動與變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展簡使見表1。現(xiàn)在我國已有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。</p><p>　　我國是一個發(fā)展中國家，許多產(chǎn)品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達國家。至今自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品大體只相當于國際上80年代水平。隨著改革開放，經(jīng)濟高速發(fā)展，形成了一

107、個巨大的市場，它既對國內(nèi)企業(yè)，也對外國公司敞開。很多最先進的產(chǎn)品從發(fā)達國家進口，在我國運行良好，滿足了我國生產(chǎn)和生活需要。 國內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當今國際上先進的產(chǎn)品，國內(nèi)的成套部分在自行設(shè)計制造的成套裝置中采用外國進口公司和合資企業(yè)的先進設(shè)備，自己開發(fā)應(yīng)用軟件，能為國內(nèi)外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統(tǒng)。雖然取得很大成績，但應(yīng)看到由于國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對國外公司的依賴性嚴重。</p><p>

108、　　目前國內(nèi)主要的產(chǎn)品狀況如下。</p><p>　?。?）晶閘管交流器和開關(guān)斷器件（DJT、IGBT、VDMOS）斬波器供電的直流調(diào)速設(shè)備。這類設(shè)備的市場很大，隨著交流調(diào)速的發(fā)展，該市場雖在縮減，但由于我國舊設(shè)備改造任務(wù)多，以及它在幾百至一千多kW范圍內(nèi)價格比交流調(diào)速低得多，所以在短期內(nèi)市場不會縮減很多。國產(chǎn)設(shè)備能滿足需要，部分出口。自行開發(fā)的控制器多為模擬控制，近年來主要采用進口數(shù)字控制器配國產(chǎn)功率裝置。&l