三墾變頻器性能研究和應(yīng)用

1、<p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　1.1 選題的目的及研究意義</p><p>　　電氣傳動(dòng)技術(shù)是以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以電子裝置為核心，以電動(dòng)機(jī)為控制對(duì) 象，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下完成對(duì)電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從 而將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)工作機(jī)械的往復(fù)運(yùn)動(dòng)或者是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。</p&g

2、t;<p>　　根據(jù)電動(dòng)機(jī)種類的不同，電氣傳動(dòng)可以分成直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)和交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)兩大類。自 19</p><p>　　世紀(jì) 80 年代開始，直流電動(dòng)機(jī)一直壟斷工業(yè)上傳動(dòng)用的電動(dòng)機(jī)。直到 19 世紀(jì)末期，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單且堅(jiān)固耐用的交流鼠籠型電動(dòng)機(jī)和三相電源后，直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置才在不調(diào)速的領(lǐng)域里被交 流電動(dòng)機(jī)替代了。隨著生產(chǎn)的快速發(fā)展，速度可調(diào)節(jié)逐漸成為了電動(dòng)裝置的一項(xiàng)基本要求。而且， 除了要滿

3、足一定的調(diào)速范圍外，還必須要具有持續(xù)的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)性能。從 20 世紀(jì) 50 年 代開始，國(guó)外逐漸重視到了交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的重要性。隨著電力電子技術(shù)的出現(xiàn)以及發(fā)展，采用半 導(dǎo)體的變流調(diào)速系統(tǒng)逐漸成為了現(xiàn)實(shí)。尤其是自 70 年代以來(lái)，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流電機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)提供了更加有利的發(fā)展條件，從而產(chǎn) 生了各種類型的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，如串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系

4、統(tǒng) 以及矢量控制調(diào)速系統(tǒng)等。目前，交流調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　變頻調(diào)速系統(tǒng)具有高效率，寬范圍，以及高精度等特點(diǎn)，是目前市場(chǎng)上運(yùn)用最廣、最有發(fā)展前 景的一種調(diào)速方式。交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類比較多。從上世紀(jì) 50 年代提出的電壓源型變 頻器開始，相繼出現(xiàn)了電流源型、脈寬調(diào)制型等各種類型的變頻器。就目前而言，變頻調(diào)速的主要 方案有交-交變頻調(diào)速、交-直-交變頻調(diào)速、同步

5、電動(dòng)機(jī)自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)、正弦波脈寬調(diào)制(SPWM）、 矢量控制，以及直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速等。而且，隨著傳感技術(shù)的日漸成熟，許多智能技術(shù)也慢慢 地滲透到了其中，如模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制等。與這些控制方式的有效結(jié)合， 極大地改善了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的控制效果。變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展在很大程度上依賴于大功率半導(dǎo) 體器件的制造工藝水平和電力電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。隨著第三代電力半導(dǎo)體器件（如門極可關(guān)斷晶 閘管 GTO、絕緣柵型雙極晶體

6、管 IGBT 等）的快速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)得到了很大的進(jìn)步，逐 漸變得越來(lái)越成熟。日、美、德、英等老牌發(fā)達(dá)國(guó)家在結(jié)合現(xiàn)代微處理器控制技術(shù)、電力電子技術(shù)， 以及電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，陸續(xù)推出了各種型號(hào)的變頻器，而且在不斷地進(jìn)行升級(jí)換代。這些高 精度</p><p>　　交流變頻調(diào)速技術(shù)是一門強(qiáng)弱電結(jié)合，機(jī)電一體化的綜合性技術(shù)。它既需要處理巨大電能的轉(zhuǎn) 換（整流、逆變）問(wèn)題，還要處理信息的收集、變換以及傳輸問(wèn)題。

7、在電力拖動(dòng)這個(gè)領(lǐng)域里，由于變 頻調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差功率不變，所以高效率、高性能是交流調(diào)速技術(shù)的主要發(fā)展方向。變頻調(diào)速技術(shù) 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和日常生活中占有十分重要的地位，它將頻率轉(zhuǎn)變成了可以被充分利用的重要資源。近 年來(lái)變頻調(diào)速技術(shù)獲得了不錯(cuò)的成績(jī)，而且，在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都產(chǎn)生著越來(lái)越廣泛的影響， 并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)價(jià)值。因此，研究變頻調(diào)速對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制在工業(yè)生產(chǎn)中 具有一定的實(shí)際意義。</p><p&g

8、t;　　1.2 變頻調(diào)速技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　自 20 世紀(jì) 60 年代變頻器的出現(xiàn)到現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)開始逐 漸成熟完善了。</p><p>　　近年來(lái)，由于一些新技術(shù)、新材料、新方法的出現(xiàn)和應(yīng)用，從而研制出了更好的器件或是串聯(lián) 單元，這樣就進(jìn)一步解決了一直以來(lái)困擾人們的高壓?jiǎn)栴}，使其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍更加寬泛。同時(shí)， 也使得更為高效、合理地

9、利用能源的愿望成為了現(xiàn)實(shí)。自 20 世紀(jì) 80 年代開始，變頻器在西方主</p><p>　　要工業(yè)國(guó)家被廣泛使用，并逐漸隨進(jìn)口設(shè)備配套被引入中國(guó)。至 90 年代時(shí)，變頻器已經(jīng)在中國(guó)得</p><p>　　到了迅速的推廣。 變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用，將工頻電源轉(zhuǎn)換成為另一種頻率的電源的電能控制</p><p>　　裝置。電動(dòng)機(jī)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中主要的耗電大戶，

10、高壓大功率電動(dòng)機(jī)更為突出，而這些設(shè)備的電能利用 率普遍偏低，所以都有很大的節(jié)能空間。因此，不論從社會(huì)價(jià)值還是經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)講，大力發(fā)展高 壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)都具有非常深遠(yuǎn)的意義。</p><p>　　同時(shí)，隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，中小功率的變頻器又逐漸突顯出其不可替代的 作用。近年來(lái)，我國(guó)提出了建設(shè)節(jié)能型社會(huì)，倡導(dǎo)綠色、和諧的發(fā)展理念。因此，在做好高壓大功率 變頻器的同時(shí)應(yīng)該兼顧中小功率變頻器的發(fā)展。

11、這是我國(guó)變頻器行業(yè)今后發(fā)展的總體趨勢(shì)。</p><p>　　國(guó)外變頻器產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史較長(zhǎng)。目前，除日本外，美、英、德、法、意等發(fā)達(dá)國(guó)家也都已經(jīng)形成 了較為完善的變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系。同時(shí)，幾乎所有的產(chǎn)品均具有矢量控制功能，且工藝水平 較以前有了大幅提高。目前，各發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)階段的發(fā)展?fàn)顩r主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：</p><p>　　（1）變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，具有一定的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，生

12、產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平和產(chǎn)品品 質(zhì)比較高；</p><p>　?。?）能夠生產(chǎn) 1 萬(wàn) kW 以上的 SCR 變頻器，如美國(guó)的 A-B 公司等。但是沒(méi)有 10kV 及以上的 高壓產(chǎn)品；</p><p>　?。?）與變頻器相關(guān)的產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，形成了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，能夠生產(chǎn)諸如 IGBT、IGCT、SGCT 等變頻器中的多種功率器件；</p><p>　?。?）新技術(shù)、新工藝

13、不斷廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品中，促進(jìn)了高壓、高功率、高精度、多功能、智能化變 頻器的出現(xiàn)，使高壓變頻器在各個(gè)行業(yè)中被廣泛使用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　然而，我國(guó)國(guó)產(chǎn)變頻器的生產(chǎn)，主要是交流 380V 的中小型變頻器，且大部分產(chǎn)品為低壓，而 高壓大功率則很少，能夠研制、生產(chǎn)、并提供服務(wù)的高壓變頻器廠商更少，不過(guò)是少數(shù)幾個(gè)具備科 研能力或資金實(shí)力強(qiáng)的企業(yè)。并且在技術(shù)方面，更是僅僅少數(shù)普遍采用 V/F 控制

14、方式，對(duì)中、高壓 電機(jī)的變頻調(diào)速進(jìn)行改造。我國(guó)高壓變頻器的品種和性能，還處于發(fā)展的初步階段，仍需大量從國(guó) 外進(jìn)口。這一現(xiàn)狀主要表現(xiàn)在以下方面：</p><p>　?。?）國(guó)外各大品牌的產(chǎn)品，加快了占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的步伐并將產(chǎn)品本地化，但我國(guó)目前變頻器市 場(chǎng)較大，仍有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?lt;/p><p>　?。?）多數(shù)企業(yè)不具有足夠資金進(jìn)行科研和規(guī)模化生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝相對(duì)落后，產(chǎn)品的技術(shù)含量低， 品質(zhì)

15、有待提高，但總體上價(jià)格低廉；</p><p>　?。?）國(guó)內(nèi)高壓變頻器尚未形成一套完備的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品差異性大，需要進(jìn)一步完備、完善高壓變 頻器的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的功率等級(jí)較低，一般不超過(guò) 3500kW；</p><p>　?。?）高壓變頻器周邊產(chǎn)業(yè)少，不夠發(fā)達(dá)，約束了高壓變頻器的發(fā)展速度，很多變頻器中的主要 功率器件，無(wú)法自行生產(chǎn)，如：驅(qū)動(dòng)電路，電解電容等；</p>

16、<p>　?。?）自主研發(fā)能力在逐步提高，與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距在縮小，自主創(chuàng)新的技術(shù)和產(chǎn)品也逐步 得到應(yīng)用；</p><p>　　（6）已經(jīng)研制出具有瞬時(shí)掉電再恢復(fù)、故障再恢復(fù)等性能的變頻器，同時(shí)正在研發(fā)能夠進(jìn)行四 象限運(yùn)行的高壓變頻器[2]；</p><p>　　變頻技術(shù)發(fā)展至今，總結(jié)起來(lái)從控制的角度而言，先后經(jīng)歷了這樣 4 個(gè)階段：矢量控制、磁通 控制、轉(zhuǎn)矩控制、智能（PWM

17、）控制這 4 個(gè)階段。20 世紀(jì) 80 年代后期開始，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的 VVVF</p><p>　?。╒ariable Voltage Variable Frequency）變頻器，投入市場(chǎng)并廣泛應(yīng)用，使變頻器技術(shù)又達(dá)到一 個(gè)新的水平。</p><p>　　目前，交流變頻調(diào)速技術(shù)的主要發(fā)展方向有以下幾個(gè)方面：</p><p>　?。?）控制理論與控制技術(shù)方面的研究與

18、開發(fā)，如矢量控制理論及其他現(xiàn)代控制理論隨著交流 調(diào)速的發(fā)展而不斷完善；轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制；直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)等；</p><p>　?。?）變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究與開發(fā)；提高變頻器的輸出效率；電力電子逆變器朝著高頻 化、大功率方向發(fā)展；矩陣式變頻器提高輸出頻率；</p><p>　?。?）PWM 模式改進(jìn)與優(yōu)化研究：為解決三電平中壓變頻器中點(diǎn)電壓偏移問(wèn)題，研究了虛擬電 壓矢量

19、合成 PWM 模式，并取得了具有實(shí)用價(jià)值的研究成果；</p><p>　?。?）中壓變頻裝置的研究與開發(fā)：中壓是指電壓等級(jí)為 1kV～10kV，中、大功率是指功率等 級(jí)在 300kW 以上。隨著全控型功率器件耐壓的提高，中壓變頻器的應(yīng)用迅速加快了。應(yīng)用較多的 是采用 IGBT、IEGT、IGCT 三電平中壓變頻器及級(jí)聯(lián)式單元串聯(lián)多電平中壓變頻器。</p><p>　　最初通用變頻器僅用于風(fēng)

20、機(jī)、泵類負(fù)載的節(jié)能調(diào)速和化纖工業(yè)中高速纏繞的多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行等， 到目前為止，其應(yīng)用領(lǐng)域得到了相當(dāng)?shù)臄U(kuò)展。如搬運(yùn)機(jī)械，從反抗性負(fù)載的搬運(yùn)車輛、帶式運(yùn)輸機(jī) 到位能負(fù)載的起重機(jī)、提升機(jī)、立體倉(cāng)庫(kù)、立體停車廠等都已采用了通用變頻器。</p><p>　　1.3 本課題需研究的問(wèn)題及思路方法</p><p>　　本課題要研究的問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?）三相

21、異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理；</p><p>　?。?）三墾變頻器的使用；</p><p>　?。?）變頻器的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)；</p><p>　?。?）基于三墾變頻器的交流異步電機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的搭建與調(diào)試； 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的研究思路和方法為：</p><p>　　（1）首先掌握三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理并熟悉三墾變頻器的

22、使用；</p><p>　?。?）其次完成三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)反饋控制規(guī)律的研究。主要應(yīng)用工程設(shè)計(jì)法；</p><p>　?。?）再組建變頻器+交流異步機(jī)的調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要采用模擬控制器，對(duì)不 同速度的控制，控制規(guī)律擬采用 PID 算法；</p><p>　?。?）最后完成三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件連接及實(shí)驗(yàn)調(diào)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理地 分

23、析；</p><p>　　控制系統(tǒng)一般可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。根據(jù)控制對(duì)象和控制精度等要求的不同，我們可 以綜合選擇一種進(jìn)行操作使用。下面我們就這兩種控制方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明比較。</p><p>　　所謂開環(huán)控制，即控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程其特點(diǎn)是 系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響，不具備自動(dòng)修正的能力。如圖 1.1 所示，為開環(huán)系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

24、。</p><p>　　圖 1.1 開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，控制器為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，執(zhí)行器為三墾變頻器，被控對(duì)象為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 雖然開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是其抗干擾能力差，響應(yīng)緩慢，在大多數(shù)場(chǎng)合下控制效果不夠</p><p><b>　　理想。</b></p><p>　　圖 1.2 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><

25、p>　　如圖 1.2 所示為閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。閉環(huán)控制是將輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環(huán)、 參與控制的控制方式。若由于干擾的存在，使得系統(tǒng)實(shí)際輸出偏離期望輸出，系統(tǒng)自身便利用負(fù)反 饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用再去消除偏差，使系統(tǒng)輸出量恢復(fù)到期望值上，這正是反饋工作原 理。可見(jiàn)，閉環(huán)控制具有較強(qiáng)的抗干擾能力.其主要特點(diǎn)有：</p><p>　?。?）系統(tǒng)輸出量對(duì)控制作用有直接影響；</p>

26、<p>　?。?）有反饋環(huán)節(jié)，并應(yīng)用反饋減小誤差；</p><p>　?。?）當(dāng)出現(xiàn)干擾時(shí)，可以自動(dòng)減弱其影響；</p><p>　?。?）低精度元件可組成高精度系統(tǒng)。 綜合以上兩點(diǎn)，開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比較經(jīng)濟(jì)。但其也有無(wú)法避免的缺點(diǎn)，它無(wú)</p><p>　　法消除干擾所帶來(lái)的誤差。同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)

27、中， 不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作 用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。 但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不恰當(dāng)時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制 精度，在擾動(dòng)變量可以測(cè)量時(shí)，也常同時(shí)采用按擾動(dòng)的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補(bǔ)充而 構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。</p><p>　　閉環(huán)控制與開環(huán)

28、控制的區(qū)別主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：</p><p>　　（1）從原理上看：開環(huán)控制系統(tǒng)不能檢測(cè)誤差，也不能校正誤差?？刂凭群鸵种聘蓴_的性能 都比較差，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變動(dòng)很敏感。合閉環(huán)控制系統(tǒng)不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi) 部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差?？刂凭群鸵种聘蓴_的 性能都比較差，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變動(dòng)很敏感。因此，一般僅用于可以不考慮外界影響，或慣性小， 或精度

29、要求不高的一些場(chǎng)合；</p><p>　?。?）從結(jié)構(gòu)上看：開環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有檢測(cè)設(shè)備，組成簡(jiǎn)單，但選用的元器件要嚴(yán)格保證質(zhì)量要求。 閉環(huán)系統(tǒng)具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性；</p><p>　?。?）從穩(wěn)定性看穩(wěn)：開環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較容易解決。閉環(huán)系統(tǒng)中反饋回路的引入增加了 系統(tǒng)的復(fù)雜性。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)擬采用兩步完成

30、； 第一步，搭建開環(huán)控制系統(tǒng)并調(diào)試，測(cè)出被控對(duì)象（即三相異步電動(dòng)機(jī)）的開環(huán)機(jī)械特性； 第二步，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR），搭建閉環(huán)控制系統(tǒng)并調(diào)試，測(cè)出被控對(duì)象的閉環(huán)機(jī)械特性，</p><p>　　并分析其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。其中轉(zhuǎn)速反饋輸出的是一個(gè) 0～30V 的電壓信號(hào)，通過(guò)電位器限幅到 0～5V 后，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器與給定（同樣是一個(gè) 0～5V 的電壓信號(hào)）進(jìn)行偏差比較，輸出新的電壓從而使 電動(dòng)機(jī)工作在新的機(jī)械特性下

31、。</p><p>　?。?）改變極對(duì)數(shù) p 作幾擋的有級(jí)調(diào)速，但是該種方式通用性差，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、維護(hù) 性差；</p><p>　?。?）改變轉(zhuǎn)差 s 來(lái)調(diào)速，這種方式只適用于繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)子外加電阻來(lái)調(diào)速，這樣調(diào)速電阻就 要消耗一定的功率。為了利用這部分功率，可在轉(zhuǎn)子回路中接入轉(zhuǎn)差頻率的功率變換裝置，將其送 回電網(wǎng)。由于轉(zhuǎn)差功率的傳遞為單項(xiàng)，只能由轉(zhuǎn)子反饋給電網(wǎng)，所以電動(dòng)機(jī)只能在

32、低于同步轉(zhuǎn)速的 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速；</p><p>　?。?）當(dāng)極對(duì)數(shù) p 不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與定子電源頻率 f 成正比。因此通過(guò)連續(xù)改變定子 電壓供電頻率 f（或改變供電電源頻率）就能平滑、無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速, 這種調(diào)速方法稱 為變頻調(diào)速。這種方法能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，并且能適用于各種異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速需要，特別指出的是 能適用我國(guó)現(xiàn)在普遍應(yīng)用的鼠籠式三相交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速需要。</p>

33、<p>　　變頻調(diào)速是希望氣隙磁通量 ? m 基本保持不變，這樣，磁路的飽和程度、激磁電流和電動(dòng)機(jī)的功 率因數(shù)均可保持不變。由于忽略定子的漏阻抗壓降時(shí)</p><p>　　「門 ≈ 丁「 = 4.44「丁「門 丁「門 「「（2-5）</p><p>　　式中, 「門為定子相電壓（V）；</p><p>　　丁「 為氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有

34、效值（V）；</p><p>　　「丁為定子頻率（Hz）；</p><p>　　「門為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；</p><p>　　丁「門 為定子基波繞組系數(shù)； Φ「為每極氣隙磁通量（Wb）。</p><p>　　又知要保持氣隙磁通量不變，只要控制好氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和定子頻率便可達(dá) 到目的。因此，應(yīng)使定子端相電壓與定子頻率成比例地

35、調(diào)節(jié)，即采用電動(dòng)勢(shì)頻率比為恒值的控制方 式即恒壓頻比控制。而且，若能保持電壓和頻率成比例變化，則最大轉(zhuǎn)矩保持不變，所以這是一種 近于恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速方案。對(duì)此需要考慮額定頻率以下和額定頻率以上兩種情況[26]。</p><p><b>　　（1）基頻以下調(diào)速</b></p><p>　　由式（2-5）可知，要保持氣隙磁通量Φ「不變，當(dāng)頻率「丁從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降

36、低氣 隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值，使氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值丁「 與定子 頻率「丁的比值為恒定值，即采用恒定的電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以</p><p>　　直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)定定子相電壓與氣隙磁 通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值近似相等，即定子相電壓「門亦與定子頻率「丁的比值為恒定值。</p>&l

37、t;p>　　這就是是恒壓頻比的控制方式。</p><p>　　低頻時(shí)，定子相電壓「門和氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值丁「 都較小，定子阻抗壓降 所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時(shí)，可以人為地把定子相電壓「門抬高一些，以便近似地補(bǔ) 償定子壓降，帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性為圖 2.1 中的 b 曲線，a 為無(wú)補(bǔ)償?shù)目刂铺匦郧?lt;/p><p><b>　　線。&

38、lt;/b></p><p>　　a——無(wú)補(bǔ)償b——帶定子壓降補(bǔ)償 圖 2.1 恒壓頻比控制特性</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中由于負(fù)載大小不同，需要補(bǔ)償?shù)亩ㄗ訅航抵狄膊灰粯樱诳刂栖浖?，須具備?lt;/p><p>　　不同斜率的補(bǔ)償特性，以便用戶選擇。</p><p>　　圖 2.2 異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性</p&

39、gt;<p>　?。?）基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從額定頻率往上增高，但電壓定子相電壓卻不能增加比額定電壓</p><p>　　還要大，最多只能保持與額定電壓近似相等。由式（3-5）可知這將迫使磁通與頻率成反比地降低， 相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來(lái)，可得圖 2.2 所示的異步 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性。如果電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下具有額定電流，則電機(jī)都能在溫

40、升允許條件下 長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，按照電機(jī)拖動(dòng)原理，在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性 質(zhì)，而在基頻以上，基本屬于“恒功率調(diào)速”。</p><p><b>　　2.2 變頻器</b></p><p>　　2.2.1 變頻器的介紹 變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。 變頻器</p><p>

41、;　　主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元 等組成的。 變頻器是把工頻電源(50Hz 或 60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn) 行的設(shè)備，其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對(duì) 整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。對(duì)于如矢量控制變頻器這種需要 大量運(yùn)算的變頻器來(lái)說(shuō)，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的 CPU 以及

42、一些相應(yīng)的電路。變頻調(diào)速是通 過(guò)改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。</p><p>　　變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器； 按照開關(guān)方式分類，可以分為 PAM 控制變頻器、PWM 控制變頻器和高載頻 PWM 控制變頻器；按照工 作原理分類，可以分為 V/f 控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類， 可以分為通用變頻器、高性能專用變

43、頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。</p><p>　　各國(guó)使用的交流供電電源，無(wú)論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均為 400V/50Hz 或 200V/60Hz(50Hz)等。通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置 稱作“變頻器”。用于電機(jī)控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。</p><p>　　通用變頻器由主電路和控制回路組成。給

44、異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為 主電路。主電路包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)（又平波回路）、逆變器。</p><p>　　圖 2.3 通用變頻器簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖</p><p>　?。?）整流器。它的作用是把工頻電源變換成直流電源。</p><p>　?。?）平波電路（中間直流環(huán)節(jié)）。由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載。無(wú)論電動(dòng) 機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)還是發(fā)電狀

45、態(tài)，起始功率因數(shù)總不會(huì)等于 1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總 會(huì)有無(wú)功功率的交換，這種無(wú)功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件—電容器或電感器來(lái)緩沖，所以 中間直流環(huán)節(jié)實(shí)際上是中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。</p><p>　?。?）逆變器。與整流器的作用相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率。逆變 器的結(jié)構(gòu)形式是利用 6 個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變器電路。通過(guò)有規(guī)律的控制逆變器中 主開關(guān)的導(dǎo)通和斷開，可以得

46、到任意頻率的三相交流輸出波形。</p><p>　?。?）控制電路?？刂苹芈烦Ｓ蛇\(yùn)算電路，檢測(cè)電路，控制信號(hào)的輸入、輸出電路，驅(qū)動(dòng)電路和</p><p>　　制動(dòng)電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開關(guān)控制，對(duì)整流器的電壓控制，以及完成各種保 護(hù)功能?？刂品绞接心M控制或數(shù)字控制。</p><p>　　2.2.2 變頻器的選擇 變頻器最早的形式是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組作為

47、可變頻率電源，供給交流電動(dòng)機(jī)。隨著電力半導(dǎo)體器</p><p>　　件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。靜止式變頻器從變換環(huán)節(jié)分為兩大類：交- 直-交變頻器和交-交變頻器。</p><p>　　交-交型變頻器：它的功能是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率可調(diào)電壓的交流電（轉(zhuǎn) 換前后的相數(shù)相同），又稱直接式變頻器。由于中間不經(jīng)過(guò)直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。因而 多用于低

48、速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機(jī)等。但這種控制方式?jīng)Q定了最高輸出頻率只能達(dá)到電 源頻率的 1/3～1/2,所以不能高速運(yùn)行。</p><p>　　交-直-交型變頻器：交-直-交變頻器是先把工頻交流通過(guò)整流器變成直流，然后再直流變換成頻 率電壓可調(diào)的交流，又稱間接變頻器，交-直-交變頻器是目前廣泛應(yīng)用交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系的 通用變頻器。它根據(jù)直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種：</p

49、><p>　?。?）電流型變頻器 電流型變頻器的特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)緩沖無(wú)功功率，即扼制電流</p><p>　　的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器。</p><p>　?。?）電壓型變頻器 電壓型變頻器的特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容器作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)緩沖無(wú)功功率，</p><p&

50、gt;　　直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器。由于電壓型變頻 器是作為電壓源向交流電動(dòng)機(jī)提供交流電功率，所以其主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行幾乎不受負(fù)載的功率因數(shù)或 換流的影響，它主要適用于中、小容量的交流傳動(dòng)系統(tǒng)。與之相比，電流型變頻器施加于負(fù)載上的 電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源，它主要應(yīng)用在大容量的電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)以及大容量風(fēng)機(jī)、泵 類節(jié)能調(diào)速中。</p><p>　　由于交-直-交型變

51、頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器，所以本次設(shè)計(jì)中選用此種間接變頻器，在 交-直-交變頻器的設(shè)計(jì)中，雖然電流型變頻器可以彌補(bǔ)電壓型變頻器在再生制動(dòng)時(shí)必須加入附加電 阻的缺點(diǎn)，并有著無(wú)須附加任何設(shè)備即可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的四象限運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，但是考慮到電壓型變頻 器的通用性及其優(yōu)點(diǎn)，此次設(shè)計(jì)中采用電壓型變頻器即 SAMCO-M 電動(dòng)機(jī)調(diào)速用高性能數(shù)字式變頻 器。其結(jié)構(gòu)圖如下。</p><p>　　2.3 SAMCO-M 變頻器功

52、能介紹[27]</p><p>　　圖 2.3 交—直—交變頻裝置</p><p>　　通用型全數(shù)字式變頻器 SAMCO-M 適用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速驅(qū)動(dòng)。其內(nèi)部配備 16 位微處理器，功 能十分齊全，操作尤為簡(jiǎn)單。此次設(shè)計(jì)所用變頻器型號(hào)為 MF-3.7K-380。</p><p>　　2.3.1 操作面板說(shuō)明</p><p>　　如圖 2.4

53、, SAMCO-M 變頻器的操作面板大致有以下幾個(gè)部分：</p><p>　?。?）顯示器：以 7 段字符顯示頻率、電動(dòng)機(jī)電流，轉(zhuǎn)速、送料速度、各參數(shù)設(shè)定值及報(bào)警內(nèi)容；</p><p>　?。?）顯示模式：顯示指示內(nèi)容；</p><p>　?。?）READY：操作面板有效時(shí)亮燈；</p><p>　?。?）步進(jìn)鍵：① 可把頻率連續(xù)上升或下降（

54、按著鍵時(shí)頻率才變化）；</p><p>　?、?校正頻率表偏差；</p><p>　?、?可改變 READY 模式的顯示；</p><p>　?。?）功能設(shè)定鍵：各種功能的確認(rèn)和設(shè)定；</p><p>　　（6）運(yùn)轉(zhuǎn)指令鍵：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的指令鍵；</p><p>　?。?）準(zhǔn)位表：顯示頻率比率及過(guò)載率；</p

55、><p>　?。?）運(yùn)轉(zhuǎn)方式表示：表示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止?fàn)顟B(tài)；</p><p>　　以操作面板進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)在變頻器處于停止模式時(shí)進(jìn)行功能設(shè)定，將 Cd01 設(shè)定為 0，Cd04 設(shè)定 為 0。以此方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)有兩種方式：</p><p>　?、?以數(shù)字鍵直接設(shè)定頻率來(lái)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)；</p><p>　　② 以步進(jìn)鍵設(shè)定頻率來(lái)進(jìn)行操作。 但應(yīng)注意：當(dāng)顯示

56、器的顯示內(nèi)容切換在頻率(Cd02=0)以外的模式時(shí)，是不能以數(shù)字鍵直接設(shè)定</p><p>　　或步進(jìn)鍵設(shè)定來(lái)改變運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的，應(yīng)以功能設(shè)定指令碼 Cd00 來(lái)進(jìn)行設(shè)定。</p><p>　　（2）以外部信號(hào)來(lái)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)</p><p>　?、?以外部信號(hào)來(lái)控制運(yùn)轉(zhuǎn)或停止時(shí)，按運(yùn)轉(zhuǎn)選擇的操作順序?qū)⒐δ苤噶畲a設(shè)置成 Cd04=1；</p><p>

57、;　?、?以外部電位器 4～20mA、0～10V 等來(lái)設(shè)定頻率時(shí)，按第一頻率的設(shè)定方法將功能指令代碼設(shè) 置成 Cd01=1；</p><p>　　（3）按控制端子接線圖來(lái)使用外部信號(hào)</p><p>　　注意：a 停機(jī)中若同時(shí)輸入正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)兩種信號(hào)時(shí)，變頻器不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)；</p><p>　　b 若在運(yùn)轉(zhuǎn)中同時(shí)輸入正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)兩種信號(hào)時(shí)，“輸出頻率鎖定”功能即起作用，在加

58、速 或減速時(shí)也會(huì)將輸出頻率鎖定。</p><p>　　2.3.3 基本接線與端子連接</p><p>　?。?）變頻器的基本接線</p><p>　　① 請(qǐng)務(wù)必在電源和輸入端子（R、S、T）之間裝上斷路開關(guān) MCB。如果使用漏電斷路開關(guān)時(shí)， 請(qǐng)使用帶高頻對(duì)策用的開關(guān)。基本接線圖如圖 2.5 所示；</p><p>　?、?接到輸入電源端子（R

59、、S、T）的配線，無(wú)需考慮相序；</p><p>　?、?若把輸出端子（U、V、W）按標(biāo)準(zhǔn)來(lái)接線，則從負(fù)載方面（軸）來(lái)看，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是反</p><p><b>　　時(shí)針的；</b></p><p>　?、?接到控制電路端子的接線，請(qǐng)用屏蔽線或絞合繞線，此外，接線時(shí)應(yīng)充分離開主電路、強(qiáng)電 回路（包括 200V 繼電器的時(shí)序電路）；</

60、p><p>　?、?為防止使用在控制電路端子的繼電器接觸不良，請(qǐng)使用微小信號(hào)用接點(diǎn)或雙接點(diǎn)的繼電器；</p><p>　?、?請(qǐng)將接地端子切實(shí)接地；</p><p>　?、?端子（P、PR）為制動(dòng)端子，請(qǐng)將專用制動(dòng)電阻（選擇品）從外部連接。除專用電阻之外， 請(qǐng)勿連接其他部件。</p><p>　　DC0～7.5V 時(shí)應(yīng)將 J2 進(jìn)行短接；<

61、/p><p>　　DC0～5V 時(shí)應(yīng)將 J3 進(jìn)行短接；</p><p>　　注 3：若使用外部電位器時(shí)，請(qǐng)選用 0.3 W 以上，5 KΩ型的，并把 J1 短路。</p><p>　　注 4：若沒(méi)有控制電源，便不能保持警報(bào)接點(diǎn)的輸出。如果有需要，請(qǐng)?jiān)谕獠吭O(shè)置予以保持用的 次序控制裝置。</p><p>　　2.3.4 功能指令的設(shè)定方法<

62、/p><p>　?。?）Cd00 第 1 頻率的設(shè)定 設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)頻率（第一頻率）的功能，通常是以數(shù)字鍵或是步進(jìn)鍵設(shè)定來(lái)進(jìn)行的。當(dāng)顯示器的顯</p><p>　　示為頻率內(nèi)容（Cd02 = 0）以外時(shí)的頻率設(shè)定時(shí)，請(qǐng)以本操作進(jìn)行。具體的設(shè)定步驟為：</p><p>　　注：當(dāng)頻率設(shè)定方法的選擇為外部模擬信號(hào)設(shè)定（Cd01）時(shí)，不能進(jìn)行第一頻率的設(shè)定。</p>

63、<p>　?。?）Cd01 第 1 頻率的設(shè)定方法選擇 對(duì)變頻器的輸出頻率設(shè)定，可自行選擇是以操作面板，還是以外部模擬信號(hào)或數(shù)位信號(hào)來(lái)進(jìn)行，</p><p><b>　　具體的設(shè)定步驟為：</b></p><p>　　Cd01 = 0：以操作面板來(lái)進(jìn)行頻率設(shè)定；</p><p>　　Cd01 = 1：以外部模擬信號(hào)（4～20mA ,0

64、～10V）來(lái)進(jìn)行頻率設(shè)定。</p><p>　?。?） Cd02 顯示內(nèi)容的切換</p><p>　　Cd02 =0：顯示頻率（Hz）； Cd02 = 1：顯示電流（A）； Cd02 = 2：顯示速度，轉(zhuǎn)速；</p><p>　　注：當(dāng) Cd02 為 1 或 2 時(shí)，不能以數(shù)字鍵或者步進(jìn)鍵來(lái)進(jìn)行頻率設(shè)定，此時(shí)請(qǐng)以“Cd00”來(lái)設(shè)定 頻率。</p>&

65、lt;p>　?。?）Cd04 運(yùn)轉(zhuǎn)指令的選擇</p><p>　　Cd04 = 0：以操作面板來(lái)控制運(yùn)轉(zhuǎn)； Cd04 = 1：以外部信號(hào)來(lái)控制運(yùn)轉(zhuǎn)；</p><p>　　注：當(dāng)輸入了外部運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào) FR,RR 以及空轉(zhuǎn)制動(dòng)信號(hào) MBS 時(shí)，即使變頻器處于停機(jī)狀態(tài)，也不</p><p><b>　　能更改設(shè)定。</b></p>

66、<p>　?。?）Cd05 V/F 圖形選擇指令的選擇</p><p>　　Cd05 圖形選擇可按說(shuō)明書選擇 1～28 號(hào)圖形進(jìn)行設(shè)定。</p><p>　?。?）Cd06 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)倪x擇表 2.4 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償說(shuō)明</p><p>　　Cd06 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償可按說(shuō)明書選擇 0～25 進(jìn)行設(shè)定，各轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償曲線內(nèi)容見(jiàn)表 2.4 。 注：1.自動(dòng)補(bǔ)償可使加速時(shí)的電壓

67、自動(dòng)提升以補(bǔ)償起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而使加速順利進(jìn)行；</p><p>　　2.此動(dòng)作只在加速中起作用，在恒速運(yùn)轉(zhuǎn)中則不起作用。</p><p>　　（7）Cd08 第 1 加速時(shí)間的設(shè)定</p><p>　　加速時(shí)間是指頻率變化 50Hz 所需要的時(shí)間，設(shè)定范圍為 0.1～9999 秒。</p><p>　　其它的功能指令及其設(shè)定數(shù)據(jù)內(nèi)容見(jiàn)表 2.5

68、.</p><p><b>　　3.調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 主控回路的設(shè)計(jì)</p><p>　　變頻器的工作方式為外部信號(hào)控制運(yùn)轉(zhuǎn)。它的閉環(huán)主電路就是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加了一個(gè)轉(zhuǎn) 速反饋，其中轉(zhuǎn)速反饋輸出的是一個(gè)與轉(zhuǎn)速成比例的電壓值，反饋電壓與給定電壓經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器重 新計(jì)算出使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在另一機(jī)械特性上的電壓信號(hào)，

69、經(jīng)變頻器外部控制端子送給變頻器，使電 動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。</p><p>　　圖 3.1 閉環(huán)系統(tǒng)框圖</p><p>　　轉(zhuǎn)速閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成如圖 4.2 所示。R、S、T 是變頻器的輸入電源，U、V、W 是變頻器 的輸出端子，M 是三相異步電動(dòng)機(jī)，TG 是和三相異步電動(dòng)機(jī)同軸的測(cè)速發(fā)電機(jī)，RP 是電位器，調(diào)節(jié) 器可以是數(shù)字的，也可以是模擬的，這里我們選用轉(zhuǎn)速模擬調(diào)節(jié)器。</p&

70、gt;<p>　　3.2 控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖 3.2 轉(zhuǎn)速閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　本次設(shè)計(jì)所用三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌參數(shù)為：</p><p>　　額定功率：2.2 kW額定轉(zhuǎn)速：1420 r/min</p><p>　　定子電壓：380 V定子電流：5.0 A</p>&l

71、t;p>　　轉(zhuǎn)子電壓：260 V轉(zhuǎn)子電流：6.0 A</p><p>　　頻率：50 Hz接法：Y 型 利用工程設(shè)計(jì)法對(duì)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過(guò)程有以下兩個(gè)步驟：</p><p>　　（1）先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足系統(tǒng)所需的穩(wěn)態(tài)精度；</p><p>　?。?）再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求。 3.2.1 數(shù)學(xué)模型的建立[28]&l

72、t;/p><p>　　1.對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，輸入的是一定幅值的頻率 f(s)(指與矩形脈沖序列等效的正弦波 的頻率)變化的 PWM 波，輸出的是轉(zhuǎn)速 n(s)。我們可以將其近似看成一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　「~「</b></p><p><b>　　「~「</b></p>&l

73、t;p>　　在 PI 調(diào)節(jié)的過(guò)程中，比例調(diào)節(jié)的作用就是按比例來(lái)反應(yīng)系統(tǒng)的偏差。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比 例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。比例作用加強(qiáng)可以加快調(diào)節(jié)、減少誤差。但是過(guò)大的比例會(huì) 使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差、提高無(wú)差度。 一旦有誤差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差。積分調(diào)節(jié)停止，則積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng) 弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti 的大小。Ti 越小,積分作用就越強(qiáng)，反

74、之，則越來(lái)越弱。加入積分調(diào)節(jié)可 以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是其動(dòng)態(tài)響應(yīng)則會(huì)變慢。</p><p>　　4.實(shí)驗(yàn)調(diào)試與結(jié)果分析</p><p>　　配線后，在通電前對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，應(yīng)保證</p><p>　　（1）接線正確無(wú)誤，尤其應(yīng)檢查電源是否錯(cuò)接在 U、V、W 端子上。應(yīng)著重注意電源必須由 R、 S、T 端子輸入；</p><p>　　（2）

75、在變頻器基板及配線端子上不能殘留易引起短路的線屑或?qū)w；</p><p>　?。?）螺絲、端子牢靠，沒(méi)有松動(dòng)；</p><p>　?。?）輸出部分及時(shí)序電路方面一定不能發(fā)生短路或接地障礙；</p><p>　　運(yùn)轉(zhuǎn)前先將 J3 進(jìn)行短接，即確定外部電壓給定信號(hào)為 0～5V，5V 對(duì)應(yīng)最高頻率 50Hz。在進(jìn)行開 環(huán)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)前對(duì)變頻器的各項(xiàng)功能參數(shù)作如表 4.1 所示

76、的設(shè)定。</p><p>　　4.1 開環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試</p><p>　　開環(huán)控制系統(tǒng)是由控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象三部分組成的，是由輸入端通過(guò)信號(hào)的輸入控制 被控對(duì)象輸出物理量的變化。開環(huán)控制系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。按給定值控制時(shí)，受控對(duì)象是被 控量，但控制裝置僅接受給定值，信號(hào)只有正向作用，無(wú)反向聯(lián)系。</p><p>　　用實(shí)驗(yàn)臺(tái)給定一個(gè) 0～5V 的電壓信號(hào)作

77、為變頻器的輸入，對(duì)應(yīng)頻率范圍為 0～50Hz。 在高、中、低多種頻率的給定值下，將調(diào)壓變阻器的阻值從最大開始逐漸減小，并記錄電流和</p><p>　　轉(zhuǎn)速的大小。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 4.2。</p><p>　　表 4.2 開環(huán)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)</p><p>　　數(shù)據(jù)測(cè)試完必后，將調(diào)壓變阻器滑至最大阻值處，并將外部給定減小至零然后關(guān)閉總電源開關(guān)。 由測(cè)得的數(shù)據(jù)可得開環(huán)

78、機(jī)械特性曲線如圖 4.2 所示。</p><p>　　圖 4.2 開環(huán)時(shí)測(cè)得的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特行曲線</p><p>　　由圖 4.2 可知轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的特點(diǎn)：由于定子相電壓與電源頻率之比為恒值，故轉(zhuǎn)矩 Te 一定時(shí)，?「基本不變，即在恒壓頻比的情況下調(diào)整電源頻率，系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線就會(huì)近似地向 下平移。由于氣隙磁通不變，故輸出轉(zhuǎn)矩基本不變，所以基頻以下的變頻調(diào)速可以認(rèn)為是恒壓頻比&l

79、t;/p><p><b>　　調(diào)速。</b></p><p>　　4.2 閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試</p><p>　　閉環(huán)控制系統(tǒng)可以將控制的結(jié)果反饋回來(lái)與希望值比較，并根據(jù)它們的誤差調(diào)整控制作用的系 統(tǒng)“開環(huán)控制”與“閉環(huán)控制”的區(qū)別就在于控制系統(tǒng)中有無(wú)反饋環(huán)節(jié)，所謂閉環(huán)控制就是存在反 饋環(huán)節(jié)的控制。這樣的系統(tǒng)能夠適時(shí)地檢測(cè)控制的輸出結(jié)果，并將檢測(cè)到的信

80、息通過(guò)反饋環(huán)節(jié)反映 到輸入端，調(diào)整輸入量，達(dá)到修正控制誤差、提高控制精確度的目的。反饋技術(shù)被廣泛應(yīng)用在各種 需要精確控制的系統(tǒng)中。在調(diào)試中，電機(jī)的反饋電壓范圍超過(guò)了變頻器所能識(shí)別的范圍，然后需在 轉(zhuǎn)速反饋后加一轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，使轉(zhuǎn)速反饋電壓范圍能在變頻器所能識(shí)別的范圍之內(nèi)。其中電機(jī)轉(zhuǎn)速 反饋電壓范圍為 0～30V，變頻器外部電壓信號(hào)輸入范圍為 0～5V。經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出后電壓范圍仍 然為 0～5V。</p><p>

81、　　比較閉環(huán)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系，可以看到： 在開環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，定子壓降也增大，轉(zhuǎn)速只能降下來(lái)；閉環(huán)系統(tǒng)裝有反饋裝</p><p>　　置，轉(zhuǎn)速稍有降落，反饋電壓就會(huì)通過(guò)比較和放大，提高輸出電壓，使系統(tǒng)工作在新的機(jī)械特性上， 因而轉(zhuǎn)速又有所回升。由此看來(lái)，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于 它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變定子電壓，以補(bǔ)償定子回路電阻壓降的變化。綜合以上分析

82、可得 出：</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快的跟隨給定電壓 Un 變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可 以減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采 PI 調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差；對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。</p><p>　?。?）反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律：比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)；反饋控制系 統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng)，服從給定；系統(tǒng)的精確度依賴于給定和反饋檢測(cè)的精度。<

83、/p><p>　　（3）開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系：閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬 的多閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng)小的多；如果所要求的靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高 調(diào)速范圍。</p><p><b>　　5.總結(jié)</b></p><p>　　變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)需要對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速的行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛了。它的節(jié)能

84、、省力、 易于構(gòu)成自控系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)也是應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)改造挖潛、增加效益的一條有效途徑。尤其是 在高能耗、低產(chǎn)出的設(shè)備較多的企業(yè)里，采用變頻調(diào)速裝置將會(huì)使企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益，同時(shí) 這也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。</p><p>　　目前，變頻調(diào)速是最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式。長(zhǎng)期以來(lái),雖然變頻調(diào)速性能優(yōu)良，但由 于缺乏理想的變頻器而未獲得廣泛應(yīng)用。直到晶閘管及大功率晶體管等半導(dǎo)體電力開關(guān)問(wèn)世以后，

85、 由于它們具有接近理想開關(guān)元件的性能（通態(tài)壓降小，斷態(tài)阻抗大，開關(guān)時(shí)間短等），才促使各種靜 止變頻器得到了快速的發(fā)展，并且在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。特別是電力半導(dǎo)體器件制造工藝的 成就與電子技術(shù)相結(jié)合，促使變頻裝置向大容量、高性能的趨勢(shì)發(fā)展，同時(shí)在價(jià)格和性能上也已經(jīng) 可與直流拖動(dòng)相媲美了。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有少量的產(chǎn)品問(wèn)世。然而，由于元件制造水平相對(duì)較低， 價(jià)格比較昂貴，加上技術(shù)上要求復(fù)雜，所以限制了它的大范圍推廣與應(yīng)用。但是可以預(yù)期，隨

86、著生 產(chǎn)與技術(shù)水平的不斷提高，變頻調(diào)速必將在一些領(lǐng)域逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。目前，我們主要在以 下場(chǎng)合優(yōu)先考慮采用變頻調(diào)速技術(shù)：</p><p>　?。?）多臺(tái)電機(jī)同步拖動(dòng)。如輥道.化纖工業(yè)中的紡絲機(jī)等；</p><p>　　（2）由于環(huán)境所限，必須采用封閉式鼠籠電動(dòng)機(jī)且要求有較大調(diào)速范圍的設(shè)備，如原子能及化 工企業(yè)中的某些設(shè)備；</p><p>　?。?）進(jìn)行無(wú)齒輪

87、傳動(dòng)的某些低速大容量設(shè)備，如球磨機(jī)、軋鋼機(jī)等；</p><p>　　（4）高速傳動(dòng)機(jī)械，如某些磨床，可以采用高頻變頻電源供電；</p><p>　　（5）改造鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的風(fēng)機(jī)、泵類機(jī)械，以節(jié)約能源；</p><p>　　（6）大容量同步電動(dòng)機(jī)的低頻起動(dòng)。 變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)是變頻器。目前常用的變頻器有交-直-交變頻器，交-交變頻器以及脈</p&g

88、t;<p>　　寬調(diào)制（PWM）型變頻器。其中 PWM 型多重化電流型以及交-交變頻器有明顯的上升趨勢(shì)。變頻器所 用的電力半導(dǎo)體器件正在向著模塊化、快速化、光控化、高耐壓、大電流化、自關(guān)斷化和高可靠性 化的方向發(fā)展。變頻調(diào)速技術(shù)也正向著高性能，高精度，大容量,微型化，數(shù)字化和理想化的趨勢(shì)發(fā) 展。本設(shè)計(jì)報(bào)告主要介紹了變頻調(diào)速的基本控制方式，并通過(guò)不同規(guī)律進(jìn)行電壓，頻率協(xié)調(diào)控制時(shí) 的穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性，分析了變頻調(diào)速的原理。在畢業(yè)設(shè)