交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究

1、交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究摘要：最近幾年，隨著新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能的交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，他的顯著的節(jié)能效果和靈活的運(yùn)行方式，給人們留下了深刻的印象。本論文首先論述了變頻調(diào)速的基礎(chǔ)技術(shù)，簡(jiǎn)述了它在我國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用以及今后在這方面應(yīng)做的工作；其次對(duì)系統(tǒng)的主電路、控制電路、電氣控制電路以及實(shí)現(xiàn)控制的軟、硬件進(jìn)行了系統(tǒng)地分析，并對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)施方案進(jìn)行了論證。在此基礎(chǔ)上，調(diào)速系統(tǒng)主電路采用了交-直-交型電路形式及交交調(diào)速系統(tǒng)；最后以PWM電壓源型交流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理框圖為例，分析并介紹交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：交流調(diào)速 變頻調(diào)速 PWM第一章

2、 引言1.1 設(shè)計(jì)的目的和意義近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)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(shì)。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)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(dòng)技術(shù)進(jìn)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(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的走向，具有十分積極的意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)已得到廣泛應(yīng)用。美

3、國(guó)有60% - 65%的發(fā)電量用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動(dòng)用電就節(jié)約了15% - 20%的電量。采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。它主要基于下面幾個(gè)因素：（1）變頻調(diào)速系統(tǒng)自身?yè)p耗小，工作效率高。（2）電機(jī)總是保持在低轉(zhuǎn)差率運(yùn)行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。（3）可實(shí)現(xiàn)軟啟、制動(dòng)功能，減小啟動(dòng)電流沖擊。在采用變頻調(diào)速時(shí)，需從工藝要求、節(jié)約效益、投資回收期等各方面考慮。如果僅從工藝要求、節(jié)約效益考慮，下面幾種情況選用變頻調(diào)速較有利：（1）根據(jù)工藝要求，生產(chǎn)線或單臺(tái)設(shè)備需要按程序或按要求調(diào)整電機(jī)速度的。如：包裝機(jī)傳送系統(tǒng)，根據(jù)不同品種的產(chǎn)品，需要改變系統(tǒng)傳送速度，使用變頻

4、調(diào)速可使調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制準(zhǔn)確，并易于實(shí)現(xiàn)程序控制。（2）用變頻調(diào)速代替機(jī)械變速。如：機(jī)床，不僅可以省去復(fù)雜的齒輪變速箱，還能提高精度、滿足程序控制要求。（3）用變頻調(diào)速代替用閘門或擋板調(diào)整流量適于風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等。例如：鍋爐上水泵、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)實(shí)行了變頻調(diào)速控制，不僅省去了伺服放大器、電動(dòng)操作器、電動(dòng)執(zhí)行器和給水閥門（或擋風(fēng)板），而且使得整個(gè)鍋爐鍋爐控制系統(tǒng)得到了快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高的控制精度和穩(wěn)定性。交流變頻調(diào)速的方法是異步電機(jī)最有發(fā)展前途的調(diào)速方法。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，性能可靠、匹配完善、價(jià)格便宜的變頻器會(huì)不斷出現(xiàn)，這一技術(shù)會(huì)得到更為廣泛、普遍的應(yīng)用。目前，國(guó)外先進(jìn)國(guó)

5、家的變頻技術(shù)正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向發(fā)展，我國(guó)也在加快發(fā)展步伐。第二章 變頻調(diào)速系統(tǒng)2.1 變頻調(diào)速交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式有多種，諸如調(diào)壓調(diào)速、變級(jí)調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、滑差調(diào)速等，而變頻調(diào)速優(yōu)于上述任何一種調(diào)速方式，是當(dāng)今國(guó)際上廣泛采用的效益高、性能好、應(yīng)用廣的新技術(shù)。它采用微機(jī)控制、電力電子技術(shù)及電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)取得工業(yè)交流異步電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速功能。目前在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用，是自動(dòng)化電力傳動(dòng)的發(fā)展方向。交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成熟。高壓大功率變頻器（幾千V，數(shù)千kW）已在大容量風(fēng)機(jī)、高壓水泵等電機(jī)上應(yīng)用。低壓小功率（幾百V，幾個(gè)kW）變頻器在鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、離心機(jī)、攪拌機(jī)、水泵、

6、機(jī)床，甚至在空調(diào)、洗衣機(jī)等方面被廣泛采用。在紡織工業(yè)方面，用于織布機(jī)、毛紡機(jī)等。2.2 變頻調(diào)速原理變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻可以調(diào)速這個(gè)概念，可以說(shuō)是交流電動(dòng)機(jī)“與生俱來(lái)”的。同步電動(dòng)機(jī)不消說(shuō)，即使是異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速也是取決于同步轉(zhuǎn)速(即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速)的： （2.11）式中： 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，m/min電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，r/min電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率 s=(n1-n/)=n/ n1而同步轉(zhuǎn)速則主要取決于頻率 （2.12）式中：輸入頻率，Hz電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)由式（2.11）與式（2.12）可知變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的

7、關(guān)系： （2.13）由上式可知，在電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，通常要考慮的一個(gè)重要因素是，希望保持電機(jī)中每極磁通量為額定值，并保持不變。如果磁通太弱，即電機(jī)出現(xiàn)欠勵(lì)磁，將會(huì)影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，由 （2.14）（式中 ：電磁轉(zhuǎn)矩，：主磁通，：轉(zhuǎn)子電流，:轉(zhuǎn)子回路功率因素，：比例系數(shù))，可知，電機(jī)磁通的減小，勢(shì)必造成電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的減小。由于電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的磁通常處于接近飽和值，如果進(jìn)一步增大磁通，將使電動(dòng)機(jī)鐵心出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)中流過(guò)很大的勵(lì)磁電流，增加電動(dòng)機(jī)的銅損耗和鐵損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電動(dòng)機(jī)。因此，在改

8、變電動(dòng)機(jī)頻率時(shí)，應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持電動(dòng)機(jī)磁通的恒定。2.3 變頻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)利用變頻器可以根據(jù)電機(jī)負(fù)載的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、平滑的增速或減速，基本保持異步電機(jī)固有特性轉(zhuǎn)差率小的特點(diǎn)，具有效率高、范圍寬、精度高且能無(wú)級(jí)變速的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于水泵，風(fēng)機(jī)等設(shè)備是很適用的。我國(guó)應(yīng)用的變頻器，國(guó)外產(chǎn)品以日本富士、三菱牌號(hào)較多，臺(tái)灣普傳產(chǎn)品也不少，國(guó)內(nèi)有西普（西安）、艾倫（上海）、華為（深圳）、艾普斯（天津）等廠家的產(chǎn)品均在推廣應(yīng)用。第三章 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速3.1交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)是一項(xiàng)以大功率電力電子器件為基礎(chǔ)的新型技術(shù)學(xué)科在過(guò)去的十幾年間由于大功率電力電子器件的不斷出現(xiàn)，

9、使交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了很大的發(fā)展。在六十年代以后，交流調(diào)速系統(tǒng)采用半導(dǎo)體變流技術(shù)，尤其是七十年代以來(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，為交流電力拖動(dòng)的開發(fā)進(jìn)一步創(chuàng)造了有利條件，交流伺服控制是自動(dòng)化領(lǐng)域中剛剛發(fā)展起來(lái)的新分支，交流伺服系統(tǒng)將廣泛取代目前直流伺服系統(tǒng)這一觀念已經(jīng)被越來(lái)越多的人所接受，在數(shù)控機(jī)床及機(jī)器人等高精尖設(shè)備系統(tǒng)中，以往一直使用直流電機(jī)，因?yàn)檎{(diào)節(jié)直流電機(jī)的電樞電壓或電流就可以方便的獲得優(yōu)良的調(diào)速特性。交流傳動(dòng)與相當(dāng)?shù)闹绷鱾鲃?dòng)相比通常有價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)，而且具有較少維護(hù)、較小的電機(jī)尺寸和更高的可靠性。然而對(duì)這些傳動(dòng)系統(tǒng)可利用的控制靈活性是非常有限

10、的，而且它們的應(yīng)用主要局限在風(fēng)機(jī)、泵和壓風(fēng)機(jī)等應(yīng)用方面，其速度只需要粗略調(diào)節(jié)而對(duì)暫態(tài)響應(yīng)和低速特性沒(méi)有嚴(yán)格要求。用于機(jī)床、高速電梯、測(cè)功器、礦井提升機(jī)等的傳動(dòng)裝置，有更加復(fù)雜的要求，而且必須提供允許調(diào)節(jié)多個(gè)變量的靈活性，例如速度、位置、加速度和轉(zhuǎn)矩等，這樣的高性能應(yīng)用，一般在速度閉環(huán)下要求高速段保持高于0.5%的調(diào)速精度和至少20：1的寬調(diào)速范圍，以及高于50rad/s的快速暫態(tài)響應(yīng)。以前，這樣的傳動(dòng)裝置幾乎全部是直流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，并根據(jù)具體應(yīng)用的需要配置各種結(jié)構(gòu)的AC.DC變換器。然而，采用適當(dāng)控制的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)在高性能應(yīng)用上已勝過(guò)直流傳動(dòng)，并且交流傳動(dòng)更加廣泛的應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的傳

11、動(dòng)、機(jī)床和電動(dòng)工具、機(jī)器人和自動(dòng)裝置的傳動(dòng)、電動(dòng)汽車和電器火車傳動(dòng)等等。3.2 交流電機(jī)交流電機(jī)是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和交流電能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械。由于交流電力系統(tǒng)的巨大發(fā)展，交流電機(jī)已成為最常用的電機(jī)。交流電機(jī)與直流電機(jī)相比，由于沒(méi)有換向器（見直流電機(jī)的換向），因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機(jī)。交流電機(jī)功率的覆蓋范圍很大，從幾瓦到幾十萬(wàn)千瓦、甚至上百萬(wàn)千瓦。20世紀(jì)80年代初，最大的汽輪發(fā)電機(jī)已達(dá)150萬(wàn)千瓦。3.3 變頻調(diào)速變頻調(diào)速是一種最有發(fā)展前途得一種調(diào)速方式,其調(diào)速花樣繁多。從60年代提出的邁克默雷電壓型變頻器開始,發(fā)展到電流型脈寬調(diào)治(PWM)型

12、以及循環(huán)變流器,現(xiàn)在又向著高性能、高精密、響應(yīng)快、大容量化、微型化以及理想化的方面發(fā)展,并不斷出現(xiàn)新的控制結(jié)構(gòu)及控制方式。由簡(jiǎn)單的開環(huán)控制轉(zhuǎn)為閉環(huán)控制,諸如位置控制、鎖相控制、速度閉環(huán)、及數(shù)字控制等,隨著功率半導(dǎo)體器件質(zhì)量得提高,從普通可控硅(SCR)發(fā)展到快速可控硅及關(guān)斷可控硅(GTO)的應(yīng)用,從普通晶體管發(fā)展到動(dòng)力晶體管(GTR)的應(yīng)用?？刂茊卧拖到y(tǒng)從分力元件向著大規(guī)模集成電路微型化和數(shù)字化方向發(fā)展,從而使可控硅變頻調(diào)速裝置的可靠性及經(jīng)濟(jì)性不斷提高。變頻調(diào)速這一技術(shù)正越來(lái)越廣泛的深入到行業(yè)中。它的節(jié)能、省力、易于構(gòu)成自控系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢(shì)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)也是改造挖潛、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)，采用變頻調(diào)速裝置將使企業(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)展的需要。 在畢業(yè)設(shè)計(jì)這段時(shí)間中,通過(guò)多次的修改，終于圓滿完成了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我