交流調(diào)速系統(tǒng)綜述

交流調(diào)速系統(tǒng)綜述交流調(diào)速系統(tǒng)綜述班級:xxxx姓名：xxxx學(xué)號：xxxxxx指導(dǎo)老師：xxxx

摘要：介紹了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展以及展望，介紹了兩種基于穩(wěn)態(tài)模型的調(diào)速方法，變壓調(diào)速和變頻調(diào)速，簡單說明了交流調(diào)速系統(tǒng)控制的特點；總結(jié)了兩種（矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制）基于動態(tài)模型的調(diào)速系統(tǒng)的控制策略。關(guān)鍵詞：交流調(diào)速系統(tǒng)、變壓調(diào)速、變頻調(diào)速

一、交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展交流傳動與控制技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，這是和冉力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)控制技術(shù)以及微型計算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)。

通用變頻器作為早期商品開始在國內(nèi)上市，是近十年的事，銷售額逐年增加，于今全年有超過數(shù)十億元（RMB）的市場。其中．各種進(jìn)口品牌居多，功率小至百瓦大至數(shù)千千瓦；功能簡易或復(fù)雜；精度低或高；響應(yīng)慢或快：有PG（測速機(jī)）或無PG;有噪音或無噪音等等。

對于許多用戶來說,這十年中經(jīng)歷了多次更新，現(xiàn)所使用的變頻器大都屬于目前最為先進(jìn)的機(jī)型如果從應(yīng)用的角度來說，我們的水準(zhǔn)與發(fā)達(dá)國家沒有什么兩樣。作為國內(nèi)制造商,通過這十年來對國外的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行銷化，也正在積極地進(jìn)行國產(chǎn)變頻器的自主開發(fā)．努力追趕世界發(fā)達(dá)國家的水平。

回顧近十年來國外通用變頻器技術(shù)的發(fā)展對于深入了解交流傳動與控制技術(shù)的走向，以及如何站在高起點上結(jié)合我國國情開發(fā)我國自己的產(chǎn)品應(yīng)該說具有十分積極的意義。在工業(yè)發(fā)展的初級階段，作為動力的交流電動機(jī)是無需調(diào)速的。它的調(diào)速是由外界的皮帶和齒輪傳動來實現(xiàn)的。隨著工業(yè)發(fā)展的進(jìn)一步提高，尤其是電子方面的發(fā)展和起重運輸機(jī)械的發(fā)展，對電動機(jī)提出ｒ調(diào)速的要求，進(jìn)而出現(xiàn)了直流電機(jī)。它提高了生產(chǎn)的連續(xù)性和產(chǎn)品的產(chǎn)量及質(zhì)量，以其快速正反轉(zhuǎn)，準(zhǔn)確的定位取代了簡單可靠的交流電動機(jī)，并得到了廣泛的使用。80年代以來，在各個工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始使用交流調(diào)速系統(tǒng)，并取代直流調(diào)速系統(tǒng)（直流調(diào)速系統(tǒng)造價高，維護(hù)投入大）。這主要是因為電力電子器件，脈寬調(diào)制技術(shù)、矢量控制技術(shù)特別是以微處理機(jī)為核心的全數(shù)字化控制等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，才使得結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)得以取代結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修不便的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，并且它具有無速度傳感器和矢量控制的功能，調(diào)速范圍寬，且可依靠數(shù)控技術(shù)的支持，不斷進(jìn)行硬件軟件化，把硬件減少到最低限度，提高設(shè)備的免維護(hù)性、可靠性。其次，電力電子器件的發(fā)展，其容量和速度也不斷提高?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應(yīng)用，促成了矢量控制的出現(xiàn)，奠定了現(xiàn)代交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的理論基礎(chǔ)，使交注電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能可以與直流電機(jī)相比。行進(jìn)的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制理論與電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合。使交流電機(jī)調(diào)速在電氣傳動領(lǐng)域中越來越占有重要地位，成為一種典型的機(jī)電一體化設(shè)備。隨著各種交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)，應(yīng)用、普及，不但能節(jié)約大量的能源，而且將使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)生巨大變革。從電力拖動的發(fā)展過程來看，交、直兩大調(diào)速系統(tǒng)一直并存于各個工業(yè)領(lǐng)域，雖然由于各個時期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得它們所處的地位有所不同，但它們始終是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著電力電子元器件的發(fā)展而在相互競爭。隨著電力電子器件，單片機(jī)的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動領(lǐng)域的滲透，為交流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)研究進(jìn)一步創(chuàng)造了有利條件。二、基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在交流調(diào)速的各個發(fā)展階段，根據(jù)當(dāng)時的技術(shù)條件，出現(xiàn)了各種交流調(diào)速方法。在各種交流調(diào)速中，變頻調(diào)速的性能最好。變頻調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運行效率高，是一種理想的調(diào)速系統(tǒng)。隨著交流電動機(jī)理論問題的突破和調(diào)速裝置性能的完善，交流電動機(jī)調(diào)速性能差的缺點已經(jīng)得到了克服。目前，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵，甚至可以超過直流調(diào)速系統(tǒng)。因而可以相信，在不久的將來，交流變頻調(diào)速電氣傳動將替代包括直流調(diào)速傳動在內(nèi)的其他調(diào)速電氣傳動。交流調(diào)速的基本方法有多種，但它們都是來源于交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式（2-1）因而，異步機(jī)的調(diào)速方法可分為變頻調(diào)速、變極對數(shù)調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速三種，其中變轉(zhuǎn)差率的方法又可以通過調(diào)節(jié)定子電壓、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)差電壓等方法來實現(xiàn)。下面主要簡單介紹其中的幾種。2.1異步電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速一般而言，異步電動機(jī)在輕載時，即使外加電壓變化很大，轉(zhuǎn)速變化也很小。而在重載時，若降低供電電壓，則轉(zhuǎn)速下降，同時最大轉(zhuǎn)矩也迅速下降，可能會出現(xiàn)過載甚至停轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從而引起電動機(jī)過熱甚至燒壞。因此，了解異步電動機(jī)調(diào)壓時的機(jī)械特性，對于了解如何改變供電電壓來實現(xiàn)均勻調(diào)速是十分有益的。如圖2.1所示，對于普通異步電動機(jī)，當(dāng)改變定子電壓時，得到一組不同的機(jī)械特性。在圖2.1中，同時畫出了恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（直線1）和風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載（曲線2）的特性。對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電動機(jī)只能在機(jī)械特性的直線段（到段）穩(wěn)定運行，在不同電壓下，穩(wěn)定運行點為，改變電壓時速度變化不大，而最大轉(zhuǎn)矩卻迅速減小，所以調(diào)速范圍非常有限。對于籠型異步電動機(jī)，可以將電動機(jī)轉(zhuǎn)子的鼠籠由鑄鋁材料改為電阻率較大的黃銅條，使之具有較傾斜的機(jī)械特性。即使這樣，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍仍然不大，而且低速運行穩(wěn)定不好，不能滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。而對于風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載，電動機(jī)可以穩(wěn)定運行在機(jī)械特性的任何一點，調(diào)壓調(diào)速范圍寬。圖2.1異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速時的機(jī)械特性根據(jù)異步電動機(jī)的運行原理，當(dāng)電動機(jī)定子接入三相電源后，定子繞組中建立的旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電流，兩者相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩T。這個轉(zhuǎn)矩將使轉(zhuǎn)子加速直到最后穩(wěn)定運行于低于同步轉(zhuǎn)速的某一速度為止。由于旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子具有不同的速度，因此，傳到轉(zhuǎn)子上的電磁功率與轉(zhuǎn)子軸上產(chǎn)生的機(jī)械功率之間存在功率差，這個功率差稱為轉(zhuǎn)差功率，它將通過轉(zhuǎn)子發(fā)熱而消耗掉。在較低速時，轉(zhuǎn)差功率將很大，所以，這種調(diào)壓調(diào)速方法不太適合于長期工作在低速的工作機(jī)械，如要用于這種機(jī)械，電動機(jī)容量就要適當(dāng)選擇大一些。如果負(fù)載具有轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速降低而減小的特性，如圖所示曲線2，則當(dāng)向低速方向調(diào)速時轉(zhuǎn)矩減小，電磁功率及輸入功率也減小，從而使轉(zhuǎn)差功率較恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時小得多。因此，調(diào)壓調(diào)速方法更適合于風(fēng)機(jī)水泵類的負(fù)載，調(diào)速范圍較寬。這類產(chǎn)品很多，例如：美國A-B公司的智能馬達(dá)控制器SMC（smartmotorcontroller），就是在交流電源與電動機(jī)之間接入六個晶閘管元件進(jìn)行交流調(diào)壓，每相串接兩個反并聯(lián)的晶閘管，使電流可以正、反向流動。智能馬達(dá)控制器具有斜波起動、限流起動、全壓起動、雙斜波起動、泵控制、預(yù)制低速運行、智能制動、帶制動的低速運行、軟停止、準(zhǔn)確停車、相平衡等控制和故障診斷功能，它還能與RS-232、RS-485、柔性I/O、DeviceNet通信，這樣就可以方便地集成到現(xiàn)有的自動控制系統(tǒng)中去，特別是它的價格比變頻器低得多，因此在調(diào)速精度要求不太高的場合使用較多，如通風(fēng)機(jī)、切碎機(jī)、攪拌機(jī)、離心泵等。2.2變頻調(diào)速變頻調(diào)速就是利用電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨電機(jī)電源頻率變化的特性，通過改變電動機(jī)的供電頻率進(jìn)行調(diào)速的方法。利用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件如晶閘管、電力晶體管等變頻裝置構(gòu)成變頻電源對異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速已得到廣泛采用。從性能上來講，變頻調(diào)速是交流電機(jī)最理想的調(diào)速方法。從來看，改變電源頻率實現(xiàn)交流調(diào)速似乎很容易。然而，與直流調(diào)壓調(diào)速相比，實現(xiàn)一個交流變頻電源遠(yuǎn)比一個可調(diào)直流電源要復(fù)雜的多。還有，從異步電機(jī)的關(guān)系式：Us≈Eg=4.44f可以看出，若Us不變，f1與?m成反比，如果f1下降，則?m增加，使磁路過飽和，勵磁電流迅速上升，導(dǎo)致鐵損增加，電機(jī)發(fā)熱及效率下降，功率因數(shù)降低。如果f1上升，則?變頻調(diào)速的方法也有多種，按變頻器的類型分主要有交-交變頻器和交-直-交變頻器兩大類；按控制方法分有標(biāo)量控制、矢量控制和異步機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。由于變頻調(diào)速技術(shù)具有巨大的市場潛力，得到了許多世界著名大公司的支持和追捧，于是就出現(xiàn)了獨特的產(chǎn)品化的交流調(diào)速控制器，即變頻器。2.2.1交—交變頻器交—交變頻器是將恒壓頻的交流電一次變換成調(diào)壓調(diào)頻的交流電，它由三組可逆整流器組成，如圖2.2所示。當(dāng)三組移相信號是一組頻率和幅值都可調(diào)的三相正弦交流信號時，則變頻器輸出三相交流電。圖2.2交—交變頻器的主電路結(jié)構(gòu)2.2.2用PWM逆變器同時調(diào)壓調(diào)頻的交-直-交變頻器由于采用二極管不可控整流產(chǎn)生恒定直流電源，功率因數(shù)問題用這種方法就可以解決。用PWM逆變器，輸出電壓是一系列脈沖，調(diào)節(jié)脈沖寬度就可以調(diào)節(jié)輸出電壓值。假如脈沖寬度按正弦分布，則輸出電壓中諧波可以大大減少。諧波減少的成度還取決于逆變器功率開關(guān)的開關(guān)頻率。因此，PWM逆變器中很少采用像晶閘管之類開關(guān)頻率低的半控型器件作為開關(guān)器件，而是采用開關(guān)頻率高的全控型器件如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。同時調(diào)頻調(diào)壓都集中在逆變器一側(cè)，控制也簡化了。因此，這種結(jié)構(gòu)成為當(dāng)前中小型交—直—交變頻器中普遍采用的一種結(jié)構(gòu)形式。由于PWM逆變器具有許多優(yōu)點，所以在中小型變頻器中得到普遍采用。電壓型PWM變頻器主電路的原理圖如圖2.3所示.。交—直—交變頻器主要適用于中小功率、轉(zhuǎn)速較高、負(fù)載較平穩(wěn)的場合。圖2.3電壓型PWM變頻器主電路原理圖三、基于動態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)3.1矢量控制矢量控制（又稱磁場定向控制）是在20世紀(jì)70年代初由美國學(xué)者和德國學(xué)者各自提出的。聯(lián)邦德國西門子公司的F.Blaschke等提出“感應(yīng)電機(jī)磁場定向的控制原理”。美國P.C.Custman和A.A.Clark申請的專利“感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”，它們的誕生使交流變頻調(diào)速技術(shù)在精細(xì)化方面上大大邁進(jìn)了一步，以后在實踐中許多學(xué)者進(jìn)行了大量的工作，經(jīng)過不斷的改進(jìn)，歷經(jīng)近30年的時間，達(dá)到了可與直流調(diào)速系統(tǒng)的性能相媲美的程度。從原理上說，矢量控制方式的特征是：它把交流電動機(jī)解析成直流電動機(jī)一樣的轉(zhuǎn)矩發(fā)生機(jī)構(gòu)，按照磁場與其正交電流的積就是轉(zhuǎn)矩這一基本的原理，從理論上將電動機(jī)的一次電流分離成建立磁場的勵磁分量和磁場正交的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量，然后進(jìn)行控制。其控制思想就是從根本上改造交流電動機(jī)，改變其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，設(shè)法在普通的三相交流電動機(jī)上模擬直流電動機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律。矢量變換控制的基本思路，是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場為準(zhǔn)則，建立三相交流繞組電流、兩組交流繞組電流和在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上的正交繞組直流電流之間的等效關(guān)系。矢量控制從原理上說可以得到與直流電動機(jī)相同的控制性能，但是矢量控制的運算中要使用電動機(jī)的參數(shù)。轉(zhuǎn)差頻率的運算中所采用的轉(zhuǎn)子電阻值r2隨電動機(jī)的溫度而變化，在轉(zhuǎn)矩控制精度上將產(chǎn)生問題。因此，設(shè)置轉(zhuǎn)差補(bǔ)償運算器，由電動機(jī)的定子電壓、定子電流等檢出轉(zhuǎn)差頻率的誤差，自動地補(bǔ)償轉(zhuǎn)差頻率，以求提高轉(zhuǎn)矩控制的精度。3.2直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制方法是1985年由的德國魯爾大學(xué)的Depen-brock教授首次提出的，它是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型交流變頻調(diào)速技術(shù)。盡管矢量控制在原理上優(yōu)于標(biāo)量控制，但是在實際上，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以觀測，系統(tǒng)性能受到電機(jī)參數(shù)的影響較大，以及復(fù)雜的矢量變換，都使它的實際控制效果難于達(dá)到理論分析的結(jié)果。直接轉(zhuǎn)矩控制正是彌補(bǔ)了矢量控制的不足，它避免了復(fù)雜的坐標(biāo)變換，減少了對電機(jī)參數(shù)的依賴性，以其新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)果、優(yōu)良的動靜態(tài)性能備受人們的青睞，得到迅速的發(fā)展。直接轉(zhuǎn)矩控制的特點：（1）在定子坐標(biāo)系下分析交流機(jī)的數(shù)學(xué)模型，直接控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，不需與直流機(jī)做比較、等效、轉(zhuǎn)化等，省去了復(fù)雜的計算。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制以定子磁場定向，只需定子參數(shù)，而不需隨轉(zhuǎn)速變化的，難以測定的轉(zhuǎn)子參數(shù)，大大減少了參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。（3）采用電壓矢量和六邊形磁鏈軌跡，直接控制轉(zhuǎn)矩（4）轉(zhuǎn)矩和磁鏈都采用兩點調(diào)節(jié)器（帶滯環(huán)的band-band控制），把誤差限制在容許的范圍內(nèi)，控制直接又簡化。（5）控制信號的物理概念明確，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，而且無超調(diào)，具有較高的動靜態(tài)性能。參考文獻(xiàn)：《交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用》_冬雷、李永東電工技術(shù)雜志2002年08期《交流異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略綜述》_丁輝、胡協(xié)和浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）2001年01期《異步電動機(jī)動態(tài)模型及其控制策略》_阮毅、吳曉新電氣應(yīng)用2005年03期《交流調(diào)速系統(tǒng)及相應(yīng)電力電子技術(shù)的發(fā)展綜述》_周煉、謝運祥微電機(jī)（伺服技術(shù)）1999年06期《矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用特色》_陳伯時電力電子2004年01期

附錄：《交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用》_冬雷、李永東【摘要】詳細(xì)介紹了目前交流調(diào)速領(lǐng)域研究的熱點問題,分析了最新的技術(shù)發(fā)展對交流調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的影響,并對交流調(diào)速系