【正文】 機(jī)械能的使命。按電機(jī)的功能區(qū)分：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、控制電機(jī)按電流性質(zhì)區(qū)分：有直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)；直流電動(dòng)機(jī)如發(fā)電機(jī)，交流如軋鋼機(jī)等 按用電相位區(qū)分：有二相電動(dòng)機(jī)、三相電動(dòng)機(jī)；二相電機(jī)如吹風(fēng)機(jī)、電風(fēng)扇等，三相如電梯、風(fēng)機(jī)、水泵等。按轉(zhuǎn)子工作性質(zhì)區(qū)分：有同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)；按裝配形式區(qū)分：有鼠籠式—小功率高功率因數(shù)、繞線式—大功率低功率因數(shù)。按轉(zhuǎn)子電極對(duì)數(shù)區(qū)分：有 2 級(jí)2950r/min.、4 級(jí)1470r/min.、6 級(jí)980r/min.、8 級(jí)720r/min.、10 級(jí)590r/min. 。按使用電壓區(qū)分：有220V、380V、440V、660V、1140V、3KV、6KV 、10KV。以電機(jī)的作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，稱為電力拖動(dòng)系統(tǒng)。電力拖動(dòng)系統(tǒng)主要有電源、控制設(shè)備、電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械五部分組成。 電機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速計(jì)算以及調(diào)速措施在工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的動(dòng)力裝置中，三相交流異步電動(dòng)機(jī)約占 90%左右的份額，其原因在于它：體積小、造價(jià)低、使用維護(hù)簡(jiǎn)單、適應(yīng)各種復(fù)雜工作環(huán)境等。為了更好地應(yīng)用它，就需要讓它精確地工作，換句話說(shuō)，就是要對(duì)它進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)速。額定功率= 3額定電流額定電壓功率因數(shù)功率因數(shù)越高的電機(jī)在變頻使用當(dāng)中，其被調(diào)節(jié)的能力越強(qiáng)，也就是說(shuō)其節(jié)電空間的變化可以接近理論值。三相異步電動(dòng)機(jī)工作原理：1）對(duì)稱三相繞組中通入對(duì)稱三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；2）轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流；3）轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)；因此三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式： ??spfn???160其中：n：轉(zhuǎn)速； f：頻率； s：轉(zhuǎn)差率； p：極對(duì)數(shù)極對(duì)數(shù) P 與同步轉(zhuǎn)速 N 的關(guān)系P 1 2 3 4 5 6 ……N 3000 1500 1000 750 600 500 ……根據(jù)泵與風(fēng)機(jī)學(xué)的知識(shí)，在風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載變流量、變壓力的運(yùn)行狀況中，流量、揚(yáng)程和消耗的能量之間有下面的關(guān)系： 21nQ? 風(fēng)機(jī) /水泵的流量和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比；（Q 為分機(jī)和水泵的流量）212???????nH風(fēng)機(jī)/水泵的全壓/揚(yáng)程和電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比；（H 為風(fēng)機(jī)/水泵的全壓/） 321??????nP風(fēng)機(jī) /水泵消耗的軸功率跟電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比；（P 為風(fēng)機(jī)/水泵消耗的軸功率；軸功率公式：N 0/N=r/r1（n 0/n） 3 （N：功率；r：氣體密度；n：轉(zhuǎn)速）無(wú)論是水泵還是風(fēng)機(jī)還是其它的電機(jī)起功率都與轉(zhuǎn)速 n 有關(guān)，交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位： n＝60 f(1－s)/p (1)式中：n—異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； f—異步電動(dòng)機(jī)的頻率； s—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率； p—電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。如下圖則為電機(jī)的機(jī)械特性圖圖 21 電機(jī)的機(jī)械特性圖因此三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速大致分五種：1）變極調(diào)速：適用于變極電機(jī)，即電機(jī)有多套繞組，在運(yùn)行時(shí)通過(guò)外部開(kāi)關(guān)控制繞組連接方式，從而改變極數(shù)，進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。2）串電阻調(diào)速：適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)子回路串入不同阻值的電阻，人為改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性。3）降壓調(diào)速：適用于較大電阻的高轉(zhuǎn)差率異步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)改變定子電壓來(lái)調(diào)速。4）串極調(diào)速：適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子回路阻抗來(lái)調(diào)速。5）變頻調(diào)速：普遍適用，通過(guò)改變供電電源頻率來(lái)調(diào)速。由式(1)可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在 0～50Hz 的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。 第三章 變頻器的基本原理和知識(shí)變頻器是交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，它是將三相工頻交流電轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的三項(xiàng)交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)（主要是異步電動(dòng)機(jī)） ，從而使電動(dòng)機(jī)調(diào)速的。 變頻器的發(fā)展史早期通用變頻器如東芝 TOSVERT－130 系列、FUJI FVRG5/P5 系列，SANKEN SVF 系列等大多數(shù)為開(kāi)環(huán)恒壓比（V/F= 常數(shù)）的控制方式。其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高，比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵場(chǎng)合。具體來(lái)說(shuō)，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。對(duì)變頻器 U/F 控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段:八十年代初日本學(xué)者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱磁通軌跡法） 。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機(jī)種如 1989 年前后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的 FUJI（富士）FRN5OOOG5/PSANKEN （三墾）MF 系列等。之后，1991 年由富士電機(jī)推出大家熟知的 FVR 與 FRNG7/P7 系列的設(shè)計(jì)中，三菱日立，東芝也都有類似的產(chǎn)品。然而，在上述四種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本性的改善。第二階段：矢量控制。也稱磁場(chǎng)定向控制。它是七十年代初由西德 等人首先提出，以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理，由此開(kāi)創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。它使人們看到交流電動(dòng)機(jī)盡管控制復(fù)雜，但同樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場(chǎng)獨(dú)立控制的內(nèi)在本質(zhì)。矢量控制的基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。此外，它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配留轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)不便。盡管如此，矢量控制技術(shù)仍然在努力融入通用型變頻器中，1992 年開(kāi)始，德國(guó)西門子開(kāi)發(fā)了 6SE70 通用型系列，通過(guò) FC、VC 、SC 板可以分別實(shí)現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制。1994 年將該系列擴(kuò)展至 315kW 以上。目前，6SE70 系列除了 200kW 以下價(jià)格較高，在 200kW 以上有很高的性價(jià)比。第三階段：1985 年德國(guó)魯爾大學(xué) Depenbrock 教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（Direct Torque Control 簡(jiǎn)稱 DTC） 。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)控制。轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測(cè)器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器化。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計(jì)之中，是很自然的事，這種控制被稱為無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制依賴于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對(duì)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別，通過(guò) ID 運(yùn)行自動(dòng)確立電機(jī)實(shí)際的定子阻抗互感、飽和因素、電動(dòng)機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動(dòng)機(jī)模型估算出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩、定子碰鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 Band－Band 控制產(chǎn)生PWM 信號(hào)對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。 1995 年 ABB 公司首先推出的 ACS600 直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達(dá)到2ms 的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度在帶 PG 時(shí)的靜態(tài)速度精度達(dá)土 %，在不帶 PG 的情況下即使受到輸入電壓的變化或負(fù)載突變的影響，可以達(dá)到正負(fù) ％的速度控制精度。其他公司也以直接轉(zhuǎn)矩控制為努力目標(biāo)，如安川 VS－676H5 高性能無(wú)速度傳感器矢量控制系列，雖與直接轉(zhuǎn)矩控制還有差別，但它也已做到了 100ms 的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和正負(fù) %（無(wú) PG） ，正負(fù) ％（帶 PG）的速度控制精度，轉(zhuǎn)矩控制精度在正負(fù) 3％左右。其他公司如日本富士電機(jī)推出的 FRN 5000G9/P9 以及最新的 FRN5000Gll/P11 系列出采取了類似無(wú)速度傳感器控制的設(shè)計(jì)，性能有了進(jìn)一步提高，然而變頻器的價(jià)格并不比以前的機(jī)型昂貴多少?？刂萍夹g(shù)的發(fā)展完全得益于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自從 1991 年 INTEL 公司推出 8X196MC 系列以來(lái)，專門用于電動(dòng)機(jī)控制的芯片在品種、速度、功能、性價(jià)比等方面都有很大的發(fā)展。如日本三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)用于電動(dòng)機(jī)控制的M3770M7906 單片機(jī)和美國(guó)德州儀器的 TMS320C240DSP 等都是頗具代表性的產(chǎn)品。 變頻技術(shù)的發(fā)展過(guò)程變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。20 世紀(jì) 60 年代后半期開(kāi)始，電力電子器件從 SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管) 、MOSFET(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管) 、MGT(MOS 控制晶體管)、MCT(MOS 控制品閘管)發(fā)展到今天的 IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT( 耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)，器件的更新促使電力變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20 世紀(jì) 70 年{BANNED}始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM—VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。 20 世紀(jì) 80 年代，作為變頻技術(shù)核心的 PWM 模式優(yōu)化問(wèn)題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。20 世紀(jì) 80 年代后半期開(kāi)始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的 VVVF 變頻器已投入市場(chǎng)并廣泛應(yīng)用圖 31 變頻器發(fā)展示意圖 變頻器的分類變頻器主要包括三個(gè)部分：一是主電路接線端，包括接工頻電網(wǎng)的輸入端（R、 S、T ） ，接電動(dòng)機(jī)的頻率、電壓連續(xù)可調(diào)的輸出端（U、V 、W） ；二是控制端子，包括外部信號(hào)控制端子、變頻器工作狀態(tài)指示端子、變頻器與微機(jī)或其他變頻器的通信接口；三是操作面板，包括液晶顯示屏和鍵盤(pán) 圖 32 變頻器的組成變頻器分為：交—交變頻器（將頻率固定的交流電變成連續(xù)可調(diào)）交—直—交變頻器（將頻率固定的交流電變成直流，再把直流變成連續(xù)可調(diào)的三相交流電）表 31 交 —交和交—直—交變頻器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表變頻器 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn)交—交變頻器 沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，變換效率高 連續(xù)可調(diào)、頻率范圍窄交—直—交變頻器 調(diào)節(jié)范圍廣，變頻后的機(jī)械特性好目前使用最多的是交—直—交變頻器，而它又分為電壓型（整流后靠電容來(lái)濾波，比較常見(jiàn)）和電流型（整流后靠電感濾波，較少見(jiàn)） 。根據(jù)電壓又分脈幅調(diào)制（改變直流電壓來(lái)改變輸出電壓大小，即 PAM）和脈寬調(diào)制（改變輸出脈沖的占空比來(lái)改變輸出電壓的大小，即 SPWM ；SPWM 調(diào)制是：采用三角波和正弦波相交獲得的 PWM 波形直接控制各個(gè)開(kāi)關(guān)可以得到脈沖寬度和各脈沖間的占空比可變的呈正弦變化的輸出脈沖電壓電壓，能獲得理想的控制效果：輸出電流近似正弦） 。為此常見(jiàn)的變頻器為交直交電壓脈寬調(diào)制。 變頻器的電路組成圖 33 變頻器電路圖如圖所示變頻器主要有整流單元、逆變部分和制動(dòng)部分組成的！其中整流單元它的作用是把工頻電源變換成直流電源將交流電變換成直流的電力電子裝置，其輸入電壓為正弦波，輸入電流非正弦，帶有豐富的諧波圖 34 整流電路?? UU??逆變部分逆變部分則是把直流變成交流，是變頻器的核心部分將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的電力電子裝置，其輸出電壓為非正弦波，輸出電流近似正弦S1S4S2S3Ed U1圖 35 單相逆變電路圖通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間改變輸出電壓的頻率通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序改變輸出電壓的相序圖 3單相逆變電路原理圖當(dāng) SS3 同時(shí)閉合時(shí)，U1 電壓為正；但 SS4 同時(shí)閉合時(shí)，U1 電壓為負(fù)。因此開(kāi)關(guān) S1～S4 的輪番通斷，從而將直流電壓 Ed 變成交流電壓 U1。可以看到在交流電變化的一個(gè)周期中，每個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通 π 電角度度。因此交流電的周期（頻率）可以通過(guò)改變開(kāi)關(guān)的通斷的速度來(lái)調(diào)節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值的 U1。圖中 S1～S6 組成了橋式逆變電路，這 6 個(gè)開(kāi)關(guān)交替的接通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個(gè)相位差2π/3 的三相交