【正文】 直流調(diào)速傳動(dòng)。其中變頻調(diào)速是交流電機(jī)調(diào)速中發(fā)展最快、最活躍的一支。它以其優(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)電效果及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式，成為現(xiàn)代調(diào)速傳動(dòng)的主流。在冶金、交通、機(jī)械、電子、石油化工、紡織、制藥、造紙、家用電器、電力牽引等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)無論在性能、裝置體積、設(shè)備維護(hù)還是在節(jié)能乃至環(huán)保等方面也都體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢(shì)。 交流傳動(dòng)得以飛速發(fā)展，得益于以下幾個(gè)方面： 電力電子功率器件的發(fā)展 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 控制理論的發(fā)展 PWM 技術(shù)的發(fā)展 微處理器和專用集成電路 (ASIC)的發(fā)展 我國變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，是一個(gè)由試驗(yàn)到實(shí)用，由輔助系統(tǒng)到生產(chǎn)裝置，由考慮節(jié)能到全面改善工藝水平，由開環(huán)手動(dòng)控制到閉環(huán)自動(dòng)控制，由低壓中小容量到高壓大容量的過程。多年來，國家有關(guān)部門一直致力于變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)及推廣應(yīng)用，并給予重點(diǎn)扶持，并將推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)作為風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能技改專項(xiàng)的重點(diǎn)投資方向。國家成立了風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能中心，開展信息咨詢和培訓(xùn)。在國家經(jīng)貿(mào)委小“九五”資源節(jié)能綜合利用工作綱要中，變頻調(diào)速己被列入重點(diǎn)組織實(shí)施的 10 項(xiàng)資源節(jié)約綜合利 用技術(shù)改造示范工程之一。變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用范圍已發(fā)展到新階段。在石油、石化、機(jī)械、冶金等行業(yè)都得到了大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用，取得了節(jié)能、增產(chǎn)的顯著效果。變頻調(diào)速技術(shù)己成為節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。實(shí)踐的結(jié)果證明，節(jié)電率一般在 10％～30％，有的高達(dá) 40％，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點(diǎn)也得到解決。 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展方向 交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，常見的有：降壓調(diào)速，電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，饒線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)串級(jí)調(diào)速，變極對(duì)數(shù)調(diào)速和變壓變頻調(diào)速。而由電機(jī)學(xué)可知，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公司 如下： 公式（ 11） 其中： n 是異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速， p 是異步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)， s 是異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率， f 是供電電源的頻率。 （ 1） 改變極對(duì)數(shù)作幾擋的有級(jí)調(diào)速，該種電機(jī)通用性差，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、維護(hù)性差。 （ 2） 改變 轉(zhuǎn)差來調(diào)速，即只適用于繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)子外加 電阻來調(diào)速，這樣調(diào)速電阻就要消耗一定的功率；還有串級(jí)調(diào)速，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，是其送回電網(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)只能在低于同步轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速 。 （ 3） 當(dāng)極對(duì)數(shù)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。因此通過連續(xù)改變定子電壓供電頻率 f 就能平滑、無級(jí)地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，)1(60 sp fn ??交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 這種調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速。改變供電電源頻率也稱變頻調(diào)速，這種方法能實(shí)現(xiàn)無級(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。 變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)： ① 調(diào)速范圍寬，可以使普通異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速： ② 啟動(dòng)電流小，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大； ③ 啟動(dòng)平滑，消除機(jī)械的沖擊力，保護(hù)機(jī)械設(shè)備； ④ 對(duì)電機(jī)具有保護(hù)功能，降低電機(jī)的維修費(fèi)用； ⑤ 具有顯著的節(jié)電效果； ⑥ 通過調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)系方便地實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或者恒功率調(diào)速； 基本要求；變頻調(diào)速是，希望氣隙磁通量基本保持不變 ，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)， 由于 U=E=，故要保持氣隙磁通量不變， 應(yīng)使定子端電壓與頻率成比例地調(diào)節(jié)。并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。 目前，變頻 調(diào)速己經(jīng)成為異步電動(dòng)機(jī)最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用：而且隨著一些新的交流電機(jī)調(diào)速理論（如：矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制）和現(xiàn)代電力電子技術(shù)（ IGBT、 IPM、 PIC）以及高效的處理器（如： DSP）等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，它將在很長一段時(shí)間內(nèi)主導(dǎo)電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，并向更高性能、更大容量以及智能化方向發(fā)展。 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù)。其發(fā)展的趨勢(shì)大致為： 主控一體化將功率芯片和控制電路集成在一飲芯片上使逆變功率和控制電路達(dá)到一體化，智能化和高性能化的 HV IC（高耐 壓 IC） SOC（ System on Chip）的概念已被用戶接受，隨著功率做大，此產(chǎn)品在市場(chǎng)上極具競(jìng)爭(zhēng)力。 小型化緊湊型變流器要求功率和控制元件具有高的集成度，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展己成為重要原因。 ABB 公司將小型變頻器定型為Comp－ ACTM，他向全球發(fā)布的全新概念是，小功率變頻器應(yīng)當(dāng)像接觸器、軟起動(dòng)器等電器元件一樣使用簡(jiǎn)牢，安裝方便，安全可靠。 低電磁噪音設(shè)計(jì)變頻器要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合 EMC 國際標(biāo)準(zhǔn)，主要做法是在變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正 電路，改善輸入電流波形降低電網(wǎng)諧波以及逆變橋采取電流過零的開關(guān)技術(shù)。而控制電源用的開關(guān)電源將推崇半諧振方式，這種開關(guān)控制方式在 30～ 50MHZ。時(shí)的噪聲交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 可降低 15—— 20dB。 數(shù)字控制以高速微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制模板有足夠的能力實(shí)現(xiàn)各控制算法。 網(wǎng)絡(luò)化新型通用變頻器可提供多種兼容的通信接口，支持多種不同的通信協(xié)議，內(nèi)裝 RS485 接口，可由個(gè)人計(jì)算機(jī)向通用變頻器輸入運(yùn)行命令和設(shè)定功能碼數(shù)據(jù)等，通過選件可與現(xiàn)場(chǎng)總線： Profibus－ DP、 Interbus－ S、 Device Net、Modbus Plus、 CC－ Link、 LONNORKS、 Ether、 CAN Open、 TLINK 等通訊。如西門子、三菱、普傳、臺(tái)安、東洋等品牌的通用變頻器，均可通過各自可提供的選件支持上述幾種或全部類型的現(xiàn)場(chǎng)總線。 相關(guān)技術(shù)分析 PWM 技術(shù) PWM 技術(shù)是變頻調(diào)速技術(shù)的核心技術(shù)之一。它是利用半導(dǎo)體器件的開通與關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度和周期以達(dá)到變壓的目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。目前 PWM 技術(shù)被廣泛應(yīng) 用于電氣傳動(dòng)、不間斷電源、有源濾波器等中。已經(jīng)不限于逆變技術(shù)，也覆蓋了整流技術(shù)。如在整流電路中，采用自關(guān)斷器件進(jìn)行 PWM 控制，可使電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波，并且功率因數(shù)達(dá)到 1，可望徹底解決對(duì)電網(wǎng)的污染問題。特別值得一提的是，由于 PWM 整流器和 PWM 逆變器組成的電壓型變頻器（也稱雙 PWM 變流器）無須增加任何附加電路，就可以允許能量雙向傳送，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。至于 PWM 控制技術(shù)又有許多中，并且還在不斷發(fā)展中。但從控制思想上分，它有以下四類： （ 1） 等脈寬 PWM 法 它是為克服 PAM 方式中逆變器部分只能輸 出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓的缺點(diǎn)而發(fā)展來的，該法是從是 PWM 法中最簡(jiǎn)單的一種。其缺點(diǎn)是輸出電壓中除基波外，還含有較大的諧波分量。 （ 2） SPWM 法 它是為克服（ 1）法的缺點(diǎn)而發(fā)展來的，該法是從電動(dòng)機(jī)供電電源角度出發(fā)，著眼于如何產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)頻調(diào)壓的三相對(duì)稱正弦波電源。 （ 3）磁鏈追蹤型 PWM 法 它是從電動(dòng)機(jī)角度出發(fā)，著眼點(diǎn)是如何使電動(dòng)機(jī)獲得圓磁場(chǎng)。它是以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流電機(jī)的理想磁鏈為基準(zhǔn)，用逆變器不同開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫥鶞?zhǔn)磁鏈圓，由追蹤的結(jié)果決定出逆變器的開關(guān)模 式，以形成 PWM 波。 （ 4）電流跟蹤型 PWM 法 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 電力電子技術(shù) 變頻技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。電力電子時(shí)代是從 50 年代 末晶閘管（ SCR）的出現(xiàn)開始的，后來陸續(xù)推出了其它種類的器件，諸如控制極可關(guān)斷晶閘管（ GTO），雙極型大功率晶體管（ BJT 或 BPT），功率 MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ MOSFET），絕緣門極雙極型晶體管（ IGBT），靜態(tài)感應(yīng)晶體管（ SIT），靜態(tài)感應(yīng)晶閘管（ SITH）， MOS 控制的晶閘管（ MCT）等。在這個(gè)不斷發(fā)展的過程中，器件的電壓、電流額定以及其他電氣特性均得到了很 大的改善。從最初的晶體管到第二代的 GTR、 MOSFET 再到第三代的 IGBT，大功率半導(dǎo)體器件的性能不斷提高，使得變頻裝置發(fā)生了根本性的變化。目前，大功率半導(dǎo)體器件又向集成化智能化方向發(fā)展。智能功率模塊 IPM 是向第四代功率集成電路 PIC 的過渡產(chǎn)品。 IPM 包含了 IGBT 芯片及外圍的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，有的把光耦也集成于一體，因此是更為好用的集成功率器件。目前，在模塊額定電流 10600A 范圍內(nèi)的變頻器均有采用 IPM 的趨勢(shì)。它具有開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)電流小，控制驅(qū)動(dòng)更為簡(jiǎn)單，保護(hù)功能更為豐富等優(yōu)勢(shì)。 其中 IGBT 作為第三 代的電力電子器件，它的應(yīng)用是變頻器的性能有了很大的提高，主要表現(xiàn)為： 1. 發(fā)熱減小 ,將曾占主回路發(fā)熱 50%70%的器件發(fā)熱降低了 30%； 2. 高載波控制，使輸出電流波形有明顯的改善； 3. 提高開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行的靜音化； 4. 驅(qū)動(dòng)功率減小，體積趨于更小。 本章小結(jié) 本章先介紹了 交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀；然后介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展方向；在最后介紹了本論文所涉及到的相關(guān)技術(shù)（ PWM 技術(shù)和電力電子技術(shù)等），并進(jìn)行了相關(guān)分析。 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 第二章 系統(tǒng)方案論證 交流電機(jī)變 頻調(diào)速系統(tǒng)包括主電路和控制電路兩部分，主電路主要完成功率的轉(zhuǎn)換，它的結(jié)構(gòu)是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，特別是從半控器件到全控器件的過渡標(biāo)志著變頻裝置在性價(jià)比上可以與直流調(diào)速裝置相媲美；控制電路主要完成對(duì)變頻主電路提供各種控制信號(hào)，它是隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，而且數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了調(diào)速系統(tǒng)的精度和可靠性，而且還為現(xiàn)代控制理論與方法在交流調(diào)速中的應(yīng)用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。 本章將分別對(duì)系統(tǒng)主電路和控制電路的幾種可能實(shí)現(xiàn)的方案進(jìn)行充分論證的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)采納的方案以及說明選用該方案的原因。 系統(tǒng)主電路方案的確定 在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中，主回路作為直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其可靠性和穩(wěn)定性直接影響著系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，必須根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求選擇合適的主電路。 主電路結(jié)構(gòu)的選擇 主電路是將三相交流電變換成頻率、幅值可調(diào)的交流電壓，能實(shí)現(xiàn)這一功能的電路有交 交電路和交 直 交電路。 交 交變頻電路有一個(gè)變換環(huán)節(jié)就可以把恒壓恒頻 (CVCF)的交流電源變換成 VVVF 電源，常用的交 交變頻電路輸出的每一相都是一個(gè)兩相功率器件整流裝置可逆線路。當(dāng)正向組工作在整流狀態(tài)，反向組工作在逆變狀態(tài)時(shí)，交流電機(jī)得到的是正 電壓；反之，電機(jī)繞組得到的是負(fù)電壓。只要控制兩相反并聯(lián)的橋組不斷的處于整流和逆變工作狀態(tài)，就能將電網(wǎng)電壓變成變頻電源。但交 交變頻電路有以下缺點(diǎn)： 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 （ 1）輸出上限頻率 由于交 交變頻電路的輸出電壓是由若干段電網(wǎng)電壓拼湊而成，當(dāng)輸出頻率升高時(shí)，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)電網(wǎng)電壓的段數(shù)就減少，所含的諧波分量就增加。電網(wǎng)頻率為 50HZ 時(shí)，交 交變頻電路的輸出上限頻率為 20HZ 左右； （ 2）輸出功率因數(shù) 交 交變頻電路的輸出是通過相控的方法的得到的，因此，在輸入端需要提供所需的無功電流，隨著負(fù)載功率因數(shù)的降低和電源幅 值的減小，所需的無功電流增加，所以輸出功率因數(shù)低； （ 3） 接線復(fù)雜，使用的功率器件多。 所以，交 交變頻電路主要用于轉(zhuǎn)速在 600r/min 以下的大功率交流調(diào)速裝置中。 交 直 交變頻電路實(shí)現(xiàn)由整流器將電網(wǎng)中的交流電整流成直流電，經(jīng)過濾波，然后由逆變器逆變成交流電供給負(fù)載。根據(jù)中間環(huán)節(jié)采用大電容或大電感濾波可分為交 直 交電壓型和交 直 交電流型兩類。當(dāng)中間環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí)，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一種阻抗為零的恒壓源，輸出電壓是矩形波或階梯波；當(dāng)中間環(huán)節(jié)采用大電感濾波時(shí)，直流電壓波形比較平直 ，對(duì)負(fù)載來說是一個(gè)恒流源，輸出電壓也是矩形波或階梯波。 由于電壓源型變頻電路是作為電壓源向交流電機(jī)提供電功率的，因此，其主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行幾乎不受負(fù)載功率因數(shù)和換流的影響；缺點(diǎn)是當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路或過流時(shí)，必須采取保護(hù)措施。電壓源型逆變器從水銀整流器問世就開始使用，并隨著功率器件的發(fā)展逐漸完善。如今，適合工業(yè)應(yīng)用、體積小、大功率的電壓源型逆變器制造技術(shù)大幅度提高，價(jià)格也降低了，并使交流電機(jī)調(diào)速性能一些應(yīng)用場(chǎng)合超過直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。正是由于這個(gè)原因，電壓源型逆變器得到了廣泛的應(yīng)用。因此，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中主電路選擇了電 壓源型交 直 交變頻電路。其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 主電源的選擇 主電源的整流電路包括可控整流和不可控整流?？煽卣鞯膬?yōu)點(diǎn)是可以控制直流電壓輸出的