【正文】 通過改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量 ,一般可節(jié)電 30%~50%。除節(jié)電外，通過調(diào)速還能實現(xiàn)工藝優(yōu)化，帶來最大效益。隨著變頻器價格的降低，投資回收期逐漸縮短，因此越來越多的設(shè)備改用變頻調(diào)速。 （ 2）工藝調(diào)速 許多機械由于工藝需要，要求電動 機調(diào)速運行。過去由于交流電機調(diào)速困難，都采用直流電機調(diào)速。直流電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、維護困難，因此隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日趨成熟，直流調(diào)速逐漸被變頻調(diào)速取代。這類調(diào)速裝置的數(shù)量不能和節(jié)能調(diào)速相比，但對調(diào)速性能有一定的要求，往往需要進行矢量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制。另外為了滿足各種工藝要求，變頻器中都需要裝設(shè)一定數(shù)量的可自由編程的調(diào)節(jié)控制功能塊或?qū)ｉT的工藝控制可選附件。 （ 3）牽引調(diào)速 牽引調(diào)速用于運輸機械，例如電力機車、輕軌及工程和軍事車輛的電驅(qū)動。這類調(diào)速裝置由于工作環(huán)境惡劣（電壓波動、振動、海拔及環(huán)境溫度范圍 大等），對產(chǎn)品耐電壓波動、結(jié)構(gòu)、冷卻等方面都有特殊要求。另一方面牽引負載要求恒功率調(diào)速范圍寬，相應(yīng)要求變頻器的弱磁調(diào)速段更寬。所以牽引調(diào)速用的變頻器多為專用變頻器。有些車輛的電源采用蓄電池，因此對電機和變頻器的重量和效率提出了更高的要求，并且出現(xiàn)了許多電機和變頻器一體化設(shè)計的方案，電機也多采用永磁電機。 （ 4） 特種調(diào)速 在某些場合，對調(diào)速精度、調(diào)速范圍有特殊要求，例如要求極高速度，極寬調(diào)速范圍等，為滿足這些要求，電機和變頻器都是特制的。 2 綠色發(fā)電 綠色發(fā)電即利用風(fēng)力、水力及太陽能發(fā)電，在環(huán)境問題日 益突出的今天，這類發(fā)電受到越來越多的關(guān)注，其發(fā)展非常迅速。 太陽能發(fā)電利用光電器件把太陽能轉(zhuǎn)換成電能。由于光電器件發(fā)出的是直流電，要把電能送至電網(wǎng)或用電設(shè)備，必須加入直 交逆變器。 3 變頻電源 3 變頻器除了與電機配合使用外，還常常單獨作電源使用。例如不間斷電源（ UPS）， 50HZ/60HZ 和 50HZ/400HZ 變頻電源以及車輛和艦船上使用的直 交逆變電源等。 除此之外，由于人們對變頻器認(rèn)識的深化，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，特別是人們多節(jié)能意識的增加，使得變頻器的市場不斷擴大。所以變頻器是一種很有發(fā)展前途的裝置。 自電機調(diào)速系統(tǒng)廣泛應(yīng)用以來，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng)，而且采用轉(zhuǎn)速、 電流雙 閉環(huán)系統(tǒng)，可以得到良好的動、靜態(tài)特性，所以直流電氣傳動在很長時間內(nèi)在電氣傳動領(lǐng)域中占據(jù)主導(dǎo)地位換向器，使直流電動機制造成本增大。但由于直流電動機本身結(jié)構(gòu)上存在有電刷和機械維護不便、使用環(huán)境受到一定的限制。即能克服直流電動機固有的缺點，具有制造成本低、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)動慣量小、而交流電動動態(tài)響應(yīng)性能好、效率高、運行可靠、維護方便、抗惡劣環(huán)境能力強等一系列優(yōu)點，隨著高性能、高精度的 新型調(diào)速系統(tǒng)的不斷出現(xiàn)和發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)可以得到同直流調(diào)速系統(tǒng)一樣好的性能指標(biāo)。 隨著電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展和新型電路變換器的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代控制理論向交流調(diào)速領(lǐng)域的滲透，特別是微型計算機及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電動機調(diào)速技術(shù)正向高頻化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。 控制策略的應(yīng)用：由于電力電子電路良好的控制特性及現(xiàn)代微電子技術(shù)的不斷進步，使幾乎所有新的控制理論，控制方法都得以在交流調(diào)速裝置上應(yīng)用和嘗試。從最簡單的轉(zhuǎn)速開環(huán) 恒壓頻比控制 發(fā)展到基于動態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制和基于動態(tài)模型保持定子磁鏈恒 定的直接轉(zhuǎn)矩控制。 近年來電力電子裝置的控制技術(shù)研究十分活躍，各種現(xiàn)代控制理論，如自適應(yīng)控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制，以及智能控制（如專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等）和無速度傳感的高動態(tài)性能控制都是研究的熱點，這些研究必將把交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展到一個新的水平。 微機數(shù)字控制：微機控制或稱數(shù)字控制，其優(yōu)點是：使硬件簡化，柔性的控制算法使控制靈活、可靠，易實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，便于故障診斷和監(jiān)視?？刂葡到y(tǒng)的軟化對 CPU 芯片提出了更高的要求，為了實現(xiàn)高性能的交流調(diào)速，要進行矢量的坐標(biāo)變換，磁通矢量的在線計算和適應(yīng)參數(shù) 變化而修正磁通模型，以及內(nèi)部的加速度、速度、位置的重疊外環(huán)控制的在線實時調(diào)節(jié)等，都需要存儲多種數(shù)掘和快速實時處理大量信息。可以預(yù)見，隨著計算機芯片容量的增加和運算速度 4 的加快，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能將得到很大的提高。 近 10 年來，隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。電機交流變頻調(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、推動技術(shù)進步的一種主要手 段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。 本課題的任務(wù)是應(yīng)用已了解的電機學(xué)和變頻調(diào)速電動機的知識 ，通過對變頻調(diào)速電動機的發(fā)展與現(xiàn)狀的研究，對交流調(diào)速系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢與動向進行分析。 5 電機是一種機電能量轉(zhuǎn)換或信號轉(zhuǎn)換的電磁機械裝置。就能量轉(zhuǎn)換的功能來看，電機可分為兩大類。第一類是發(fā)電機，它把機械能轉(zhuǎn)換為電能；通過原動機先把各類一 次能源蘊藏的能量 轉(zhuǎn)化為機械能，然后通過發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)輸、配電網(wǎng)絡(luò)送往城市各工礦企業(yè)、家庭等各種用電場合。第二類是電動機，它把電能裝換為機械能，用來驅(qū)動各種用途的生產(chǎn)機械和其它裝置，以滿足不同的需求。電力變壓器則是將一種交流變壓、電流轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓、電流的靜止電器。 由于一次能源形態(tài)的不同，可制成不同的發(fā)電機。利用水力資源，和水輪機配合，可制成水輪發(fā)電機；利用煤、石油等 資源的熱能，和鍋爐，汽輪機配合，可制成汽輪發(fā)電機。此外，還有利用風(fēng)能、原子能、地?zé)岬饶茉吹母黝惏l(fā)電機。 到 1999 年， 我國電力總裝機容量已達 萬 MW,年總發(fā)電量為 12300 億KW H。從放電量看，已居世界第二位。隨著三峽水利電力工程的啟動，大亞灣、泰山核電站的建成和發(fā)電，今后將會加強大型水電站和核電站的開發(fā)工作，并加大水電和核電的比重。 電動機作為原動機，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，大至冶金企業(yè)使用的高達上萬千瓦的電動機，小至小功率電動機、乃至幾瓦的為電動機。在各類原動機中，電動機的容量已超過總?cè)萘康?60％。 根據(jù)應(yīng)用場合的要求和電源的不同 ，電動機有直流電動機、交流同步電動機、交流感應(yīng)電動機，以及滿足不同需求的控制電機和特 種電動機。 70 年代以后，由于大功率電力電子元件、微電子器件、變頻技術(shù)以及微型計算機技術(shù)取得的一系列進展。為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，從而研制出多種調(diào)速性能優(yōu)良、效率高、能滿足不同要求的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)。 電力工業(yè)是一種先行工業(yè)，只有當(dāng)電力工業(yè)的增長率高于其他工業(yè)的發(fā)展速度，才能促使整個國民經(jīng)濟的全面迅速增長。我國是一個擁有十多億人口的大國 ，水力、煤炭等資源十分豐富，相信在今后，電力和電機制造工業(yè) 將會得到最快的發(fā)展。 a．電機概念 6 電機是借助于電磁原理（原理）工作的能量轉(zhuǎn)換（功能）設(shè) 備。 只有給電機輸入能量，它才會輸出能量，并且在其輸入和輸出的能量中至少應(yīng)該有一方是電能。可見“電機”一詞本質(zhì)上是電磁機的簡稱。 b. 電機的種類 電動機機應(yīng)用廣泛，種類繁多、性能各異，分類方法也很多。 ，可分為直流電動機和交流電動機。其中交流電動機還分為單相電動機和三相電動機。 。 同步電動機還可分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。異步電動機可分為感應(yīng)電動機和交流換向器電動機。感應(yīng)電動機又分為三相異步電動 機、單相異步電動機和罩極異步電動機。交流換向器電動機又分為單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。 、電容運轉(zhuǎn)式電動機、電容起動運轉(zhuǎn)式電動機和分相式電動機。 按用途分類。電動機按用途可分為驅(qū)動用電動機和控制用電動機。驅(qū)動用電動機又分為電動工具用電動機、家電用電動機及其它通用小型機械設(shè)備用電動機?？刂朴秒妱訖C又分為步進電動機和伺服電動機等。 。 、低速電 動機、恒速電動機、調(diào)速電動機。 技術(shù)的應(yīng)用和未來 電動機是一種實現(xiàn)機、電能量轉(zhuǎn)換的電磁裝置。它是隨著生產(chǎn)力的發(fā)展而發(fā)展的，反過來，電動機的發(fā)展也促進了社會生產(chǎn)力的不斷提高。從 19 世紀(jì)末期起，電動機就逐漸代替蒸汽機作為拖動生產(chǎn)機械的原動機，一個多世紀(jì)以來，雖然電動機的基本結(jié)構(gòu)變化不大，但是電動機的類型增加了許多，在運行性能，經(jīng)濟指標(biāo)等方面也都有了很大的改進和提高，而且隨著自動控制系統(tǒng)和計算機技術(shù)的發(fā)展，在一般旋轉(zhuǎn)電動機的理論基礎(chǔ)上又發(fā)展出許多種類的控制電動機，控制電動機具有高可靠性﹑好精確度﹑快速響 應(yīng)的特點，已成為電動機學(xué)科的一個獨立分支。電動機的功能是將電能轉(zhuǎn)換成機械能，它可以作為拖動各種生產(chǎn)機械的動力，是國民經(jīng)濟各部門應(yīng)用最多的動力機械。 7 在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了實現(xiàn)各種生產(chǎn)工藝過程，需要各種各樣的生產(chǎn)機械。拖動各種生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)，可以采用氣動，液壓傳動和電力拖動。由于電力拖動具有控制簡單﹑調(diào)節(jié)性能好﹑耗損小﹑經(jīng)濟，能實現(xiàn)遠距離控制和自動控制等一系列優(yōu)點，因此大多數(shù)生產(chǎn)機械都采用電力拖動。 按照電動機的種類不同，電力拖動系統(tǒng)分為直流電力拖動系統(tǒng)和交流電力拖動系統(tǒng)兩大類。 縱觀電力拖動的發(fā)展過程 ，交、直流兩種拖動方式并存于各個生產(chǎn)領(lǐng)域。在交流電出現(xiàn)以前，直流電力拖動是唯一的一種電力拖動方式， 19 世紀(jì)末期，由于研制出了經(jīng)濟實用的交流電動機，致使交流電力拖動在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，特別是精密機械加工與冶金工業(yè)生產(chǎn)過程的進步，對電力拖動在起動，制動，正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度與范圍等靜態(tài)特性和動態(tài)響應(yīng)方面提出了新的，更高的要求。由于交流電力拖動比直流電力拖動在技術(shù)上難以實現(xiàn)這些要求，所以 20 世紀(jì)以來，在可逆，可調(diào)速與高精度的拖動技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)時期內(nèi)幾乎都是采用直流電力拖動，而交流電力拖 動則主要用于恒轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。 雖然直流電動機具有調(diào)速性能優(yōu)異這一突出特點，但是由于它具有電刷與換向器（又稱整流子），使得他的故障率較高，電動機的使用環(huán)境也受到了限制（如不能在有易爆氣體及塵埃多的場合使用），其電壓等級，額定轉(zhuǎn)速，單機容量的發(fā)展也受到了限制。所以，在 20 世紀(jì) 60 年代以后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體交流技術(shù)的交流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實現(xiàn)。尤其是 70 年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，為交流電力拖動的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。諸如交流電動機的串級調(diào)速，各種類型的變頻調(diào)速，無換向器電動 機調(diào)速等，使得交流電力拖動逐步具備了調(diào)速范圍寬，穩(wěn)態(tài)精度高，動態(tài)響應(yīng)快以及在四象限做可逆運行等良好的技術(shù)性能，在調(diào)速性能方面完全可與直流電力拖動媲美。除此之外，由于交流電力拖動具有調(diào)速性能優(yōu)良，維修費用低等優(yōu)點，將廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)電氣自動化領(lǐng)域中，并逐步取代直流電力拖動而成為電力拖動的主流。 經(jīng)歷了 100 多年的技術(shù)發(fā)展，電動機自身的理論基本成熟。隨著電工技術(shù)的發(fā)展，對電能的轉(zhuǎn)換、控制以及高效使用的要求越來越高。電磁材料的性能不斷提高，電工電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為電動機的發(fā)展注入了新的活力。 未來電動機將會 沿著體積更小、機電能量轉(zhuǎn)換效率更高、控制更靈活的方向繼續(xù)發(fā)展。 8 變頻調(diào)速的基本原理 （ 1）變頻調(diào)速的定義 由于異步電動機的同步轉(zhuǎn)速與電源頻率轉(zhuǎn)速差和電極級對數(shù)成正比， 即 1n 1 1 16 0 (1 ) 1 2 0 (1 ) / 2f s f s p? ? ? ? ??1 可以把調(diào)速分為三大類： a. 改變電機的極對數(shù)，不方便， 使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不能實現(xiàn)無極調(diào)速。 b. 改變轉(zhuǎn)差率，會帶來較大的轉(zhuǎn)差損耗，效率降低，調(diào)速范圍受影響。 c. 改變電源頻率，從低速到高速都可保持高效寬范圍和高精度的調(diào)速性能。改變電流頻率 就能改變轉(zhuǎn)速 ，從而實現(xiàn)調(diào)速，這就是變頻調(diào)速。 （ 2）變頻調(diào)速原理和機械特性 在電機調(diào)速時希望保持每極磁通量 為固定值。磁通量太小，浪費鐵芯，太大則導(dǎo)致勵磁電流過大，甚至過熱損壞電機。 異步電動機的電勢方程為 1 1 1 wmE f k??? ??2 因為 1 1 1U E IR?? ，如果忽略定子壓降，則 1U? 1 1 1 wmE f k??? ，所以可得到 1 1 1/m CU f?? ??3 式中， 1E 定子每相感應(yīng)電動勢有效值 1f 定子頻率 1? 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù) 1Wk 基波繞組系數(shù) m? 每級氣隙磁通量 1C 常數(shù)， 1 1 11 / WCk?? 由 m? 表達式可見，要保持電機 磁通量恒定，必須使定子電壓隨定子頻率成正比變化，即： 39。39。1 1 1 1//U f U f? ，這種 1U 和 1f 的配合變化稱為恒磁通變頻調(diào)速 9 中的協(xié)調(diào)控制，根據(jù) 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