【文章內容簡介】 ，當異步電動機的磁極對數(shù)Pn一定，轉差率s—定時，改變異步電動機定子繞組供電電源的頻率可以達到調速目的，如果頻率連續(xù)可調，則可平滑地調節(jié)異步電動機的轉速，即為變頻調速原理。像三相異步電動機在運行時，忽略定子阻抗壓降時，定子每相電壓為: （21）式中為氣隙磁通在定子每相中的感應電動勢；為定子電源頻率；為定子每相繞組匝數(shù)；為基波繞組系數(shù)，為每極氣隙磁通量。如果改變頻率，且保持定子電源電壓不變，則氣隙每極磁通將增大，會引起電動機鐵芯磁路飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機，這是不允許的。因此，降低電源頻率時，必須同時降低電源電壓，已達到控制磁通的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率f=50Hz）以下的調速和基頻以上調速兩種情況。（一）基頻以下變頻調速為了防止磁路的飽和，當降低定子電源頻率時，保持為常數(shù)，使氣每極磁通為常數(shù)，應使電壓和頻率按比例的配合調節(jié)。這時，電動機的電磁矩為： （22）上式對求導，即，有最大轉矩和臨界轉差率為： （23）由上式可知：當常數(shù)時，在較高時，即接近額定頻率時，隨著的降低，減少的不多；當較低時，較??；相對變大，則隨著的降低，就減小了。顯然，當降低時，最大轉矩不等于常數(shù)。保持常數(shù)，降低頻率調速時的機械特征如圖1所示。這相當于他勵直流電機的降壓調速。 a）基頻以下調速（常數(shù)）b）基頻以上調速（=常數(shù)） 圖1 變頻調速的機械特性（二）基頻以上變頻調速在基頻以上變頻調速時，也按比例身高電源電壓時不允許的，只能保持電壓為不變，頻率越高，磁通越低，是一種降低磁通升速的方法，這相當于它勵電動機弱磁調速。保持=常數(shù),升高頻率時，電動機的電磁轉矩為 （24） 上式求，得最大轉矩和臨界轉差率為 （25）由于較高，、和比大的多，則上式變?yōu)? （26）因此，頻率越高時，越小，也越小。保持 為常數(shù)，升高頻率調速時的機械特性如圖1（b）所示。 交直交變頻調速系統(tǒng)的研究變頻調速系統(tǒng)的構成交直交變頻調速系統(tǒng)主要主要包括交直交變頻器、控制對象（交流電動機）和利用于反饋的各種傳感器等三部分，其中交直交變頻器的電源輸入端接到三相交流電源上。交直交變頻器按輸出電源性質不同又可分為交直交電壓型變頻器和交直交電流型變頻器。交直交變頻器的優(yōu)劣決定了交直交變頻調速系統(tǒng)控制效果的優(yōu)劣。 變頻器調速原理變頻器（Variablefrequency Drive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備，它的原理是利用功率半導體器件如IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到調速、節(jié)能、保護系統(tǒng)的目的。而交直交變頻器則是先把交流電經整流器先整流成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，再經過逆變器把這個直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。它的主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，大體上可分為兩類，即：電壓型與電流型變頻器。電壓型變頻器是將電壓源的直流變換為交流，其直流回路濾波的是電容。這種整流變頻裝置具有結構簡單、諧波少、定子與轉子功率因數(shù)可調等優(yōu)點，可以明顯地改善電機的運行狀態(tài)。電流型變頻器是將電流源的直流變換為交流，其直流回路濾波的是電感。這種整流變頻裝置在應用于雙饋調速中時，由于在同步調速時需要換流電路，在低轉差頻率的條件下性能也比較差，所以在雙饋調速中應用的不多。變頻器是交直交變頻調速的主要部分，其基本構成如圖31所示，它由整流、濾波、逆變等部分組成。 圖31變頻調速系統(tǒng)的結構原理圖交流電源經整流、濾波、逆變后變成直流電源，再通過逆變器的有規(guī)則的導通和截止使之輸出頻率可變的電源。其主回路主要由三部分構成：將工頻電源變換為直流電源的“整流器”；吸收由整流器和逆變器回路產生的電壓脈動的“濾波回路”，也是儲能回路；將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。（1）整流器部分整流器是一個整流裝置，簡單的說就是種將工頻交流電源變換成直流電源的裝置。它有兩個主要功能：第一，將交流電變成直流電，經濾波后供給負載，或者供給逆變器；第二，給蓄電池提供充電電壓。因此，它同時又起到一個充電器的作用。（2）濾波回路部分濾波回路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復式濾波電路。在整流器的整流后的直流電壓中，含有六倍的電源頻率的脈動電壓。此外，逆變器的回路產生的脈動電流也使直流電壓發(fā)生波動。為了抑制這些波動的電壓，而采用直流電抗器和電容器來吸收脈動電壓或電流。在裝置容量較小的時候，如果電源的輸出阻抗和整流器的容量足夠時，可以省去直流電抗器而直接采用簡單的阻容濾波回路。 （3）逆變器部分逆變器與整流器相反，它的作用是在所確定的時間里使六個功率開關管有規(guī)則地導通、關斷，從而將直流電能轉變成交流電（一般為220V,50Hz正弦波）。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。 變頻器容量的確定變頻調速是通過變頻器來實現(xiàn)的，對于變頻器容量的確定至關重要。變頻器的容量直接關系到變頻調速系統(tǒng)的運行可靠性，因此，合理的容量將保證最優(yōu)的投資。變頻器的容量選擇在實際操作中存在很多誤區(qū)，根據(jù)現(xiàn)有資料和經驗，這里給出了三種基本的容量選擇方法，它們之間互為補充。從電流的角度大多數(shù)變頻器容量可從三個角度表述：額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產廠家由本國或本公司生產的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應仔細了解設備的工藝情況及電動機參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉子電動機的額定電流要大于普通籠形異步電動機額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道用電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉工作狀態(tài)，且輥道傳動大多是多電動機傳動。應保證在無故障狀態(tài)下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。 從效率的角度系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點： （1）變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉。 （2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應略大于電動機的功率。 （3）當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。 （4）經測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。 （5）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調整節(jié)能程序的設置，以利達到較高的節(jié)能效果。從計算功率的角度 對于連續(xù)運轉的變頻器必須同時滿足以下3個計算公式： 滿足負載輸出： 滿足電動機容量： 滿足電動機電流： 式中為變頻器容量（單位kW），為負載要求的電動機輸出功率（單位kW），為電動機額定電壓（單位V），為變頻器的額定電流，為電動機額定電流（單位A），為電動機效率（通常約為0．85），為電動機功率因數(shù)（通常約為0．75），k是電流波形補償系數(shù)（由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應有所增加，～）。變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率，但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少，通常都是設備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機的實際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過大，使投資增大。雖然變頻調速有諸多優(yōu)點，但也有其不利因素，主要問題是電流中含高次諧波較多，除對電網(wǎng)有污染外，也使電機自身增加損耗，引起電機發(fā)熱。再有，變頻器價格貴、投資回收器長、技術復雜、尤其在實現(xiàn)閉環(huán)自動控制時，還需進行技術處理。 交直交變頻調速的優(yōu)勢特性交流電動機的調速方法有三種：變極調速、改變轉差率調速和變頻調速。其中，變頻調速最具優(yōu)勢。變頻調速具有調速范圍較大，精度高；調速時平滑性好，效率高，低速時，特性靜關率較高，相對穩(wěn)定性好；起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯；變頻器體積小，便于安裝、調試、維修，易于實現(xiàn)過程自動化。與直流調速系統(tǒng)相比，交流變頻調速系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。在直流調速系統(tǒng)中，由于直流電動機具有電刷和整流子的存在，因而要時常對直流電機進行檢修，而且直流電機還不能安裝在有易爆氣體和塵埃多的場合。這限制了直流電機向大容量、高轉速的方向發(fā)展。但是交流電機就不存在這些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，由于直流電機是以電刷為機械換向的，因而它的換向受到了限制，它的電樞電壓做的不是很高，一般最高的只能做到一千多伏，但是交流電機的電樞電壓可做到610kV。第二，直流電機常制成雙電樞的形式，它的單機容量也比較小一般在1214MW左右，而交流電機的單機容量可以做成大于直流電機數(shù)倍。第三，在同等容量的情況下，直流電機的體積、價格及重量等要比交流電機的大；第四，由于直流電機受換向器的機械強度的約束，其額定轉速會隨著電機的額定功率的減小而降低，一般為每分鐘數(shù)百轉到一千多轉左右，而交流電機的轉速可達到每分鐘數(shù)千轉。在節(jié)約能源方面，交流調速系統(tǒng)比直流調速系統(tǒng)有著很大的優(yōu)勢。一方面，交流變頻器的拖動負荷在總用電量中占的比重有一半或一半以上，這些負荷若能實現(xiàn)節(jié)能，則可以獲得十分可觀的節(jié)能效益；另一方面，交流變頻器拖動本身就存在可以挖掘的節(jié)電潛能。由于交流電機在帶有負荷情況下的運行不是總在最大的負荷情況下運行的，所以在交流調速系統(tǒng)中，一般在選用交流電機時往往會留有一定的余量。如果利用變頻調速技術，在輕載時，通過對電機的轉速進行控制，就能達到節(jié)電的目的。在工業(yè)上大量使用的風機、水泵、壓縮機等設備，它們的用電量約占工業(yè)用電量的50%左右；如果采用變頻調速技術來調速的話，則既可以提高電機的效率，又可以減少不必要的電能消耗。 交直交變頻調速的應用由于交流變頻調速技術具有很大的優(yōu)越性，使得它在發(fā)達的工業(yè)國家得到了廣泛的應用。像美國，有60%65%的發(fā)電量是用于電機驅動的，在有效的利用變頻調速技術的情況下，僅在工業(yè)傳動方面的用電就節(jié)約了近15%20%的電量，具有很大的經濟效益。這即達到調速的要求又達到節(jié)能的目的，符合當今的發(fā)展理念。采用變頻調速，一般主要基于下面幾個因素的考慮：可實現(xiàn)軟啟動與制動的功能，以減小啟動電流的沖擊；交流電機總是在低的轉差率下運行，以減小電機轉子的損耗；變頻調速系統(tǒng)的自身損耗比較小，其工作效率高。另外，在采用變頻調速時，還需從工藝的要求、節(jié)約效益和投資回收等各方面考慮。如果僅從工藝的要求與節(jié)約效益的方面考慮，則按以下幾個方面來選用變頻調速比較好：根據(jù)工藝的要求，生產線或單臺設備需要按程序或按要求調整電機速度的。如：包裝機傳送系統(tǒng)，根據(jù)不同品種的產品，需要改變系統(tǒng)傳送速度，使用變頻調速可使調速控制系統(tǒng)結構簡單，控制準確，并易于實現(xiàn)程序控制。用變頻調速代替機械變速的。如：機床，不僅可以省去復雜的齒輪變速箱，還能提高精度、滿足程序控制要求。用變頻調速代替用閘門或擋板調整流量適于風機、水泵、壓縮機等的。例如：鍋爐上水泵、鼓風機、引風機在實行變頻調速控制，不僅省去了伺服放大器、電動操作器、電動執(zhí)行器和給水閥門（或擋風板），而且使得整個鍋爐鍋爐控制系統(tǒng)得到了快速的動態(tài)響應、高的控制精度和穩(wěn)定性。1. 交直交變頻調速系統(tǒng)的實驗仿真研究 變頻調速系統(tǒng)的設計與諧波對系統(tǒng)的影響 系統(tǒng)研究的設計方案本課題設計的是交直交變頻調速系統(tǒng)的仿真研究，由電機轉速和電源頻率的線性關系，通過自己搭建的一個交直交變頻調速的方案來研究交直交變頻調速的基本原理、工作特性和各部分的基本作用以及變頻調速系統(tǒng)輸出端產生的諧波對交流調速系統(tǒng)運行的影響。對交直交變頻調速系統(tǒng)的仿真研究需要從下幾個模塊進行研究，包括降壓模塊、整流模塊、逆變模塊、負載模塊及測量模塊。變頻調速系統(tǒng)的主回路主要有三大部分構成：將工頻電源轉換為直流電源的“整流器”部分；吸收由整流器和逆變器回路產生的電壓脈動的“濾波回路”部分；將直流電變換為交流電的“逆變器”部分。并根據(jù)設計方案利用Matlab/Simulink仿真工具，搭建仿真模型并對其輸出的仿真波形進行研究，并對諧波的部分進行分析，以及分析輸出的諧波對交流電機負載運行的影響。對交直交變頻器的基本原理和基本組成部分進行研究。然后選定合適的電壓源，進行降壓，然后通過對整流器的分析選定合適的整流方案并對此進行分析研究。再通過對逆變器的分析和研究，選定合適的逆變器并設計搭建合適的逆變器的仿真模型方案。這些研究要根據(jù)負載模塊的相關的要求來確定，如：負載的電壓、頻率等的要求。然后，對交直交變頻調速系統(tǒng)的基本特性進行研究，并與其他的調速方法進行比較，說明交直交變頻調速的優(yōu)越性，確定它的基本參數(shù)。并在前面的理論基礎上利用仿真工具Matlab/Simulink中搭建仿真模型的方法。為后面成功的搭建交直交變頻調速系統(tǒng)的模型和仿真進行準備。最后在成功的搭建交直交變頻調速系統(tǒng)的仿真模型后，并對其參數(shù)進行設置，并進行仿真，然后對整流后的波形以及逆變后的波形進行分析。 輸出諧波對