【文章內(nèi)容簡介】 而使得它既不容易適合高速運行，更不容易在惡劣環(huán)境下工作。這樣，如何從本質(zhì)上改變交流電機調(diào)速控制特性，使之具有直流電機的調(diào)速性能，便成為近幾十年來電氣傳動研究主要課題之一。 劉桂林：異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng) 2 第一章 緒 論 課題任務 對異步電機調(diào)速控制專用信號處理器（ DSP） TMS320LF2407 進行研究，掌握其工作原理和基于該 DSP 的變頻調(diào)速裝置的設計方法。 PWM 方法，并 將其應用與實際調(diào)速系統(tǒng)。 TMS320LF2407空間電壓矢量 SVPWM方法的變頻調(diào)速裝置的軟、硬件設計。 變頻技術(shù)與異步電機控制技術(shù) 一 、變頻技術(shù) 隨著新型電力電子期間的不斷涌現(xiàn)以及微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻技術(shù)也獲得了飛速發(fā)展，目前主要有基于正弦波對三角波寬調(diào)制的 SPWM 控制；電壓空間矢 量SVPWM 控制；直接轉(zhuǎn)矩控制；基于定子磁鏈的新型控制方法等。 SPWM 法是從電動機供電電源的角度出發(fā)，著眼與如何產(chǎn)生一個可調(diào)頻調(diào)壓的三相對稱正弦波電源，他是以一個正弦波作為調(diào)制波，用一系列等幅的三角 波與正弦波相交，由他們的交點確定逆變器的開關模式。 電壓空間矢量 SVPWM 控制一種與 SPWM 控制不同的新穎的脈寬調(diào)制方法。它不是局限于如何使逆變器輸入按正弦波規(guī)律變化的電源，而是將逆變器和電機看成一個整體，基于電壓空間矢量概念，用八種基本電壓空間矢量合成期望的電壓空間矢量，建立逆變器功率器件的開關狀態(tài)和空間矢量，并依據(jù)電機的定子磁鏈矢量與定子電壓之間的關系，直接達到控制電機磁鏈矢量幅值近似恒定、頂點沿圓形軌跡運動、平均速度可調(diào)的目的，從而實現(xiàn)對異步電機近似恒磁通變壓變頻調(diào)速。 直接轉(zhuǎn)矩控制是 80 年代中期提出 的又一種轉(zhuǎn)矩控制策略。其思路是把電機與逆變器看作一個整體，采用電壓空間矢量分析方法在定子坐標系上進行磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算，并采用磁鏈與轉(zhuǎn)矩雙位式 bangbang 控制，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行優(yōu)化選擇，省去了旋轉(zhuǎn)坐標變化，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)，便于實現(xiàn)全數(shù)字化。 二 、異步電機控制技術(shù) 微電子技術(shù)的發(fā)展，微型計算機的功能不斷提高，電器傳動領域出現(xiàn)了以微處理器為核心的微機控制系統(tǒng)。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)逐步向全數(shù)字化控制系統(tǒng)發(fā)展。數(shù)字化控制系統(tǒng)不同與模擬控制系統(tǒng)，它主要任務是設計一個數(shù)字調(diào)節(jié)器。常用的控制方法有：程序和 順序控制、直接數(shù)字控制、 PID 控制、最優(yōu)控制等。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流電機控制技術(shù)的發(fā)展方興未艾，非線性解耦控制、單神經(jīng)元控制、模糊控制等各種新型控制策略正不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出更為廣闊的前景。 其中，數(shù)字式 PID 控制在生產(chǎn)過程中是一種最普遍采用的控制方法。 PID 控制經(jīng)過40 多年的應用和發(fā)展，從Ⅰ型發(fā)展到Ⅳ型，性能不斷提高了，積累的經(jīng)驗越來越多，在工業(yè)控制中得到廣泛的應用。微型計算機在 PID 控制中的應用，又使 PID 控制得到進一步發(fā)展，出現(xiàn)非線性 PID 控制算法、選擇性 PID 控制算法和自適應 PID 控制算法等。所 有這些算法都是在基本 PID 算法的基礎上發(fā)展起來的。 國內(nèi)外現(xiàn)狀對比 一、 國外現(xiàn)狀 安徽工程科技學院畢業(yè)設計（論文） 3 在大功率交 交變頻調(diào)速技術(shù)方面，法國阿爾斯通已能提供單片機容量達 3 萬 KW的電氣傳動設備用于船舶推進系統(tǒng)。在大功率無換向器電機變頻調(diào)速技術(shù)方面，意大利ABB 公司提供了單片機容量為 6 萬 KW 的設備用于抽水蓄能電站。在中規(guī)律變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國西門子公司 Simovert A 電流型晶閘管變頻調(diào)速設備單片機容量為 10—2600KVA 和 Simovert P GTO PWM 變頻調(diào)速設備單機容量為 100— 900KVA，其控制系統(tǒng)已 實現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機車、風機、水泵傳動。在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)方面，日本富士 BJT 變頻器最大單機容量可達 700KVA， IGBT 變頻器已形成系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實現(xiàn)全數(shù)字化。 國外交流調(diào)頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展有以下特點： 市場的大量需求。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺，變頻器越來越廣泛應用在機械發(fā)、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個行業(yè)以及風機、水泵等的節(jié)能場合，已取得顯著的經(jīng)濟效益。 功率器件的發(fā)展。近年來高電壓、大電流的 SCR、 GTO、 IGBT、 TGCT 等期間的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串 聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應用，使高低壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應用成為現(xiàn)實。 控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎： 16 位、 32 位告訴微處理器以及信號處理器（ DSP）和專用集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，為實現(xiàn)變頻器高精度、多功能提供了硬件手段。 基礎工業(yè)和各種制造業(yè)的 高速 發(fā)展，變頻器相關配套件社會化、專業(yè)化生產(chǎn)。 二、 國內(nèi)現(xiàn)狀 從總體上看我國電氣傳動的技術(shù)水平較國際先進水平差距 10— 15 年。 在大功率交 交、無換向器電機等變頻技術(shù)方面，國內(nèi)只有 少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當差距。而這方面產(chǎn)品在諸如抽水蓄能電站機組起動及運行，大容量風機、壓縮機和軋機傳動、礦井卷揚方面有很大需求。在中小功率變頻技術(shù)方面，國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的恒 V/F 控制，僅有少量的樣機采用矢量控制，品種與質(zhì)量還不能滿足市場需要，每年大量進口。 國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下： 變頻器的整機技術(shù)落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。 變頻器產(chǎn)品所用半導體功率器件的制造業(yè)幾乎是 空白。 相關配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。長銷量少，可靠性及工藝水平不高。 劉桂林：異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng) 4 第 二 章 異步電機變頻調(diào)速原理 交流電動機高效調(diào)速方法的典型是變頻調(diào)速，它既適用于異步電機，也適用與同步電機。交流電機采用變頻調(diào)速不但能實現(xiàn)無級調(diào)速，而且根據(jù)負載的特性不同，通過適當調(diào)節(jié)電壓和頻率之間的關系，可使電機始終運行在高效區(qū)， 并保證良好的動態(tài)特性。變頻調(diào)速系統(tǒng)目前應用最廣泛的是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的調(diào)速系統(tǒng)，也稱為恒 v/f 控制，這種調(diào)速方法采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補償?shù)目刂品桨福淇刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡單， 成本最低，使用于風機、水泵等對調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能要求不高的場合。 變頻調(diào)速基本知識 任何一臺需要轉(zhuǎn)速控制的設備，其生產(chǎn)工藝對控制性能都有一定的要求，各行各業(yè)生產(chǎn)機械的種類十分繁多，對于調(diào)速的具體的目的和要求也千差萬別，調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制也是各式各樣的，歸納起來，有以下三個方面： 調(diào)速：在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，分檔地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 穩(wěn)速：以一定的精度在所需要的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種可能的干擾下不允許過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。 加、減速：頻繁起、制動的設備要求盡量 地加、減速以提高生產(chǎn)率，不宜受劇烈首都變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。 上述三項中有時都需要具備，有時只要其中的一兩項，特別是調(diào)速和穩(wěn)速，常常在各種場合都會碰上，針對這兩項有兩個調(diào)速指標與其對應，即： （一） 調(diào)速范圍 電動機提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 和最低轉(zhuǎn)速 minn 之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即 ： minmaxnnD? 式 (21) 其中，最高轉(zhuǎn)速 maxn 和最低轉(zhuǎn)速 minn 一般都指電機額定負載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負載很輕的機械，也可以使用實際負載十的轉(zhuǎn)速。 （二） 靜差率 當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想 空載增加到額定值所對應的轉(zhuǎn)速降落nom? ，與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 只比，稱為靜差率 s ，用數(shù)學式可以簡單的表示出來，既如式（ 22）所示。 0nnoms ?? 式 （ 22） 靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高。 （三）調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關系 )1(m inm inm a x sn snnnomnnD nom nom ?????? 式 （ 23） 安徽工程科技學院畢業(yè)設計（論文） 5 由上式可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義，對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，如果對靜差率的要求越嚴，也就是說要求 s 越小，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速 范圍也越小。 異步電動機的變頻調(diào)速的由來 對于通用型的變頻調(diào)速，采用的變壓變頻（ VVVF）控制算法是以電動機的穩(wěn)態(tài)方程為基礎推導出來的， 由 《電機學》理論知道，異步機定子旋轉(zhuǎn)磁勢的轉(zhuǎn)速與電源頻率有嚴格的關系： pfn 11 60? 式 （ 24） 1n 就是定義的同步轉(zhuǎn)速。用電源頻率 1f 和滑差 s 表示的電動機的穩(wěn)態(tài) 轉(zhuǎn)速如下： p sfn )1(60 1 ?? 式 （ 25） 式（ 25）中， n 為實際電動機轉(zhuǎn)速， 1f 為定子供電電源頻率， p 為電動機的極對數(shù)，s 為轉(zhuǎn)差率。由式中可以看出，當極對數(shù) p 不變時，均勻地改變定子供電電源頻率 1f ，則可以達 到平滑的調(diào)節(jié)電動機實際運行轉(zhuǎn)速 n 的目的，我們通常所說的變頻調(diào)速就是由此而來。 由電機學知識可以知道，當忽略電機定子壓降時，異步電動機定子電壓為： mN NKfEU ?11111 ?? 式 （ 26） 式（ 26）中， 1U 為定子電壓， 1E 為頂子繞組感應電動勢， 1f 為定子供電電源頻率，1NK 為定子繞組系數(shù)， 1N 為定子繞組匝數(shù)， m? 為氣隙磁通。可以看出，若定子 1U 電壓不變，則隨著頻率 1f 的提高，氣隙磁通 m? 減小，從而電動機出力不足，過載能力下降，如果維持定子電壓 1U 不變，而減小頻率 1f ，將使磁通 m? 增加，磁路飽和，勵磁電流上升，從而鐵損增加，電動機效率降低。因此，要是電動機具有較好的性能，必須在變頻1f 的同時協(xié)調(diào)的改變定子電壓 1U ，使隙磁通 m? 為一常量。 變頻調(diào)速的基本控制方法 對于異步電動機的變頻器驅(qū)動，為了避免電動機磁飽和，同時抑制啟動電流，在改變頻率的同時必須控制變頻器的輸出電壓，既調(diào)壓調(diào)頻器（ VVVF）。 V/F 控制是這樣一種方式，改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電動機磁通保持一致，在廣范圍內(nèi)調(diào)速運行，電動機的效率、功率因數(shù)不下降。因為是控制電壓（ Voltage）與頻率（ Frequency）之比，故稱恒 V/F 控制。 圖 21 為恒 U/F 控制原理，在額定頻率以下， 保持 V/F 值恒定。而在額定頻率以上，保持輸出電壓不變，由于電動機輸入阻抗增大，輸出轉(zhuǎn)矩減小，是恒功率區(qū)?？紤]到低速時電阻壓降會引起勵磁不足，因此，實際運行時，歸轉(zhuǎn)矩作了提升。 劉桂林：異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng) 6 050 ( 60 )FV實際運行線恒 轉(zhuǎn) 矩 區(qū)恒 功 率 區(qū) 圖 21 V/F控制 安徽工程科技學院畢業(yè)設計（論文） 7 第三章 PWM 技術(shù) 隨著電力電子器件工 GBT、功率 MOSFET 等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM 控制技術(shù)提供了強大的硬件基礎，推動了電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使它應用到交一直、直一直、交一交、直一交四大類變流電路中。 PWM 控制技術(shù)是利用電力電子器件的導通與關斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達到變壓的目的，或者控制電壓脈寬和脈沖列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。 PWM 技術(shù)類型 PWM 技術(shù)有許多種，并且還在不斷發(fā)展中。但從控制思想上分，可以把它們分成四類，即等脈寬 PWM 法，正弦波 PWM 法，磁通正弦 PWM 法和電流跟蹤型 PWM 法。 一、 等脈寬 PWM 法 等脈寬 PWM 法是為了克服 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)壓的缺點而發(fā)展來的，是最為簡單的一種 PWM 法。改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。其缺點是輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量。 二、 正弦 PWM 法 正弦 PWM 法 (SPWM 法 )是為了克服等脈寬 PWM 的缺點而發(fā)展來的。它從電動機供電電源的角度出發(fā)，著眼于如何產(chǎn)生一個可調(diào)頻調(diào)壓的三相對稱正弦波電源。 SPWM是以一個正弦波作為基準波 (稱為調(diào)制波 )，用一系列等幅的三角波 (稱為載波 )與基準波相交，由它們的交點確定逆變器的開關模式，這種 PWM 的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，能有效地抑制低次諧波并使電機工作在近似正弦的交變電壓下，轉(zhuǎn)矩脈動小，大大擴展