【文章內(nèi)容簡介】 高轉(zhuǎn)速的傳動裝置，當極限容量與轉(zhuǎn)速的乘積超過約 106 kW r/min 這一數(shù)值時，由于直流電動機換向器的換向能力，限制了其容量和轉(zhuǎn)速，交流電動機則不受限制。因此特大容量的傳動如鋼板軋機、礦井主皮帶機、卷揚機等，以采用交流變頻調(diào)速為宜。對此類傳動裝置控制要求很高。西門子 SIMOVERT MV 用在安陽鋼鐵公司和酒泉鋼鐵公司特大容量的軋機上，傳動裝置功率為 5000kW 和 3500kW；用在平朔安家?guī)X井工礦 1 號井、 2 號井主皮帶機的功率分別為 3*1080kW 和 3*850kW；燕山石化高壓聚乙烯擠壓機功率為 3000kW。對極高轉(zhuǎn)速的傳動裝置如在化工和食品行業(yè)的離心機，高速攪拌機和高速 磨頭也應采用交流調(diào)速裝置。這種傳動裝置容量不大，但動態(tài)性能要求高，在運行時要防止超速。 交流調(diào)速裝置應用時注意事項 交流調(diào)速裝置應用時有以下幾個注意事項 [17 ]： （ 1） 交流變頻調(diào)速傳動裝置對電網(wǎng)會產(chǎn)生諧波干擾，應按中國諧波標準7 GB/T1454993 加諧波濾波器或電抗器，使其對電網(wǎng)干擾最小。 （ 2） 為使變頻調(diào)速器受外界干擾影響最小 ,在布線時控制電纜，電源電纜與電動機的連接電纜走線須相互隔離，不能放在同一電纜線槽中或電纜架上；輸入和輸出信號回路須用屏蔽對絞線，接到電動機主回路連接電纜應屏蔽或鎧裝，屏蔽層接地；用短而粗的節(jié)電接地線按規(guī)定正確連接保護接地和系統(tǒng)接地，最后連接到公共的星形接地網(wǎng)絡；根據(jù)需要還可考慮加隔離變壓器和進線電抗器，使其受干擾影響最小。 （ 3）在低速運行時，須防止軸系的震蕩；在高速運行時，須防止超速。 通用變頻器的術(shù)語和技術(shù)參數(shù) 通用變頻器的術(shù)語 根據(jù)變頻器國家標準 GB 1266820xx《 中國調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)國家標準 》 所規(guī)定的幾個重要專業(yè)術(shù)語如下： （ 1） 輸出電壓： GB 1266820xx 定義輸出電壓是輸出端子間的基波 均方 根電壓。 （ 2） 輸出頻率調(diào)節(jié)范圍： GB 1266820xx 規(guī)定為使被控電機在持續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩下穩(wěn)定運行的頻率范圍。 （ 3） 頻率分辨率： GB 1266820xx 規(guī)定為兩個頻率之間增量的最小值。 通用變頻器的技術(shù)參數(shù) （ 1） 輸出容量：規(guī)定輸出容量為視在功率，單位是 kVA， 并規(guī)定應在下列數(shù)據(jù)中選擇： 2, 4, 6, 10, 35, 50, 60, 100, 150, 200,230, 330, 360, 420, 470, 500 (kVA)。 （ 2） 額定輸出電壓： GB 1266820xx 中規(guī)定變頻器輸出頒定電壓，最大不超過輸入線電壓值。當輸入單相 220 V 士 10%的情況下，其額定輸出電壓為三相 220V(最大值 )。 （ 3） 額定輸出頻率：在我國，一般工業(yè)用電設備的額定頻率為 50Hz。 本文所做的工作 基于通用變頻器良好的市場 環(huán)境， 結(jié)合國內(nèi)的研發(fā)現(xiàn)狀 以及 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的8 發(fā)展，中、小容量變頻器 擁有廣闊的發(fā)展前景。出于 社會和經(jīng)濟效益兩方面的考慮，應 一般中小功率交流異步電動機對變頻器高性能低成本的客觀要求， 本次設計的通用變頻器主要使用功率器件 IGBT、 PWM 逆變器等， 采用 V/F 控制， 通過 MATLAB /SIMULINK 設計仿真模型并進行 頻調(diào)速系統(tǒng) 實驗 ，從而檢驗系統(tǒng)設計的正確性，及該通用變頻器 設計 的可行性。 本章小結(jié) 本章 主要 介紹了 在生產(chǎn)生活中越來越廣泛應用的變頻調(diào)速及變頻器。從交流調(diào)速的發(fā)展、變頻器的概況、發(fā)展及應用等方面對變頻器相關(guān)情況進行了簡要的介紹；通過對國內(nèi)外變頻器研究、生產(chǎn)、應用情 況的 簡單分析，說明了變頻器研究在當今社會的必要性和實際意義；最后簡單介紹了本文 的主要研究內(nèi)容。 9 2 異步電動機 交 流電機是把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔芑蛘甙呀涣麟娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的旋轉(zhuǎn) 機 械。交流電機分為同步電機 (synchronous machine) 和異步電機（ asynchronous machine）。同步電機在正常運行時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速之比為常數(shù)，不隨負載變化而變化。而異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速則由旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速、負載情況等決定。同步電機和異步電機雖然運行性能有很大差別，但是電機內(nèi)部發(fā)生的電磁現(xiàn)象和機電能量轉(zhuǎn)換原理基本相同，因而可以一起來進行研究。本文主要針對交流異步電動機進行調(diào)速，因而著重介紹交流異步電動機的基本工作原理。 異步電機的基本工作原理 異步電機主要用作電動機，用途十分廣泛。遍及工農(nóng)業(yè)及家用的各個方面，容量從幾十瓦到數(shù)千千瓦。其數(shù)量約占各種電動機總數(shù)的 90%，其中中 、小型異步電動機占了 70%以上，在工業(yè)中，風機、泵、壓縮機、中小型軋鋼設備、各種金屬切削機床、輕工機械、礦山機械等可由異步電動機拖動家用電器如電扇、洗衣機、電冰箱、空調(diào)等也可由單相異步電動機拖動 [11]。異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、價格低廉、運行可靠、堅固耐用、運行效率高、工作特性好等優(yōu)點。和同容量的直流電機相比，異步電動機的重量約為直流電機的一半，而價格僅為直流電機的三分之一。它的缺點是功率因數(shù)較低，由于它必須從電網(wǎng)中吸收滯后性的無功功率，因而功率因數(shù)總小于 1。但是隨著交流調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，三相異 步電動機在電力拖動系統(tǒng)中正得到越來越廣泛的應用。 三相異步電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間是空氣隙。此外，還有端蓋、軸承、機座、風扇等部件。 異步電動機的額定值包含以下幾項： （ 1） 額定功率 P 指電動機在額定情況下運行時，輸出的機械功率，單位 kW。 （ 2） 額定電壓 U 指電動機額定運行時，外加于定子繞組上的線電壓，單位是 V。 （ 3） 額定電流 I 指電動機在額定電壓下，軸上有額定功率輸出時定子繞組上的線電流值，單位是 A。 （ 4） 額定頻率 f 我國的工業(yè)用電的頻率是 50Hz，一般國內(nèi)的異步電動機的額定頻率都為 50Hz。 10 （ 5） 額定轉(zhuǎn)速 n 指電動機在額定電壓、額定頻率下，軸端輸出額定功率時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速值，單位為 r/min。 （ 6） 功率因數(shù) 指電動機在額定負載情況下，定子邊的功率因數(shù)值。 三相異步電動機的定子上裝有三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子繞組是一個自身短路的多相繞組。異步電動機運行時，將定子繞組接到三相交流電源上，在電機的氣隙中建立一個旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速為同步速 n1=60f1/p，如圖 21 所示的，是一簡單的二極異步電機的示意圖。 n 1SN 圖 21 異步電動機工作原理 圖中， N 和 S 表示旋轉(zhuǎn)磁場的兩極，并以同步速 n1逆時針方向旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割轉(zhuǎn)子上的導條，根據(jù)電磁感應定律，此時轉(zhuǎn)子的導條內(nèi)會產(chǎn)生感應電勢。因為轉(zhuǎn)子繞組自身短路，因而在轉(zhuǎn)子導條中會有電流流過。根據(jù)右手定則，可以判斷轉(zhuǎn)子導條中電勢和電流的方向。又根據(jù)電磁力定律，載流的導條在旋轉(zhuǎn)磁場中必然受到電磁力的作用，電磁力的方向由左手定則決定。由此可以判斷圖 21 中作用于轉(zhuǎn)子導條上的電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同，也是逆時針方向。如果電磁轉(zhuǎn)矩足以克服轉(zhuǎn)子上的負載轉(zhuǎn)矩 (包括電機本身 的控制制動轉(zhuǎn)矩 )，轉(zhuǎn)子就可以在逆時針方向加速旋轉(zhuǎn)了。當電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡時，異步電動機就處于穩(wěn)定運行狀態(tài)運行，此時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 為某一穩(wěn)定值。一般情況下，轉(zhuǎn)子的 n 轉(zhuǎn)速總是略小于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速 n1，因為轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場之間必須有相對運動才能在轉(zhuǎn)子繞組里產(chǎn)生感應電勢和感應電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。正是由于異步電動機靠自身的電磁轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 不可能達到其同步速 n1,異步電動機的名稱才由此而得。 我們把同步轉(zhuǎn)速 n1，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 的差值叫做轉(zhuǎn)速差 ?n，即 ?n=n1?n。將 ?n 表示為同步轉(zhuǎn)速 n的百分值，稱為轉(zhuǎn)差率（也叫轉(zhuǎn)差或者滑差），用 s 表示，即 ： s = ?nn1 = n1? nn1 （ 21） 11 s 是異步電動機的一個基本參數(shù)， 它是表征異步電機運行狀態(tài)和運行性能的一個基本變量 。 不難看出， 當 n=0 時， s=1，當 n= n1時， s=0；當 nn1 時， s0；當轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場反向時， n取負值，此時 s1。 異步電機的靜態(tài)數(shù)學模型 （ 1） 異步電動機的在調(diào)速時需要進行電壓 (電流 )和頻率的協(xié)調(diào)控制，因而有電壓(電流 )和頻率兩個獨立的輸入變量。由于它只有一個三相輸入電源，磁通的建立和轉(zhuǎn)速的變化是同時進行的，在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的同時，為了獲得較大的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，也需要對磁通施加某種控制?？梢姡惒诫妱訖C是一個多變量的輸入、輸出系統(tǒng)。而電壓 (電流 )、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又互相有影響，所以它又是一個強耦合的多變量系統(tǒng) [12]。 （ 2） 異步電動機中，電流和磁通共同作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘以磁通得到感應電勢，而它們又都是變化的，因而即使不考慮磁飽和等因素，數(shù)學模型也是非線 性的。 （ 3） 三相異步電動機定子有三個繞組，轉(zhuǎn)子也可等效為三個繞組，每個繞組產(chǎn)生磁通時都有自己的電磁慣性，再加上運動系統(tǒng)的機電慣性，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系，即使不考慮變頻裝置的滯后因素，也是一個八階系統(tǒng) [15]。 總的來說，異步電動機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。 異步電動機內(nèi)部發(fā)生的各種能量轉(zhuǎn)換涉及電、磁和機械力三種物理量并且遵守能量守恒關(guān)系，反映在電磁和機械力方面分別為電勢平衡關(guān)系、磁勢 平 衡關(guān)系和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系。 三相定子繞組電壓方程： ????????????????dtdΨRiudtdΨRiudtdRiuCsCCBsBBAsAA (22) 與此應地，三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為： 12 ??????????????????dtdRiudtbdRiudtdRiucrccrbbaraa (23) 式中 ： uA， uB， uC， ua， ub， uc一定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值； iA， iB， iC， ia， ib， ic一定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值； A? ， B? ， C? ， a? ， b? ， c? 一各相繞組的全磁鏈； Rs, Rr一定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻 。 每個繞組的磁鏈是它本身的自感磁鏈和其它繞組對它的互感磁鏈之和。因此，六個繞組的磁鏈可表達為： ???????????????????????????????????????????????????????????????????cbaCBAcccbcacCcBcAbcbbbabCbBbAacabaaaCaBaACcCbCaCCCBCABcBbBaBCBBBAAcAbAaACABAAcbaCBAiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL （ 24） 或者寫成 Ψ = Li 式中， L 是 6x6 電感矩陣，其中對角線元素 LAA、 LBB、 LCC、 Laa、 Lbb、 Lcc 是各有關(guān)繞組的自感，其余各項則是繞組間的互感。 與電機繞組交鏈的磁通有兩類：一類是只與某一相繞組交鏈而不穿過氣隙的漏磁通，另一類是穿過氣隙的相間互感磁通，后者是主要的?；ジ写磐ㄓ址譃閮深悾? （ 1） 定子三相彼此之間和轉(zhuǎn)子三相彼此之間位置是固定的，故互感為常值 。 （ 2） 定子任一相與轉(zhuǎn)子任一相間的位置是變化的，互感是角位移的函數(shù)。 在一般情況下，忽略電力拖動系統(tǒng)中的阻轉(zhuǎn)矩阻尼和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩時，電力拖動系統(tǒng)的運動方程是： eLpJTTnddt??? （ 25） 式中 TL一負載阻轉(zhuǎn)矩； J一機組的轉(zhuǎn)動慣量； np一極對數(shù) 假定線性磁路、磁動勢在空間按正弦分布，可得轉(zhuǎn)矩方程為 ： [ ( ) s i n ( )s i n ( 1 2 0 ) ( ) s i n ( 1 2 0 ) ]e p m s A a B b C c A b B c C aA c B b C bT n L i i i i i i i i i i i ii i i i i i???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? （ 26） 13 其中 np為