【導(dǎo)讀】本課題進(jìn)行三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路、控制策略、系統(tǒng)仿真以及諧波分析等方面的研究。要求學(xué)生利用電機(jī)學(xué)、電力電子、電機(jī)控制等理論知識(shí)結(jié)合Matlab/simulink仿真工具，研究交流調(diào)速基本原理和發(fā)展趨勢(shì)、調(diào)速系統(tǒng)主電路拓?fù)浼捌淇刂频墓ぷ髟砗蛥?shù)設(shè)計(jì)。課題組全體成員通過(guò)方案論證優(yōu)化設(shè)計(jì)出三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)搭建仿真平臺(tái)。5KW三相異步電機(jī)變頻調(diào)速主回路的設(shè)計(jì)。SPWM電壓源型逆變電路輸出電壓的諧波分析。在中、小型和微型電機(jī)方面，已開(kāi)發(fā)和制成125個(gè)系列，900多個(gè)品種，幾千個(gè)規(guī)格的各種電機(jī)。在特殊電機(jī)方面，由于新的永磁材料的出現(xiàn)，制成許多高效節(jié)能、維護(hù)簡(jiǎn)單的永磁電機(jī)。由于電機(jī)和電力電子裝置、單片微型計(jì)算機(jī)相結(jié)合，出現(xiàn)了各種性能和形態(tài)迥異的“一體化電機(jī)”。

　　

【正文】 與直流調(diào)速裝置相媲美。隨著向大電流、高電壓、高頻化、集成化、模塊化方向繼續(xù)發(fā)展,第三代電力電子器件是20 世紀(jì)90 年代制造變頻器的主流產(chǎn)品, 中、小功率的變頻調(diào)速裝置( 1 —100kw) 主要是采用IGBT , 中、大功率的變頻調(diào)速裝置(1000 —10000kw) 采用GTO 器件。20 世紀(jì)90 年代至今,電力電子器件的發(fā)展進(jìn)入了第四代。主要實(shí)用的第四代器件為: (1) 高壓IGBT 器件, (2) IGCT( Insulated Gate ControlledTransistor) 器件, (3) IEGT ( Injection Enhanced Gate Transis2tor) 器件, (4) SGCT(Symmetrical Gate Commutated Thyristor)器件。由于GTR、GTO 器件本身存在的不可克服的缺陷,功率器件進(jìn)入第三代以來(lái), GTR 器件已被淘汰不再使用。進(jìn)入第四代后,GTO 器件也將被逐步淘汰。第四代電力電子器件模塊化更為成熟。如智能化模塊IPM、專用功率器件模塊ASPM 等。模塊化功率器件將是21 世紀(jì)主宰器件。需要指出的是,以上所述的全控型開(kāi)關(guān)功率器件主要應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中,其原因眾所周知。但是目前同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中仍采用晶閘管,其原因也是眾所周知的。一代電力電子器件帶來(lái)一代變頻調(diào)速裝置,性價(jià)比一代高過(guò)一代。在人類社會(huì)進(jìn)入信息化時(shí)代后,電力電子技術(shù)連同電力傳動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)技術(shù)一起仍是21 世紀(jì)最重要的兩大技術(shù)。(PWM) 技術(shù)脈寬調(diào)制(PWM) 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用優(yōu)化了變頻裝置的性能,變頻調(diào)速系統(tǒng)采用PWM 技術(shù)不僅能夠及時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制要求,而且更重要的意義是抑制逆變器輸出電壓或電流中的諧波分量,從而降低或消除了變頻調(diào)速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),提高了電機(jī)的工作效率,擴(kuò)大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。脈寬調(diào)制(PWM) 技術(shù)種類很多,并且正在不斷發(fā)展之中?；旧峡煞譃樗念? 即等寬PWM 法、正弦PWM 法(SPWM) 、磁鏈追蹤型PWM 法及電流跟蹤型PWM 法。PWM 技術(shù)的應(yīng)用克服了相控原理的所有弊端,使交流電動(dòng)機(jī)定子得到了接近正弦波形的電壓和電流,提高了電機(jī)的功率因數(shù)和輸出功率。現(xiàn)代PWM 生成電路大多采用具有高度輸出口HSO 的單片機(jī)(如80196) 及數(shù)字信號(hào)處理器DSP(Digital Signal Processor) ,通過(guò)軟件編程生成PWM。近年來(lái),新型全數(shù)字化專用PWM 生成芯片HEF4752 、SL E4520MA818 等達(dá)到實(shí)用化,并已實(shí)際應(yīng)用。眾所周知,直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性,其根本原因在于作為控制對(duì)象的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩能夠容易而靈活地進(jìn)行控制。而交流電動(dòng)機(jī)是個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)藕合的被控對(duì)象,作為變頻系統(tǒng)的控制對(duì)象———它是否可以模仿直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律而加以控制呢?1975 年,德國(guó)學(xué)者F Blaschke 提出了矢量變換控制原理,成功地解決了交流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制,在定向于轉(zhuǎn)子磁通的基礎(chǔ)上,采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解藕,實(shí)現(xiàn)了將交流電動(dòng)機(jī)的控制過(guò)程等效為直流電動(dòng)機(jī)的控制過(guò)程,在理論上實(shí)現(xiàn)了重大突破,從而使得交流調(diào)速的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能完全可能同直流傳動(dòng)系統(tǒng)相媲美。矢量控制的關(guān)鍵是靜止坐標(biāo)軸與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系之間的坐標(biāo)變換,而兩坐標(biāo)軸系之間的變換的關(guān)鍵是要找到兩坐標(biāo)軸之間的夾角。目前,較為成熟的矢量變換控制法有:轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量變換控制,定子磁場(chǎng)定向矢量變換控制,滑差頻率矢量控制。受矢量控制的啟迪,近年來(lái)又派生出諸如多變量解藕控制、變結(jié)構(gòu)滑?？刂频确椒ā?985 年,德國(guó)魯爾大學(xué)的M Depenbrock 教授通過(guò)對(duì)瞬時(shí)空間理論的研究,提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論[7 ] ,其原理是讓電動(dòng)機(jī)的磁鏈?zhǔn)噶垦亓呅芜\(yùn)動(dòng)。隨后日本學(xué)者I Taka2hashi 提出了磁鏈軌跡的圓形方案。與矢量變換控制不同,直接轉(zhuǎn)矩控制不須考慮如何將定子電流分解為勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量,而是以轉(zhuǎn)矩和磁通的獨(dú)立跟蹤自調(diào)整并借助于轉(zhuǎn)矩的Band Band 控制來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁通直接控制。從理論上看(在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型) ,直接轉(zhuǎn)矩控制是控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩,而電機(jī)主要控制的是轉(zhuǎn)矩,控制了轉(zhuǎn)矩,也就控制了速度。由于采用轉(zhuǎn)矩直接控制,可使逆變器切換頻率低,電機(jī)磁場(chǎng)接近圓形,諧波小,損耗小,噪聲及溫升均比一般逆變器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)小的多。多年的實(shí)際應(yīng)用表明,與矢量控制法相比直接轉(zhuǎn)矩控制可獲得更大的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此,交流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制也是一種很有前途的控制技術(shù)。目前,采用IG2BT、IGCT 的直接轉(zhuǎn)矩控制方式的變頻調(diào)速裝置已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及交通運(yùn)輸部門中。隨著微機(jī)控制技術(shù),特別是以單片微機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理器DSP 為控制核心的微機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的控制回路由模擬控制迅速走向數(shù)字控制。當(dāng)今模擬控制器已被淘汰,全數(shù)字化的交流調(diào)速系統(tǒng)已普遍得到應(yīng)用。數(shù)字化使得控制器對(duì)信息處理能力大幅度提高,許多難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制,如矢量控制中的復(fù)雜坐標(biāo)變換運(yùn)算、解藕控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識(shí)的自適應(yīng)控制等,采用微機(jī)控制器后便都解決了。高性能的矢量控制系統(tǒng)如果沒(méi)有微機(jī)的支持是不可能真正實(shí)現(xiàn)的。此外,微機(jī)控制技術(shù)又給交流調(diào)速系統(tǒng)增加了多方面的功能,特別是故障診斷技術(shù)得到了完全的實(shí)現(xiàn)。微機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和操作、設(shè)置的多樣性和靈活性,降低了變頻調(diào)速裝置的成本和體積。以微處理器為核心的數(shù)字控制已成為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的主要特征之一。用于交流調(diào)速系統(tǒng)的微處理器的發(fā)展經(jīng)歷了單片機(jī)(MCS) →數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) →精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(Reduced Instruction Set ComputerRISC) 三個(gè)階段。交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展過(guò)程表明,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)發(fā)展的需要推動(dòng)了交流調(diào)速的飛速發(fā)展?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應(yīng)用,電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為交流調(diào)速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)條件。實(shí)踐證明,現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及節(jié)。調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,可以看出現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和動(dòng)向。十幾年的應(yīng)用實(shí)踐表明，矢量控制理論及其他現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用尚待隨著交流調(diào)速的發(fā)展而不斷完善，從而進(jìn)一步提高交流調(diào)速系統(tǒng)的控制性能。各種控制結(jié)構(gòu)所依據(jù)的都是被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因此，為了建立交流調(diào)速系統(tǒng)的合理使用的控制結(jié)構(gòu)，仍需對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)、特點(diǎn)及內(nèi)在規(guī)律做深入研究和探討。特別是交流調(diào)速系統(tǒng)的綜合與校正理論及工程設(shè)計(jì)方法是今后交流調(diào)速系統(tǒng)的重要研究課題。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的完全解耦，轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)模型和直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型完全一樣。然而轉(zhuǎn)子參數(shù)估計(jì)的不準(zhǔn)確及參數(shù)變化影響造成定向坐標(biāo)的偏移問(wèn)題，至今國(guó)內(nèi)外并未真正解決，因此轉(zhuǎn)子參數(shù)辨識(shí)及針對(duì)參數(shù)變化的自適應(yīng)控制是今后矢量控制研究的攻堅(jiān)課題。近幾年來(lái)，不依賴電機(jī)模型的模糊自尋優(yōu)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化控制方法開(kāi)始引入到交流調(diào)速系統(tǒng)中，成為交流調(diào)速控制理論、控制技術(shù)新的研究發(fā)展方向。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在應(yīng)用實(shí)踐中不斷完善和提高，其研究的主攻方向是解決低速時(shí)電機(jī)定子參數(shù)對(duì)磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡的影響；進(jìn)一步提高低速時(shí)的控制性能，擴(kuò)大調(diào)速范圍。取消通過(guò)機(jī)械連接的測(cè)速發(fā)電機(jī)及其它測(cè)速傳感器。實(shí)現(xiàn)無(wú)硬件測(cè)速傳感器的交流調(diào)速系統(tǒng)已有應(yīng)用，但轉(zhuǎn)速推斷精度和控制的實(shí)時(shí)性有待于進(jìn)一步深入研究和開(kāi)發(fā)。 PWM模式改進(jìn)與優(yōu)化研究近年來(lái)，隨著中壓變頻器的興起，對(duì)于電壓空間矢量控制PWM模式進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化研究，其中為解決三電平中壓變頻器中點(diǎn)電壓偏移問(wèn)題，研究了電壓矢量合成PWM模式(不產(chǎn)生中點(diǎn)電壓偏移時(shí)的電壓長(zhǎng)矢量、短矢量、零矢量的組合)，已取得了具有實(shí)用價(jià)值的研究成果；用于級(jí)聯(lián)式多電平中壓變頻器的脈沖移相PWM技術(shù)已有應(yīng)用。中壓是指電壓等級(jí)為2300～10000V，中、大功率是指功率等級(jí)在300KW以上。中壓、大容量的交流調(diào)速系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)實(shí)踐已有20多年了，逐步走上了實(shí)際應(yīng)用階段，尤其高壓全控型功率器件產(chǎn)生依賴，中壓變頻器的應(yīng)用趨勢(shì)迅速加快了。其中，目前應(yīng)用較多的是采用IGBT、IGCT三電平中壓變頻器及級(jí)聯(lián)式多電平中壓變頻器。當(dāng)今多電平中壓變頻器已成為交流調(diào)速研究的新領(lǐng)域，是熱點(diǎn)課題之一。中壓變頻器今后的發(fā)展方向和研究課題為：a. 裝置安全技術(shù)方面有，功率器件串聯(lián)技術(shù)，觸發(fā)技術(shù)，隔離技術(shù)，保護(hù)技術(shù)，遙控及通信技術(shù)，電磁兼容技術(shù)，諧波抑制技術(shù)等。b. 控制技術(shù)方面有，將矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)引入中壓變頻器，以及研究開(kāi)發(fā)適用于中壓變頻器的PWM技術(shù)。c. 中壓變頻器的發(fā)展受到了電力電子器件耐壓等級(jí)不高的限制。當(dāng)前，美國(guó)Gree公司、德國(guó)西門子公司、日本東芝公司，還有歐洲ABB公司等投入巨資研制一種硅化碳（SIC）電力電子器件，其PN結(jié)耐壓等級(jí)可達(dá)10KV以上。預(yù)計(jì)10年內(nèi)，碳化硅器件會(huì)有突破性的發(fā)展，新一代的中壓變頻器將隨之誕生。提高變頻器的輸出效率是電力電子技術(shù)發(fā)展中主要解決的重要問(wèn)題之一。提高變頻器輸出效率的主要措施是降低電力電子器件的開(kāi)關(guān)損耗。具體解決方法是開(kāi)發(fā)研制新型變頻器主電路，如20世紀(jì)80年代中期美國(guó)威斯康星大學(xué)Divan教授提出的諧振直流環(huán)逆變器，使電力電子器件在零電壓或零電流下轉(zhuǎn)換，即工作在所謂“軟開(kāi)關(guān)”的狀態(tài)下，從而使開(kāi)關(guān)損耗降低到零。基本諧振直流環(huán)逆變器如圖所示目前，電力電子逆變器正朝著高頻化、大功率方向發(fā)展，這使裝置內(nèi)部電壓、電流發(fā)生劇變，不但使器件成后很大的壓力、電力應(yīng)力，而且在輸入輸出引線及周圍空間里產(chǎn)生高頻電磁噪聲，引發(fā)電器設(shè)備誤動(dòng)作，這種公害稱為電磁干擾。今后幾年內(nèi)串并聯(lián)諧振式變頻器將有商品化產(chǎn)品推出。心得體會(huì)本學(xué)期到了大三要進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的階段。但那時(shí)對(duì)于剛剛上大三的我，對(duì)于畢業(yè)設(shè)計(jì)還是很陌生的。經(jīng)過(guò)了這將近一個(gè)學(xué)期的時(shí)間，我從一無(wú)所知，到找資料，再到課題的完成過(guò)程，都讓我受益匪淺。下面僅是我這半年來(lái)做畢業(yè)設(shè)計(jì)的一些心得體會(huì)。在課題布置后，我在較短的時(shí)間內(nèi)熟悉課題，確定了雙線自動(dòng)閉塞集中聯(lián)鎖車站接發(fā)列車人員的一次作業(yè)過(guò)程細(xì)則這一課題。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上和書(shū)籍上的資料快速地、大量地閱讀，在比較中來(lái)確定題目和論文初稿。在廣泛地瀏覽閱讀資料，當(dāng)遇到和自己所寫(xiě)內(nèi)容相關(guān)的問(wèn)題是就記下資料的綱目，記下資料中對(duì)自己影響最深刻的資料，記下腦海中涌現(xiàn)的點(diǎn)滴體會(huì)。接著將閱讀所得到的方方面面的內(nèi)容，進(jìn)行分類、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，材料可按綱目分類，如分成：聯(lián)鎖發(fā)展概況的資料；接發(fā)練車情況的資料；6502大氣集中聯(lián)鎖的資料。最后將自己在研究學(xué)習(xí)中的體會(huì)與資料分別加以比較，經(jīng)過(guò)幾番深思熟慮 把這種想法及時(shí)捕捉住，再作進(jìn)一步的思考，課題做起來(lái)也會(huì)比較得心應(yīng)手。收集有關(guān)接發(fā)列車資料時(shí)我學(xué)到了許多東西。讓我懂得了以前很多我不了解的知識(shí)。撰寫(xiě)畢業(yè)論文必須詳盡地占有資料，一篇一萬(wàn)字左右的論文寫(xiě)成，可能要搜集到幾萬(wàn)、甚至幾十萬(wàn)字的資料。資料是論文寫(xiě)作的基礎(chǔ)，沒(méi)有資料，“巧婦難為無(wú)米之炊”.研究無(wú)從著手，觀點(diǎn)無(wú)法成立，論文不可能形成。所以，詳盡地占有資料是畢業(yè)論文寫(xiě)作之前的另一項(xiàng)極重要的工作。在我收集資料的時(shí)候主要是通過(guò)以下途徑：第一是第一手資料。包括與論題直接有關(guān)的文字材料、數(shù)字材料(包括圖表)，譬如：統(tǒng)計(jì)材料、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等等。第二對(duì)有關(guān)該課題的最新動(dòng)態(tài)。對(duì)于他人的總結(jié)心得，并可以從中得到有益的啟發(fā)、借鑒和指導(dǎo)。第三，邊緣學(xué)科的材料。它可以使我研究的視野更開(kāi)闊，分析的方法更多樣。第四，背景材料。搜集和研究背景材料，這有助于開(kāi)闊思路，全面研究、提高論文的質(zhì)量。這次寫(xiě)論文的經(jīng)歷是我受益頗多，雖然這過(guò)程中經(jīng)歷的一次一次的修改，但在最后寫(xiě)出論文成稿時(shí)還是有成就感在心中的。這當(dāng)中多虧了我論文的指導(dǎo)老師李老師對(duì)我耐心的指導(dǎo)，在整個(gè)課題的完成上都給我提供很多建議和幫助。同時(shí)在研究課題的過(guò)程中，讓我深刻的認(rèn)識(shí)到了我所掌握的知識(shí)還很有限，還需要在平時(shí)多多積累與學(xué)科相關(guān)的知識(shí)。為以后的學(xué)習(xí)生活奠定基礎(chǔ)！成為一個(gè)對(duì)社會(huì)有用的人才。謝 辭經(jīng)過(guò)了數(shù)月的緊張工作，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文終于完成了。在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，許多老師和同學(xué)都給了我很大的幫助，特別是我的指導(dǎo)教師任濤老師，為我的設(shè)計(jì)過(guò)程提供了很多重要的參考資料，并在設(shè)計(jì)遇到問(wèn)題提給予了耐心的講解和指導(dǎo)。在此我向幫助過(guò)我的老師、同學(xué)表示深切的謝意。我的畢業(yè)設(shè)計(jì)中還有很多不足和錯(cuò)誤的地方，希望得到讀者、老師的批評(píng)得指正，我再次表示感謝。參考文獻(xiàn). 藏英杰等編. 機(jī)械工業(yè)出版社，1994－交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù). 馬小亮編. 機(jī)械工業(yè)出版社，19993. 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