【導讀】諧波分析等方面的研究。要求學生利用電機學、電力電子、電機控制等理論知識。主電路拓撲及其控制的工作原理和參數(shù)設計。制方法及調(diào)制策略研究、系統(tǒng)諧波分析等。5KW三相異步電機變頻調(diào)速主回路的設計。PWM整流逆變器控制策略的仿真研究。SPWM電壓源型逆變電路輸出電壓的諧波分析。要資料交指導教師審閱，由指導教師寫出審閱意見。學生答辯時對自述部分應寫出書面提綱，內(nèi)容包括課題的任務、目的和意義，所采用的原始資料或參考文獻、設計的基本內(nèi)容和主要方法、成果結(jié)論和評價。排版合理，無錯別字，不允許抄襲。弧連接光滑，尺寸標注規(guī)范，文字注釋必須使用工程字書寫。畫，必須按國家規(guī)定的標準或工程要求繪制。對比國內(nèi)外變頻調(diào)速現(xiàn)狀，對其特點進行分析，本文將重點對于變頻。電路將要面對的四個領域發(fā)展進行研究。

　　

【正文】 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。 （ 2）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。 （ 3）相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。 （ 4）產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。 3 未來的發(fā)展方向 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強弱電混合、機電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換（整流、逆變），又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術(shù)必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有 關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應用技術(shù)問題，后者要解決（基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略）的硬、軟件開發(fā)問題（在目前狀況下主要全數(shù)字控制技術(shù)）。 其主要發(fā)展方向有如下幾項。 （ 1）實現(xiàn)高水平的控制?；陔妱訖C和機械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機械扭振補償?shù)?；基于現(xiàn)代理論的控制策略，有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設計方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡、專家系 統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、 23 自診斷技術(shù)等。 （ 2）開發(fā)清潔電能的變流器。所謂清潔電能變流器是指變流器的功率因數(shù)為 1，網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)有盡可能低的諧波分量，以減少對電網(wǎng)的公害和電動機的轉(zhuǎn)矩脈動。對中小容量變流器，提高開關(guān)頻率的 PWM 控制是有效的。對大容量變流器，在常規(guī)的開關(guān)頻率下，可改變電路結(jié)構(gòu)和控制方式，實現(xiàn)清潔電能的變換。 （ 3）縮小裝置的尺寸。緊湊型變流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模塊、緊湊型的光耦合器、高頻率的開關(guān)電源，以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。功率器件 冷卻方式的改變（如水冷、蒸發(fā)冷卻和熱管）對縮小裝置的尺寸也很有效。 （ 4）高速度的數(shù)字控制。以 32 位高速微處理器為基礎的數(shù)字控制模板有足夠的能力實現(xiàn)各種控制算法， Windows 操作系統(tǒng)的引入使得可自由設計，圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。 （ 5）模擬與計算機輔助設計（ CAD）技術(shù)。電機模擬器、負載模擬器以及各種 CAD 軟件的引入對變頻器的設計和測試提供了強有力的支持。 主要的研究開發(fā)項目有如下各項。 （ 1）數(shù)字控制的大功率交 交變頻器供電的傳動設備。 （ 2）大功率負載換流電流型逆變器供電的傳動設備在抽水蓄能 電站、大型風機和泵上的推廣應用。 （ 3）電壓型 GTO 逆變器在鐵路機車上的推廣應用。 （ 4）電壓型 IGBT、 IGCT 逆變器供電的傳動設備擴大功能，改善性能。如 4象限運行，帶有電極參數(shù)自測量與自設定和電機參數(shù)變化的自動補償以及無傳感器的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。 （ 5）風機和泵用高壓電動機的節(jié)能調(diào)速研究。眾所周知，風機和泵改用調(diào)速傳動后節(jié)約大量電力。特別是電壓電動機，容量大，節(jié)能效果更顯著。研究經(jīng)濟合理的高壓電動機調(diào)速方法是當今重大課題。 主要的研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)有如下各項。 （ 1）高壓、大電流技術(shù)：動態(tài)、靜態(tài) 均壓技術(shù)（ 6kV、 10kV 回路中 3 英寸晶閘管串聯(lián)，靜動態(tài)均壓系數(shù)大于 ）；均流技術(shù)，大功率晶閘管并聯(lián)的均流技術(shù)，均流系數(shù)大于 ）；浪涌吸收技術(shù)（ 10 kV、 6kV 回路中）；光控及電磁觸發(fā)技術(shù)（電 /光，光 /電變換技術(shù)）；導熱與散熱技術(shù)（主要解決導熱及散熱性 24 好、電流出力大的技術(shù)，如熱管散熱技術(shù)）；高壓、大電流系統(tǒng)保護技術(shù)（抗大電流電磁力結(jié)構(gòu)、絕緣設計）；等效負載模擬技術(shù)。 （ 2）新型電力電子器件的應用技術(shù)：可關(guān)斷驅(qū)動技術(shù)；雙 PWM 逆變技術(shù)；循環(huán)變流 / 電流型交 直 交（ CC / CSI0）變流技術(shù)（ 12 脈波變頻技術(shù)）；同步機交流勵磁變速運行技術(shù)；軟開關(guān) PWM 變流技術(shù)。 （ 3）全數(shù)字自動化控制技術(shù)：參數(shù)自設定技術(shù)；過程自優(yōu)化技術(shù)；故障自診斷技術(shù)；對象自辨識技術(shù)。 （ 4）現(xiàn)代控制技術(shù)：多變量解耦控制技術(shù)；矢量控制和直接力矩控制技術(shù)；自適應技術(shù)。 4 變頻調(diào)速技術(shù)的因應用 縱觀我國變頻調(diào)速技術(shù)的應用，總的說來走的是一個由試驗到實用，由零星到大范圍，由輔助系統(tǒng)到生產(chǎn)裝置，由單純考慮節(jié)能到全民改善工藝水平，由手動控制到自動控制，由于低壓中小容量到高壓大容量，一句話，由低級到高級的過程。 多年來，國家經(jīng)貿(mào)委一直會 同國家有關(guān)部門致力于變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)及推廣應用，在技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改造方面給予了重點扶持，組織了變頻調(diào)速技術(shù)的評測推薦工作，并把推廣應用變頻調(diào)速技術(shù)作為風機、水泵節(jié)能技改專項的重點投資方向，同時鼓勵單位開展統(tǒng)貸統(tǒng)還方式，抓開發(fā)、抓示范工程、抓推廣應用。國家成力了風機水泵節(jié)能中心，開展信息咨詢和培訓。 1995 ~ 1997 年 3 年間我國風機水泵變頻調(diào)速技術(shù)改造投入資金 億元，改造總?cè)萘窟_ 100 萬 kW，可年節(jié)電 7 億 kW? h，平均投資回收期約 2 年。 1997 年朱榕基總理在國家經(jīng)貿(mào)委上報的“關(guān)于風機、水泵節(jié)能改 造工作情況的報告”上明確指示“這件事抓得好”。 1998 年 1 月 1 日實施的《中華人民共和國節(jié)約能源法》第 39 條，已將變頻調(diào)速列入通用節(jié)能技術(shù)加以推廣。在國家經(jīng)貿(mào)委《“九五”資源節(jié)能綜合利用工作綱要》中，變頻調(diào)速已被列入重點組織實施的 10 項資源節(jié)約綜合利用技術(shù)改造示范工程之一。即將出臺的限制性政策規(guī)定：對新建和擴建工程需要調(diào)速運行的風機和水泵，一律不準采用擋板和閥門調(diào)節(jié)流量；對采用擋板和閥門調(diào)節(jié)流量的要分期、分批、有步驟地進行調(diào)速改造。 據(jù)有關(guān)資料表明，我國變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)取得了如下成績。 （ 1）變頻調(diào)速技術(shù)的應 用范圍已發(fā)展到新階段。石油、石化、機械、冶金等行業(yè)都經(jīng)過了單系統(tǒng)試用、大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用 3 個發(fā)展階段。 如 25 廣東茂名石化公司和九江石油化工廠現(xiàn)已發(fā)展到飲用常減壓和催裂化變頻裝置，取得了節(jié)能、增產(chǎn)的顯著效果；長春第一汽車廠 18 個專業(yè)廠的輸送機械、空壓機等設備應用了 162 臺變頻器，保證了新車的制造迅速達到了生產(chǎn)指標；新疆克拉瑪依油田在煉油、化工、供水、天然氣處理等系統(tǒng)中廣泛采用了變頻器，低壓變頻調(diào)速的普及率已達 70%；梅林水廠、太原鋼廠、邯鄲鋼廠等單位在水泵、風機機組上采用中壓變頻技術(shù)，保證了生產(chǎn)，節(jié)約了 能源等。 （ 2）變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。很多用戶實踐的結(jié)果證明，節(jié)電率一般在 10% ~ 30%，有的高達 40%，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點也得到解決。例如包鋼 1150 軋機采用變頻裝置后，年平均事故時間達到工作時間的 %以下，大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，且年節(jié)約電費約50 萬元；儀征化纖聯(lián)合公司共用了 300 臺變頻器，頻率精度達 %，做到了使用 3 年無一事故；烏魯木齊市熱力總公司在供熱系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速后，當年節(jié)電達 35%以上；石油系統(tǒng)從 80 年代末到 1997 年，油田和長輸管道在 用的變頻裝置已達 12 萬 kW，年節(jié)電量近 2 億 kW? h。 5 結(jié)束語 變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎技術(shù)、和節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)滲透到經(jīng)濟領域的所有技術(shù)部門中。我國以后在變頻調(diào)速技術(shù)方面應積極做的工作如下。 （ 1）應用變頻調(diào)速技術(shù)來改造傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)，節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量，獲得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。 （ 2）大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)，必需把我國變頻調(diào)速技術(shù)提高到一個新水平，縮小與世界先進水平的差距，提高自主開發(fā)能力，滿足國民經(jīng)濟重點工程建設和市場的需求。 （ 3）規(guī)范我國變頻調(diào)速技術(shù)方面的標準，提高產(chǎn)品可靠性工藝水平，實 現(xiàn)規(guī)?；?、標準化生產(chǎn) 。 26 20 世紀 60 年代中期 ,德國的 A Schonung 等人率先提出了脈寬調(diào)制變頻的思想 ,他們把通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應用于變頻調(diào)速中 ,為現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和實用化開辟了新的道路。從此 ,交流調(diào)速理論及應用技術(shù)大致沿下述四個方面發(fā)展。 電力電子器件的蓬勃發(fā)展 電力電子器件是現(xiàn)代交流調(diào)速裝置的支柱 ,其發(fā)展直接決定和影響交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。迄今為止 ,電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了分立換流關(guān)斷器件 (第一代 ) →自關(guān)斷器件 (第二代 ) →功率集成電路 PIC(第三代 ) →智能模塊 IPM(第四代 ) 四個階段。 20 世紀 80 年代中期以前 ,變頻裝置功率回路主要采用晶閘管元件。裝置的效率、可靠性、成本、體積均無法與同容量的直流調(diào)速裝置相比。 20 世紀 80 年代中期以后用第二代電力電子器件 GTR ( Giant Transistor) 、 GTO ( Gate TurnOff thyistor) 、 VDMOS IGBT( Insulated Gate BipolarTransis2tor) 等創(chuàng)造的變頻裝置在性能 與價格比上可以與直流調(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 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 90 年代至今 ,電力電子器件的發(fā)展進入了第四代。主要實用的第四代器件為 : (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 ,功率器件進入第三代以來 , GTR 器件已被淘汰不再使用。進入第四代后 ,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 世紀主宰器件。 需要指出的是 ,以上所述的全 控型開關(guān)功率器件主要應用于異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)中 ,其原因眾所周知。但是目前同步電動機變頻調(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一代變頻調(diào)速裝置 ,性價比一代高過一代。在人類社會進入信息化時代后 ,電力電子技術(shù)連同電力傳動控制與計算機技術(shù)一起仍是 21 世紀最重要的兩大技術(shù)。 脈寬調(diào)制 (PWM) 技術(shù) 27 脈寬調(diào)制 (PWM) 技術(shù)的發(fā)展和應用優(yōu)化了變頻裝置的性能 ,變頻調(diào)速系統(tǒng)采用 PWM 技術(shù)不僅能夠及時準確地實現(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)速時電機的轉(zhuǎn)矩脈動 ,提高了電機的工作效率 ,擴大了調(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)的應用克服了相控原理的所有弊端 ,使交流電動機定子得到了接近正弦波形的電壓和電流 ,提高了電機的功率因數(shù)和輸出功率?，F(xiàn)代 PWM 生成電路大多采用具有高度輸出口 HSO 的單片機 (如 80196) 及數(shù)字信號處理器 DSP(Digital Signal Processor) ,通過軟件編程生成 PWM。近年來 ,新型全數(shù)字化專用 PWM 生成芯片HEF4752 、 SL E4520MA818 等達到實用化 ,并已實際應用。 矢量變換控制技術(shù)及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) 眾所周知 ,直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性 ,其根本原因在于作為控制對象的他勵直流電動機電磁轉(zhuǎn)矩能夠容易而靈活地進行控制。而交流電動機是個多變量、非線性、強藕合的被控對象 ,作為變頻系統(tǒng)的控制對象 ——— 它是否可以模仿直流電動機轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律而加以控制呢 ? 1975 年 ,德國學者 F Blaschke 提出了矢量變換控制原理 ,成功地解決了交流電動機電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制 ,在定向于轉(zhuǎn)子磁通的基礎上 ,采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念實現(xiàn)了交流電動機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解藕 ,實現(xiàn)了將交流電動機的控制過程等效為直流電動機的控制過程 ,在理論上實現(xiàn)了重大突破 ,從而使得交流調(diào)速的動態(tài)和靜態(tài)性能完全可能同直流傳動系統(tǒng)相媲美。 矢量控制的關(guān)鍵是靜止坐標軸與旋轉(zhuǎn)坐標軸系之間的坐標變換 ,而兩坐標軸系之間的變換的關(guān)鍵是要找到兩坐標軸之間的夾角。目前 ,較為成熟的矢量變換控制法有 :轉(zhuǎn)子磁場定向矢量變 換控制 ,定子磁場定向矢量變換控制 ,滑差頻率矢量控制。受矢量控制的啟迪 ,近年來又派生出諸如多變量解藕控制、變結(jié)構(gòu)滑?？刂频确椒?。 1985 年 ,德國魯爾大學的 M Depenbrock 教授通過對瞬時空間理論的研究 ,提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論 [7 ] ,其原理是讓電動機的磁鏈矢量沿六邊形運動。隨后日本學者 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磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量 ,而是以轉(zhuǎn)矩和磁通的獨立跟蹤自調(diào)整并借助于轉(zhuǎn)矩的