【導(dǎo)讀】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)。主電路拓?fù)浼捌淇刂频墓ぷ髟砗蛥?shù)設(shè)計(jì)。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(jī)變頻調(diào)速主回路的設(shè)計(jì)。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(dǎo)教師審閱，由指導(dǎo)教師寫出審閱意見(jiàn)。學(xué)生答辯時(shí)對(duì)自述部分應(yīng)寫出書面提綱，內(nèi)容包括課題的任務(wù)、目的和意義，所采用的原始資料或參考文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和主要方法、成果結(jié)論和評(píng)價(jià)。排版合理，無(wú)錯(cuò)別字，不允許抄襲?；∵B接光滑，尺寸標(biāo)注規(guī)范，文字注釋必須使用工程字書寫。畫，必須按國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)或工程要求繪制。對(duì)比國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速現(xiàn)狀，對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行分析，本文將重點(diǎn)對(duì)于變頻。電路將要面對(duì)的四個(gè)領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)行研究。

　　

【正文】 機(jī)技術(shù)落后，國(guó)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(méi)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(dǎo)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(lái)的發(fā)展方向 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)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(wèn)題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問(wèn)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(kāi)發(fā)問(wèn)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(xiàng)。 （ 1）實(shí)現(xiàn)高水平的控制?；陔妱?dòng)機(jī)和機(jī)械模型的控制策略，有矢量控制、磁場(chǎng)控制、直接傳矩控制和機(jī)械扭振補(bǔ)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(yīng)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(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)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(luò)、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(kāi)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(fù)載側(cè)有盡可能低的諧波分量，以減少對(duì)電網(wǎng)的公害和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。對(duì)中小容量變流器，提高開(kāi)關(guān)頻率的 PWM 控制是有效的。對(duì)大容量變流器，在常規(guī)的開(kāi)關(guān)頻率下，可改變電路結(jié)構(gòu)和控制方式，實(shí)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(kāi)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(duì)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(chǔ)的數(shù)字控制模板有足夠的能力實(shí)現(xiàn)各種控制算法， Windows 操作系統(tǒng)的引入使得可自由設(shè)計(jì)，圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。 （ 5）模擬與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ CAD）技術(shù)。電機(jī)模擬器、負(fù)載模擬器以及各種 CAD 軟件的引入對(duì)變頻器的設(shè)計(jì)和測(cè)試提供了強(qiáng)有力的支持。 主要的研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目有如下各項(xiàng)。 （ 1）數(shù)字控制的大功率交 交變頻器供電的傳動(dòng)設(shè)備。 （ 2）大功率負(fù)載換流電流型逆變器供電的傳動(dòng)設(shè)備在抽水蓄能 電站、大型風(fēng)機(jī)和泵上的推廣應(yīng)用。 （ 3）電壓型 GTO 逆變器在鐵路機(jī)車上的推廣應(yīng)用。 （ 4）電壓型 IGBT、 IGCT 逆變器供電的傳動(dòng)設(shè)備擴(kuò)大功能，改善性能。如 4象限運(yùn)行，帶有電極參數(shù)自測(cè)量與自設(shè)定和電機(jī)參數(shù)變化的自動(dòng)補(bǔ)償以及無(wú)傳感器的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。 （ 5）風(fēng)機(jī)和泵用高壓電動(dòng)機(jī)的節(jié)能調(diào)速研究。眾所周知，風(fēng)機(jī)和泵改用調(diào)速傳動(dòng)后節(jié)約大量電力。特別是電壓電動(dòng)機(jī)，容量大，節(jié)能效果更顯著。研究經(jīng)濟(jì)合理的高壓電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法是當(dāng)今重大課題。 主要的研究?jī)?nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)有如下各項(xiàng)。 （ 1）高壓、大電流技術(shù)：動(dòng)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(dòng)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(dǎo)熱與散熱技術(shù)（主要解決導(dǎo)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(hù)技術(shù)（抗大電流電磁力結(jié)構(gòu)、絕緣設(shè)計(jì)）；等效負(fù)載模擬技術(shù)。 （ 2）新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)：可關(guān)斷驅(qū)動(dòng)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(jī)交流勵(lì)磁變速運(yùn)行技術(shù)；軟開(kāi)關(guān) PWM 變流技術(shù)。 （ 3）全數(shù)字自動(dòng)化控制技術(shù)：參數(shù)自設(shè)定技術(shù)；過(guò)程自優(yōu)化技術(shù)；故障自診斷技術(shù)；對(duì)象自辨識(shí)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(yīng)技術(shù)。 4 變頻調(diào)速技術(shù)的因應(yīng)用 縱觀我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，總的說(shuō)來(lái)走的是一個(gè)由試驗(yàn)到實(shí)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(dòng)控制到自動(dòng)控制，由于低壓中小容量到高壓大容量，一句話，由低級(jí)到高級(jí)的過(guò)程。 多年來(lái)，國(guó)家經(jīng)貿(mào)委一直會(huì) 同國(guó)家有關(guān)部門致力于變頻調(diào)速技術(shù)的開(kāi)發(fā)及推廣應(yīng)用，在技術(shù)開(kāi)發(fā)、技術(shù)改造方面給予了重點(diǎn)扶持，組織了變頻調(diào)速技術(shù)的評(píng)測(cè)推薦工作，并把推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)作為風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能技改專項(xiàng)的重點(diǎn)投資方向，同時(shí)鼓勵(lì)單位開(kāi)展統(tǒng)貸統(tǒng)還方式，抓開(kāi)發(fā)、抓示范工程、抓推廣應(yīng)用。國(guó)家成力了風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能中心，開(kāi)展信息咨詢和培訓(xùn)。 1995 ~ 1997 年 3 年間我國(guó)風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速技術(shù)改造投入資金 億元，改造總?cè)萘窟_(dá) 100 萬(wàn) 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(guó)家經(jīng)貿(mào)委上報(bào)的“關(guān)于風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能改 造工作情況的報(bào)告”上明確指示“這件事抓得好”。 1998 年 1 月 1 日實(shí)施的《中華人民共和國(guó)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(guó)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(diǎn)組織實(shí)施的 10 項(xiàng)資源節(jié)約綜合利用技術(shù)改造示范工程之一。即將出臺(tái)的限制性政策規(guī)定：對(duì)新建和擴(kuò)建工程需要調(diào)速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)和水泵，一律不準(zhǔn)采用擋板和閥門調(diào)節(jié)流量；對(duì)采用擋板和閥門調(diào)節(jié)流量的要分期、分批、有步驟地進(jìn)行調(diào)速改造。 據(jù)有關(guān)資料表明，我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)取得了如下成績(jī)。 （ 1）變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng) 用范圍已發(fā)展到新階段。石油、石化、機(jī)械、冶金等行業(yè)都經(jīng)過(guò)了單系統(tǒng)試用、大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用 3 個(gè)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(zhǎng)春第一汽車廠 18 個(gè)專業(yè)廠的輸送機(jī)械、空壓機(jī)等設(shè)備應(yīng)用了 162 臺(tái)變頻器，保證了新車的制造迅速達(dá)到了生產(chǎn)指標(biāo)；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(dá) 70%；梅林水廠、太原鋼廠、邯鄲鋼廠等單位在水泵、風(fēng)機(jī)機(jī)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(shí)踐的結(jié)果證明，節(jié)電率一般在 10% ~ 30%，有的高達(dá) 40%，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點(diǎn)也得到解決。例如包鋼 1150 軋機(jī)采用變頻裝置后，年平均事故時(shí)間達(dá)到工作時(shí)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(fèi)約50 萬(wàn)元；儀征化纖聯(lián)合公司共用了 300 臺(tái)變頻器，頻率精度達(dá) %，做到了使用 3 年無(wú)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(dāng)年節(jié)電達(dá) 35%以上；石油系統(tǒng)從 80 年代末到 1997 年，油田和長(zhǎng)輸管道在 用的變頻裝置已達(dá) 12 萬(wàn) kW，年節(jié)電量近 2 億 kW? h。 5 結(jié)束語(yǔ) 變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)、和節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)滲透到經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的所有技術(shù)部門中。我國(guó)以后在變頻調(diào)速技術(shù)方面應(yīng)積極做的工作如下。 （ 1）應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)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(jì)效益和社會(huì)效益。 （ 2）大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)，必需把我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)提高到一個(gè)新水平，縮小與世界先進(jìn)水平的差距，提高自主開(kāi)發(fā)能力，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)工程建設(shè)和市場(chǎng)的需求。 （ 3）規(guī)范我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)方面的標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)品可靠性工藝水平，實(shí) 現(xiàn)規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn) 。 26 20 世紀(jì) 60 年代中期 ,德國(guó)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(yīng)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(shí)用化開(kāi)辟了新的道路。從此 ,交流調(diào)速理論及應(yīng)用技術(shù)大致沿下述四個(gè)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(gè)階段。 20 世紀(jì) 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(wú)法與同容量的直流調(diào)速裝置相比。 20 世紀(jì) 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(jià)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(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)。 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(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。基本上可分為四類 , 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?，F(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。 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(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? 1985 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