【正文】 始建于1954年當(dāng)時第一批該專業(yè)范圍內(nèi)的學(xué)生從各大專院校畢業(yè)，同時在機(jī)械工業(yè)部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司，這就是后來天津電氣傳動設(shè)計研究所的前身。上個世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。近年來交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。不調(diào)速電動機(jī)直接由電網(wǎng)供電，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展這類原本不調(diào)速的機(jī)械越來越多地改用調(diào)速傳動以節(jié)約電能（節(jié)約15%～20%或更多），改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)量。電氣傳動關(guān)系到合理地使用電動機(jī)以節(jié)約電能和控制機(jī)械的運轉(zhuǎn)狀態(tài)（位置、速度、加速度等），實現(xiàn)電能機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。為了滿足高效、高能量密度、高精度、快速響應(yīng)、寬調(diào)節(jié)范圍、低諧波失真和低成本的要求，變頻調(diào)速技術(shù)從不控、半控強(qiáng)迫換流技術(shù)發(fā)展到普遍采用PWM控制和采用自關(guān)斷器件的變頻技術(shù)。尤其是電機(jī)轉(zhuǎn)速變換技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展主要是兩個方面:一是變頻調(diào)速系統(tǒng)所需器件的發(fā)展，因為變頻調(diào)速系統(tǒng)器件是變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)和源頭，變頻調(diào)速器件的性能的提高，促進(jìn)了變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，提高了變頻調(diào)速系統(tǒng)裝置的功率，減小了體積。變頻調(diào)速技術(shù)誕生至今已經(jīng)近50年，它對人類的文明起了巨大的推動作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。異步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)就是使用DSP器件及電子技術(shù)對異步電機(jī)進(jìn)行變頻和控制的技術(shù)。而本文研究的正是從異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，根據(jù)變頻調(diào)速原理從簡單到復(fù)雜，利用比較容易實現(xiàn)的正弦脈寬調(diào)制的方法調(diào)試了系統(tǒng)的部分硬件電路，然后根據(jù)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩的控制原理，對于近似圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩理論進(jìn)行了實驗分析。常用的方法有正弦波(調(diào)制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。它又分為諧振變頻和方波變頻。它分為直接變頻(又稱交―交變頻)，即把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的交流調(diào)速中。變頻技術(shù)在電源中的應(yīng)用，極大地減小了電源裝置的體積，提高了效率，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。變頻技術(shù)在供電電源方面的應(yīng)用主要是:（1)將過去用電機(jī)、變壓器產(chǎn)生交流電的地方用變頻電源取代。這一技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展為交流調(diào)速開拓了廣闊的天地。在交流調(diào)速領(lǐng)域中，應(yīng)用最廣的是交流變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)。在傳統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)下,由于功率器件性能的限制而使電機(jī)的性能受到影響。因此研究異步電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對于推動我國高性能變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用和重要的現(xiàn)實意義。當(dāng)前國外交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展十分迅速各大商場推出的交流調(diào)速系統(tǒng)層出不窮，與國外相比，我國交流調(diào)速控制方式的研究起步較晚，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，實際產(chǎn)品應(yīng)用出現(xiàn)更晚。而隨著電力電子和微處理器技術(shù)的發(fā)展，調(diào)速系統(tǒng)也成為發(fā)展的潮流和目標(biāo)。本設(shè)計就是采用SPWM方案。另一種是SPWM方案，SPWM方式的缺點是不易獲得較高的基波幅值比、開關(guān)損耗較大。目前該方法的應(yīng)用主要以離線控制方式實現(xiàn)，將其應(yīng)用于無需調(diào)節(jié)電壓大小的恒頻恒壓電源的控制是可行的。遺憾的是，迄今為止消諧方法還沒有真正進(jìn)入實際應(yīng)用。消諧PWM控制就是一種經(jīng)過計算的PWM控制策略，其基本方法是：通過PWM控制的傅里葉級數(shù)分析，得出傅里葉級數(shù)展開式，以脈沖相位角為未知數(shù)，令某些特定的諧波為零，便得到一個非線性方程組，該方程組即為消諧PWM模型，按模型求解的結(jié)果進(jìn)行控制，則輸出不含這些特定的低次諧波。利用PWM調(diào)制來調(diào)節(jié)輸出電壓和降低諧波含量是目前最為普及的技術(shù)，在中小功率逆變電源中應(yīng)用非常廣泛，PWM的生成方法也很多。而波形重構(gòu)方式往往需要多個逆變器來實現(xiàn)電壓的疊加。SPWM(正弦脈寬調(diào)制)是由控制回路產(chǎn)生一組等幅而不等寬的矩形脈沖序列，用來近似正弦電壓波。它們多與微處理器連接，完成外圍控制功能，但在系統(tǒng)構(gòu)成上仍然復(fù)雜。數(shù)字方法按照不同的數(shù)字模型用計算機(jī)算出各切換點，將其存入內(nèi)存，然后通過查表及必要的運算產(chǎn)生SPWM波，該方法調(diào)頻范圍不寬，且占用內(nèi)存大，與系統(tǒng)精度之間存在矛盾。生成SPWM常采用的方法有三種:一是完全由模擬電路生成；二是由數(shù)字電路生成；三是由專用集成芯片生成。TMS320F2808芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，集成了A/D轉(zhuǎn)換，廣泛采用流水線操作，可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。同時，系統(tǒng)中會有一系列的檢測、通訊、保護(hù)、故障處理電路，以保證本電源的安全穩(wěn)定。具有驅(qū)動電路簡單、可靠性高等優(yōu)點。功率器件采用三菱公司智能IGBT模塊。主回路工作時，因為功率器件開關(guān)頻率很高，開關(guān)動作時會在直流環(huán)節(jié)中產(chǎn)生電流突變，若直流環(huán)節(jié)存在電感，則可能在功率器件兩端產(chǎn)生很大的尖峰電壓，吸收緩沖電路的作用就是吸收消除此尖峰電壓。限流電阻只在電容剛開始充進(jìn)行限流，當(dāng)電容兩端的電壓充到一定值時，繼電器K吸合，把限流電阻R，短路。 圖32三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計框圖系統(tǒng)主電路采用典型交一直一交電壓源型變頻器結(jié)構(gòu)，整流環(huán)節(jié)采用單相橋式不控整流模塊，逆變電路功率器件采用IGBT，中間直流環(huán)節(jié)加大電容濾波以獲得平滑的直流電壓，電網(wǎng)電壓經(jīng)橋式整流后對直流母線上的濾波電容充電，串聯(lián)限流電阻R，是為限制過大的充電電流。2）通過改變逆變電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在主電路上進(jìn)行波形重構(gòu)以實現(xiàn)階梯波形輸出，減小低階高次諧波含量。逆變器是電力電子裝置中的重要組成部分，是不間斷電源、交流電氣傳動、中頻電源等許多設(shè)備的核心，因而其研究工作倍受人們的關(guān)注，研究的焦點是如何方便地調(diào)節(jié)逆變電源的輸出電壓和頻率，并降低諧波含量，改善輸出波形。 DC/AC：將直流電變?yōu)榻涣麟?，實現(xiàn)這一功能的變換電路，一般稱為逆變器。圖31交—直—交變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖AC/DC：將交流電變?yōu)橹绷麟?，實現(xiàn)這一功能的變換電路一般稱為整流電路。效率稍低。但是由于這種方法使用晶閘管數(shù)量較多，主回路復(fù)雜，且輸出頻率受電源頻率的限制，一般不能高于電網(wǎng)頻率的1/2,所以交—交變頻器在交流異步電機(jī)調(diào)速方面主要用于低速大功率傳動，特別是起動轉(zhuǎn)矩要求高的場合。其過程與可控整流器一樣，不需要附加換流元件，方法簡單，運行可靠。直接變頻又稱交—交變頻，是一種將工頻交流電直接變換為頻率可控的交流電，中間沒有直流環(huán)節(jié)的變頻形式；間接變頻又稱為交—直—交變頻，是將工頻交流電先經(jīng)過整流器整流成直流，再通過逆變器將直流變換成頻率可變的交流的變頻形式，因此這種變頻方式又被稱為有直流環(huán)節(jié)的變頻。本文重點介紹通用變頻器，按照上面的分類，其全稱應(yīng)該是交直交SPWM電壓型通用變頻器。高壓大容量變頻器高壓大容量變頻器主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種采用升、降壓變壓器稱之為“高低高”式變頻器，亦稱為間接高壓變頻器；另一種采用高壓大容量GTO晶閘管或晶閘管功率元件串聯(lián)結(jié)構(gòu)，無輸入，輸出變壓器，直接將高壓電流整流為直流，稱之為“高高”式變頻器，亦稱直接高壓變頻器。三、按電壓等級分類變頻器按電壓等級分為兩類：一種是變頻器電壓等級為340V~460V屬低壓型變頻器；第二種是高壓型變頻器，電壓等級為3Kv、6kV、10kV。PWMPWM(Pulse Width Modulation)方式是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各個脈沖的等值電壓為正弦波狀，輸出電壓或電流波形平滑且低次諧波少。圖28交交變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)二、按變頻器輸出電壓（或電流）的方法分類PAM所謂PAM(Pulse Amplitude Modulation),是一種改變電壓源的電壓或電流源電流的幅值，進(jìn)行輸出控制的方式。而且，交交變頻輸出波形與頻率有關(guān)，頻率越低，波形越接近正弦波，頻率一高，波形就失真了，甚至嚴(yán)重畸變而導(dǎo)致力矩脈動嚴(yán)重，因此交交變頻只適合低頻低速運行。交交變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖28所示，它由三組反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變流器組成，采用電網(wǎng)自然換相原理，具有過載能力強(qiáng)、效率高、輸出波形好等優(yōu)點，但同時也存在著輸出頻率低（最高頻率小于1/2電網(wǎng)頻率）、電網(wǎng)功率因數(shù)低、旁頻諧波影響等缺點，交交變頻分為有環(huán)流方式和無環(huán)流方式，可驅(qū)動同步電動機(jī)或異步電動機(jī)。 圖26 交直交電壓型變頻器主回路圖27 交直交電流型變頻器原理圖電感型負(fù)載不容許電流突變，如果用電流型做脈寬調(diào)制則很快的開關(guān)速度會導(dǎo)致過高的電流變化率，在負(fù)載上激發(fā)出很高的瞬時電壓，則可導(dǎo)致器件的過電壓擊穿，因此，用電流型濾波電路作SPWM變頻不適合電感負(fù)載。圖26為交直交電壓型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)。變頻器的種類很多，按以下幾種分類：一、按變換頻率的方法分類交直交變頻器交直交變頻器首先將恒定50Hz的交流經(jīng)整流，變換成直流，經(jīng)過濾波，再將平滑的直流逆變成頻率可調(diào)的交流。如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都不超過額定電流，則電機(jī)都能在溫度允許下長期運行，這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通量變化，按電力拖動原理，在基頻以下屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”，基頻以上為“恒功率調(diào)速”，通過以上分析，變頻調(diào)速可得幾乎與直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速相同“硬度”的機(jī)械特性。這樣，隨著運行頻率升高，比值下降氣隙磁通隨之減小，弱磁后額定電流時的轉(zhuǎn)矩將減小，特性變軟。由于小時，則定子電壓應(yīng)適當(dāng)提高，使，以近似補(bǔ)償由于定子阻抗引起的壓降，從而保證電機(jī)具有最大轉(zhuǎn)矩。但最大轉(zhuǎn)矩隨下降而減小，因為高時，和的數(shù)值較大，定子阻抗壓降所占比例小，所以；而低時，和數(shù)值較小，而電子阻抗壓降所占分量就比較大，使，則就小，就下降，這對于滿載或者過載啟動很不利，但對于風(fēng)機(jī)水泵類機(jī)械負(fù)載很合適。磁通量太小，浪費鐵芯，太大則導(dǎo)致勵磁電流過大，甚至過熱損壞電機(jī)。改變電流頻率 就能改變轉(zhuǎn)速 ，從而實現(xiàn)調(diào)速，這就是變頻調(diào)速。 b. 改變轉(zhuǎn)差率，會帶來較大的轉(zhuǎn)差損耗，效率降低，調(diào)速范圍受影響。 未來電動機(jī)將會沿著體積更小、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率更高、控制更靈活的方向繼續(xù)發(fā)展。隨著電工技術(shù)的發(fā)展，對電能的轉(zhuǎn)換、控制以及高效使用的要求越來越高。除此之外，由于交流電力拖動具有調(diào)速性能優(yōu)良，維修費用低等優(yōu)點，將廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)電氣自動化領(lǐng)域中，并逐步取代直流電力拖動而成為電力拖動的主流。尤其是70年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，為交流電力拖動的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。 雖然直流電動機(jī)具有調(diào)速性能優(yōu)異這一突出特點，但是由于它具有電刷與換向器（又稱整流子），使得他的故障率較高，電動機(jī)的使用環(huán)境也受到了限制（如不能在有易爆氣體及塵埃多的場合使用），其電壓等級，額定轉(zhuǎn)速，單機(jī)容量的發(fā)展也受到了限制。在交流電出現(xiàn)以前，直流電力拖動是唯一的一種電力拖動方式，19世紀(jì)末期，由于研制出了經(jīng)濟(jì)實用的交流電動機(jī)，致使交流電力拖動在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，特別是精密機(jī)械加工與冶金工業(yè)生產(chǎn)過程的進(jìn)步，對電力拖動在起動，制動，正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度與范圍等靜態(tài)特性和動態(tài)響應(yīng)方面提出了新的，更高的要求。 按照電動機(jī)的種類不同，電力拖動系統(tǒng)分為直流電力拖動系統(tǒng)和交流電力拖動系統(tǒng)兩大類。拖動各種生產(chǎn)機(jī)械運轉(zhuǎn)，可以采用氣動，液壓傳動和電力拖動。電動機(jī)的功能是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，它可以作為拖動各種生產(chǎn)機(jī)械的動力，是國民經(jīng)濟(jì)各部門應(yīng)用最多的動力機(jī)械。它是隨著生產(chǎn)力的發(fā)展而發(fā)展的，反過來，電動機(jī)的發(fā)展也促進(jìn)了社會生產(chǎn)力的不斷提高。 、低速電動機(jī)、恒速電動機(jī)、調(diào)速電動機(jī)。控制用電動機(jī)又分為步進(jìn)電動機(jī)和伺服電動機(jī)等。電動機(jī)按用途可分為驅(qū)動用電動機(jī)和控制用電動機(jī)。 、電容運轉(zhuǎn)式電動機(jī)、電容起動運轉(zhuǎn)式電動機(jī)和分相式電動機(jī)。感應(yīng)電動機(jī)又分為三相異步電動機(jī)、單相異步電動機(jī)和罩極異步電動機(jī)。 同步電動機(jī)還可分為永磁同步電動機(jī)、磁阻同步電動機(jī)和磁滯同步電動機(jī)。其中交流電動機(jī)還分為單相電動機(jī)和三相電動機(jī)。b. 電機(jī)的種類電動機(jī)機(jī)應(yīng)用廣泛，種類繁多、性能各異，分類方法也很多。只有給電機(jī)輸入能量，它才會輸出能量，并且在其輸入和輸出的能量中至少應(yīng)該有一方是電能。我國是一個擁有十多億人口的大國，水力、煤炭等資源十分豐富，相信在今后，電力和電機(jī)制造工業(yè) 將會得到最快的發(fā)展。為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，從而研制出多種調(diào)速性能優(yōu)良、效率高、能滿足不同要求的交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用場合的要求和電源的不同，電動機(jī)有直流電動機(jī)、交流同步電動機(jī)、交流感應(yīng)電動機(jī)，以及滿足不同需求的控制電機(jī)和特種電動機(jī)。電動機(jī)作為原動機(jī)，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，大至冶金企業(yè)使用的高達(dá)上萬千瓦的電動機(jī)，小至小功率電動機(jī)、乃至幾瓦的為電動機(jī)。從放電量看，已居世界第二位。到1999年，,年總發(fā)電量為12300億KW利用水力資源，和水輪機(jī)配合，可制成水輪發(fā)電機(jī)；利用煤、石油等資源的熱能，和鍋爐，汽輪機(jī)配合，可制成汽輪發(fā)電機(jī)。電力變壓器則是將一種交流變壓、電流轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓、電流的靜止電器。第一類是發(fā)電機(jī)，它把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能；通過原動機(jī)先把各類一次能源蘊藏的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后通過發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)輸、配電網(wǎng)絡(luò)送往城市各工礦企業(yè)、家庭等各種用電場合。電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換或信號轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械裝置。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。近10年來，隨著