【正文】 我們期望變頻器輸出的電壓波形是純粹的正弦波形，但就目前的技術，還不能制造功率大、體積小、輸出波形如同正弦波發(fā)生器那樣標準的可變頻變壓的逆變器。所以，基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。由于頻率提 f 1 Nf2f3f4n0Tf1 N f2 f3 f4恒 P 圖 基頻以上調(diào)速時的機械特性 高而電壓不變，氣隙磁動勢必然減弱，導致轉(zhuǎn)矩 T 減小。由式 ()可知，這將迫使磁通隨頻率升高而降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。這時，可以人為地把電壓 U1抬高一些，以便近似地補償定子壓降。 根據(jù)電機與拖動原理，在基頻以下調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)。在恒壓頻比的條件下改變頻率 f 時，我們能證明：機械特性基本上是平行下移的，如圖 所示，當轉(zhuǎn)矩 T 增大到最大值后，特性曲線就折回來了。當電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓 E1≈ f1，則得 E1/f1=常數(shù)。 因此，要實現(xiàn)變頻調(diào)速，在不損壞電機的條件下，充分利用鐵心，發(fā)揮電機轉(zhuǎn)矩的能力，應在變頻時保持每極磁通量φ MN 為額定值不變。 如果 f1 小于電機的額定頻率 f1N，那么氣隙磁通量中φ M 就會大于額定氣隙磁通量中φ MN。其三相交流異步電動機每相電動勢的有效值是： MNKE ????? 1111 () 式中： E1—— 氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值； K1—— 與繞組結構有關的常數(shù)； f1 —— 定子頻率； N1—— 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； φ M—— 每極氣隙磁通量； 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 13 － 由上式可見，如果定子每相電動勢的有效值 E1 不變，改變定子頻率時會出現(xiàn)下面兩種情況： 如果 f1 大于電機的額定頻率 f1N，那么氣隙磁通量中φ M 就會小于額定氣隙磁通量中φ MN。 從上述比較可以看出，與變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速相比，變頻調(diào)速可在寬廣的范 圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，并可獲得很好的起動和運行特性，是一種效率比較高的調(diào)速方法。 4) 對于低負載運行時間較多或起停運行較頻繁的場合，可以達到節(jié)電和保護電動機的目的。 2) 應用范圍廣，可用于籠型交流電動機。轉(zhuǎn)矩恒定時， s 基本不變，交流電動機的輸出功率 Pz=Mω =Mω s(1s)與輸入電磁功率 SM MP ?? 成比例變化，損耗基本沒有增加，是一種高效的調(diào)速方法。由此可以看出，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)差率 s 調(diào)速是一種耗能的調(diào)速方法，是低效率的調(diào)速方式。 交流電動機的輸出功率 PZ 的表達式為： MM sPPsMM ????? )1(n 0 ?? () 其中 M —— 電磁轉(zhuǎn)矩 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 12 － ω —— 電機旋轉(zhuǎn)磁場的速度 ω s—— 旋轉(zhuǎn)磁場的同步速度 s —— 轉(zhuǎn)差率 式 ()中 sPM 稱為交流電動機的轉(zhuǎn)差功率，這一部分功率主要消耗在轉(zhuǎn)子阻抗上。 本方法適用于不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械，如金屬切削機床、升降機、起重設備、風機、水泵等。 c) 接線簡單、控制方便，易維修、價格低。 優(yōu)點： a) 具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好。 (1)變極調(diào)速：變極調(diào)速一般是通過改變定子繞組的接線方式來改變電動機的定子繞組極對數(shù)，從而達到調(diào)速的目的。二者相差的程度用轉(zhuǎn)差率 s 來表示： 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 11 － 00n nns ?? () 一般交流電動機在額定負載時的轉(zhuǎn)差率約為 1%~9%。 在我國，工頻 f1=50Hz，電動機常見極對數(shù) p ＝ 1～ 4p 。若每相繞組有兩個線圈串聯(lián)，繞組的始端相差 60度空間角，則產(chǎn)生兩對極，即 p =2。以空間角，如圖 所示，則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有一對極，即 p =1。 NSFF 圖 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理圖 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n0 稱為同步轉(zhuǎn)速，其大小取決于電流頻率 f1 和磁場的極對數(shù) p 。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向相同，而磁場旋轉(zhuǎn)的方向與通入繞組的三相電流的相序有關。電磁力 F 的方向可由左手定則確定。電動勢的方向可由 右手定則確定。c ) ω t = 9 0 176。i wi vω t 圖 三相電流波形 三相電流共同產(chǎn)生的合成磁場將隨著電流的交變而在空間不斷地旋轉(zhuǎn)，即形成所謂的旋轉(zhuǎn)磁場，如圖 所示： ++V 2U 1W 2V 1U 2W 1NS+V 2U 1W 2V 1U 2W 1NS++V 2U 1W 2V 1U 2W 1NS++a ) ω t = 0 176。 假設將定子繞組聯(lián)接成星形，并接在三相電源上，繞組中便通入三相對稱電流： tIi mU ?sin? () 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 9 － )120sin ( ??? tIi mv ? () )1 2 0sin ( ??? tIi mw ? () 其波形如圖 所示： i01 8 0 176。 交流電動機是利用載流導體在磁場中產(chǎn)生電磁力的原理制成的?；h(huán)對軸也是絕緣的，滑環(huán)通過電刷將轉(zhuǎn)子繞組的三個首端引到機座上的接線盒里，以便在轉(zhuǎn)子電路中串入附加電阻，用來改善電動機的起動和調(diào)速性能。 (b)線繞式 其轉(zhuǎn)子鐵心與鼠籠式相同，不同的是在轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)嵌置對稱的三相繞組。 現(xiàn)在中、小型電動機更多地采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，即把熔化的鋁澆鑄在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，兩端的圓環(huán)及風扇也一并鑄成。轉(zhuǎn)子繞組根據(jù)其構造分為兩種形式：鼠籠式和線繞式。硅鋼片內(nèi)圓周表面沖有槽孔，用以嵌置定子繞組，定子繞組是定子中的電路部分，中、小型電動機一般采用漆包線繞制，其三相對稱繞組共有六個出線端，每相繞組的首端和末端分別用 D1， D2， D3和 D4， D5， D6標記，可以根據(jù)電源電壓和電動機的額定電壓把三相繞組接成星形或三角形，參見圖 ： 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 8 － D 2D 1D 3D 5D 4D 6D 2D 4D 6 D 1D 3D 5 圖 三相交流異步電動機接線柱的聯(lián)接 (2)轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子是電動機的旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和風扇等組成?，F(xiàn)分別介紹如下： 圖 三相交流電機的主要部件 (1)定子 定子是電動機的不動部分、它主要由鐵心、定子繞組和機座組成。 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 7 － 2 異步電機變頻調(diào)速的基本理論 三相交流電機的結構和工作原理 1. 三相交流電機的結構 三相交流電機的主要部件如圖 所示。 U/f 控制方式 的變頻調(diào)速系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路比較簡單，電機選擇通用標準異步電動機，因此其通用性比較強，性能 /價格比比較高。從總體上看我國電氣傳動的技術水平較 國際先進水平差距 10~15年，就目前而言，盡管變頻調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)在國內(nèi)還比較活躍，但是市場上的絕大部分產(chǎn)品還是被國外產(chǎn)品所占據(jù)，為此，我們需要密切關注國際變頻調(diào)速技術發(fā)展的趨勢，緊跟著國內(nèi)市場的需求，加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，努力研制出自己的產(chǎn)品。 目前變頻技術的發(fā)展趨勢 、展望 近幾年來對電力電子裝置控制技術的研究十分活躍，各種現(xiàn)代控制理論，如自適應控制、滑模控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡、以及智能控制 (如專家系統(tǒng)、模糊控制、遺傳算法、采用微分幾何理論的非線性解禍、魯棒觀察器，在某種指標意義下的最優(yōu)控制技術和尼奈奎斯特陣列設計方法等 )和無速度傳感器等高動態(tài)性能控制都是研究的熱點，這些研究必將把交流調(diào)速技術發(fā)展到一個新的水平?？刂葡到y(tǒng)的軟件化對 CPU芯片提出了更高的要求，為了實現(xiàn)高性能的交流調(diào)速，要進行矢量的坐標變換，磁通矢量的在線計算和自適應參數(shù)變化而修正磁通模型，以及內(nèi)部的加速度、速度、位置的重疊，外環(huán)控制的在線實時調(diào)節(jié)等，都需要存儲多種數(shù)據(jù)和快速實時處理大量信息。 STD 總線、工業(yè) PC 總線、現(xiàn)場總線以及 CAN 總線等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動化 應用領域起到了重要的作用。 DSP 芯片生產(chǎn)商主要有： Motorola 公司、 ADI 公司和 TI 公司，本課題采用的是 TI公司專為電機控制而研發(fā)的 TMS320F240 芯片。但是由于交流電機控 制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益復雜，這就需要高性能、高速度的新一代微處理器，于是出現(xiàn)了數(shù)字信號處理器 DSP(Digital Signal Processing)。例如由 Intel 公司 1983 年開發(fā)生產(chǎn)的 MCS96 系列是目前性能較高的單片機系列之一，適用于高速、高精度的工業(yè)控制。 全數(shù)字化高性能微處理器運用于電機控制 隨著計算機技術和電力電子器件制造技術的發(fā)展以及新型電路變換器的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代控制理論向交流調(diào)速領域的不斷滲透 ，特別是微型計算機及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電機調(diào)速技術正向高頻化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，為了滿足現(xiàn)代人們對數(shù)北華大學畢業(yè)設計（論文） － 5 － 字化信息的依賴，為了使交流調(diào)速系統(tǒng)與信息系統(tǒng)緊密結合，為了提高交流調(diào)速系統(tǒng)自身的性能，必須實現(xiàn)交流調(diào)速系統(tǒng)的全數(shù)字化控制。與矢量抓子制不同的是，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標變換，而是簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助 瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并與給定值比較得出差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制?？紤]到 異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標，利用從靜止坐標系到旋轉(zhuǎn)坐標系之間的變換，則可以把定子電流中勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標量獨立開來，進行分別控制。 其中，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)有： U/F 恒定、速度開環(huán)控制的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)和滑差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，這些雖然基本上解決了異步電機平滑調(diào)速的問題，然而，當生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能提出更高要求時，上述控制系統(tǒng)還是比直流調(diào)速系統(tǒng)略遜一籌。從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動最小，到消除噪音等， PWM 控制技術的發(fā)展經(jīng)歷了一個不 斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 4 － 在交流電機變頻調(diào)速中應用最為廣泛的是 PWM 控制，可以說 PWM 控制是交流調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，任何控制算法的最終實現(xiàn)幾乎都是以各種 PWM 控制方式來完成的。為此，交流異步電機以其獨有的結構簡單、耐用、運行穩(wěn)定可靠、轉(zhuǎn)動慣量小、制造成本低、維護少且方便、能夠運用于惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點，被廣泛運用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。 控制策略和控制理論的不斷發(fā)展 由直流電機的結構可知，直流電機的電樞磁勢和電機的勵磁是相 互正交的，可以對電樞的電流和磁通分別進行控制，從而能夠得到較理想的直流電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制性能。這些變頻調(diào)速技術的發(fā)展很大程度上依賴于大功率半導體器件的制造水平。交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類也很多，從早期提出的電壓源型變頻調(diào)速開始，相繼發(fā)展了電流源型，脈寬調(diào)制等各種變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。晶閘管具有體積小、重量輕、響應快、管壓低等優(yōu)點，從而使得交流電機調(diào)速技術有了飛躍發(fā) 展，出現(xiàn)了交流異步電機調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)。交流變頻調(diào)速的優(yōu)越性旱在20 世紀 20 年代就已被人們所認識，但受到元器件的限制，當時只能用閘流管構成逆變器，由于投資大，效率低，體積大而未能推廣。其主要原因有：電力電子技術的不斷北華大學畢業(yè)設計（論文） － 3 － 更新、控制策略和電機控制理論的不斷完善、以及全數(shù)字化高性能高速度的微處理器不斷發(fā)展等。正如 IT 產(chǎn)業(yè)不僅限于 PC 一樣，變頻器技術產(chǎn)業(yè)包括所有與變頻器技術相關的產(chǎn)業(yè)，如電力電子器件的生產(chǎn)、驅(qū)動保護集成電路的生產(chǎn)、電氣傳動與系統(tǒng)控制技術、工業(yè)應用等。在交流電機調(diào)速系統(tǒng)中，效率最高、性能最佳的是變頻調(diào)速系統(tǒng)，因此，對變頻調(diào)速的研究是當前電氣傳動研究中最為活躍、最有實際應用價值的工作。 在電力電子技術、計算機技術以及自動控制技術迅速發(fā)展的今天，電氣傳動技術正面臨著一場歷史性的革命。有資料表明，受資金、技術、能源價格的影響，我國能源利用效率比發(fā)達國家低很多。能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎，對于社會、經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高都起著極為重要的作用。在國內(nèi)，電機的總裝機容量已達 4 億千瓦，年耗電量達 6000 億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的 80%。就目前而言，電能是全世界消耗最多的能源之