交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、摘 要現(xiàn)在流行的異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法可分為兩種：變頻調(diào)速和變壓調(diào)速，其中異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速應(yīng)用較多，它的調(diào)速方法可分為兩種：變頻變壓調(diào)速和矢量控制法，前者的控制方法相對(duì)簡單，有二十多年的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。因此應(yīng)用的比較多，目前市場上出售的變頻器多數(shù)都是采用這種控制方法。本設(shè)計(jì)采用恒壓變頻調(diào)速并在MTALAB運(yùn)行環(huán)境下進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)并運(yùn)行仿真模型得出結(jié)論。 關(guān)鍵詞: 交流調(diào)速系統(tǒng), 異步電動(dòng)機(jī), PWM技術(shù) MATLAB.目 錄摘 要1第一章 前言31.1 設(shè)計(jì)的目的和意義31.2變頻器調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理3第二章 交流異步電動(dòng)機(jī)42.1交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速基本原理42.2 變頻變壓（VVVF）調(diào)速時(shí)電

2、動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性52.3變壓變頻運(yùn)行時(shí)機(jī)械特性分折6第三章 變頻技術(shù)簡介和控制方法103.1 變頻調(diào)速技術(shù)簡介103.2變頻器工作原理及分類113.3 交流調(diào)速的基本控制方法173.4脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)20第四章 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真和實(shí)現(xiàn)234.1 MATLAB的編程環(huán)境234.2仿真結(jié)果27結(jié)論28致 謝29參考文獻(xiàn)30第一章 緒論1.1 設(shè)計(jì)的目的和意義 近年來，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。

3、電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的走向，具有十分積極的意義1.2變頻器調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理 實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置稱為變頻器。變頻器一般由整流器、濾波器、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及控制器（MCUDSP）等部分組成。首先將單相或三相交流電源通過整流器并經(jīng)電容濾波后，形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里，

4、通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調(diào)制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時(shí)進(jìn)行輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調(diào)速對(duì)Uf協(xié)調(diào)控制的要求。PWM的優(yōu)點(diǎn)是能消除或抑制低次諧波，使負(fù)載電機(jī)在近正弦波的交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈沖小，調(diào)速范圍寬。 采用PWM控制方式的電機(jī)轉(zhuǎn)速受到上限轉(zhuǎn)速的限制。如對(duì)壓縮機(jī)來講，一般不超過7000rrain。而采用PAM控制方式的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可提高15倍左右，這樣大大提高了快速增速和減速能力。同時(shí)，由于PAM在調(diào)整電壓時(shí)具有對(duì)電流波形的整形作用，因而可以獲得比PWM更高的效率。此外，在抗干擾方面也有著PWM無法比擬的優(yōu)越性，可抑制高次諧波的生成，減小對(duì)電網(wǎng)的污染

5、。采用該控制方式的變頻調(diào)速技術(shù)后，電機(jī)定子電流下降64 ，電源頻率降低30 ，出膠壓力降低57 。由電機(jī)理論可知，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速可表示為：n=60f 8（18）p第二章 交流異步電動(dòng)機(jī)交流異步電動(dòng)機(jī)廣泛使用在電梯的電氣控制系統(tǒng)中。實(shí)際上交流曳引電動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)交流鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。由于交流電力傳動(dòng)技術(shù)以及其控制理論的發(fā)展與提高，同時(shí)，大功率半導(dǎo)體器件（GTO、GTR等）技術(shù)的日趨完善，以及PLC、微電子、微處理器等技術(shù)在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得以充分地利用，使得結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)保養(yǎng)方便、價(jià)格低廉的交流異步電動(dòng)機(jī)在電梯的電力控制系統(tǒng)中又得以充分發(fā)揮其最大的效率。使用交流鼠籠式電動(dòng)機(jī)變頻變壓調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)的電梯

6、（VVVF交流調(diào)速電梯）在目前電梯的電氣控制應(yīng)用中具有領(lǐng)先地位。2.1交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速基本原理從電機(jī)及電力拖動(dòng)中可知，三相交流異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性可分成兩種：異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是指異步電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓UN和額定頻率fN下，按規(guī)定的接線方式接線，定子、轉(zhuǎn)子及外接電阻均為0時(shí)，討論轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem的關(guān)系：n=f（Tem）（見圖1）。異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性是指人為地改變電動(dòng)機(jī)參數(shù)或電源參數(shù)而得的機(jī)械特性。電動(dòng)機(jī)參數(shù)又可分為三類：1異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)2異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)3異步電動(dòng)機(jī)的輸入?yún)?shù)U1和f 1。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電阻、定子端電壓、磁極對(duì)數(shù)時(shí)的機(jī)械特性見圖（2）

7、 。 圖2.1 交流異步電機(jī)機(jī)械特性曲線交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為： 式中：f1為電源頻率；P為磁極對(duì)數(shù)；S為轉(zhuǎn)差率。交流異步電動(dòng)機(jī)定子繞組上的感應(yīng)電動(dòng)勢：式中：N1為定子繞組匝數(shù)；k1為繞組系數(shù)；m為氣隙合成磁通。圖2.2 異步電動(dòng)機(jī)S、U、P機(jī)械特性曲線忽略電動(dòng)機(jī)定子繞組的阻抗壓降，交流異步電動(dòng)機(jī)的端電壓：交流異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：式中：CT為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；I2 cos轉(zhuǎn)子電流有功分量。從電磁轉(zhuǎn)距公式可知，連續(xù)不斷地改變送入異步電動(dòng)機(jī)定子端的的供電電源頻率f1，則可連續(xù)地改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速： 。但是若U1不變，則f 1上升將會(huì)導(dǎo)致的m下降增加，這樣會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電

8、流有功分量I2cos的變化；電動(dòng)機(jī)效率會(huì)下降及電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)距Tm會(huì)變化等問題，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)?；蛘哂捎趂1 的減低會(huì)使m增大，導(dǎo)致電機(jī)磁路飽和使I0增大，即電動(dòng)機(jī)的銅耗PCu、和鐵耗PFe增大。 因此在電梯電氣控制系統(tǒng)中，要求變頻的同時(shí)，必須同時(shí)改變電動(dòng)機(jī)定子端輸入的端電壓，從而保持氣隙合成磁通m 近似不變。2.2 變頻變壓（VVVF）調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性根據(jù)端電壓和頻率不同的比例關(guān)系，將會(huì)有幾種不同的變頻調(diào)速方式。2.2.1比例控制方式：根據(jù)電壓公式 ，在忽略異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的阻抗壓降后可近似的得到： ，要維持m 不變的情況下，只要U1和f 1成比例的變化即可，從最大轉(zhuǎn)矩公

9、式中可研得知： 在低頻段時(shí)，由于定子繞組中的Xm，X1，X2以及L1，L2不可忽略，則將會(huì)增加使得最大轉(zhuǎn)矩Tm也將隨f 1的降低而降低就會(huì)將使低頻段時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq大大減小。這在電梯的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中是不希望出現(xiàn)的。2.2.2恒磁通控制方式要求調(diào)速范圍大、恒轉(zhuǎn)矩的電梯負(fù)載希望在整個(gè)調(diào)速范圍中保持Tem= C不變，按公式 進(jìn)行控制減小時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高輸入定子的端電壓U1，以補(bǔ)償異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的阻抗壓降。按Tem=C的恒磁通em=C控制方式，變頻時(shí)異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性見圖（3） 。這是電梯的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)要求和希望的。2.2.3恒功率控制方式這種控制方式是在變頻調(diào)速時(shí)，保持異步電動(dòng)機(jī)

10、定子繞組的電流為恒定值。即通過PI調(diào)節(jié)器和電流閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用而實(shí)現(xiàn)的。但這種控制方式僅僅適用負(fù)載變化不大的場合，而不適用于電梯的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)。由此可見，按Tem= C的恒磁通變頻的異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是電梯電力拖動(dòng)所需求的。2.3變壓變頻運(yùn)行時(shí)機(jī)械特性分折異步電動(dòng)機(jī)的T 型等效電路見圖4。圖2.3 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性曲線圖2.4 異步電動(dòng)機(jī)T型等效電路2.3.1電壓為額定值時(shí)改變頻率的機(jī)械特性 電源頻率f1的改變，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生兩方面的影響：一是改變同步轉(zhuǎn)速n1；二是改變電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。（1）當(dāng)f 1下降時(shí)，由于 ，所以f 1的下降會(huì)造成n1上升 （2）由于 ，所以f 1下降

11、時(shí)， X1，X2，Xm均會(huì)成正比下降。又由于PFe與f 21成正比，所以f1下降時(shí)會(huì)造成Xm下降。（3）因?yàn)閯?lì)磁電流 由于f 1的下降，會(huì)使I0的變化為非線性，在低頻段I0將急劇上升。（4）氣隙合成磁通m同是由勵(lì)磁電流I0所產(chǎn)生的。磁通大小取決于I0的大小以及電動(dòng)機(jī)磁路的狀況。由于電動(dòng)機(jī)的磁路一般設(shè)計(jì)在接近飽和的狀態(tài)，故頻率f 1下降時(shí)，m 會(huì)出現(xiàn)過飽和。這也是I0隨f 1下降急劇上升的原因。（5）轉(zhuǎn)子電流I2的大小決定于負(fù)載的大小。在額定負(fù)載下，當(dāng)f1下降時(shí)，m上升，cos2上升，所以I2會(huì)下降。（6） 因?yàn)槎ㄗ与娏鱅1=I0+（-I2），因此當(dāng)f1下降時(shí)，I1可能會(huì)出現(xiàn)變化。在低頻段重負(fù)載

12、下I1上升；在較高頻率段輕負(fù)載下I1下降。（7）f1的下降對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq的影響。因?yàn)?當(dāng)f 1處于較高頻率段時(shí)，隨著f1的下降Tq會(huì)出現(xiàn)急劇上升；在低頻段時(shí)隨著f1的下降Tq的上升將會(huì)趨緩。2.3.2頻率為額定值時(shí)改變電壓的機(jī)械特性改變輸入定子電壓U1，主要影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，并會(huì)對(duì)運(yùn)行時(shí)的I0，I2，m等產(chǎn)生影響。（1）I0的影響。因?yàn)楫?dāng)U1下降，I0也隨之下降。（2）氣隙合成磁通m的影響。由于電壓U1的下降，電機(jī)磁路處于非飽和的狀態(tài)，所以可以認(rèn)為m隨U1正比下降。（3）轉(zhuǎn)子電流I2的影響。I2的大小取決于負(fù)載的大小，在額定負(fù)載時(shí)，因?yàn)門N=Tem，當(dāng)U1下降時(shí)，I2上升。（4）定子電流I

13、1的影響。當(dāng)U1下降時(shí)，使I2上升，造成I1的變化，輕負(fù)載時(shí)I1則下降，重負(fù)載時(shí)I1則上升。（5）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq。因?yàn)楫?dāng)U1下降時(shí)，Tq隨U21成正比下降。（6）最大轉(zhuǎn)矩Tm。因?yàn)門m與U21成正比，電壓降低，會(huì)使電動(dòng)機(jī)過載能力下降。第三章 變頻技術(shù)簡介和控制方法3.1 變頻調(diào)速技術(shù)簡介 PWM 控制技術(shù)是電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)18。PWM 控制技術(shù)的原理是通過控制全控型半導(dǎo)體器件動(dòng)作，把直流電壓轉(zhuǎn)換成電壓脈沖序列，進(jìn)而通過控制電壓脈沖寬度與周期，最終實(shí)現(xiàn)變壓、變頻的一種控制技術(shù)，并且可以消除諧波。在交流變頻系統(tǒng)中，早期使用較多的控制技術(shù)是變壓變頻控制技術(shù)，通常把該控制技術(shù)分為兩種：

14、 1.把變壓和變頻分開完成，即把交流電變?yōu)橹绷麟娕c相控調(diào)壓同步進(jìn)行，然后逆變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電，脈沖幅值隨著信號(hào)幅度的變化而變化，這種前后分VVVF控制技術(shù)稱為脈沖幅值調(diào)制方式。 2.在逆變器中將變壓和變頻一起完成，變頻器主要由三部分組成：不可控流器、續(xù)流二極管、逆變器，由逆變器來完成變頻與變壓，這種控制技術(shù)稱為脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。由于其中的整流器不需要控制，即電路結(jié)構(gòu)得到簡化，尤其是相控整流被全波整流所取代，增大了輸入端的功率因數(shù)，降低了高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響。隨著 PWM 控制技術(shù)的不斷發(fā)展，PWM 控制技術(shù)可分為不同種類，基于控制思想上可分為四大類：（1）等脈寬 PWM 法，（2）正弦波 P

15、WM 法，即 SPWM 法，（3）電流跟蹤 PWM 法，（4）磁鏈追蹤型 PWM 法（SVPWM 法，也稱電壓空間矢量 PWM 法）。通過自然采樣法，對(duì)稱規(guī)則采樣法、特定諧波消去法，梯形調(diào)制技術(shù)，相位調(diào)制技術(shù)，面積等效法等 10 多種調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn) PWM 控制技術(shù)。等脈寬 PWM 法的原理是把每一相脈沖寬度均相等的脈沖列作為 PWM 波形，調(diào)頻采取的辦法是改變脈沖列的周期，調(diào)壓采用的方法是改變脈沖的寬度或占空比，采取適當(dāng)控制方法可以使電壓與頻率的協(xié)調(diào)變化。該方法缺點(diǎn)在于逆變器輸出電壓除了基波外，包含了很多的諧波分量。SPWM 法在克服等脈寬 PWM 法的缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了從電動(dòng)機(jī)供電電源的

16、角度出發(fā)，通常利用正弦波作為基準(zhǔn)的調(diào)制波，用等腰三角形作為載波，當(dāng)基準(zhǔn)正弦波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器的通斷時(shí)刻。經(jīng)典的異步電機(jī)調(diào)速方法包括變壓變頻控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。VVVF 優(yōu)勢在于控制電機(jī)的氣隙磁通，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩?zé)o法調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)差頻率控制是以電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程為依據(jù)的，在一定程度上控制著電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，并不能實(shí)現(xiàn)控制實(shí)際運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)矩。3.2變頻器工作原理及分類3.2.1變頻器的工作原理 所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管 GTR、絕緣柵雙極型晶體管 IGBT)將 50Hz 的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻(又稱交-交變

17、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；間接變頻(又稱交-直-交變頻)，即先將市電整流成直流，再變換為要求頻率的交流。變頻器的基本構(gòu)成如圖 2.1 所示，它由整流、濾波、逆變及控制回路等部分組成。交流電源經(jīng)整流、濾波后變成直流電源，控制回路有規(guī)律地控制逆變器的導(dǎo)通與截止，使之向異步電機(jī)輸出電壓和頻率可變的電源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)是開環(huán)的。對(duì)于速度精度和響應(yīng)快速性要求較高的系統(tǒng)，還需要由變頻器主回路及電機(jī)側(cè)檢測反饋信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算回路綜合后控制觸發(fā)回路，此時(shí)的系統(tǒng)是閉環(huán)的 圖3.1 變頻器基本構(gòu)成框圖 通用變頻器的分類方式多種多樣：按照電源性質(zhì)分可分為電壓型變頻器和

18、電流型變頻器；按照逆變器功率器件的開通方式不同，變頻器主要可分為方波形變頻器和脈沖寬度調(diào)制（PWM）變頻器；按電壓高低可將變頻器分為低壓變頻器和中壓變頻器；按交流-直流的轉(zhuǎn)換方式可分為交-直-交變頻器和交-交變頻器；按構(gòu)成逆變器電路的結(jié)構(gòu)，有常用的三相全波橋和單元串聯(lián) H 型變頻器，等等。同時(shí)，按照不同的具體運(yùn)用，變頻器可能還會(huì)出現(xiàn)各種不同的分類。它的分類大致如下： 圖3.2 變頻分類3.2.2交-交變頻器和交-直-交變頻器 從結(jié)構(gòu)上看，靜止變頻調(diào)速裝置可分為交-直-交變頻、交-交變頻兩種方式。前者適用于高速小容量電機(jī)，后者適用于低速大容量拖動(dòng)系統(tǒng)（低壓通用變頻輸出電壓為 380650V，輸出

19、功率為 0.75400kW，工作頻率為 0400Hz，它的主電路都采用交直交電路。）。只要設(shè)法改變?nèi)嘟涣麟妱?dòng)機(jī)的供電頻率 f, 就可以十分方便地改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n, 比改變極對(duì)數(shù) p 和轉(zhuǎn)差率 s 兩個(gè)參數(shù)簡單得多。交-交變頻器與交-直-交變頻器的結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖3.3 交-交變頻器圖3.4 交-直-交變頻器 交-交變頻器可將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可調(diào)節(jié)控制的交流電，又稱為直接變頻器。而交-直-交變頻器是先把電網(wǎng)的工頻交流電通過整流器變成直流電，通過中間濾波環(huán)節(jié)后，再把直流電逆變成頻率、電壓均可調(diào)節(jié)控制的交流電，因此又稱為間接變頻器。這兩類變頻器的主要特點(diǎn)比較如表 2.1 所

20、示.表 2.1 交-交變頻器與交-直-交變頻器的主要特點(diǎn)比較3.2.3電壓型與電流型交-直-交變頻器交-直-交變頻器是應(yīng)用最多的一種變頻器，由主電路和控制電路組成，主電路又包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)和逆變器。這兩類變頻器的主要特點(diǎn)比較如表2.2所示。表 2.2 電壓型與電流型交-直-交變頻器的主要特點(diǎn)比較 變頻調(diào)速時(shí)，需要同時(shí)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓和頻率，以保證電動(dòng)機(jī)主磁通的恒定。對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)，主要有PAM型和PWM型兩種方式。1、PAM方式脈沖幅值調(diào)節(jié)方式(pulse amplitude modulation，PAM)，是通過改變直流側(cè)的電壓幅值進(jìn)行調(diào)壓的。在變頻器中，逆變器只負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)輸出頻

21、率，而輸出電壓則由相控整流器或直流斬波器通過調(diào)節(jié)中間直流環(huán)節(jié)的直流電壓來實(shí)現(xiàn)。采用相控整流器調(diào)壓時(shí)，網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)在不考慮諧波影響時(shí)，功率因數(shù)可接近于1。2、PWM方式脈沖寬度調(diào)節(jié)方式(pulse width modulation，PWM)，變頻器中的整流器采用不可控的二極管整流，故功率因數(shù)較高。變頻器的輸出頻率和輸出電壓均由逆變器按PWM方式來完成。PWM方式的電路結(jié)構(gòu)如圖3.5。圖3.5 PWM方式的電路圖在實(shí)際生產(chǎn)過程中，PWM 電壓型變頻器使用得較為廣泛，故以 PWM 電壓型變頻器為模型介紹變頻器相關(guān)原理、結(jié)構(gòu)。圖 3.6所示為其基本原理圖。圖3.6 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速示意圖 由圖3.

22、6可以看出通用變頻器主要由主回路，控制回路及保護(hù)回路組成。下面具體對(duì)每一部分電路及變頻器控制方式進(jìn)行分析。（1） 主回路1）整流電路 PWM 電壓型變頻器中采用三相不可控二極管整流橋，它把工頻電源變換成直流電源，其電功率的傳送是不可逆的。在圖(2.3)的整流電路中，當(dāng)某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時(shí)，由電容向負(fù)載放電，輸出電壓按指數(shù)規(guī)律下降。2）中間直流環(huán)節(jié) 在整流器整流后的直流電壓中，含有六倍電源頻率的脈動(dòng)電壓，此外，逆變器回路產(chǎn)生的脈動(dòng)也使直流電壓波動(dòng)。為了抑制電流沖擊及電壓波動(dòng)，采用直流電抗器和電容器吸收

23、脈動(dòng)電流（電壓）。采用這種方法可使得輸出電壓近視為一條直線。同時(shí)，由于逆變器的負(fù)載是異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載。無論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)還是發(fā)電狀臺(tái)，其功率因數(shù)都不會(huì)是 1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率在進(jìn)行交換。而這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件電抗器或電容器來緩沖，所以通常又把中間直流環(huán)節(jié)稱為中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)3）逆變電路 同整流器相反，逆變器的作用是在所確定的時(shí)間內(nèi)有規(guī)律的使六個(gè)功率開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷，從而將直流功率變換成所需電壓和頻率的交流輸出功率。如圖3.7所示。 3.7 三相橋式PWM電路圖 3.7 中的三相橋式 PWM 逆變器電路采用 IGBT 作為開關(guān)器件，基本工

24、作方式為180導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為 180，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相導(dǎo)電的角度依次相差 120。 式（1） 式（1)中，U1 為正弦基波電壓幅值，1 為正弦基波角頻率，U1 為初相位角。三相調(diào)制波公用的載波為可實(shí)現(xiàn)雙邊調(diào)制的等腰三角形波。三相調(diào)制波公用的載波為可實(shí)現(xiàn)雙邊調(diào)制的等腰三角形波。 式（2）式（2）中為載波三角波的角頻率，其中為載波比；為載波三角波的幅值，其中為調(diào)制度。對(duì)于A相輸出來說：當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)；當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)。因此相電壓的波形的幅值為，其他兩相電壓幅值也相同，只是相角相差120度。負(fù)載線電壓可由式（3）算得。式（3） 設(shè)負(fù)載中點(diǎn) O與直流電源假設(shè)

25、中點(diǎn) O 之間的電壓為uOO ,則負(fù)載各相的相電壓分別為：式（4）把上面各式相加可得 式（5）(2)控制回路 控制回路向變頻器主回路提供各種控制信號(hào)，主要由決定U/F特性的頻率電壓“運(yùn)算回路”，主回路的“電壓/電流檢測回路”，電動(dòng)機(jī)的“轉(zhuǎn)速檢測回路”等組成，根據(jù)運(yùn)算回路的結(jié)果生成相應(yīng)的PWM脈沖，從而進(jìn)行IGBT管的導(dǎo)通與關(guān)斷的控制，得到變頻變壓的電源輸出。（3） 保護(hù)回路 變頻器控制回路中的保護(hù)回路，可分為變頻器保護(hù)和異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)兩類。變頻器保護(hù)包括瞬時(shí)過電流保護(hù)、過載保護(hù)、再生過電壓保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)冷卻風(fēng)機(jī)異常保護(hù)等；對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)主要包括過載保護(hù)和超頻（超速）保護(hù)兩大類。3.3

26、交流調(diào)速的基本控制方法 已知交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以表示為： n=60(1-s)/p 式（6） 可得，改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率 ，就可以改變旋轉(zhuǎn)磁通勢的同步轉(zhuǎn)速 ，達(dá)到異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的目的，這就是變頻調(diào)速的思路。從式（6）可知，轉(zhuǎn)速 與定子電壓的頻率 成線性正比例關(guān)系，平滑調(diào)節(jié) 就可以平滑調(diào)節(jié) ，實(shí)際上通過改變 并不能實(shí)現(xiàn)正常調(diào)速，在改變電子頻率 時(shí)，要同步改變定子電壓 ，即通過同時(shí)控制 和 達(dá)到不同類型調(diào)速的目的。由電機(jī)學(xué)知： 式（7） 式（8）式中， 每相中氣隙磁通感應(yīng)電動(dòng)勢有效值，單位為 V； 定子頻率，單位為 Hz； 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 基波繞組系數(shù)； 每極氣隙主磁通量，單位為 W

27、b；電磁轉(zhuǎn)矩，單位為 N.m；轉(zhuǎn)矩常數(shù)； 轉(zhuǎn)子電流折算至定子側(cè)的有效值，單位為 A； 轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)。假設(shè)對(duì)定子上的電阻壓降忽略不計(jì)，則可得到 式（9） 式（9）中 為定子相電壓。 如果只是改變 f s 進(jìn)行調(diào)速，設(shè) f s 上升，則將下降，進(jìn)而導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩 Te 下降，因而電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)能力會(huì)隨之降低，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載則會(huì)出現(xiàn)拖不動(dòng)而發(fā)生堵轉(zhuǎn)的問題；假設(shè)調(diào)節(jié) f s 下降，則 會(huì)上升。由式（9）可知，只要控制好 Eg 和 f s ，便可實(shí)現(xiàn)磁通保持不變。對(duì)此，需要考慮實(shí)現(xiàn)基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況的控制。1.基頻以下調(diào)速由式（9）可得，要保持 =常數(shù)，當(dāng)頻率 f s 從額定值 f

28、 sN 往下平滑調(diào)節(jié)，必須同時(shí)降低 Eg ，使得 Eg / f s = 常數(shù) 這是采用氣隙磁通感應(yīng)電動(dòng)勢與頻率之比為常數(shù)的控制方式。由于繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢是無法直接控制的，尤其在電動(dòng)勢值較高時(shí)，允許定子繞組的漏磁阻抗壓降忽略不計(jì)，即可得定子相電壓U s= Eg ，因此 U s / f s = 常數(shù)即恒壓頻比的控制方式。低頻時(shí)， U s 和 Eg 都較小，定子阻抗壓降所占的分量顯然可見，不能忽略。如何近似地補(bǔ)償定子壓降，這里所采取的辦法是人為地抬高電壓 U s 。在圖 2.5 中帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性曲線為 b 線，不帶定子壓降補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為 a 線圖2.6 恒壓頻比控制特性a)

29、不帶定子阻抗壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性b) 帶定子阻抗壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性2.基頻以上調(diào)速2基頻以上調(diào)速 將頻率 f s 向上調(diào)速時(shí)，電壓最大只能為U s = U sN ，即電壓U s 不能增加得比額定電壓U sN 還要大。由式（9）可得，這樣只能迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。 基于上述兩種情況，并把這兩種情況結(jié)合起來，即得到如圖 2.6 所示的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性。假設(shè)電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則在溫升允許條件下電機(jī)均可以長期運(yùn)行，此時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，根據(jù)電力拖動(dòng)原理，在基頻以下調(diào)速時(shí)，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)；而在基頻以上調(diào)速時(shí)，基本上

30、屬于“恒功率調(diào)速”。圖2.7 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速特性 利用電力半導(dǎo)體器件制成的變頻器，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的平滑調(diào)速過程。廣泛應(yīng)用于異步電機(jī)和同步電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行，在鼠籠式異步電機(jī)的應(yīng)用中更具優(yōu)勢。利用變頻器進(jìn)行調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)差率很小，則損耗小，效率提高。對(duì)定子頻率的改變，既可以實(shí)現(xiàn)在基頻以下調(diào)速又可以在基頻以上的調(diào)速，從而可以得到較寬的調(diào)速范圍。在閉環(huán)控制中控制定子頻率時(shí)可得到很高的轉(zhuǎn)矩并提高調(diào)速精度，廣泛應(yīng)用于多電機(jī)傳動(dòng)。 綜上可得，三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：（1）從基頻向下調(diào)速，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；從基頻向上調(diào)速，近似為恒功率調(diào)速方式；（2）調(diào)速范圍大；（3）轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好；（4）運(yùn)行時(shí)

31、s 小，效率高；（5）頻率 f s 可以連續(xù)調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速為無級(jí)調(diào)速。 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有很好的調(diào)速性能，其靜、動(dòng)態(tài)特性均可以與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速相媲美。變頻調(diào)速已具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)異性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域中。隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速系統(tǒng)在不久的將來會(huì)取得更加迅猛的發(fā)展。3.4脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)3.4.1 PWM控制技術(shù)的概述 所謂脈寬調(diào)制技術(shù)(Pulse Width Modulation-PWM)是指利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制并且消除諧波的技術(shù)，簡稱 PWM 技術(shù)。變頻調(diào)速系統(tǒng)采

32、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)的工作效率和調(diào)速系統(tǒng)性能。 目前，實(shí)際工程中主要采用的 PWM 技術(shù)是正弦 PWM(SPWM)，使變頻器輸出電壓或電流波形更接近于正弦波形。SPWM 方案多種多樣，歸納起來可以分為電壓正弦 PWM、電流正弦 PWM 和磁通正弦 PWM 等三種基本類型，其中電壓正弦 PWM和電流正弦 PWM 是從電源角度出發(fā)的 SPWM，磁通正弦 PWM(也稱為電壓空間矢量 PWM)是從電機(jī)角度出發(fā)的 SPWM。 以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻

33、率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄，中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波，如下圖所示。圖2.8 用PWM波代替正弦半波的原理圖按照波形面積相等的原則，每一個(gè)矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個(gè)序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（SPWM），這種序列的矩形波稱作 SPWM 波。如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的 SPWM 波也只處于一個(gè)極性的范

34、圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則 SPWM 波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。3.4.2 SPWM原理和指標(biāo)（1）SPWM的原理脈寬調(diào)制方法來源于通信系統(tǒng)中的載波調(diào)制技術(shù)。由于交流異步電動(dòng)機(jī)主磁極的磁通是按照正弦規(guī)律來設(shè)計(jì)和運(yùn)行的，為了使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能優(yōu)良，電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)通常采用正弦波脈沖寬度調(diào)制SPWM方法。圖2.8所示的是三角波單極性SPWM的原理。在電壓比較器A的“+”端輸入正弦波參考電壓Ura，在電壓比較器A的“-”端輸入三角波電壓Ut。這樣，當(dāng)UraUt時(shí)，電壓比較器的輸出為高電平；當(dāng)UraUt時(shí)，電壓比較器的輸出

35、為低電平，在電壓比較器的輸出端就得到了SPWM電壓脈沖序列。圖2.9單極性PWM波原理圖 在SPWM電壓脈沖序列中，各個(gè)脈沖的幅度相等而脈沖的寬度不相等，寬度的變化取決于兩個(gè)比較電壓U ra 和U t 的交點(diǎn)及點(diǎn)間的距離(時(shí)間)。在這個(gè)脈沖序列中，占空比按照正弦規(guī)律變化，因此脈沖序列的瞬時(shí)電壓平均值是按照正弦規(guī)律變化的。SPWM就是用幅值相等而寬度不等的矩形脈沖序列去逼近和等效我們所需的正弦交流信號(hào)。（2）調(diào)制指標(biāo) 由圖2.9可見，要獲得好的SPWM波形，參考信號(hào)U ra 的大小與載波信號(hào)U t 的大小存在一定的關(guān)聯(lián)，參考信號(hào)的頻率與載波信號(hào)的頻率關(guān)系著半個(gè)周期內(nèi)SPWM的脈沖數(shù)量。為表征這種

36、關(guān)系，定義調(diào)制度M和載波比N如下： 式中，U rm 是參考信號(hào)的最大值，U tm 是載波信號(hào)的最大值， ft 是載波信號(hào)的頻率，fr 是參考信號(hào)的頻率。通常M在0.109之間比較合適。N在理論上是越大越好，但實(shí)際上受到大功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率的限制，所以從這一意義上說，開關(guān)器件的性能如何對(duì)變頻調(diào)速性能有較大的影響。第四章 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真和實(shí)現(xiàn)4.1 MATLAB的編程環(huán)境4.1.1 系統(tǒng)仿真的應(yīng)用考慮到生產(chǎn)生活中大量的貴重元器件由于各種原因損壞了，在研究交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，因此我們想到了“系統(tǒng)仿真”。系統(tǒng)仿真是指使用數(shù)字計(jì)算機(jī)設(shè)備來模擬或描述一個(gè)系統(tǒng)或過程的行為從而解決問題

37、的一種技術(shù)。系統(tǒng)仿真通過設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的可以計(jì)算的模型(模擬模型)，并利用它在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)以了解系統(tǒng)行為或評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)用的各種策略，并做定量分析。仿真技術(shù)是集控制論、系統(tǒng)理論、相似原理、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的綜合性高科技。雖然它才僅僅出現(xiàn)幾十年，卻在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、軍事、教育和企業(yè)管理等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)估計(jì)，在日本企業(yè)，用系統(tǒng)工程解決的事件管理與決策的問題中，有 80以上是通過系統(tǒng)仿真方法解決的。在我國，目前也正在大力推廣和普及，并已在交通運(yùn)輸、軍事訓(xùn)練、地區(qū)發(fā)展規(guī)劃、工業(yè)過程設(shè)計(jì)、人口問題研究等方面取得了豐碩的成果。系統(tǒng)仿真如此蓬勃發(fā)展，一方面由于我們面臨的各種實(shí)際系統(tǒng)往往都是包括大

38、量隨機(jī)因素的動(dòng)態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)。對(duì)這些系統(tǒng)很難采用傳統(tǒng)方法建立數(shù)學(xué)模型，分析求解。另一方面是由于系統(tǒng)仿真方法具有可控性、無破壞性、安全、不受外界條件的限制等優(yōu)點(diǎn)，它能通過建立逼真的仿真模型和在計(jì)算機(jī)上反復(fù)的仿真試驗(yàn)，對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行綜合分析和比較，從而為科學(xué)決策提供可靠的依據(jù)。本文詳細(xì)研究變頻調(diào)速的 SPWM 控制方法，重點(diǎn)分析研究變頻器部件與電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)以及運(yùn)行條件的關(guān)系。通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)，研究了異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性以及系統(tǒng)參數(shù)變化等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，更證明了系統(tǒng)仿真的必要性和重要性，為新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的進(jìn)一步開發(fā)和利用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。4.1.2 MATLAB的簡介MATLAB是目前國際上最流行、應(yīng)用最廣泛的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，其強(qiáng)項(xiàng)就是強(qiáng)大的矩陣計(jì)算。MATLAB不僅提供了基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還提供了一種交互式的高級(jí)編程語言M語言，利用M語言可以通過編寫腳本或者函數(shù)文件實(shí)現(xiàn)用戶自己的算法，開發(fā)相應(yīng)的MATLAB專業(yè)工具箱函數(shù)供用戶直接使用。目前MATLAB產(chǎn)品的工具箱有40多個(gè)，分別涵蓋了數(shù)據(jù)獲取、計(jì)算科學(xué)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、金融財(cái)務(wù)分析以及生物遺傳工程等專業(yè)領(lǐng)域。Simulink是基