（检测技术与自动化装置专业论文）空压机专用变频器的研究、实现及性能测试.pdf

摘要 空气压缩机( 简称空压机) 是一种用来压缩气体提高气体压力或输送气体的 机械。传统的空压机控制方式存在效率低、耗电量大、供气压力不稳定等缺点。 改变空压机控制方式，提高空压机的效率，降低能耗具有十分重要的意义。 本文以漳州市旭铎机械有限公司和厦门大学合作的“空压机配套变频调速控 制系统”为项目背景，设计和开发了一套空压机专用的变频器，取代了传统的控 制方式，取得了良好的节能效果。 本文首先由异步电动机变频调速运行的原理推出变压变频( w v f ) 的控制方 式，由此引出两种常用的p w m 控制方式一s p 删、s v p w m ，并对其进行分析。其次， 研究了两种优化模式一准优化s p w m 、开关损耗优化s v p w m ，并指出其优点。再次， 对死区时间的影响进行深入的分析。 接着，给出了以8 7 c 1 9 6 m c 为核心的变频调速控制系统。在软件设计方面， 给出了系统软件的主要流程图。最后，在变频器上分别实现以上两种优化p w m 方式。经过对这两种p w m 方式下的输出电压、电流及其频谱的分析，得出开关损 耗优化s v p 珊i 是较优的控制方法，它具有器件开关损耗小、电流谐波含量少、电 机谐波损耗低以及转矩脉动小等一系列优点。实验结果验证了系统运行的可靠性 及开关损耗优化s v p w i 策略的可行性。 关键字：空气压缩机；变频调速；准优化s p w m ；开关损耗优化s v p 州 a b s t r a c t t h ea i rc o m p r e s s o ri so n ek i n do fe q u i p m e n t st h a tc a r lt r a n s f o r mm e c h a n i c a le n e r g yi n t og a s e o u se n e r g yf o ri n c r e a s i n gt h ea i rp r e s s u r eo rt r a n s p o r t i n gt h eg a s e o u se n e r g y t h et r a d i t i o n a lc o n t r o lh a sd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o we f f i c i e n c y , l a r g ee l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n ，a n di n s t a b l ea i rp r e s s u r e s oi t i s v e r yi m p o r t a n tt o c h a n g et h ec o n t r o lm o d e ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c yf o rs a v i n ge n e r g y b a s e do nt h ep r o j e c to ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n gc o n t r o ls y s t e mf o rt h e a i r - c o m p r e s s o rc o o p e r a t e db e t w e e nx i a m e nu n i v e r s i t ya n dz h a n g z h o ux u d u o m a c h i n ec o ，l t d ，as p e c i a li n v e r t e rf o ra i rc o m p r e s s o rh a sb e e nd e v e l o p e d ， r e p l a c et h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm o d e ，a n dg e tg o o de n e r g ys a v i n ge f f e c t t h i st h e s i sg e tv w fc o n t r o lm o d ef r o mt h et h e o r yo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n go p e r a t i o no fi n d u c t i o nm o t o r t h e nd e s c r i b ea n da n a l y z et w oc o m m o np w mc o n t r o lm o d e - - - - s p w ma n ds v p w m s e c o n d l y , r e s e a r c ht w oo p t i m i z e d m o d e ，n o r m a lo p t i m i z e ds p w ma n ds w i t c h i n gl o s sm i n i m i z i n gs v p w m ，a n d p o i n to u tt h e i ra d v a n t a g e s w i t ht h es t u d ya b o v e ，t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do n8 7 c19 6 m ci sp r e s e n t e d t h em a i ns o f t w a r ef l o wc h a r ti s p r o p o s e d f i n a l l y , r e a l i z et h et w oo p t i m i z e dm o d eo nt h ec o n t r o ls y s t e m a f t e ra n a l y z i n gt h e w a v e f o r ma n ds p e c t r u mo fo u t p u tv o l t a g ea n do u t p u tc u r r e n t , t h ec o n c l u s i o nt h a tt h es w i t c h i n gl o s sm i n i m i z i n gs v p w mi st h eb e t t e rm o d ec a nb em a d e r h a st h ea d v a n t a g e so fl o ws w i t c h i n gl o s s ，l o wc u l t e n th a r m o n i c ，l o wh a r m o n i c l o s s ，a n dl o wt o r q u er i p p l e t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es w i t c h i n gl o s sm i n i m i z i n gs v p w m k e y w o r d s ： a i rc o m p r e s s o r ；f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n g ；n o r m a lo p t i m i z e ds p w m ；s w i t c h i n gl o s sm i n i m i z i n gs v p w m 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：族善哲 彻少年歹月钐日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 l 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 日期：矽歹年月矽日 日期：? 7 r 年月钐日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出 压缩空气是工业上常用的能源介质之一，是用以驱动风镐、风钻等风动机械 的原动力，其最大的优点是能够利用取之不尽、用之不竭的自由空气。与电力相 比，它具有以下特点：不产生火花；不怕超负荷；无触电危险；在湿度大、温度 高、灰尘多的环境中能很好的工作n 1 。 空气压缩机( 简称空压机) 是一种用来压缩气体提高气体压力或输送气体的 机械。随着生产技术的不断发展，压缩机的种类和结构型式也日益增多。目前不 但广泛地应用在采矿业、冶金业、机械制造业、土木工程、石油化工、制冷与气 体分离工程以及国防工业中。而且医疗、纺织、食品、农业、交通等部门，对压 缩机的需要也在不断地增加。而空气压缩机生产压缩空气的过程是工业生产中的 重要耗能环节之一。 空气压缩机在很多工矿企业中是不可缺少的设备。同时，配套电动机容量的 设计裕量一般偏大，且往往是常年连续运行，系统能源浪费巨大，运行成本高j 因此，空压机的节能潜力很大。空压机( 螺杆式) 传统工作方式为进气阀开、关控 制方式。即压力达到上限( e m a x ) 时关阀，压缩机进入轻载运行；压力达到下限 ( p m i n ) 时开阀，压缩机进入满载运行。压缩机这种加、卸载方式，使得压缩 气体的压力在p m i n - - - - p m a x 之间来回变化。这里，p m i n 为能够保证用户正常工作 的最低压力值，p m a x 为设定的最高压力值。一般情况下，p m a x 为( 1 1 1 2 5 ) p m i n 。空压机这种加、卸载工作方式，优点是控制方式简单，成本较低， 但会造成如下负面效果口1 。 空载运行浪费很多能量。压缩空气压力超过p m i n 时，压缩机还要使其压 力继续上升到p m a x 才关阀，这一过程需要电源提供空压机能量；当p = p m a x 时， 关闭进气阀，空压机不再压缩气体做功，但空压机的主电机还在运转，此时能耗 约占空压机满载运行的3 0 7 0 ，属非经济运行，电能浪费严重。 主电机虽然以星三角降压起动，但起动时的电流仍然很大，大约是额定电 流的5 7 倍，会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全。 主电机工频起动设备的冲击大，电机轴承的磨损大，所以对设备的维护量 厦门大学硕上学位论文空压机专用变频器的研究、实现及性能测试 大。 减压阀减压能量浪费。气动元件的额定气压在p m i n 左右。高于p m i n 的气 体在进入气动元件之前，要经过减压至接近p m i n 值，同样是一个耗能过程。 空压机电动机容量的浪费。设计者考虑空压机满载运行的可能，空压机电 动机容量按最大需要选择，但实际运行中，轻载运行时间所占比例是非常高的， 造成很大能量浪费。 靠机械方式频繁地调节阀动作，加速了调节阀的磨损，缩短寿命，增加维 护工作量，加大成本。 最后还应指出的是，靠机械方式调节进气阀，供气量无法连续调节，当用气 量不断变化时，供气压力将产生较大的波动，供气压力的不稳定，会影响气动元 件的动作过程，从而影响产品质量，甚至会造成废品。 经查阅资料，使用变频调速技术能很好地克服上述的缺点。该技术能根据负 载调节电机的转速，使之在高效的状态下运行，减少电机的运行功率，在满足生 产要求的情况下达到节能降耗的效果。并且，采用变频技术后，空压机能连续地 对转速进行调节，能保持供气压力、气量等参数的稳定，从而大大提高空压机的 工作效率和性能；在启动时，减弱对电网的冲击，降低对设备的冲击，延长使用 寿命。 本课题来源于漳州市旭铎机械有限公司和厦门大学合作科研项目“空压机配 套变频调速控制系统 。 1 2 变频调速技术及相关技术发展概况 在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛的应用于工农业生产、国 防、科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的6 0 9 6 _ 7 0 ，成为 用电量最多的电气设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交 流电动机两大类，其中交流电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通 过交流电动机加以利用的。交流电动机分为同步电动机和异步( 感应) 电动机两大 类。据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的8 5 左右，可见交流电动机应 用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。 电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直 接的决定性影响。众所周知，直流电动机的转速容易控制，在额定转速以下，保 持励磁电流恒定，可用通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速：在额定转速以 2 第一章绪论 上，保持电枢恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭 环直流调速系统可获得优良的动、静态调速特性。因此，长期以来( 2 0 世纪8 0 年代以前) 在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。但是，由于换向器 的存在，使得直流电动机维护工作量大，运行中易产生火花；并且对环境要求较 高、电刷易于磨损，其单机容量、最高转速以及使用环境都受到了限制，这成为 了直流调速系统开发和应用的一个瓶颈。然而，采用无换向器的交流电动机作为 调速传动设备代替直流调速传动可以突破这些限制，满足生产发展对调速传动的 各种不同的要求。交流电动机，特别是鼠笼式异步电动机，具有结构简单、制造 容易、价格便宜、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结 构发展不受限制等优点。但是长期以来由于受科技发展的限制，把交流电动机作 为调速电机的困难问题未能得到很好的解决，只有一些性能差，低效耗能的调速 方法，如：绕线式异步电动机转子外串电阻及机组式串级调速方法；鼠笼式异步 电动机定子调压调速方法( 自耦变压器、饱和电抗器) 及后来的电磁( 滑差) 调速方 法。 2 0 世纪6 0 年代以后，由于生产发展的需要和节电的要求，促使世界各国重 视交流调速技术的研究与开发。尤其是2 0 世纪7 0 年代以后，由于科学技术的迅 速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。交流传动得以 飞速发展，得益于以下几个方面： 1 、电力电子功率器件的发展 交流电机调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。电力电子时代是从5 0 年代末晶闸管( s c r ) 的出现开始的，后来陆续推出了其它种类的器件，诸如门极 关断晶闸管( g t o ) 、双极晶体管( b j t ) 、大功率晶体管( g t r ) 、绝缘栅双极晶体管 ( i g b t ) 、场效应晶体管( m o s f e t ) 、场控晶闸管( m c t ) 、功率集成电路( p i c ) 等。在 这个不断发展的过程中，器件的电压、电流定额以及其他电气特性均得到了很大 的改善。从最初的晶体管到第二代的g t r 、m o s f e t 再到第三代的i g b t ，大功率 半导体器件的性能不断提高，使得变频装置发生了根本性的变化。i g b t 综合了 m o s f e t 和g t r 的优点，既有m o s f e t 电压控制型器件驱动功率小、开关频率较高 的特点( 一般为2 0 k h z 以下) ，又有g t r 电压电流值较大的长处。因此在中等容量 以下的变频器、逆变器中得到了广泛的应用。然而，在高电压( 4 5 0 0 v 以上) 和大 电流( 2 0 0 0 a 以上) 范围，还不得不使用g t o 晶体管。g t o 晶体管的开关频率较低( 一 厦门大学硕士学位论文空压机专用变频器的研究、实现及性能测试 般为2 0 0 h z 以下) ，驱动功率较大，需要复杂的门极驱动电路和昂贵的吸收电路。 m c t 相当于用m o s f e t 控制的g t o 。把m o s f e t 的高输入阻抗、低驱动功率和g t o 的高电压、大电流、低导通压降结合在一个器件上。m c t 在大功率电力电子器件 中是最有发展前途的1 。 2 、电机控制理论的发展 关于变频传动的控制、估值和辨识是一个极有吸引力的研究领域，受到国内 外学者的广泛关注，有v f 控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制方式 等，但在工业上，在性能要求低的应用场合采用简单、经济的开环v f 控制方法， 而在高性能的传动上采用复杂的矢量控制。采用矢量控制时，交流电机控制得犹 如他励直流电机，因此具有直流电机的全部优良控制性能。虽然转子磁通定向矢 量控制能够实现解耦，并已获得了广泛应用，但定子磁通定向的直接矢量控制具 有易于解决小参数变动问题和实现无速度传感器下可从零速度进行控制的优点。 实际上，基于现代d s p 控制实现的无速度和无磁通传感器的矢量控制，其复杂程 序对用户来说是显而易见的，但它在结构上无异于开环w f 控制。可以预见，矢 量控制必将成为一种通用的交流传动控制器。近来，人工智能( a i ) 技术，如专家 系统、模糊逻辑和人工神经网络( a n n ) ，正在显示出其实现传动的智能化适应控 制和估值的光明前景。 交流电动机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态 重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量 的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流 调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调 速成为可能。目前，对调速性能要求较高的生产工艺已较多地采用了矢量控制型 的变频调速装置。实践证明，采用矢量控制的交流调速系统的优越性高于直流调 速系统。 受矢量控制的启迪，近年来又派生出诸如多变量解耦控制、变结构滑模控制 等方法。 针对电机参数时变的特点，在矢量控制系统中增加了自适应控制技术。毫无 疑问，矢量控制技术在应用实践中将会更加完善，更具有实际应用价值。 3 、电气传动的p 1 | m 控制技术的发展 p i t l 控制技术一直是变频技术的核心之一。p w m 控制技术是利用半导体开关 4 第一章绪论 器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期 以达到变压的目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频的目 的的一种控制技术。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产 生正弦脉宽调制s p l 】l l v l 信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方 案，完成优化的实时在线的p 1 】i m 信号输出，可以说直到目前为止，p i l l 在各种应 用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。 p i l l 控制技术种类很多，并且还在不断发展中。但从控制思想上分，可以把 它们分成四类，即等脉宽p 删法、正弦波p w m 法( s p w m 法) 、磁链追踪型p i l l 法 和电流跟踪型p w m 法。 等脉宽p w m 法是为了克服p a m 方式中逆变器部分只能输出频率可调的方波电 压而不能调压的缺点而发展来的，是p w m 法中最为简单的一种，但这种方法的输 出电压中除基波外，还包含较大的分量。 s p w m 法是为了克服等脉宽p w m 法的缺点发展而来的。它从电动机供电电源的 角度出发，着眼于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。它是以一个 正弦波作为基准波( 称为调制波) ，用一列等幅的三角波( 称为载波) 与基准正弦波 相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式。 磁链追踪型p w m 法则从电动机的角度出发，着眼于如何使电动机获得圆磁场。 它是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不 同开关模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定出逆变 器的形状模式，形成p i l l 波。 电流追踪型p w m 法虽然也采用电压型逆变器的主电路结构，却是控制输出电 流的电流型逆变器。其基本思想是将电动机定子电流的检测信号与正弦波电流给 定信号用比较器进行比较，如果实际电流大于给定值，则通过逆变器的开关动作 使之减小，反之，则使之增大。 4 、微处理器和专用集成电路( a s i c ) 的发展 今天的高性能的传动控制和估值技术的发展完全得益于微处理器技术的进 步。电力电子系统的控制要求有几种不同特性的功能：数字滤波、整形、驱动信 号的产生、测量、监控、保护等等。在很长一段时间，这些功能的实现主要依靠 模拟技术，即利用硬连接方法实现，控制电路的结构采用运算放大器、非线性集 成电路以及数字集成电路等。微处理器的发展促进了电力电子系统中数字技术的 5 厦门大学硕士学位论文空压机专用变频器的研究、实现及性能测试 应用，即采用软件技术，它提供了更大的灵活性和更好的性能。控制核心也经过 了8 位通用单片机、1 6 位通用单片机到高性能的面向电机数字化控制的工业单 片机( m c u 等) 和高速数字信号处理器( d s p ) ，电机控制系统的精度、稳定性、抗 干扰性、多功能化、通用化、性价比等大大提高。 各种a s i c 芯片，如p w m 调制器、矢量旋转器或全功能控制器等，已广泛运 用于电力电子系统中。将来的趋势是带有微处理器芯的混合( 模拟及数字) a s i c 芯片，外围控制硬件及其固定的控制功能将由a s i c 实现，而受系统参数变化影 响的可编程控制和估值软件则由微处理器完成。电力电子控制系统中的众多功能 单元将由神经网络实现，并做在a s i c 芯片上，最终整个电力电子控制系统必将 集成于一片a s i c 之中。 我国变频调速技术的应用，是一个由试验到实用，由辅助系统到生产装置， 由考虑节能到全面改善工艺水平，由开环手动控制到闭环自动控制，由低压中小 容量到高压大容量的过程。多年来，国家有关部门一直致力于变频调速技术的开 发及推广应用，并给予重点扶持，并将推广应用变频调速技术作为风机、水泵节 能技改专项的重点投资方向。国家成立了风机水泵节能中心，开展信息咨询和培 训。在国家经贸委“九五 资源节能综合利用工作纲要中，变频调速己被列 入重点组织实施的1 0 项资源节约综合利用技术改造示范工程之一。变频调速技 术的应用范围已发展到新阶段。在石油、石化、机械、冶金等行业都得到了大量 使用和整套装置系统使用，取得了节能、增产的显著效果。变频调速技术己成为 节约能源及提高产品质量的有效措施。实践的结果证明，节电率一般在1 0 - 3 0 ， 有的高达4 0 ，更重要的是生产中一些技术难点也得到解决。采用变频器的调速 传动技术，近年来取得惊人的进步n 5 1 。 1 3 本论文的主要内容 本论文以空压机配套变频调速控制系统的研制为背景。研究开发了空压机专 用变频器，并已开始量产。该变频器能很好地满足实际现场的要求：使出口压力 恒定，减少电机启动的冲击，减少空压机的空载时间，降低空压机的噪声，并有 效节约能耗。其主要工作包括以下几个方面： l 、研究s p w m 与s v p w m 脉宽调制方式及其在交流调速系统中的应用。 2 、熟悉空压机专用变频器的功能，完成基于这些功能的变频器的软件设计， 达到实用型产品的水平。 6 第一章绪论 3 、在该变频器上先后实现了准优化s p w m 和开关损耗优化s v p v n 。并对这两 种p w m 控制技术进行比较。 4 、深入探讨了死区对变频器性能的影响。 5 、利用横河w t l 6 0 0 对变频器的性能进行测试。 7 厦门大学硕士学位论文空压机专用变频器的研究、实现及性能测试 第二章异步电动机的变频调速 2 1 异步电动机变频调速运行原理 由电机学可知，异步电动机转速公式为 刀= 了6 0 f ( = 6 2 0 万c p o , ( 、1 一j ) ( 2 1 ) 式中，z 为电机定子供电频率；p 为电机极对数；c o n 为电机定子供电角频率； j ：型为转差率；其中， 一强= 等为同步转速。 由式( 2 - 1 ) 可以得出，异步电动机的同步转速是由电源频率和电机极对数决 定的，如果均匀地改变异步电动机的定子供电频率z ，就可以平滑地调节电机的 转速r l 。当电机在负载条件下运行时，电机的转速低于电机的同步转速，转差率 的大小与电机的负载有关。因此，改变定子供电频率即可改变电机的转速。 与直流调速系统相同，在额定转速下调速时，希望保持电机中每极磁通量为 额定值。如果磁通下降，则异步电动机的电磁转矩将减小，这样，在额定转速以 下，无疑会失去调速系统的恒转矩机械特性。另外，随着电机的最大转矩的下降， 有可能造成电机堵转。反之，如果磁通上升，又会使电机磁路饱和，励磁电流将 迅速上升，导致电机铁损大量增加，造成电机铁心严重过热，不仅会使电机输出 效率大大降低，而且由于电机过热，造成电机绕组绝缘降低，严重时，有烧毁电 机的危险。因此，在调速过程中不仅要改变定子供电频率，而且还要保持磁通恒 定。 由电机学可知，气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势有效值为 巨= 4 4 4 f n o 。 ( 2 2 ) 式中，n 为异步电动机定子绕组的有效匝数，。为该极定子产生的气隙旋转 磁通。 由式( 2 - 2 ) 可得出该极定子产生的气隙旋转磁通为 叱= e j ( 4 4 4 y , ) ( 2 3 ) 从式( 2 3 ) 可以看出，如果感应电动势互与电源频率z 比值一定，显然气隙 磁通幅值。是恒定的。 定子所施加的电压u 为感应电动势巨与定子阻抗压降之和，即 8 第二章异步电动机的变频调速 矾= ( ，i + 。- 以z 、j + 巨 ( 2 4 ) 式中，；为定子电阻；厶为定子漏感。通常，定子阻抗压降与定子电压相比 很小，所以u 置。为了保持磁通幅值不变，只要v , f 。= k 成立即可，k 为常量。 这就是所谓的恒压频比控制方式，简称w v f 。 恒压频比控制方式成立的前提条件是忽略定子阻抗上的压降。但是在彳很低 时，由式( 2 - 4 ) 可知，感应电动势有效值巨也变小了，其中惟有，i 厶项并不减小， 此时定子阻抗压降占定子电压的比重加大，定子阻抗压降不可忽略。此时u 巨 不再成立，v , f , = k 不能保持气隙磁通幅值不变。为了让u m = k 的控制方式 在低频下也能应用，往往在实际工作中采用对的损失进行补偿，即根据负载 电流大小把定子相电压有效值u 适当提高，以补偿定子压降的影响。 z 较低时，如果不进行定子压降补偿，感应电动势e 偏小，异步电动机势必 处于弱磁工作状态，异步电动机的最大转矩必然严重降低，导致电机的过载能力 下降。因此，通常将补偿损失的措施称为转矩提升。 2 2 异步电动机的机械特性 2 2 1 工频供电时异步电动机的机械特性 异步电动机转子相对于以同步速度旋转的气隙磁通有转差时，在转子回路将 产生速度电动势，它与转差成正比。此电动势引起的转子电流与旋转磁场相互作 用，就产生了转矩。异步电动机的特性( 忽略铁损等) 可用图2 - 1 所示的t 形等 效电路表示。图中，；、厶为定子绕组的电阻和漏电抗，e 、e 为归算过的转子 绕组的电阻和漏电抗；l 为励磁阻抗。 图2 - 1 异步电动机的等效电路 9 厦门大学硕士学位论文空压机专用变频器的研究、实现及性能测试 t 形等效电路是一个复联电路，计算和分析都比较复杂。因此，在实际应用 中，常把励磁支路移到输入端，因为励磁电流占总负载电流的比例并不很小，故 励磁支路只能前移，不能略去。如图2 2 所示n 羽。这样，电路就简化为单纯的并 联支路，使计算更为简化，这种等效电路称为异步电动机近似的等效电路。下面 用异步电动机的近似等效电路来分析。 由图2 2 可以得出， 转子的输入功率： 转子铜耗： 图2 2 异步电动机的近似等效电路 p c = ，1 2 吃t = j 机械输出功率： p m 。：i 1 - s r ；：b ( 1 一j ) s m 相异步电动机的转矩t 可表示为 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) p t = m 超( 2 - 8 ) 缈2 式中，哆为转子角频率。由于 刀：= 玎。( 1 一s ) = 6 0 f , 0 一s ) p ( 2 9 ) 其中，n ：为转子转速；n 。为定子转速；石为定子频率；p 为极对数。 1 0 第二章异步电动机的变频调速 则有 ( 1 2 2 = 2 翮2 6 0 = 2 顽( 1 一s ) p ( 2 一l o ) 丁：，l p m e ：聊害坠生：叩墨( 2 - 11 )0国22 顽一s ) p1 国l 式中，q 为定子角频率。 由图2 - 2 的等效电路，可求出定子电流。与转矩t j 。= 一，；= 产：兰兰：一 ( 2 - 12 ) 12 ( _ + 巧s ) 2 + ( 2 砺厶+ 2 砺；) 2 ? = 印象= 唧去砰手= 习瓦i 万m p 汀u 石? r j 可s 翮 2 一t 3 ) 将式( 2 1 3 ) 对s 求导，并令d r d s = o ，可求出最大电磁转矩乙和对应的转 差率j 。 。币一 一 一r 二确 如果令式( 2 1 3 ) 中s = l ( n = 0 ) ，可求出初始起动转矩l 三相异步电动机的同步转速啊为 ，l _ ：6 0 _ a ：6 0 c o l p2 z p ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 根据式( 2 - 1 3 ) 式( 2 1 7 ) 可以绘出工频供电时异步电动机的机械特性曲线， 如图2 3 所示7 1 。 厦门大学硕士学位论文空压机专用变频器的研究、实现及性能测试 撑 r 0 0 暑 0k t 一，一 7 17 1 m 缸 图2 - 3 工频供电时异步电动机的机械特性曲线 2 2 2 恒压频比控制时变频调速的机械特性 变压变频时上述式( 2 - 1 3 ) 式( 2 - 1 7 ) 可以改写为 丁= d 釉2 雨矗编 ( 2 - 1 8 ) 乙= m z p ( l u q l 1 2 阿丽丽1 ( 2 1 9 ) 瓦= 印2 而南 挖：6 0 f , ：堕，l _ = o 1 p2 n p ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 式( 2 - 1 8 ) 式( 2 - 2 2 ) 表明，变压变频情况下的机械特性曲线形状与工频供电 时的机械特性曲线相似。其基本特点如下： 同步转速，l l = 6 0 0 ) , 2 z p 随着频率( q ) 的变化而改变。 对于同一转矩t ( 稳态情况下，丁= 瓦，五为负载转矩) 而言，带载时的 1 2 丽 = 鼢 第二章异步电动机的变频调速 转速降落血( 国) 随着频率的变化而基本不变。证明如下： 当o s s ，时，由于s 很小，可以忽略式( 2 1 8 ) 分母中含有s 的各项，并可 以推导出 s e a , 垡： ( 2 2 3 )l z z j ， 印( u q ) 2 由于u q = c ，因此对于同一转矩t ，则有j q 常数。又因为 - b n i - - 篑即c ( 2 _ 2 4 ) 所以，对于同一转矩t ( t = 互) 而言，l 随着频率的改变而基本上不变。 这就清楚地说明了，在恒压频比控制的条件下，当频率由基频向下降低时，其机 械特性曲线基本上是平行下移的，或者说随着频率的降低，机械特性是一簇平行 下移的曲线，如图2 4 所示。 露m 露口l j k ， t 图2 - 4 恒压频比控制时变频调速的机械特性 由式( 2 1 9 ) 可以看出，当u q = c 时，是随着q 的降低而减小，如图 2 - 4 中实线所示。这将限制调速系统的带载能力。 由式( 2 2 1 ) 可以看出，当u q = c 时，初始起动转矩( s = l ，n = o ) 在频率 很低时也变小。如图2 - 4 所示的特性曲线。这将使电动机的起动转矩大大降低， 1 3 厦门大学硕士学位论文空压机专用变频器的研究、实现及性能测试 造成电动机启动困难。 对于上述和两种情况，如同前面所述，可采用定子阻抗压降补偿措施， 即适当提高电压，以改善低频时的机械特性，如图2 4 中虚线所示。 1 4 第三章脉宽调制技术 第三章脉宽调制技术 脉宽调制( p l 聊v 1 ) 是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达 到调节输出脉冲宽度的一种方法。 3 1p w m 控制性能指标 在交流传动中，电机的漏电感和机械系统的惯性对于开关电压波形中的谐波 分量具有低通滤波作用。以p w m 控制方式运行引起的问题主要是电流畸变、逆变 器中的开关损耗、负载中的谐波损耗以及电机转矩的脉动。这些影响可以用性能 指标来描述，并为不同p w m 控制方式的选择和设计提供依据嘲。 ( 1 ) 电流谐波 谐波电流主要影响电机的铜耗，它是构成电机损耗的主要部分。谐波电流的 有效值为 ( 3 - 1 ) 式中，o ) 为电流的基波分量。i h 不仅与逆变器的p 1 j i m 控制方式有关，而且 还与电机内部的阻抗特性有关。因此可以定义电流谐波畸变率t h d 作为评定品质 的指标，以消除这些影响。 删= 鲁= 去撂= 等五y 怠4u 1 u ( 3 - 2 ) 式中，u 和厶分别为基波电压和电流的有效值；n 为傅里叶级数展开的谐波 分量阶次；v n 为傅里叶级数展开式的电压分量有效值；q 为基波频率；乇为电 机的总漏电感。负载电路的铜耗与谐波电流的二次方成正比，即置仇虻砌d 2 ( 2 ) 谐波频谱 各频率分量在非正弦电流中所占的份额可用谐波电流谱来表达，它比总畸变 因数t h d 可提供更详细的说明。在同步p q v l 中，可以得到离散电流频谱啊) 。 其中，n 为谐波分量阶次；载波频率t = 坝是基波z 的整数倍；n 是载频比。 ( 3 ) 最大调制度 调制度m 定义为调制信号峰值与三角载波信号峰值之比。在理想情况下，m 值可在o - - - 1 之间变化，以调节逆变器输出电压的大小，实际上m 总是小于1 ， 在n 较大时，一般取最高的m = o 8 - - 0 9 。它体现了直流母线电压的利用率。 1 5 厦门大学硕士学位论文空压机专用变频器的研究、实现及性能测试 ( 4 ) 谐波转矩 经过p w m 控制的逆变器将电压脉冲序列作用于交流电机中，所产生的脉动转 矩标幺值可用下式表示： 下巾 a t ：生凸 ( 3 3 ) 式中，乙为最大气隙转矩；乙为平均气隙转矩；巧为电机额定转矩。虽 然谐波转矩是由谐波电流产生的，但两者之间并没有精确的关系。 ( 5 ) 开关频率和开关损耗 开关频率的增加可以使逆变器交流侧电流的谐波畸变减少，提高系统的性 能。可是，开关频率不能随便增加。因为半导体器件的开关损耗和开关频率成正 比。 3 2 正弦波p w m ( s p w m ) 3 2 1s p w m 的采样方法 在载波三角波与调制正弦波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种 生成s p w m 波的方法称为自然采样法。由于正弦波在不同相位角时其幅值不同， 因而与三角波相交得到的脉冲宽度也不同。另外，当正弦波频率变化或幅值变化 时，各脉冲的宽度也相应变化。故要准确生成s p w m 波，就要准确地计算出正弦 波与三角波的交点，即功率开关器件的导通时刻。自然采样法虽然能真实反映脉 冲产生与结束的时刻，但并不适合于微机实现控制，所以发展了规则采样法。 规则采样法是利用载波三角波的正峰值点、负峰值点所对应的正弦函数值来 代替三角波与正弦波自然交点正弦函数值这一规则求取脉冲宽度来生成s p w m 波 的方法。在规则采样中，每个载波周期的开关点都是确定的。依据脉冲中点是否 以相应的三角波峰值点为对称，有对称规则采样法及不对称规则采样法。 对称规则采样法 在三角波的一个周期内，只利用三角波的一个峰值点所对应的正弦函数值求 取的脉冲以三角波的峰值点为对称，因此这种采样方法为对称规则采样法h 1 。如 图3 - 1 所示。 1 6 造邀k 公f a 芗一 产 ： e 。i 一一 l ； 够： i ；o - _ ； j i ： ：一 由图3 一i 的几何关系有 图3 一l 对称规则采样法 1 f 铲手( 1 _ 肌嘶) k 扣肠s i l l 删 涵4 ) 其中，l 为采样点，里为顶点采样) 的时刻，z 为采样周期。脉冲宽序为 蝴巾二2 抄觚i 1 1 删2 扣蜘吲) 涵5 ) 采样周期z 等于三角波周期互，即z 二z 。 缁巧 一：淼麓鬻羹嚣 1 7 顶点采样时， 底点采样时， 图3 - 2 不对称规则采样法 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 脉冲宽度为 。2 乙+ 乞= 詈 t + 等( s t n q + s t n q 乞) c 3 8 ， 采样周期z 是三角波周期z 的1 2 ，即z ：t , 2 、j l ， u 国 q n a 咖 咖 肘 必 o 0 霉2 z 2 i i = 谚 锄 、- ， 脚 谚 缈 q n n 咖 咖 m 必 一 卜 m m z 一2 z 一2 = i i 乞 厶 规不；”皎称是瑚鞫 对但球瓢 比 。舛彪 一一 一懒一躺一一一 懈陆黼黼 概斌熵枞 4 v 一乳 门 叉 e 两亮 一、 一上 - z 栅一楸一 玑近塬理 一一一一 心 期戡踏 ，t 。t，i o 图的 一 倍镏黼护惜 1 形样大h 腓群黻 图法则刿 由样规次采称槲 玑对畏 第三章脉宽调制技术 高时，微机的运算速度将成为问题。 3 2 2s p w m 的基波幅值 u 唧、u 、u 删是变频器各项输出端点u 、v 、w 与中间直流电压假想中 点n 之间的电压值。 m 为调幅比，o o 时，岛和皖由下式给出 1 9 v q q 投 ， n n n 吼 鲫 趿 丝2堕2丝2 m m m 厦门大学硕士学位论文空压机专用变频器的研究、实现及性能测试 舅= 一j z 一亨1 m 万s i n 缈r ( 3 一。) 【岛= 三+ 三m 万s i n 国， j 一2 。t - 0 1 o rq 幺( 3 - 1 2 ) 【= v , 2幺 i ，而且高次谐波分量又不 增加，从而迸一步发挥了脉宽调制法的优点。 下面推导三次谐波的最佳幅值，能使调制系数m 尽可能地提高，以充分利用 直流母线电压，而又不增加高次谐波的分量。 设g 为正弦波叠a n - 次谐波的信号 g=sin0+口sin30(3-30) 求g 对目的微分，并使其为o ，找出极值点 dg：m(c。s目+3口c0s30)：0(3-31)do 、 利用恒等式c o s 3 0 = 4 c o s 30 3 c o s o ，代入式( 3 3 3 ) 可得极点发生在c o s o = 0 或 将s i n 3 0 = 3 s i n o 一4 s i n 30 代入式( 3 3 0 ) ，得 g = ( 1 + 3 a ) s i n 0 4 a s i n 3 0 ( 3 - 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 - 3 4 ) 第三章脉宽调制技术 将式( 3 3 3 ) 代入式( 3 3 4 ) ，可求出g 的最大值为 g 。= 8 5 ( 蔷) 班 伊3 5 ， 口的最佳值就是在q 的极值处，因此可通过对瓯表达式微分，并使其为0