基于MATLAB的异步电机VVVF调速系统仿真.doc

兰州交通大学毕业设计（论文）摘要:随着电力电子技术的发展，异步电机以其在变频调速方面的优点开始显现出来了，相对于直流电机有更加广泛的应用本论文主要介绍了异步电机的工作原理以及异步电机的调速方法。通过改变频率、改变电源电压、改变极对数等方法来改变电机的转速，我是通过改变电机频率来达到改变电机转速的目的，本文还介绍了变频器的原理和PWM（pulse width modulation）变频器的工作原理。同时通过运用Matlab/simulink系统对异步电机转速调节进行了开环闭环的仿真。本论文对电机转矩转速观察为开环系统，但是在闭环系统中通过使用Matlab/simulink对系统闭环进行设计仿真，实现了调速，并观察到了电机转速、转矩改变的图像，并且分析了解了异步电机转速改变的原因和仿真过程中的条件等。关键词Matlab异步电机变频调速仿真Abstract:With the development of power electronics, the advantage of the variable frequency speed in asynchronous machine is compared with the DC motor , it is more widely used.The principle of asynchronous machine and its way of speed governing is main discussed in this paper. The speed of electrical motor is changed by changing frequency voltage, and numbers of pole-pairs. This paper is based on changing frequency of the electrical motor, the principle of frequency converter and working theory about PWM(pulse width modulation)is also presented. The open-loop and closed-loop simulation of speed governing with asynchronous machine is achieved through the use of Matlab/simulink system.The observation to electrical motor speed and torque in this paper is the open-loop system, in a closed-loop system, Matlab/simulink is used to design and similated the closed-loop system speed changing is realized, the changing plot of speed and torque about the electrical motor and observed the changing image of torque and the speed about the electrical motor, is observed. the reason why asynchronous machine speed changes and parameters a selection of call the component during the simulation are analyzed.Understanding of the principle of the induction motor and speed control methods, there are three main methods Speed: (1) changing the frequency, (2) change to slip (3) changes the very few. This paper has taken to change the frequency of the ways to achieve the purpose of speed. At the same time also understand the principle of the inverter, and its scope of application. Key words Matlab asynchronous machine Frequency Control Simulation目 录第一章 绪 论1第一节 电气传动技术的发展概况1第二节 普通交流异步电动机变频调速调速范围的问题2第三节 交流异步电动机的调速方式3一、 转子回路串电阻或阻抗调速3二、 定子调压调速3三、 串级调速4四、 变极调速4五、 变频调速4第四节 关于matlab仿真的相关内容5第二章 异步电机运行基本原理及其调速方法以及变量控制6第一节 异步电机运行基本原理6第二节 异步电机的电压方程和等效电路6第三节 异步电机的功率方程和转矩方程8第四节 异步电机的调速方法10一、 变极调速10二、 变频变压调速11三、 改变转差率来调速12第三章 逆变器工作原理和控制及其应用14第一节 变频器的工作原理14第二节 变频器控制方式14一、 正弦脉宽调制(SPWM)控制方式15二、 电压空间矢量(SVPWM)控制方式15三、 矢量控制(VC)方式16四、 直接转矩控制(DTC)方式16五、 矩阵式交交控制方式16第三节 简单的三种变频器控制方式17第四节 变频器的实际应用18第五节 正弦波脉宽调制(SPWM)变频器19一、 SPWM变频器的工作原理20二、 SPWM变频器的同步调制和异步调制21第四章 MATLAB基于VVVF对异步电机的调速仿真实现24第一节 关于Matlab软件的应用与操作25一、 PWM模块的组成与仿真25二、 电机模块的仿真27三、 输出观察模块的仿真29第二节 开环调速系统仿真30第三节 闭环调速系统仿真35一、 闭环调速Matlab仿真主模块36二、 控制环节模块37三、 仿真结果41总结和展望46参考文献48第一章 绪 论异步电机的工作原理？异步电机调速又是怎么样的呢？目前主要引用在那几个领域呢？以及异步电机的仿真又是什么呢？又是怎么去仿真的呢？对这些问题的初步说明将是这篇论文所要叙述的。随着工业的进步,传统的直流电机由于其结构复杂、不易维护等缺点正逐渐地被具有高可靠性成本低、维护简便的感应式交流异步电动机所取代。交流电机变频调速系统,在进行动态数字仿真时,需要首先推导出三相交流异步电机的数学模型,它是一个高阶强偶合、多变量、非线性的系统,与此同时还需要建立电源模型。在进行仿真时,可采用高级语言FORTRAN、C、Visual、C+等进行编程,但采用这些语言开发周期长,掌握难度较大,而由Math work公司推出的MATLAB,使得为解决这些具体问题而建立数学模型变得轻松、便捷,为科技工程人员带来了巨大的便利。MATLAB是一种科学技术软件,用户可根据MATLAB的控制系统工具箱中的命令来实现所需要的系统,也可以根据混合使用各库中的模块来组合成新的系统,封装自己定义的模块或自己定义模块库,以便随时调用,从而实现全图形化仿真。MATLAB集成了大量的工具箱,如控制系统(Control System)、模糊逻辑(Fuzzy Logical)、神经网络(Neural network)、信号处理(Signal Processing)以及仿真(SIMULINK)等工具箱。作为MATLAB的重要组成部分的SIMULINK具有相对独立的功能和使用方法。它提供了图形用户界面(GUI),模型由模块组成的框图来表示,用户建模通过简单的单击和拖动鼠标的动作就能完成,简化了设计过程。本文就是利用SIMULINK工具箱,对所推导的三相交流异步电动机及电源进行建模,封装。还利用MATLAB的M文件结合具体的调速控制系统进行仿真异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽、无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广。第一节 电气传动技术的发展概况电气传动是指以各类电动机为动力的传动装置与系统。电气传动系统通常由电动机、控制装置和信息装置几部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态(位置、速度、加速度等)，实现电能、机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动按照电动机的种类划分，有直流电动机传动、交流电动机传动、步进电动机传动、伺服电动机传动等。电气传动又可分为不可调速和可调速两大类，调速又分为交流调速和直流调速。直流电气传动和交流电气传动在19世纪后期先后诞生。但在20世纪的大部分年代里，已形成公认的格局:约占电气传动的80%不变速传动系统都采用交流传动，20%调速系统一般采用直流调速虽然直流电机中励磁电流和电枢电流相互独立，比交流电机具有更好的控制性能，容易得到满意的动静态性能。而与此相反，交流电机虽然机械结构简单，但它是一个非线性、强祸合、多变量的控制对象，调速控制复杂，实现高精度控制较为困难。但是随着生产技术的不断发展，直流电机传动的薄弱环节逐步显露出来:直流电机由于换向器的存在降低了功率/重量的比值，限制了电机的容量和速度，而且直流电机的大部分功率都是通过换向器流入电枢的，转子发热多，效率低，磨损大，可靠性差。随着20世纪70年代计算机和微处理器技术的迅速发展，电力电子技术的日新月异，现代控制理论和智能控制理论的成熟，交流电气传动逐渐占据了主导地位。采用半导体变流技术、大规模集成电路和高速处理器等实现的交流调速控制系统，加之矢量控制、直接转矩控制及智能控制等先进控制方法的应用，交流调速控制系统逐步实现了宽的调速范围、高的稳速精度、快的动态响应等良好性能，在调速性能方面可与直流调速系统相媲美。目前，从几百瓦的家用电器到几兆瓦的工业调速装置，都可以采用交流调速方案。交流调速系统由最初的只用于风机、水泵的软启动和开环变频调速等一般应用场合，扩展到各种高精度、快速响应的高性能指标的电气传动控制领域。目前，电气传动系统中新的格局已经形成:交流调速系统上升到主导地位，并将逐步取代直流调速系统。第二节 普通交流异步电动机变频调速调速范围的问题当频率改变时，会对交流异步电动机产生一系列的影响:损耗增加，效率下降；在工频以下，以恒转矩方式调速时，交流异步电动机的过载能力将会下降；在低频时交流异步电动机的散热能力变坏，交流异步电动机温度会过高等。由于交流异步电动机本身就是一个非线性、强祸合、多变量的对象，且更为严重的是，由于工作频率、温度和饱和效应的影响，定转子电阻、电感等参数在不同工况下变化明显。例如在某些情况下，转子的电阻值会比其标称值增加一倍以上。因而其建模非常困难，要从理论上准确的计算出交流异步电动机在不同频率和负载下的效率、温升，功率因数和临界转矩是十分困难的。所以，长期以来，在设计变频调速系统时，人们只是凭借经验来确定普通交流异步电动机变频调速的调速范围，而没有充分的理论依据。第三节 交流异步电动机的调速方式由于异步电动机的转速公式为：） （1-1）从转速公式可以看出，异步电动机的调速方法可分为变转差率调速、变极对数调速和变频调速三种变转差率调速变转差率的调速方法，又可以通过调节转子电阻、定子电压、转差电压等方法实现。一、 转子回路串电阻或阻抗调速这种方式只适用于绕线型异步电动机，其原理是:当忽略转子回路电感时，电机的转差率为 （1-2）为电动机转子额定电流； 为电动机转子额定电压；为转子回路电阻据此，当改变转子回路电阻时，便可改变电机转速。其特点是可靠性高、投资少、维护简单，但是当转速下调时效率随之降低。这种调速方式包括金属电阻调速方式、液体电阻调速方式、频敏变阻器起动方式。二、 定子调压调速异步电动机的转矩在一定转差率下，与定子电压平方成正比，改变定子电压将改变电动机的机械特性，从而实现电动机的调速。定子调压调速是一种比较简便的调速方式，可以在异步电动机的定子回路中串入饱和电抗器降压、串入电阻降压或在定子侧加调压变压器等方式来实现调压调速。在电力电子技术高速发展的今天，可以使用“交流开关”状态的双向晶闸管来实现交流调压调速。定子调压调速的主要优点是:方法简单，调速平滑，加上闭环控制时能达到理想的调速精度。其主要缺点是调整范围窄，一般不能低于电动机同步转速的80-85%电动机转子的损耗比较大等。三、 串级调速在绕线式异步电动机转子回路引入一附加电势，使得电动机转子侧通过变流装置向电网反馈或从电网吸收转差功率，从而实现电动机转速调节。串级调速可分为两类:一类是直接使用变频电源；另一类是将不同频率的转子电压经过整流器整流，变换为与转差成正比的直流，在其直流回路中串入一个极性相反的逆变器来实现调速。串级调速的主要优点是:可以将滑差能量以电能的形式回馈至电网，在整个调速范围内系统总效率较高，可达90%以上；调速平滑；装置容量与速度调节范围成正比，当要求调速范围不大时，所需外加电源容量小，设备费用较低；可靠性较高，即使附加电源出了问题，系统可甩掉附加电源，切换至转子短接状态下运行。串极调速的主要缺点是:功率因数低，可能要低于0. 6；晶体管串级调速装置有谐波危害；当电网电压瞬时大幅度降低时，串级调速装置有可能停止运行；最大力矩降低约17%左右，电气制动的特性不够理想，线路相对较复杂等。四、 变极调速变极调速方式就是电动机的同一套绕组经控制设备把各线圈的接法进行变换，改变电动机的极对数来改变电动机同步转速的调速方式。这是一种不连续的调速方式，适用于极对数可以改变的多速鼠笼型异步电动机。从电机构造上看，定子绕组有单绕组和多绕组两种，一半多为单绕组，单绕组变极电机不仅出线少，用铜省，而且可以实现双速、三倍及倍极比、非倍极比的变极调速。变极调速是一种传统的调速方式，广泛应用于机床等机械的调速，变极调速的主要优点是:无附加转差损耗，电气传动效率高，控制线路简单，设备费用低。其主要缺点是:不能连续调节转速。五、 变频调速改变异步电动机定子的电源频率，就可以改变同步转速，从而改变电动机的转速，这种调速方式能达到无级调速，主要用于鼠笼型异步电动机，如风机、水泵、压风机及空调等。变频调速的主要优点:起动电流小，在异步电动机的各种调速装置中变频调速效率最高。特别是半导体变频装置更具有设备体积小、可靠性高、调速精度高、特性硬、省电的特点。在交流电动机的以上调速方式中，变频调速因其突出的性能，应用最为广泛，同时也是电动机调速技术最为活跃的研究领域。随着电力电子技术和控制理论的不断发展和完善，变频调速的技术性能不断提升，变频调速技术已成为我国企业节约能源、提高生产过程自动化、提高产品质量和改造传统产业的主要技术手段之一。第四节 关于matlab仿真的相关内容三相异步电动机变频器调速系统,它通过变频器,将频率固定的交流电变换成频率连续可调交流电源。由于三相异步电动机的同步转速n0=60f/p,当频率连续可调时,电动机的同步转速也连续可调；又因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低一些,所以当同步转速连续可调时,转子转速也连续可调。利用变频器对异步电动机转速的控制,调速范围广,调速平滑性好,在工作特性方面,不管是静态特性,还是动态特性,都能做到和直流调速不相上下的程度。对于变频器的系统设计,工程师们很少利用仿真软件对系统进行仿真,设计者需要进行大量的编程计算,特别是对电机进行仿真实验更是非常困难,影响了仿真软件应具有的简单易学的特点。Math Works公司1998年推出的Matlab5. 2版本中,增加了一个电力系统工具箱(Power System Blockset),最新的Matlab5. 3版本又进行了一些改进,特别简单易学,不需自己编程,它基于Matlab的图形仿真环境Simulink,特别适于对电路设计进行仿真。Simulink中可以使用的电力系统工具箱主要是由加拿大的HydroQuebec和Tecsim International公司共同开发,其功能非常强大,可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真,它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制,在仿真前自动将其变化成状态方程描述的系统形式,然后才能在Simulink下进行仿真分析。下面就利用Simulink对异步电动机变频调速系统进行仿真的方法作一介绍。第二章 异步电机运行基本原理及其调速方法以及变量控制【1】第一节 异步电机运行基本原理异步电机又称感应电机，它由定子和转子组成。定子由定子铁心、定子绕组、机座三部分组成。转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。感应电机是利用电磁感应原理，通过定子的三相电流产生旋转磁场，并与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩以进行能量转换。旋转磁场的转速与转子之差n之差称为转差，转差与同步转速的比值称为转差率用s表示即 （2-1）转差率是表征感应电机运行状态的一个基本变量。当感应电机负载发生变化时，转子的转差率随之发生变化，使转子到体重的电动势、电流和电磁转矩发生相应的变化，以适应负载的需要。因此感应电机的转速随负载的变动而变化。按照转差率的正负和大小，感应电机可分为电动机、发电机、和电磁制动三种运行状态。当转子转速低于旋转磁场的转速时（），转差率。此时电机从电网输入功率，通过电磁感应由转自输出机械功率，电机处于发电机状态。若电机用原动机驱动，是转子转速高于旋转磁场转速（），则转差率。此时转自从原动机输入机械功率，通过电磁感应由定子输出电功率，电机处于发电机状态。若有机械或其他外因使转子逆着旋转磁场方向旋转（）则转差率。此时电机处于电磁制动状态，它一方面从外界输入机械功率，同时又从电网吸取电功率，两者都变成电机内部的损耗被消耗掉。.第二节 异步电机的电压方程和等效电路以同步转速旋转的气隙旋转磁场（主磁场）将在定子三相绕组内感应对称的三相电动势.根据基尔霍夫定律，定子每相所加的电源电压应当等于改电动势的负值加上定子电流多产生的漏阻抗压降。由于三相对称，故仅需分析其中的一相。于是定子的电压方程式是： （2-2）或 （2-3）式中， 为定子每相所加的电源电压； 为气隙主磁通在定子一相绕组中所感应的电动势；为定子相电流；、为定子每相的电阻和漏抗。而感应电动势等于 （2-4）气隙主磁通除在定子绕组内感应出频率为的电动势外,还在转子绕组内感应出频率为（转差频率）的电动势。定子每项电动势的有效值为 （2-5）当转子不转时（）时，转子每相的感应电动势为， （2-6）从上可以看出 在数值上 即转子的感应电动势与转差率成正比，越大，主磁场“切割”转子绕组的相对速度就越大，转子的感应电动势亦越大。与定子绕组一样，转子每相绕组亦有电阻和漏抗。由于转子频率，而漏抗正比于频率，故转子绕组的漏抗为 （2-7）式中，为转子频率等于时的漏抗，即转子不转（）时的漏抗。感应电机的转子绕组通常为短接，即端电压，此时根据基尔霍夫第二定律，可写出转子绕组一相的电压方程为 （2-8）或 （2-9）式中为转子电流；为转子每相电阻。经过归算，感应电动机的电压方程就变为： （2-10）根据上式即可画出感应电动机的T型等效电路，如下图所示：T型等效和向量图图2-1感应电动机T型等效电路图2-2感应电动机相量图第三节 异步电机的功率方程和转矩方程从等效电路可见，感应电动机从电源输入的电功率，其中的一小部分将消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗，一小部分将消耗于定子铁心变为铁耗，余下的大部分功率将借助于气旋旋转磁场的作用，从定子通过气隙传送到转子，这部分功率称为电磁功率，用表示。写成方程式时有： （2-11）式中： （2-12）其中，和为定子绕组的相电压和相电流，为定子的功率因数，从等效电路可知，电磁功率为： （2-13）其中，为转自内功率因数，。感应电动机正常运行时转差率很小，转子中磁通的变化频率很低，通常仅13Hz，所以转子铁耗一般可略去不计。因此，从传送到转子的电磁功率中扣除转子铜耗后，可得转换为机械能的总机械功率（即转换功率），即 （2-14） （2-15）用电磁功率表示时，上式亦可改写成 （2-16） （2-17）式中说明：在感应电动机中转换功率和电磁功率是不同的；传送到转子的电磁功率中，部分变为转子铜耗，部分转换为机械功率，由于转子铜耗等于，所以他又称为转差功率由式是感应电动机转子的输出功率方程，将此式除以机械角速度，可得转子的转矩方程，即 （2-18）式中，为电磁转矩；为与机械损耗和杂散损耗所对应的阻力转矩；如忽略杂散损耗，它就是空载转矩；为电动机的输出转矩。由于机械功率，转子的机械角速度，所以电磁转矩亦可写成： （2-19）考虑到电磁功率，把这些关系带入式中，可得： （2-20）式中：。上式说明，感应电动机的电磁转矩与气隙合成磁场的磁通量和转子电流的有功分量成正比；增加转子电流的有功分量，就可以使电磁转矩增大。第四节 异步电机的调速方法作为一种接近于恒速的驱动装置，异步电动机是一种性能良好的电机。但是在许多实际场合，要求电动机具有几种转速，或者在一定范围内可以连续地进行调速。因此，异步电动机的调速问题长期以来一直是电工接关心和研究的问题之一。由于异步电动机的转速： （2-21）所以可以从以下三个方面来调节异步电动机的转速：（1）改变定子绕组的极对数；（2）改变电动机的转差率；（3）改变电源频率。下面分别讨论这三种调速方法：一、 变极调速在恒定的频率下，改变电动机定子绕组的极对数，就可以改变旋转磁场和转子的转速。通常利用改变绕组接法，使一套定子绕组具备两种极对数而得到两个同步转速，称为单绕组双速电机；也可以在定子内安放两套独立的绕组，从而做成三速或四速电机。变极调速只能一级一级地调速，而不能平滑的调速。二、 变频变压调速在普通交流异步电动机的各种调速方式中，变频调速因其突出的性能，应用最为广泛，同时也是交流电动机调速技术最为活跃的研究领域。随着电力电子技术和控制理论的不断发展和完善，变频调速技术的性能还在不断提升，变频调速技术已成为我国企业节约能源、提高生产过程自动化、提高产品质量和改造传统产业的主要技术手段之一。变频调速是通过改变异步电动机定子的电源频率，以改变其同步转速，从而达到调节电动机转速的目的。但是，当电源频率改变时，会对交流异步电动机产生一系列的影响:损耗增加，效率下降:在工频以下，以恒转矩方式调速时，电动机的过载能力将会卞降；在低频时电动机的散热能力变坏，电动机温度会过高等。由于电动机本身就是一个非线性、强藕合、多变量的对象，且更为严重的是由于工作频率、温度和饱和效应的影响，定转子电阻、电感等参数在不同情况下变化明显。因而其动态建模非常困难，要从理论上准确的计算出电动机在不同频率和负载下的效率、温升、功率因数和临界转矩是十分困难的。所以，长期以来，在设计变频调速系统时，人们只是凭借经验来确定普通交流异步电动机变频调速的调速范围，而没有充分的理论依据。变频变压调速使异步电动机实现了宽的速度范围内的无级调速，结合先进的控制方式，使得异步电动机可以达到直流电机的调速性能，这是电机调速史上的一大突破。由于VVVF，调速电机相对于一般电机而言，面临着诸多的不同，如:其供电电源存在着许多高次谐波；调速控制中频率需要更宽且连续的变化；较高的电压峰值对电机绝缘存在强烈的冲击等。这些因素的存在，将会给电机的运行带来严重的不良影响，必须在设计中予以考虑。本文从VVVF调速机理出发，剖析了转矩与转差率、最大转矩与发生最大转矩的转差率、恒定磁通与恒定压频比、恒功率调速特性与恒转矩调速特性等问题的内在联系与客观规律，并揭示了开发设计这类电机所存在的特殊问题，从而提出了解决这些问题的对策和方法。变频变压调速机理剖析由电机学原理我们知道，在忽略定子电阻的情况下分析异步电机的等值电路，电机转矩、转差率、电源频率、磁通及电势之间存在下列关系(l) 正比于，且是的函数；(2) 反比于，且是电阻、电感的函数；(3) 正比于。联合(1)、(3)两点可知维持几不变可保持磁通不变，并在保持电流不变的情况下转矩也可不变。这表明不论E与怎样改变，只须维持 (通常称为压频比)不变，即可使异步电机在电流保持额定时的输出转矩不变，这就是变频异步电机实现恒转矩输出的依据所在。另一方面，由(2)可知，改变即改变了转差率，也相当于改变了电机的转速。以上分析表明，变频又变压且压频比不变，则可保持转矩不变而转速可变，因此电机实行恒转矩调速的机理客观上成立。特别当取时，则有为。当选值适当，使接近于1(即接近堵转)时电机就可能在极低颇率和极低电压下以最大转矩起动，这一事实正是VVVF调速异步电机实现“软起动”的条件。注意到上述分析中的是电机的内势，而实际使用中变频器则以电源输出电压替代进行控制，且上述分析是在忽略了定子电阻的等值电路上得出的结论，而实际上由于低频时定子电阻压降较整个阻抗的比重已不能忽略，因而在实际应用中需要通过适当提高，之比值来补偿增大使得下降的情况。但是增值必须适当，否则增值太大会造成轻载时的过励，由此造成磁路饱和、激磁电流大幅增加。上述分析表明，尽管与有所区别，但经适当增值(即低频补偿)后，使用变频器输出电压完全可以替代内电势，达到变频变压调速以及软起动的目的。上述情况是基频以下的情况。在基频以上时，由于一般变频器的输出电压在频率达到基频的同时也达到倾定值，且它不再随着频率的上升而增加，因此当调速系统的输出频率继续上升时，电压开始保持额定输出不变，而这时的磁通及转矩将随着的升高而减小，同时电机转速随升高而上升，由于输出功率正比于与的乘积，由此可维持保持不变，这种关系正好可以实现异步电机“弱磁”升速，此时电机进人恒功率调速的状态。综合上述分析可见，异步电机依赖变频器降频降压、恒定压频比以及升频恒压三种方式控制完全可以实现基颇下的恒转矩调速、无冲击电流的软起动以及基频以上的恒功率调速。三、 改变转差率来调速改变电动机的端电压来调速。在一定的转差率下，电动机的电磁转矩和端电压的平方成正比，因此改变电动机的端电压就可以改变曲线中转矩的大小，并达到调速的目的。转子加电阻调速。这种方法只适用于绕线型感应电动机。这种方法的优点是方法简单、调速范围广缺点是调速电阻中要消耗一定的能量。由于转子回路的铜耗，故转速调的越低转差率越大，铜耗就越多，效率就越低。第三章 逆变器工作原理和控制及其应用近年来,随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展,生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低,变频调速越来越被工业上所采用。如何选择性能好的变频其应用到工业控制中,是我们专业技术人员共同追求的目标。下面谈谈变频器的工作原理和控制方式。第一节 变频器的工作原理【4】我们知道,交流电动机的同步转速表达式为: （3-1）式中：为异步电动机的转速； 为异步电动机的频率；为电动机转差率；为电动机极对数。由上式可知,转速与频率成正比,只要改变频率即可改变电动机的转速,当频率在050Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。第二节 变频器控制方式【3】低压通用变频输出电压为380650V,输出功率为0.75400kW,工作频率为0400Hz,它的主电路都采用交直交电路。根据直流部分的电流、电压的不同形式,又分为电压型与电流型两种。如下图所示:图3-1 电压型三相桥式逆变电路图3-2 电流型三相桥式逆变电路区别在于直流接入部分是大功率的电抗器(电流型)或电容器(电压型)。电压型变频器的主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响；缺点是当负载出现短路或在变频器运行状态下投入负载,都易出现过电流,必须在极短的时间内施加保护措施。电流型逆变器由于电流的可控制性较好,可以限制因逆变装置换流失败或负载短路等引起的过电流,保护的可靠性极高,所以多用于要求频繁加减速或要求四象限运行的场合。其控制方式经历了以下四代。一、 正弦脉宽调制(SPWM)控制方式正弦脉宽调制(SPWM)控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。二、 电压空间矢量(SVPWM)控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形,以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善。三、 矢量控制(VC)方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流、通过三相二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流、 (相当于直流电动机的励磁电流； 相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。四、 直接转矩控制(DTC)方式1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。五、 矩阵式交交控制方式VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量,而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是:控制定子磁链引入定子磁链观测器,实现无速度传感器方式；自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对电机参数自动识别；算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；实现BandBand控制，按磁链和转矩的BandBand控制产生PWM信号,对逆变器开关状态进行控制。矩阵式交交变频具有快速的转矩响应(2ms),很高的速度精度(2,无反馈)高转矩精度(3)；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时(包括速度为零时),可输出150200转矩。第三节 简单的三种变频器控制方式1. 保持恒定保持恒定控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式,它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压,并使二者之比为恒定,从而使电动机的磁通基本保持恒定。由于电机的电势检测困难,但电机运行时电机的电势和电压几乎相等,一般是通过控制比恒定以保持磁通为恒定。缺点在于,当频率降低后,由于低速时的定子电阻压降所占比重增大使电机的电压和电势近似相等的条件已不满,导致电机的转矩有所下降。2. 保持输出转矩为常数(恒转矩调速)所谓恒转矩调速包括:控制具有恒转矩特性的负载(如起重机械)和不同速度情况下恒输出转矩控制,这种控制方式使得电动机保持输出恒定的最大转矩(条件容许的范围)。上述比恒定控制属于恒转矩控制。因为这种控制可以在一定调速范围内近似维持磁通为恒定,在相同的转矩相位角的条件下,如果能够控制电机的电流为恒定,即可控制电机的转矩为恒定。3. 保持输出功率为常数(恒功率调速)恒功率调速也同样包括负载特性要求具有恒功率的转矩-转速特性和电机具有输出恒功率能力即当电机的电压随着频率的增加而升高时,若电机的电压已经达到电机的额定电压,即使频率增加仍持电机电压不变。这样电机所能输出的功率由电的额定电压和额定电流的乘积所决定,不随频率变化而变化。即具有恒功率特性。异步电动机变压变频调速时,通常在基频以采用恒转矩调速,基频以上时采用恒功率调速。第四节 变频器的实际应用变频器的选取主要应注意以下几个误区:1.在变频器的三相电源进线处设置多重保护,如采用熔断器、漏电保护器、交流接触器和三相空气开关等,这种设置往往会限制变频器能力,且已造成缺相而损坏变频器。2.一般用户认为变频器的实际功率比其铭牌上标出的额定功率低,应将其容量选高一档。实际上变频器容量的选取主要取决于负载的转动惯量与控制转速变化的速率要求。例如在火电厂回转式空气预热器转子驱动中应用的变频器,选型时主要根据 （3-2）式中：电机驱动转矩；负载转矩；负载转动惯量；系统加速度。600 MW发电机组的空预器转子计算其转动惯量约为： （3-3）启动时的阻力转矩约为： （3-4）所以根据式计算可以选用kW电机,配以kW变频器驱动,当选用15 kW电机时加速时间不宜低于36 s,否则易出现过载报警,但把加速时间延长至60 s时该报警不再出现。该结论已经在工程实际中得到验证。如果还出现“加速时过电流”报警,可在变频器的输出端(与电动机连接的一端)加装启动控制电路(同时增加浪涌吸收器)即可,无需增加变频器容量。3.功率因数补偿装置由于变频器内部直流部分的隔离,使得原来的补偿装置不再有效。补偿装置只有加在变频器和电动机之间时才有效。4.变频器的节能作用变频器的节能作用可以从两方面来看待。一类是风机或泵类负载中的应用,而且流量经常根据使用要求发生变化时,还需再配上相应的传感器,与变频器一起构成闭环回路,才能达到节能的目的。另一类是当负载功率小于电动机的额定功率时,其效率随着负载转矩的减少而降低,也就是说,电动机轻载时会相对费电。而变频器会根据负载的大小自动调整V/F值,从而使效率得到提高,达到节能之目的。前面说的空预器转子负载就是这类负载。经实际运行应用变频器驱动空载时转子节能20%左右。5.载频随着载波频率的提高变频器输出波形接近于正弦波,电机噪声会逐渐降低。但是载波频率过高会使变频器产生过多的热损耗和交越失真。如下表所示:表2-1频率波形等的比较载波频率低高电机噪声大小输出波形差好漏电流小大6.高次谐波当使用环境中有晶闸管整流设备或电源电压不平衡率超过3%则应考虑在电源入口侧加装交流电抗器以减少电源侧和变频器之间的相互干扰。例如在电厂工作环境下,同一母线下工作的设备比较复杂,建议采用输入交流电抗器,以提高设备的使用寿命。7.能量回馈变频器在大惯性负载的应用中容易产生“过电压”报警。该报警产生的原因在于负载波动引起的能量回馈导致直流电压过高从而引起报警。解决该问题主要有两种方式:加装制动单元和制动电阻,这是解决该报警的根本方法。但对于负载惯量较大、波动剧烈的工况,制动电阻频繁工作也会导致过热报警。但往往出现“过电压”报警的根本原因在于矩提升、驱动转矩、制动转矩以及电机参数设置不理所致,这种原因所导致的报警解决方法是自动定电机参数并相应调节驱动、制动转矩参数即可不加装制动电阻的情况下,解决“过压”报警问题该方法已在国内多家电厂得到应用,并得到满意结果。第五节 正弦波脉宽调制(SPWM)变频器SPWM变频器结构简单,性能优良,主电路不用附加其他装置,已成为当前最有发展前途的一种结构形式。图3-3所示为SPWM变频器的电路原理,该电路的主要特点是:1.主电路只有一个可控的功率环节,简化了结构；2.使用了不可控的整流器,使电网功率因数与变频器输出电压的大小无关而接近于1；3.变频器在调频的同时实现调压,而与中间直流环节的元件参数无关,加快了系统的动态响应；4.可获得比常规6拍阶梯波更好的输出电压波形,能抑制或消除低次谐波,使负载电动机可在近似正弦波的交变电压下运行,转矩脉动小,大大扩展了拖动系统调速范围,并提高了系统的性能。图3-3SPWM交-直-交变频器原理一、 SPWM变频器的工作原理所谓正弦波脉宽调制(SPWM)就是把正弦波等效为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形,如图3-4所示,等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等份(图中n=12),然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替,矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合,而宽度是按正弦规律变化的如图3-4(b)所示。这样,由n个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦半周等效,称作SPWM波形。同样,正弦波负半周也可用相同方法与一系列负脉冲波来等效。图3-4 (b)所示的一系列脉冲波形就是所期望的变频器输出SPWM波形。可以看到,由于各脉冲的幅值相等,所以变频器可由恒定的直流电源供电,即这种交-直-交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器即可,变频器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压幅值。当变频器各开关器件都是在理想状态下工作时,驱动相应开关器件的信号也应为与图3-4 (b)所示形状相似的一系列脉冲波形。从理论上讲,这一系列脉冲波形的宽度是作为控制变频器中各开关器件通断的依据,可以严格地用计算机方法求得。但较为实用的方法是引用通讯技术中的“调制”这一概念,以所期望的波形(这里是正弦波)作为调制波,而受它调制的信号称为载波。图3-4 与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波(a)正弦波形(b)等效的SPWM波形图3-4 正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波在SPWM中常用等腰三角波作为载波,因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形,当它与任何一个光滑的曲线相交时,在交点的时刻控制开关器件的通断,即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲,这正是SPWM所需要的结果。.二、 SPWM变频器的同步调制和异步调制定义载波的频率与调制波频率之比为载波比,即。视载波比的变化与否有同步调制与异步调制之分。1.同步调制在同步调制方式中, 为常数,变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步变化,因而变频器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的