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论文运控结 课论文 改后(定稿) 交流调速系统总结论文班级计092-3学号xx25502344姓名陈燕如指导教师张雅静xx年12月20日摘要目前，随着电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，交流调速传动已成为电气调速传动的主力军，是近现代工业发展的基础。 以变频调速为代表的交流调速系统凭借优越的调速性能和显著的节能优势在各个领域中奠定了其举足轻重的地位，得到了广泛的应用，为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了捷径。 交流调速系统主要由由交流电动机和交流调速装置两部分。 本论文介绍了交流调速系统的调速方法、系统类型、数学模型、技术应用以及性能分析等，其中重点讲解了变压变频调速的工作原理以及使用。 交流调速系统的主要任务是使各种生产机械按照人们期望的状态运行，以满足生产工艺及其他应用需求。 交流调速系统具有节省电能、提高产量和质量、增强设备的可靠性和增加经济效益等优势。 交流调速系统应用主要有四个方面【1】一般性能的节能调速；【2】高性能的交流调速系统；【3】风机、泵类传动电动机调速，以获得可观的节能效益；【4】特大容量、极高转速的交流调速。 0.1交流调速系统的组成及其特点交流调速系统由交流电动机及负载、功率放大与转换装置、控制器及其相应的传感器等构成，其结构如图0-1所示。 图0-1交流调速系统组成目前，交流可调传动已逐渐普及，其应用现在已超过直流传动，世界范围的设计研究重点转向交流调速。 因此交流调速系统成为工业系统设计的明智选择，其具有以下特点 （1）交流电动机的优点与直流电动机相比，交流电动机具有结构简单、转动惯量小、动态响应好、价格低廉、坚固耐用、体积小等优点。 （2）难于控制，调速性能先天不足。 a)多变量耦合T=CmI2mCOS2T不仅与I2m有关，还与n有关（COS2与r2/s有关），有耦合关系，即多变量耦合系统。 b)强非线性:c)高阶次至少是7阶。 0.2交流调速系统的学科基础和应用交流调速技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。 随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。 交流调速系统的应用广泛，例如矿井水泥制造、高速铁路城市轻轨、石油/石化、发电、污水处理、舰船推进等。 0.3交流调速的分类交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。 按电动机的调速方法分类，常见的交流调速方法有降电压调速；转差离合器调速；转子串电阻调速；绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速；变极对数调速；变压变频调速等。 第一部分交流电动机第一章交流电动机的总体概述1.1交流电动机的分类交流电机主要分为异步电机和同步电机两大类。 同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系。 异步电机则不然。 异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。 异步电机又有三相和单相两种。 1.2三相异步电动机的组成及其工作原理三相异步电动机主要由静止的定子和运动的转子两大部分组成，定、转子之间有一很小的气隙。 其中定子由定子铁心、定子绕组和机座等三大部分组成，转子由铁心、转子绕组和转轴组成，如图1-1所示。 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速旋转的旋转磁场。 转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内产生感生电流，磁场又对导条产生电磁力。 于是转子就跟着旋转磁场旋转，如图1-1所示。 1.3同步电动机的组成及其工作原理同步电动机也是一种旋转电机，所以也是由定子、转子及气隙组成，其中定子也是由定子铁心、定子绕组、机座和端盖等部件组成。 同步电机的定子铁心和绕组是进行机电能量转换的枢纽，所以把同步电机的定子成为电枢，同步电机的转子结构与异步电机不同，它有两种结构形式，一种是定、转子之间的气隙不均匀的凸极式，一种是定、转子之间的气隙不均匀的隐极式。 同步电机是一种定子边用交流电流励磁以建立旋转磁场，转子边用直流电流励磁构成旋转磁极的双边励磁的交流电机。 同步电动机的定子对称三相绕组接到三相电源上，就产生旋转速度为n1的旋转磁场,转子励磁绕组通直流电时建立固定磁场。 假如转子以某种方法起动，并使转速接近n1，这时转子的磁场极性与定子旋转磁场极性之间异性对齐(定子S极与转子N极对齐)。 根据磁极异性相吸原理，定转子磁场间就产生电磁转矩，促使转子跟旋转磁场一起同步转动即n=n1，故称为同步电动机。 同步电动机的特点是1.同步电动机的稳态转速等于同步转速。 2.同步电动机除定子磁动势外，在转子侧还有独立的直流励磁，或者靠永久磁钢励磁。 3.同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。 4.由于同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行。 因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。 5.同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，动态响应快。 1.4本章小结本章主要介绍了交流电动机的主要类型，具体分析了三相异步电机和同步电动机的结构组成和工作原理。 为了更好地了解同步电机，本章还总结列出了同步电机的五大特点。 第二部分异步电动机调速系统第二章基于稳态模型异步电动机调速系统2.1异步电动机变压变频调速基本原理变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速1n随频率而变化，即为了达到良好的控制效果，常采用电压频率协调控制。 三相异步电动机定子每相电动势的有效值为由式（2-2）可知，只要控制好gE和1f，便可达到控制气隙磁通m的目的，对此，需要考虑基频以下和基频以上两种情况。 当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。 最好是保持每极磁通量为额定值不变。 因此，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低gE，使即采用电动势频率比为恒值的控制方式。 当电动势值较高时，可忽略定子电阻和漏感压降,认为定子相电压gsEU。 低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。 人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。 负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。 如图2-1所示。 a无补偿b带定图2-1恒压频比控制特性在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。 这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。 在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式，在基频以上，转速升高时磁通减小，允许转矩也随之降低，基本上属于“恒功率调速”方式，如图2-2所示。 在恒压频比的条件下改变频率，基频以下，异步电动机变压变频调速时的机械特性基本上是平行下移的近似直线，如图2-3所示。 恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。 恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。 恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。 但机械特性还是非线性的仍受到临界转矩的限制。 恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳，如图2-4所示。 a）恒压频比控制b）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制d）恒转子磁通控制图2-4异步电动机在不同控制方式下的机械特性2.2交流PWM变频技术异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。 现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。 基本思想是控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。 常用的交直交PWM变频器主回路如图2-5所示，左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压。 右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电。 中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。 主回路只有一套可控功率级，具有结构、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。 缺点是当电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。 以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波。 由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulseWidthModulation，简称SPWM）。 电流跟踪PWM（CFPWM，Current FollowPWM）的控制方法是在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，如图2-6所示。 在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。 电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。 当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。 实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的环宽。 图2-6电流滞环跟踪控制的A相原理图把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space VectorPWM）控制”。 三相合成电压空间矢量与参考点无关。 当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量su在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度在空间作恒速旋转。 其空间矢量以电源角频率为电气角速度进行恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。 2.3转速开环变压变频调速系统对于风机、水泵等调速性能要求不高的负载，可以根据电动机的稳态模型，采用转速开环电压频率协调控制的方案。 这就是一般的通用变频控制系统。 所谓通用包含两层意义，一是可以和通用的笼型异步电动机配套使用；二是具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。 图2-7为转速开环变压变频调速系统结构图。 图2-7转速开环变压变频调速系统由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，频率设定必须通过给定积分算法产生平缓的升速或降速信号，即当实际频率大于或等于额定频率时，只能保持额定电压不变。 而当实际频率小于额定频率时，一般是带低频补偿的恒压频比控制，系统的电压/频率特性为2.4转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统前节所述的转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但静、动态性能不够理想，要提高静、动态性能，实现稳态无静差，首先要用转速反馈的闭环控制。 转速闭环转差频率控制的变压变频调速是基于异步电动机稳态模型的转速闭环控制系统，如图2-8所示转差角频率（2-7）当电机在稳定运行时，s很小，因而sw也很小电磁转矩可近似为（2-8）转差频率控制的基本思想保持气隙磁通不变，在s值较小的稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比，可以通过控制转差角频率来控制转矩。 要保证系统稳定运行和气隙磁通恒定，就必须满足系统允许的最大转差频率小于临界转差频率的条件和进行定子电压补偿控制，以抵消定子电阻和漏抗的压降。 图4-44转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图2.5本章小结本章主要介绍了异步电动机变压变频的基本原理以及控制方法，重点讲解了交流PWM技术、转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统、转速开环变压变频调速系统。 其中PWM技术包括了SPWM、CFPWM、SVPWM等技术，阐述了这几种技术的原理及使用，对于开环和闭环调速系统则进行了系统地剖析，让读者更容易理解。 第三章基于动态模型异步电动机调速系统3.1异步电动机动态数学模型异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，如图3-1所示，以它为控制对象变压变频调速系统是多变量系统。 无论异步电机转子是绕线型还是笼型的，都将它等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数都相等。 这样，实际电机绕组就等效成图3-2所示的三相异步电机的物理模型。 将运动方程、转矩方程、电压方程和磁链方程综合起来，再加上便构成在恒转矩负载下三相异步电机的多变量非线性数学模型，用结构图表示出来如图所示3.2异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统要分析和求解异步电机的动态数学模型显然是十分困难的，在实际应用中，利用坐标变换予以简化。 三相-两相变换是依据产生的磁动势相等的等效原则将相互独立的两相绕组替代三相绕组，两相静止-两相旋转变换的基本思想依据产生的相等的等效原则，将两相旋转绕组通直流电代替两相静止绕组通交流电来产生旋转磁动势。 通过坐标变换和按转子磁链定向，可以得到等效的直流电动及模型，由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统（Vector ControlSystem），控制系统的原理结构如图3-4所示。 图3-4矢量控制系统原理结构图为了改善系动态性能，系统可以采用转矩闭环控制和在转速调节器输出增加除法器这两种转矩控制方式，想要避免转子磁链的计算和简化系统结构，可以利用给定间接计算转子磁链的位置（即间接定向）。 3.3异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统直接转矩控制系统是带转速和磁链闭环控制且在转速环中利用转矩反馈直接控制电机电磁转矩，继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频系统。 系统组成如图3-5所示它系统的特点是【1】转速双闭环；【2】用滞环控制器取代通常的PI调节器；【3】转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构；【4】选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性，采用了砰-砰控制；【5】在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应的快速性也是有限的。 图3-5按定子磁链控制的直接转矩控制系统3.4直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较直接转矩控制系统和矢量控制系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统。 两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的。 但两者在控制性能上却各有千秋，表3-1列出了两种系统的特点和性能的比较。 表6-1直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制砰-砰控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑坐标变换静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂转子参数变化影响无有调速范围不够宽比较宽3.5本章小结变压变频调速方式是目前交流调速系统的主要形式，因此是研究的重点。 本章介绍了异步电动机的动态数学模型，通过图形解释了高阶、非线性、强耦合的概念，重点介绍了直接转矩控制系统和矢量控制系统的基本思想、结构组成和性能。 在本章最后，通过两者的比较，综述了相关知识点。 第三部分同步电动机调速系统第四章同步电动机变压变频调速系统4.1同步电动机的基本特征与调速方法同步电动机的转速恒等于同步转速，所以同步电动机的调速只能是变频调速。 同步电动机的调速可分为自控式和他控式两种，适用于不同的应用场合。 忽略定子电阻，同步电动机从定子侧输入的电磁功率同步电动机的电磁功率和电磁转矩由确定，故称为功角或距角，电磁转矩由两部分组成，第1部分由转子磁势产生的，第2部分是由于磁路不对称产生的。 式（4-1）和式（4-2）是同步电动机的功角特性和距角特性。 在一个周期内，电磁转矩的平均值等于零，故同步电动机不能正常起动。 在工频电源下起动时，先用转子中的起动绕组按异步起动，接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。 当2时，电磁转矩eT，产生制动作用，角以2为周期变化，电磁转矩呈正弦规律变化，如图4-1所示。 同步电动机变频调速的电压频率特性与异步电动机变频调速相同，基频以下采用带定子压降补偿的恒压频比控制方式，基频以上采用电压恒定的控制方式。 同步电动机的变频调速方法有两种用独立的变压变频装置给同步电动机供电；根据转子位置直接控制变压变频装置换相时刻。 4.2他控变频同步电动机调速系统他控变频调速系统控制较为简单，实现容易，能够实现多机拖动，但仍有可能产生失步现象。 它可以分转速开环为和大功率同步电动机调速系统两大类。 如图4-2所示的转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统存在一个明显的缺点，就是转子振荡和失步问题并未解决，因此各台同步电动机的负载不能太大。 大功率的同步电动机转子上一般都具有励磁绕组，通过滑环由直流励磁电源供电，它采用变频调速，在起动过程中，定子电源频率按斜坡规律变化，将动态转差限制在允许的范围内，以保证同步电动机顺利起动。 控制方案可以是恒压频比控制，也可以是矢量控制。 大功率的同步电动机一般采用转速闭环控制，除了转速闭环控制外，还带有电枢（定子）电流和励磁（转子）电流的闭环控制。 图4-3绘出了这种系统的结构图，系统控制器包括转速调节、定子电流和励磁电流控制。 4.3自控变频同步电动机调速系统自控变频同步电动机能根据转子位置直接控制变频装置的输出电压或电流的相位，