交流调速论文

交流变频调速系统论文摘要：交流调速的所有方法可归结为电磁功率和损耗功率两种方案，电磁功率控制改变的理想空载转速，调速是高效率的；损耗功率控制增大是转速降，调速是低效率的。关键词：整流器；三相异步电动机；变频器；逆变器。1.概述变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。随着电力电子技术、微电子技术、信息技术和现代控制理论在调速系统中的应用，变频调速已逐渐取代过去的滑差调速、变极调速、定子调速、串极调速及直流电机调速等调速方式，在工业生产中获得广泛的应用，被国内外公认为最有发展前途的调速方式。随着节能产品之一的变频调速产品在电气、机械、化工等各行业得到广泛应用，变频器产业被称为绿色朝阳产业，一经问世便引起了国内外电气传动界的普遍关注，显现出广阔的市场前景。20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。交流调速控制作为对电动机控制的一种手段。作用相当明显，就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下：（1）已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。并解决了交流调速的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。（2）可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。（3）可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点，又使整个系统得到更好的动态性能。采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度可以达到0.002%。在交流调速技术中，交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。交流变频调速的优异特性(1)调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。(2)调速范围较大，精度高。(3)起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。(4)变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。(5)易于实现过程自动化。(6)必须有专用的变频电源，目前造价较高。(7)在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。2.前言从20世纪80年代变频器引入中国，经过不断地推广和使用，变频器已经得到广大企业用户的认可，目前在市场上有近百个品牌，上千个系列。但是，由于大多变频器采用的原理不同，可设置功能和参数众多，不同公司的产品各有特点，且变频器说明书中对于产品各种功能的解释过于简单、专业化，描述有时不够准确，加之一些进口变频器的说明书在翻译上存在诸如名词术语不规范的问题，常常给用户们带来许多不便，使变频器在生产中并没有更好地发挥作用。随着变频器的应用日益广泛，了解变频器的基本原理，正确合理使用变频器，使采用变频器的传动系统达到最佳的性能指标，以及进行正确的维护使变频器安全稳定地运行，这些都对生产第一线的技术人员提出了更高的要求。高压电机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，以进步产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产本钱。近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有像低压变频器那样近乎同一的拓扑结构。根据高压组成方式可分为直接高压型和高-低-高型，根占有无中间直流环节来分，可以分为交-交变频器和交-直-交变频器.在交-直-交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源型。高-低-高型变频器采用变压器实行输进降压，输出升压的方式，实在质上还是低压变频器，只不过从电网和电机两端来看是高压的，是受到功率器件电压等级技术条件的限制而采取的变通办法，需要输进，输出变压器，存在中间低压环节电流大，效率低下，可靠性下降，占地面积大等缺点，只用于一些小容量高压电机的简单调速。常规的交-交变频器由于受到输出最高频率的限制，只用在一些低速，大容量的特殊场合。直接高压交-直-交变频器直接高压输出，无需输出变压器，效率高，输出频率范围宽，应用较为广泛。主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。3.整流器最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。4.平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。5.逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成.6.定子电磁功率控制--变频调速的原理从功率控制角度观察，变频调速是典型的定子电磁功率控制调速。由于转子电磁功率是由定子传输的，且定、转子电磁功率相等，因此控制定子电磁功率就可间接地控制转子电磁功率。定子电磁功率转矩平衡方程式约束，不能作为控制量。但单纯调压并不能实现定子电磁功率控制，因U1不但影响电磁功率，还作用于磁场。为了解决上述问题，应根据式(9)，在调压的同时正比地改变频率f1，使主磁通Φm保持不变。从而实现高效率的电磁功率控制调速。变频调速时，理想空载转速按n0随U1改变，此时同步转速n1随f1而变，且有n0=n1，但决定电动机转速的是n0而不是n1，下面将会看到，即使n1不变，n0也可随电磁功率改变，可见n0与n1没有直接、必然的联系。变频调速的功率控制原理如图3所示。可见恒转矩变频调速时，其充分条件是调压，必要条件是变频，调速的实质在于电磁功率控制。3.2转子电磁功率控制调速对于绕线式异步机调速，可以对转子直接进行电磁功率控制。方法是从转子口移出或注入电功率，以改变转子的净电磁功率。与定子电磁功率控制调速(即调压变频调速)相比，两者并无原理的区别.恒转矩的电磁功率控制调速所谓恒转矩调速，是指额定输出转矩能力不变的调速，特点是主磁通Φm不变。恒转矩调速可以通过定子或转子的电磁功率控制实现，但在定子控制时，必须要注意主磁通Φm的恒定。变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电动机变频调速的控制装置。逆变器是将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置（DC－AC变换）。将固定直流电压变换成可调的直流电压的装置称为斩波器（DC－DC变换）。7.变压变频调速在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由TM＝KTFMI2COSj2(式中TM：电磁转矩，FM：主磁通，I2：转子电流，COSj2：转子回路功率因素，KT：比例系数)，可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。由于电机设计时，电机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电机铁心出现饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。因此，在改变电机频率时，应对电机的电压进行协调控制，以维持电机磁通的恒定。为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（VariableVoltage，简称VV）变频（VariableFrequency，简称VF）器，即VVVF。所以，通常也把这种变频器叫作VVVF装置或VVVF.根据异步电动机的控制方式不同，变压变频调速可分为恒定压频比（V/F）控制变频调速、矢量控制（FOC）变频调速、直接转矩控制变频调速等。传动调速变频器有多种类型，我们主要研究传动调速用的交流变频调速器（交－直－交）的功能及其应用。交流变频器基本构成原理图见图7-1所示。8．交-直-交变频器整流器把交流变成直流，经过平滑滤波，再经过逆变回路，把直流变成不同频率的交流。使电动机获得无级调速所需要的电压、电流、频率。这种变频器叫交-直-交变频器，它又可分为电压型和电流型两种：电压型是利用较大容量的电容进行滤波，直流回路的电压波形比较平直，输出阻抗很小，电压不易突变，相当于直流恒压源；电流型是采用较大电感的电抗器进行滤波，直流回路的电流波形比较平直，输出阻抗很大，电流不易突变，相当于直流恒流源。逆变器频率调节可由不同的控制方式来实现——PAM和PWM等控制方式。PAM是一种改变电压源的电压或电流源的电流幅值，进行输出控制；PWM是一种脉冲宽度调制电压输出波形。异步电动机调速用变频器的控制方法可分两大类：一种是标量控制法，就是控制变量的大小，给定指令和反馈信号是与变量有关的直流量，取近似值。如，通常的电压、电流源变频器调速系统，适合于动态和静态要求不高的场合；另一种是矢量控制法，是把异步电动机参数等效为直流电动机相关的控制参数，即可控制变量的大小，又可控制其相位，因而所得结果可与直流电机调速系统相媲美。9．变频器的控制方式控制方式分为开环控制和闭环控制方式两种。开环控制方式一般采用—V/f控制方式，而闭环控制方式分为转差频率控制和矢量控制。（9-1）V/f控制异步电动机的转速由电源频率和极数决定，所以改变频率，电动机可以调速运转。但是频率改变时阻抗也改变，这样改变频率将产生弱励磁引起的转矩不足、过励磁引起的磁饱和等现象，使电动机的功率因数、效率下降。V/f控制方式是改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机输出保持在一定的范围内，调速运转时电动机的效率、功率因数不下降。这种控制方式广泛应用于通用变频器拖动风机、泵类等机械的节能运转，生产流水线的工作台传动以及空调等家用电器的控制。（9-2）转差频率控制转差频率控制方式是通过检出电动机的转速，然后以电动机速度相对应的频率与转差频率的和来确定变频器的输出频率。由于能够任意控制与转矩、电流直接相关的转差频率，与V/f控制相比其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外,它具有速度控制器，利用速度控制反馈进行速度闭环控制，适用于制动控制系统。（9-3）矢量控制矢量控制方式就是将定子电流分解成规定的磁场电流和转矩电流，分别进行任意控制。同时将两者合成后的定子电流供给电动机，这种控制方式的特点是控制特性比优越，能获得不亚于直流电动机的控制特性。10.变频器的保护功能根据变频器类型不同，其保护功能略有差异，但一般具有如下保护功能：瞬时过电流、过载、再生过压、瞬时停电、接地过电流、防止失速过电流、防止失速过电压、冷却风机异常等保护功能。变频调速系统的选择根据所控制负载及传动系统的各异，有针对性的选择变频器的类型及功能。在图10-1中显示了典型调速系统框图（10-1）负载转矩的特性电机产生转矩带动负载，其转矩大小随负载各种条件而变化。如果负载侧其它条件不变，或负载侧处于有效地进行正规控制的状态下，那么，表示各种转速下转矩大小的转矩-速度曲线，根据其形状大体可分为3类，如图10-2所示。①--恒转巨负载：如挤压机、传送带等；②--平方转矩负载：如水泵、风机等；③--恒功率负载：如卷取机、机