交流电动机调速系统的研究

交流电动机调速系统的研究摘要：最近几年，随着新型电力电子器件的不断涌现和计算机技术的飞速发展，高性能的交流电动机变频调速系统得到了广泛的应用，他的显著的节能效果和灵活的运行方式，给人们留下了深刻的印象。本论文首先论述了变频调速的基础技术，简述了它在我国的发展和应用以及今后在这方面应做的工作；其次对系统的主电路、控制电路、电气控制电路以及实现控制的软、硬件进行了系统地分析，并对调速系统的实施方案进行了论证。在此基础上，调速系统主电路采用了交-直-交型电路形式及交－交调速系统；最后以PWM电压源型交流调速系统的工作原理框图为例，分析并介绍交流电动机的调速系统。关键词：交流调速变频调速PWM第一章引言1.1设计的目的和意义近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流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。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义。1.2国内外研究现状交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。它主要基于下面几个因素：（1）变频调速系统自身损耗小，工作效率高。（2）电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。（3）可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。在采用变频调速时，需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。如果仅从工艺要求、节约效益考虑，下面几种情况选用变频调速较有利：（1）根据工艺要求，生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如：包装机传送系统，根据不同品种的产品，需要改变系统传送速度，使用变频调速可使调速控制系统结构简单，控制准确，并易于实现程序控制。（2）用变频调速代替机械变速。如：机床，不仅可以省去复杂的齿轮变速箱，还能提高精度、满足程序控制要求。（3）用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。例如：锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制，不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门（或挡风板），而且使得整个锅炉锅炉控制系统得到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。目前，国外先进国家的变频技术正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向发展，我国也在加快发展步伐。第二章变频调速系统2.1变频调速交流异步电动机的调速方式有多种，诸如调压调速、变级调速、串级调速、滑差调速等，而变频调速优于上述任何一种调速方式，是当今国际上广泛采用的效益高、性能好、应用广的新技术。它采用微机控制、电力电子技术及电机传动技术取得工业交流异步电机的无级调速功能。目前在国内外已广泛应用，是自动化电力传动的发展方向。交流变频调速技术已经成熟。高压大功率变频器（几千V，数千kW）已在大容量风机、高压水泵等电机上应用。低压小功率（几百V，几个kW）变频器在鼓风机、压缩机、离心机、搅拌机、水泵、机床，甚至在空调、洗衣机等方面被广泛采用。在纺织工业方面，用于织布机、毛纺机等。2.2变频调速原理变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频可以调速这个概念，可以说是交流电动机“与生俱来”的。同步电动机不消说，即使是异步电动机，其转速也是取决于同步转速(即旋转磁场的转速)的：)1(0snn（2.11）式中：n——电动机的转速，m/min0n——电动机的同步转速，r/mins——电动机的转差率s=(n1-n/)=△n/n1而同步转速则主要取决于频率pfn600（2.12）式中：f——输入频率，Hzp——电动机的磁极对数由式（2.11）与式（2.12）可知变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：psfn)1(60（2.13）由上式可知，在电动机磁极对数不变的情况下，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。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22COSIKTMTM（2.14）（式中MT：电磁转矩，M：主磁通，2I：转子电流，2COS:转子回路功率因素，TK：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。由于电动机设计时，电动机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电动机铁心出现饱和，从而导致电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电动机。因此，在改变电动机频率时，应对电动机的电压进行协调控制，以维持电动机磁通的恒定。2.3变频调速优点利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于水泵，风机等设备是很适用的。我国应用的变频器，国外产品以日本富士、三菱牌号较多，台湾普传产品也不少，国内有西普（西安）、艾伦（上海）、华为（深圳）、艾普斯（天津）等厂家的产品均在推广应用。第三章交流电动机变频调速3.1交流变频调速技术的发展交流电动机的调速系统是一项以大功率电力电子器件为基础的新型技术学科在过去的十几年间由于大功率电力电子器件的不断出现，使交流电动机的调速技术取得了很大的发展。在六十年代以后，交流调速系统采用半导体变流技术，尤其是七十年代以来，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，为交流电力拖动的开发进一步创造了有利条件，交流伺服控制是自动化领域中刚刚发展起来的新分支，交流伺服系统将广泛取代目前直流伺服系统这一观念已经被越来越多的人所接受，在数控机床及机器人等高精尖设备系统中，以往一直使用直流电机，因为调节直流电机的电枢电压或电流就可以方便的获得优良的调速特性。交流传动与相当的直流传动相比通常有价格方面的优势，而且具有较少维护、较小的电机尺寸和更高的可靠性。然而对这些传动系统可利用的控制灵活性是非常有限的，而且它们的应用主要局限在风机、泵和压风机等应用方面，其速度只需要粗略调节而对暂态响应和低速特性没有严格要求。用于机床、高速电梯、测功器、矿井提升机等的传动装置，有更加复杂的要求，而且必须提供允许调节多个变量的灵活性，例如速度、位置、加速度和转矩等，这样的高性能应用，一般在速度闭环下要求高速段保持高于0.5%的调速精度和至少20：1的宽调速范围，以及高于50rad/s的快速暂态响应。以前，这样的传动装置几乎全部是直流电机的应用领域，并根据具体应用的需要配置各种结构的AC.DC变换器。然而，采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已胜过直流传动，并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机器人和自动装置的传动、电动汽车和电器火车传动等等。3.2交流电机交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。3.3变频调速变频调速是一种最有发展前途得一种调速方式,其调速花样繁多。从60年代提出的迈克默雷电压型变频器开始,发展到电流型脉宽调治(PWM)型以及循环变流器,现在又向着高性能、高精密、响应快、大容量化、微型化以及理想化的方面发展,并不断出现新的控制结构及控制方式。由简单的开环控制转为闭环控制,诸如位置控制、锁相控制、速度闭环、及数字控制等,随着功率半导体器件质量得提高,从普通可控硅(SCR)发展到快速可控硅及关断可控硅(GTO)的应用,从普通晶体管发展到动力晶体管(GTR)的应用。控制单元和系统从分力元件向着大规模集成电路微型化和数字化方向发展,从而使可控硅变频调速装置的可靠性及经济性不断提高。变频调速这一技术正越来越广泛的深入到行业中。它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。在毕业设计这段时间中,通过多次的修改，终于圆满完成了此次毕业设计。此次毕业设计，我学到并掌握PWM技术的主体思路和方法。同时，也锻炼了我的学习能力、工作能力，并培养了我的吃苦精神、合作精神，为我即将走向工作岗位打下了良好的基础。通过毕业设计，真正的学习到了不少东西，让自己知道了工科学生扎实的基本功是必不可少的，对于创新能力的培养和加强得引起高度的重视，光课堂的学习是不够的，通过自学是提高的一个途径，能够将所学到的知识和自学的新知识柔和在一起已证明了我们具有一定的能力