题 目： 交流电动机调速系统的研究
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专 业： 电气工程及其自动化
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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
摘要 ................................................................................................................................................. II
第一章 引言 . .................................................................................................................................. 1
1.1选题背景及意义 . ................................................................................................................ 1
1.2国内外研究现状 . ................................................................................................................ 2
1.3 研究内容与目标 . ............................................................................................................... 2
第二章 交流电动机调速 . .............................................................................................................. 3
2.1交流变频调速技术的发展 . ................................................................................................ 3
2.1.1交流电机 . ................................................................................................................. 4
2.1.2直流电机 . ................................................................................................................. 4
2.1.3交流电机与直流电机对比 . ..................................................................................... 4
2.2交流调速的方式 . ................................................................................................................ 4
2.2.1串极调速 . ................................................................................................................. 5
2.2.2矢量变换控制调速 . ................................................................................................. 5
2.2.3变频调速 . ................................................................................................................. 5
第三章 常见的交流机变频调速装置及应用 . .............................................................................. 6
3.1交一直一交变频调速 . ........................................................................................................ 6
3.1.1整流原理 . ................................................................................................................. 6
3.1.2逆变原理 . ................................................................................................................. 6
3.2交一交变频调速 . ................................................................................................................ 7
3.2.1单相交－交变频电路 . ............................................................................................. 7
3.2.2三相交－交变频电路 . ............................................................................................. 8
3.2.3变频调速的意义 . ..................................................................................................... 9
3.2.4变频调速的效益 . ..................................................................................................... 9
第四章 交流电机变频调速的的原理及特性 . ............................................................................ 11
4.1变频调速 . .......................................................................................................................... 11
4.2基本原理及特性 . .............................................................................................................. 11
4.2.1变频调速的原理 . ................................................................................................... 11
4.2.2变频调速优点 . ....................................................................................................... 12
4.3变频调速应用举例 . .......................................................................................................... 12
第五章 常见的变频电源及简单原理 . ........................................................................................ 14
5.1基本概念 . .......................................................................................................................... 14
5.2变频调速类型 . .................................................................................................................. 14
5.3变频电源的工作原理 . ...................................................................................................... 14
第六章 PWM电压源型交流调速系统 . ......................................................................................... 17
6.1 PWM电压源型交流调速系统的工作原理 .................................................................... 17
6.1.1 PWM控制的基本原理 ......................................................................................... 17
6.2.2 PWM相关概念 ..................................................................................................... 19
6.2 三相交流电源 IGBT PWM ............................................................................................ 19
6.3 变频电源的优势和应用 . ................................................................................................. 21
参考文献 . ................................................................................................................................ 23
第一章 引言
1.1选题背景及意义
以变频调速技术问世为标志的近代交流调速近二十年来取得了惊人的进展。首先是由于生产力的发展，生产机械的功率愈来愈大，1000千瓦以上功率装置愈来愈多。在这样的功率范围内，直流电动机由于受机械换向器及电刷等工艺制造的限制，很难制造额定电压超过1000伏的电动机，因而额定电流变得很大，供电须采用专用汇流排，这样供电电压降和传输损耗增加，相比之下，交流电动机制造超过6000伏以上高压电机并不困难，从而避免了上述直流电动机制造工艺的难点，换言之，功率愈大，交流拖动的经济效益优势将更为明显，制造出功率大大超过直流电动机是形势要求的一个方面；另一方面还要利用先进控制技术使其性能指标达到甚至超过直流电动机。
其次，三次中东战争后，西方一度发生石油危机，廉价能源丧失，使人们认识到节能的重要性，许多传统的工艺过程必须从节能的角度加以重新评价。其直接影响是要求一大批原来恒速运行的机械改成调速运行，特别是用量很大，通常占总用电量一半左右的风机、泵类负载，采用调速方式来调节输出流量，与传统的恒速运行节流阀调节流量的方式相比，可节电30％左右；这一事实，促使人们从生产系统总效率的角度来重新评价交流调速系统的经济技术指标，变频调速系统由于具有显著的节电效果；低廉的运行费用，常可抵消装置价格偏高的不利因素，受到用户的欢迎。
再者，由于在环境恶劣的生产场合（如冶金、建材、矿山、化工等工业）常有防爆或高速运行的要求，目前世界上还很难生产出大功率、高速的防爆直流电动机，再如水泥行业灰尘大，污染大，直流电动机很不适应，而且直流电机经常换电刷，维护量大，因而常常停机影响生产。
发展生产力的需要大大促进科学技术的发展，因此自从70年以来，以电子电子器件、微电子器件技术和控制技术等为基础的变频调速技术，有了突破性的进展，生产出满足变频调速要求的变频器，从此交流调速进入了一个崭新时代，为了与以前传统的交流调速相区别，人们通常把实现变频调速为特征的交流调速称为近代交流调速。
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。
1.3 研究内容与目标
本文主要作了以下工作：
（1）介绍交流电动机调速的发展过程；
（2）介绍常见的交流机变频调速装置及应用；
（3）介绍交流电机变频调速的原理及特性；
（4）介绍几种常见的变频电源及简单原理；
（5）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。
第二章 交流电动机调速
2.1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, 尤其使七十年代以来, 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。在过去的几十年里, 世界范围的工业进步的一个重要因素是工厂自动化程度的不断提高. 工厂里的生产线一般包括一个或多个可变速的电机传动装置, 用于大功率传送带、机械手、桥式吊车、钢材扎制生产线以及塑料和合成纤维生产线等.50年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动，交流电机由于其固有的以同步或几乎同步于电源的频率运行，所以难以真正的调节或平滑的改变速度. 然而，直流传动存在的诸如运行中产生火花、对环境要求叫高、电刷易于磨损、维护麻烦等等的自身结构上的问题促使人们不断寻求更好的解决问题的方法. 一般来说，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。
2.1.1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。
2.1.2直流电机
输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动 势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
2.1.3交流电机与直流电机对比
在应用系统中使用交流电机具有更大的吸引力, 这是由于交流电机与直流电机相比有一系列优点:
（1）交流电机不存在换向器圆周调速限制, 也不存在电枢元件中电抗电势数值限制, 其转速限制可以设计得比相同功率的直流电机高。
（2）直流电机在高速范围运行时, 也是由于电抗电势数值限制, 其输出功率严重下降, 而交流电机高速时仍能输出较大的功率, 几乎可以以稳定功率运行。
（3）结构简单, 没有相电刷、换向器那种复杂、精密得部件, 因而降低制造成本。
（4）交流电动机没有需要经常保养得部件, 在安装地位受到限制、不易接近得场合也能使用, 在恶劣环境下、在不允许有火花得环境下也能可靠得工作。
经过近三十年的发展，交流调速电气传动已上升为电气调速的主流，正在越来越广泛的领域取代传统的直流调速传动.
2.2交流调速的方式
交流调速的方式多种多样, 我们知道交流电机的同步转速表达式为nl=60f/p,
根据异步电机转差率的定义s=(nl-n) /n,l可知异步电机的转速为n=nl(1-s)=60* f (1-s) /p。因而异步电机得调速方法可以有改变转差率, 改变磁极对数及变频三种。其中改变转差率的方法又可以通过调定子电压, 转子电阻转差电压以及定、转子供电频率等方法来实现。
2.2.1串极调速
它是将饶线式异步电动机的转差功率回馈到电网的一种比较经济的调速方法, 可以又低同步及高同步两种串调方式。
2.2.2矢量变换控制调速
这是一种新的控制思想, 技术和理论。它的想法是模拟直流电及得控制特点来进行交流机的控制。
2.2.3变频调速
它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。
第三章 常见的交流机变频调速装置及应用
现代变频技术有多种实现方式，在此只介绍普通型交流异步电动机变频调速技术。对于新出现的矩阵式变频电路等不再叙述。普通型交流异步电动机变频调速有交一直一交方式和交一交方式。
3.1交一直一交变频调速
交一直一交方式通过整流先把交流电变为直流电，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流电。现以单相电为例介绍其工作原理。
3.1.1整流原理
以单相桥式全控整流电路为例。
图
1
图2
在uZ 处在正半周时，在触发角。处触发VTI 与VT4，在tlz 处于负半周时，在触发角。处触发VTZ 、VT3，这样两组晶闸管分别工作，它们都在电压过零时关断。于是我们在负载上得到同一方向的电流，即直流电(如前图所示) 。
3.1.2逆变原理
也以单相桥式逆变电路为例说明。我们以开关代替晶闸管，电路如下图，图中51一54是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关S ，、54闭合，52、53断开时负载电压u 。为正，当开关S ，、54断开，52、
53闭合时uo 为正，如上图，这
样就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。
图3
以上两步即为交一直一交变频电路的工作原理。
3.2交一交变频调速
交－交变频电路也称周波变流器，它是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路，因为没有中间直流环节，属于直接变频电路。
3.2.1单相交－交变频电路
单相输出交一交变频电路是三相输出交一交变频电路的基础，我们以单相交一交变频电路为例说明，其电路由P 组和N 组反并联的晶闸管变流电路构成，如下图
:
图
4
图5
变流器P 和N 都是相控整流电路，P 组工作时，负载电流为正，N 组工作时，负载电流为负，让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电，改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率; 改变变流电路工作时的控制角。。就可以改变交流输出电压的幅值。
3.2.2三相交－交变频电路
它由三组输出电压相位各差120°的单相交一交变频电路组成，主要有两种接线方式，接线图分别如下
:
公共交流母线进线方式(如图) 因为电源进线端公用，所以三相单相交一交变频电路的输出端必须隔离，为此电动机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。它主要用于中等容量的交流调速系统。输出星形联结方式中(如图b) ，三组单相交一交变频电路的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结，电动机中性点不和变频器中性点接在一起，电动机只引出三根线即可。因为三组单相交一交变频电路的输出联结在一起，其电源进线必须隔离，因此，三组单相交一交变频器分别用三个变压器供电。
3.2.3变频调速的意义
由于流体力学有三个公式Q/Qe =n /ne ；H /H e =(n /ne ) 2；P /P e =(n /ne ) 3，风机、泵类的流体功率表达式为P =P e (Q /Q e ) 3=P e (n /ne ) 3，所以在效率一定时，风量(流量) 下降到80%Q e 时，即转速相应下降到80%ne时，P 轴=（P e /n F )(0. 8ne /ne ) 3=0. 51P C /n F ，其中n F 风机，泵类效率。当风量(流量) 下降到50%Qe时，P 轴=P e /n F (0. 5ne /ne ) 3=0. 125⨯(P e /n F ) 计算结果表明，当工艺要求减小风量(流量) 时，如果使风机泵类的转速作相应降低，不仅满足了工艺要求，而且可使电动机的轴功率大幅度下降，从而节约了大量电力; 如果采用人工调节风门挡板(或阀门) 开关，使风量(流量) 减小，也能达到工艺要求，但电动机的转速却仍是原来的转速，说明轴功率并未降下来，而功率消耗于挡板或阀门壁上。两种调节流量方法相比，当Qe 下降到80%时或下降到50%Qe时转速控制法比人工调节风门挡板或阀门分别多节电49%和87.5%。虽然这只是一种纯理论上的计算，但也能表明调速控制方法具有明显的节电效果。
由以上介绍，变频调速易于实现，能给我们带来更好的机械性能，而且能大大降低成本。所以我们非常有必要在企业中推广变频调速技术。
3.2.4变频调速的效益
1、节约电能
节约电能是变频调速技术最典型的例子，其中以风机和泵类机械的节电效果为最显著，风机水泵在生 产中应用的特点可以用面广、量大、耗电多来概括，根据八十年代国务院经委组织的一次全国重点工业部门风机水泵使用情况来看，全国风机水泵用电约占工业用电量的40～50％，可见节能潜力很大。中央领导已经明确要求以风机水泵的节电工作作为推广电动机变频调速的突破口，以改变长期以来利用档板或阀门调节风量流量；造成浪费大量电能的不合理现象。这项工作在我国已经取得较好的效果。
2、提高生产率
利用变频调速技术，可以实现提高生产率的多种措施。诸如保证加工工艺中的最佳转速；选择适应负载不同工况的最佳转速；利用低速，实现高精度准确停车，缩短生产过程中间歇时间等。
3、提高产品质量
例如加工机械可选择加工对象的最佳速度；运输带生产机械可达到平滑的加、减速；造纸、塑料生产机械可满足高精度的转矩控制等。完全可以达到甚至
超过直流电动机系统的性能指标。
4、适应和改善工作环境
变频调速装置能用在有爆炸性的气体和可燃性溶剂的生产设备：用在有腐蚀性和户外潮湿的工作环境；大大减少环境的机械噪声，在很多行业，这方面呼声很高。
第四章 交流电机变频调速的的原理及特性
4.1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，本文以地毯背涂机为例叙述在地毯制造业上的应用。
4.2基本原理及特性
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图1所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型（见图2），俗称鼠笼型电动机。
4.2.1变频调速的原理
图6三相异步电动机结构示意图 图7笼型电动机的转 当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用n1表示
n1=60f/p(r/min) (4.1) 式中：f —三相交流电源频率，一般为50Hz 。
p —磁极对数。当p=1时，n1=3000r/min；p=2时，n1=1500r/min。可见磁极对数p 越多，转速n1越慢。
转子的实际转速n 比磁场的同步转速n1要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s 表示：
s=[n1－n ）/n1]×100％ （4.2）
当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=n1，则s=0，即s 在0～1之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（1～6）％。 综合式（1）和式（2）可以得出：
n=60f（1－s ）/p （4.3）
由式（3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数p 已经确定，转差率s 变化不大，则电机的转速n 与电源频率f 成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。
但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率（VariableFrequency ）的同时还要调整电压（VariableV oltage ），故简称VVVF （装置）。通过电工理论分析可知，转矩与磁通量（最大值）成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。
变频器的工作原理是把市电（380V 、50Hz ）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO 、GTR 或IGBT ）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM ）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为AC －DC －AC （交－直－交）变频方式。
4.2.2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。
4.3变频调速应用举例
地毯背涂机是地毯生产中常用的设备，目前国内多数企业仍采用单台异步电
机作传动动力源，由机械联接方式运行。虽然工作稳定，但难以获得高质量加工效果。
国外有的采用电液传动、滑差调速或直流调速等，但都有缺点，不能适应环境条件（防火、防爆、绒毛粉尘等）要求，而采用变频器及异步电动机调速方式，既便宜，效果又好。
电动机的调速运转与控制是工农业生产以及其它领域中所依赖的基本技术之一。电子技术的广泛应用和迅速发展, 加速了对交流电机实现变频调速的需要。变频调速已成为现代电力传动的一个主要方向, 它将必然地替代大部分传统的传动装置, 变频调速技术目前已在发达国家中普及推广。我国在应用变频调速技术上目前虽说尚处于初级阶段, 但其发展速度逐年增长较快, 国家已将该项技术列为“八五”重点攻关和推广项目。交流变频调速的基本特点和优越性交流变频调速技术的基本特点是:运用现代电动机控制理论, 采用微处理机控制技术, 改变交流电动机的转速。它具有效率高、容量大、体积小、重量轻、运行可靠、维修简便, 并能适应各种环境条件下工作。
第五章 常见的变频电源及简单原理
5.1基本概念
变频电源是将市电中的交流电经过AC→DC→AC变换, 输出为纯净的正弦波，输出频率和电压 一定范围内可调。它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。
5.2变频调速类型
变频电源主要有二大种类：线性放大型和SPWM 开关型。
5.3变频电源的工作原理
经过AC→DC→AC变换的逆变电源称为变频电源，它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换成所需频率的稳定的纯净的正弦波电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。 变频电源主要有二大种类：线性放大型和PWM 开关型HY 系列程控变频电源，以微处理器为核心，以MPWM 方式制作, 用主动元件IGBT 模块设计，采用了数字分频、D/A转换、瞬时值反馈、正弦脉宽调制等技术, 使单机容量可达100kVA, 以隔离变压器输出来增加整机稳定性, 具有负载适应性强、输出波形品质好、操作简便、体积小、重量轻等特点，具有短路、过流、过载、过热等保护功能，以保证电源可靠运行。
图7
变频电源可带负载种类及容量先择方法
变频电源可以带载各种阻抗特性的负载，包括电感类、电阻类、整流类常见负载，需引起重视的是负载类型不同，所需变频电源的功率容量有很大不同。
（1）负载性质的种类：
图8
（2）电源容量选择方法
·阻性： 电源容量 = 1.1×负载功率
·感性：电源容量 =负载启动电流/负载额定电流×负载功率
·整流：电源容量 = 负载电流波峰系数/1.5×负载功率 ·
混合型：请按照不同负载所占比例适当选取
注：对于冰箱、空调之类的感性负载，应按照启动功率来选择电源容量。 (启动功率一般为额定功率的5-7倍)
第六章 PWM电压源型交流调速系统 6.1 PWM电压源型交流调速系统的工作原理
PWM 控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM 型，PWM 控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
6.1.1 PWM控制的基本原理
理论基础：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
图9 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
面积等效原理：
分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L 电路）上，如图2a 所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2b 所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
图10 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N 等分，看成N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。
SPWM 波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形。
图11 用PWM 波代替正弦半波
要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。
PWM 电流波： 电流型逆变电路进行PWM 控制，得到的就是PWM 电流波。 PWM 波形可等效的各种波形：
直流斩波电路：等效直流波形
SPWM 波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM 控制相同，也基于等效面积原理。 6.2.2 PWM相关概念
占空比：就是输出的PWM 中，高电平保持的时间 与 该PWM 的时钟周期的时间之比，如：一个PWM 的频率是1000Hz ，那么它的时钟周期就是1ms ，就是1000us ，如果高电平出现的时间是200us ，那么低电平的时间肯定是800us ，那么占空比就是200：1000，也就是说PWM 的占空比就是1：5。
分辨率也就是占空比最小能达到多少，如8位的PWM ，理论的分辨率就是1：255(单斜率) ， 16位的的PWM 理论就是1：65535(单斜率) 。
频率就是这样的，如16位的PWM ，它的分辨率达到了1：65535，要达到这个分辨率，T/C就必须从0计数到65535才能达到，如果计数从0计到80之后又从0开始计到80....... ，那么它的分辨率最小就是1：80了，但是，它也快了，也就是说PWM 的输出频率高了。
双斜率 / 单斜率
假设一个PWM 从0计数到80，之后又从0计数到80....... 这个就是单斜率。
假设一个PWM 从0计数到80，之后是从80计数到0....... 这个就是双斜率。
可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的PWM 频率就慢了一半，但是分辨率却是1：(80+80) ＝1：160，就是提高了一倍。
假设PWM 是单斜率，设定最高计数是80，我们再设定一个比较值是10，那么T/C从0计数到10时(这时计数器还是一直往上计数，直到计数到设定值
80) ，单片机就会根据你的设定，控制某个IO 口在这个时候是输出1还是输出0还是端口取反，
6.2 三相交流电源 IGBT PWM
①. 分离式(独立式) 三相交流电源，无电源变压器结构，输入未隔离，输出隔离。 结构图：
图12
特点：
·三个独立输出变压器，三组变流器，IGBT 使用数量高达 12 个； ·
三组变流器亦可共用一组整流器； ·
三相由完整的单相集成连结而成，可单相使用(使用任意一相) 或三相使用； 适用于三相平衡及不平衡(100%不平衡) 负载，可依需求制作于一机箱或三机箱；
结构不一样，成本不一样，性能当然不一样!!
②. 低成本三相交流电源，无电源变压器结构，输入未隔离，输出隔离。 结构图：
图13
特点： ·
一个输出变压器三组绕组，一组变流器，IGBT 使用数量仅6个；
·仅能供三相负载使用(无法各相单独取用) ，不适合三相不平衡负载； ·此结构仅能制作于一机箱；
③. 独立式三相交流电源，无输出变压器结构，输入隔离，输出未隔离； 结构图：
图14
特点：
一个电源变压器，三组逆变器，IGBT 使用数量12个； ·
三相由完整的单相集成连结而成，可单相使用(使用任意一相) 或三相使用； 适用于三相平衡及不平衡(100%不平衡) 负载，仅能制作于一机箱。
6.3 变频电源的优势和应用
交流变频电源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。
采用变频电源调速，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。
在采用变频电源调速时，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： F 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。
F 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。
F 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。
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。在交流调速技术中，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。
1. 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）变频电源体积小，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|稳压器，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. 与其它调速方法的比较
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，变频调速最具优势。这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。 交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频电源调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频电源调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。
参考文献
[1] 陈伯时. 交流调速系统. 电气自动化新技术丛书. 北京：机械工业出版社，2005.99-100
[2] 黄真，胡雄辉，申群太. 交流电动机调速传动技术的发展. 湖南电力，2004年第2期，第24卷.
[3] 纪永春，孙为哲. 交流电动机调速及其应用. 科技咨询，2005年，第27卷.
[4] 王振法. 交流电动机变频调速系统. 包钢科技，1999年，第3期.
题 目： 交流电动机调速系统的研究
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专 业： 电气工程及其自动化
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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
摘要 ................................................................................................................................................. II
第一章 引言 . .................................................................................................................................. 1
1.1选题背景及意义 . ................................................................................................................ 1
1.2国内外研究现状 . ................................................................................................................ 2
1.3 研究内容与目标 . ............................................................................................................... 2
第二章 交流电动机调速 . .............................................................................................................. 3
2.1交流变频调速技术的发展 . ................................................................................................ 3
2.1.1交流电机 . ................................................................................................................. 4
2.1.2直流电机 . ................................................................................................................. 4
2.1.3交流电机与直流电机对比 . ..................................................................................... 4
2.2交流调速的方式 . ................................................................................................................ 4
2.2.1串极调速 . ................................................................................................................. 5
2.2.2矢量变换控制调速 . ................................................................................................. 5
2.2.3变频调速 . ................................................................................................................. 5
第三章 常见的交流机变频调速装置及应用 . .............................................................................. 6
3.1交一直一交变频调速 . ........................................................................................................ 6
3.1.1整流原理 . ................................................................................................................. 6
3.1.2逆变原理 . ................................................................................................................. 6
3.2交一交变频调速 . ................................................................................................................ 7
3.2.1单相交－交变频电路 . ............................................................................................. 7
3.2.2三相交－交变频电路 . ............................................................................................. 8
3.2.3变频调速的意义 . ..................................................................................................... 9
3.2.4变频调速的效益 . ..................................................................................................... 9
第四章 交流电机变频调速的的原理及特性 . ............................................................................ 11
4.1变频调速 . .......................................................................................................................... 11
4.2基本原理及特性 . .............................................................................................................. 11
4.2.1变频调速的原理 . ................................................................................................... 11
4.2.2变频调速优点 . ....................................................................................................... 12
4.3变频调速应用举例 . .......................................................................................................... 12
第五章 常见的变频电源及简单原理 . ........................................................................................ 14
5.1基本概念 . .......................................................................................................................... 14
5.2变频调速类型 . .................................................................................................................. 14
5.3变频电源的工作原理 . ...................................................................................................... 14
第六章 PWM电压源型交流调速系统 . ......................................................................................... 17
6.1 PWM电压源型交流调速系统的工作原理 .................................................................... 17
6.1.1 PWM控制的基本原理 ......................................................................................... 17
6.2.2 PWM相关概念 ..................................................................................................... 19
6.2 三相交流电源 IGBT PWM ............................................................................................ 19
6.3 变频电源的优势和应用 . ................................................................................................. 21
参考文献 . ................................................................................................................................ 23
第一章 引言
1.1选题背景及意义
以变频调速技术问世为标志的近代交流调速近二十年来取得了惊人的进展。首先是由于生产力的发展，生产机械的功率愈来愈大，1000千瓦以上功率装置愈来愈多。在这样的功率范围内，直流电动机由于受机械换向器及电刷等工艺制造的限制，很难制造额定电压超过1000伏的电动机，因而额定电流变得很大，供电须采用专用汇流排，这样供电电压降和传输损耗增加，相比之下，交流电动机制造超过6000伏以上高压电机并不困难，从而避免了上述直流电动机制造工艺的难点，换言之，功率愈大，交流拖动的经济效益优势将更为明显，制造出功率大大超过直流电动机是形势要求的一个方面；另一方面还要利用先进控制技术使其性能指标达到甚至超过直流电动机。
其次，三次中东战争后，西方一度发生石油危机，廉价能源丧失，使人们认识到节能的重要性，许多传统的工艺过程必须从节能的角度加以重新评价。其直接影响是要求一大批原来恒速运行的机械改成调速运行，特别是用量很大，通常占总用电量一半左右的风机、泵类负载，采用调速方式来调节输出流量，与传统的恒速运行节流阀调节流量的方式相比，可节电30％左右；这一事实，促使人们从生产系统总效率的角度来重新评价交流调速系统的经济技术指标，变频调速系统由于具有显著的节电效果；低廉的运行费用，常可抵消装置价格偏高的不利因素，受到用户的欢迎。
再者，由于在环境恶劣的生产场合（如冶金、建材、矿山、化工等工业）常有防爆或高速运行的要求，目前世界上还很难生产出大功率、高速的防爆直流电动机，再如水泥行业灰尘大，污染大，直流电动机很不适应，而且直流电机经常换电刷，维护量大，因而常常停机影响生产。
发展生产力的需要大大促进科学技术的发展，因此自从70年以来，以电子电子器件、微电子器件技术和控制技术等为基础的变频调速技术，有了突破性的进展，生产出满足变频调速要求的变频器，从此交流调速进入了一个崭新时代，为了与以前传统的交流调速相区别，人们通常把实现变频调速为特征的交流调速称为近代交流调速。
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。
1.3 研究内容与目标
本文主要作了以下工作：
（1）介绍交流电动机调速的发展过程；
（2）介绍常见的交流机变频调速装置及应用；
（3）介绍交流电机变频调速的原理及特性；
（4）介绍几种常见的变频电源及简单原理；
（5）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。
第二章 交流电动机调速
2.1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, 尤其使七十年代以来, 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。在过去的几十年里, 世界范围的工业进步的一个重要因素是工厂自动化程度的不断提高. 工厂里的生产线一般包括一个或多个可变速的电机传动装置, 用于大功率传送带、机械手、桥式吊车、钢材扎制生产线以及塑料和合成纤维生产线等.50年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动，交流电机由于其固有的以同步或几乎同步于电源的频率运行，所以难以真正的调节或平滑的改变速度. 然而，直流传动存在的诸如运行中产生火花、对环境要求叫高、电刷易于磨损、维护麻烦等等的自身结构上的问题促使人们不断寻求更好的解决问题的方法. 一般来说，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。
2.1.1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。
2.1.2直流电机
输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动 势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
2.1.3交流电机与直流电机对比
在应用系统中使用交流电机具有更大的吸引力, 这是由于交流电机与直流电机相比有一系列优点:
（1）交流电机不存在换向器圆周调速限制, 也不存在电枢元件中电抗电势数值限制, 其转速限制可以设计得比相同功率的直流电机高。
（2）直流电机在高速范围运行时, 也是由于电抗电势数值限制, 其输出功率严重下降, 而交流电机高速时仍能输出较大的功率, 几乎可以以稳定功率运行。
（3）结构简单, 没有相电刷、换向器那种复杂、精密得部件, 因而降低制造成本。
（4）交流电动机没有需要经常保养得部件, 在安装地位受到限制、不易接近得场合也能使用, 在恶劣环境下、在不允许有火花得环境下也能可靠得工作。
经过近三十年的发展，交流调速电气传动已上升为电气调速的主流，正在越来越广泛的领域取代传统的直流调速传动.
2.2交流调速的方式
交流调速的方式多种多样, 我们知道交流电机的同步转速表达式为nl=60f/p,
根据异步电机转差率的定义s=(nl-n) /n,l可知异步电机的转速为n=nl(1-s)=60* f (1-s) /p。因而异步电机得调速方法可以有改变转差率, 改变磁极对数及变频三种。其中改变转差率的方法又可以通过调定子电压, 转子电阻转差电压以及定、转子供电频率等方法来实现。
2.2.1串极调速
它是将饶线式异步电动机的转差功率回馈到电网的一种比较经济的调速方法, 可以又低同步及高同步两种串调方式。
2.2.2矢量变换控制调速
这是一种新的控制思想, 技术和理论。它的想法是模拟直流电及得控制特点来进行交流机的控制。
2.2.3变频调速
它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。
第三章 常见的交流机变频调速装置及应用
现代变频技术有多种实现方式，在此只介绍普通型交流异步电动机变频调速技术。对于新出现的矩阵式变频电路等不再叙述。普通型交流异步电动机变频调速有交一直一交方式和交一交方式。
3.1交一直一交变频调速
交一直一交方式通过整流先把交流电变为直流电，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流电。现以单相电为例介绍其工作原理。
3.1.1整流原理
以单相桥式全控整流电路为例。
图
1
图2
在uZ 处在正半周时，在触发角。处触发VTI 与VT4，在tlz 处于负半周时，在触发角。处触发VTZ 、VT3，这样两组晶闸管分别工作，它们都在电压过零时关断。于是我们在负载上得到同一方向的电流，即直流电(如前图所示) 。
3.1.2逆变原理
也以单相桥式逆变电路为例说明。我们以开关代替晶闸管，电路如下图，图中51一54是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关S ，、54闭合，52、53断开时负载电压u 。为正，当开关S ，、54断开，52、
53闭合时uo 为正，如上图，这
样就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。
图3
以上两步即为交一直一交变频电路的工作原理。
3.2交一交变频调速
交－交变频电路也称周波变流器，它是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路，因为没有中间直流环节，属于直接变频电路。
3.2.1单相交－交变频电路
单相输出交一交变频电路是三相输出交一交变频电路的基础，我们以单相交一交变频电路为例说明，其电路由P 组和N 组反并联的晶闸管变流电路构成，如下图
:
图
4
图5
变流器P 和N 都是相控整流电路，P 组工作时，负载电流为正，N 组工作时，负载电流为负，让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电，改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率; 改变变流电路工作时的控制角。。就可以改变交流输出电压的幅值。
3.2.2三相交－交变频电路
它由三组输出电压相位各差120°的单相交一交变频电路组成，主要有两种接线方式，接线图分别如下
:
公共交流母线进线方式(如图) 因为电源进线端公用，所以三相单相交一交变频电路的输出端必须隔离，为此电动机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。它主要用于中等容量的交流调速系统。输出星形联结方式中(如图b) ，三组单相交一交变频电路的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结，电动机中性点不和变频器中性点接在一起，电动机只引出三根线即可。因为三组单相交一交变频电路的输出联结在一起，其电源进线必须隔离，因此，三组单相交一交变频器分别用三个变压器供电。
3.2.3变频调速的意义
由于流体力学有三个公式Q/Qe =n /ne ；H /H e =(n /ne ) 2；P /P e =(n /ne ) 3，风机、泵类的流体功率表达式为P =P e (Q /Q e ) 3=P e (n /ne ) 3，所以在效率一定时，风量(流量) 下降到80%Q e 时，即转速相应下降到80%ne时，P 轴=（P e /n F )(0. 8ne /ne ) 3=0. 51P C /n F ，其中n F 风机，泵类效率。当风量(流量) 下降到50%Qe时，P 轴=P e /n F (0. 5ne /ne ) 3=0. 125⨯(P e /n F ) 计算结果表明，当工艺要求减小风量(流量) 时，如果使风机泵类的转速作相应降低，不仅满足了工艺要求，而且可使电动机的轴功率大幅度下降，从而节约了大量电力; 如果采用人工调节风门挡板(或阀门) 开关，使风量(流量) 减小，也能达到工艺要求，但电动机的转速却仍是原来的转速，说明轴功率并未降下来，而功率消耗于挡板或阀门壁上。两种调节流量方法相比，当Qe 下降到80%时或下降到50%Qe时转速控制法比人工调节风门挡板或阀门分别多节电49%和87.5%。虽然这只是一种纯理论上的计算，但也能表明调速控制方法具有明显的节电效果。
由以上介绍，变频调速易于实现，能给我们带来更好的机械性能，而且能大大降低成本。所以我们非常有必要在企业中推广变频调速技术。
3.2.4变频调速的效益
1、节约电能
节约电能是变频调速技术最典型的例子，其中以风机和泵类机械的节电效果为最显著，风机水泵在生 产中应用的特点可以用面广、量大、耗电多来概括，根据八十年代国务院经委组织的一次全国重点工业部门风机水泵使用情况来看，全国风机水泵用电约占工业用电量的40～50％，可见节能潜力很大。中央领导已经明确要求以风机水泵的节电工作作为推广电动机变频调速的突破口，以改变长期以来利用档板或阀门调节风量流量；造成浪费大量电能的不合理现象。这项工作在我国已经取得较好的效果。
2、提高生产率
利用变频调速技术，可以实现提高生产率的多种措施。诸如保证加工工艺中的最佳转速；选择适应负载不同工况的最佳转速；利用低速，实现高精度准确停车，缩短生产过程中间歇时间等。
3、提高产品质量
例如加工机械可选择加工对象的最佳速度；运输带生产机械可达到平滑的加、减速；造纸、塑料生产机械可满足高精度的转矩控制等。完全可以达到甚至
超过直流电动机系统的性能指标。
4、适应和改善工作环境
变频调速装置能用在有爆炸性的气体和可燃性溶剂的生产设备：用在有腐蚀性和户外潮湿的工作环境；大大减少环境的机械噪声，在很多行业，这方面呼声很高。
第四章 交流电机变频调速的的原理及特性
4.1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，本文以地毯背涂机为例叙述在地毯制造业上的应用。
4.2基本原理及特性
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图1所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型（见图2），俗称鼠笼型电动机。
4.2.1变频调速的原理
图6三相异步电动机结构示意图 图7笼型电动机的转 当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用n1表示
n1=60f/p(r/min) (4.1) 式中：f —三相交流电源频率，一般为50Hz 。
p —磁极对数。当p=1时，n1=3000r/min；p=2时，n1=1500r/min。可见磁极对数p 越多，转速n1越慢。
转子的实际转速n 比磁场的同步转速n1要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s 表示：
s=[n1－n ）/n1]×100％ （4.2）
当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=n1，则s=0，即s 在0～1之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（1～6）％。 综合式（1）和式（2）可以得出：
n=60f（1－s ）/p （4.3）
由式（3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数p 已经确定，转差率s 变化不大，则电机的转速n 与电源频率f 成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。
但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率（VariableFrequency ）的同时还要调整电压（VariableV oltage ），故简称VVVF （装置）。通过电工理论分析可知，转矩与磁通量（最大值）成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。
变频器的工作原理是把市电（380V 、50Hz ）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO 、GTR 或IGBT ）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM ）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为AC －DC －AC （交－直－交）变频方式。
4.2.2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。
4.3变频调速应用举例
地毯背涂机是地毯生产中常用的设备，目前国内多数企业仍采用单台异步电
机作传动动力源，由机械联接方式运行。虽然工作稳定，但难以获得高质量加工效果。
国外有的采用电液传动、滑差调速或直流调速等，但都有缺点，不能适应环境条件（防火、防爆、绒毛粉尘等）要求，而采用变频器及异步电动机调速方式，既便宜，效果又好。
电动机的调速运转与控制是工农业生产以及其它领域中所依赖的基本技术之一。电子技术的广泛应用和迅速发展, 加速了对交流电机实现变频调速的需要。变频调速已成为现代电力传动的一个主要方向, 它将必然地替代大部分传统的传动装置, 变频调速技术目前已在发达国家中普及推广。我国在应用变频调速技术上目前虽说尚处于初级阶段, 但其发展速度逐年增长较快, 国家已将该项技术列为“八五”重点攻关和推广项目。交流变频调速的基本特点和优越性交流变频调速技术的基本特点是:运用现代电动机控制理论, 采用微处理机控制技术, 改变交流电动机的转速。它具有效率高、容量大、体积小、重量轻、运行可靠、维修简便, 并能适应各种环境条件下工作。
第五章 常见的变频电源及简单原理
5.1基本概念
变频电源是将市电中的交流电经过AC→DC→AC变换, 输出为纯净的正弦波，输出频率和电压 一定范围内可调。它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。
5.2变频调速类型
变频电源主要有二大种类：线性放大型和SPWM 开关型。
5.3变频电源的工作原理
经过AC→DC→AC变换的逆变电源称为变频电源，它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换成所需频率的稳定的纯净的正弦波电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。 变频电源主要有二大种类：线性放大型和PWM 开关型HY 系列程控变频电源，以微处理器为核心，以MPWM 方式制作, 用主动元件IGBT 模块设计，采用了数字分频、D/A转换、瞬时值反馈、正弦脉宽调制等技术, 使单机容量可达100kVA, 以隔离变压器输出来增加整机稳定性, 具有负载适应性强、输出波形品质好、操作简便、体积小、重量轻等特点，具有短路、过流、过载、过热等保护功能，以保证电源可靠运行。
图7
变频电源可带负载种类及容量先择方法
变频电源可以带载各种阻抗特性的负载，包括电感类、电阻类、整流类常见负载，需引起重视的是负载类型不同，所需变频电源的功率容量有很大不同。
（1）负载性质的种类：
图8
（2）电源容量选择方法
·阻性： 电源容量 = 1.1×负载功率
·感性：电源容量 =负载启动电流/负载额定电流×负载功率
·整流：电源容量 = 负载电流波峰系数/1.5×负载功率 ·
混合型：请按照不同负载所占比例适当选取
注：对于冰箱、空调之类的感性负载，应按照启动功率来选择电源容量。 (启动功率一般为额定功率的5-7倍)
第六章 PWM电压源型交流调速系统 6.1 PWM电压源型交流调速系统的工作原理
PWM 控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM 型，PWM 控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
6.1.1 PWM控制的基本原理
理论基础：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
图9 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
面积等效原理：
分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L 电路）上，如图2a 所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2b 所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
图10 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N 等分，看成N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。
SPWM 波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形。
图11 用PWM 波代替正弦半波
要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。
PWM 电流波： 电流型逆变电路进行PWM 控制，得到的就是PWM 电流波。 PWM 波形可等效的各种波形：
直流斩波电路：等效直流波形
SPWM 波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM 控制相同，也基于等效面积原理。 6.2.2 PWM相关概念
占空比：就是输出的PWM 中，高电平保持的时间 与 该PWM 的时钟周期的时间之比，如：一个PWM 的频率是1000Hz ，那么它的时钟周期就是1ms ，就是1000us ，如果高电平出现的时间是200us ，那么低电平的时间肯定是800us ，那么占空比就是200：1000，也就是说PWM 的占空比就是1：5。
分辨率也就是占空比最小能达到多少，如8位的PWM ，理论的分辨率就是1：255(单斜率) ， 16位的的PWM 理论就是1：65535(单斜率) 。
频率就是这样的，如16位的PWM ，它的分辨率达到了1：65535，要达到这个分辨率，T/C就必须从0计数到65535才能达到，如果计数从0计到80之后又从0开始计到80....... ，那么它的分辨率最小就是1：80了，但是，它也快了，也就是说PWM 的输出频率高了。
双斜率 / 单斜率
假设一个PWM 从0计数到80，之后又从0计数到80....... 这个就是单斜率。
假设一个PWM 从0计数到80，之后是从80计数到0....... 这个就是双斜率。
可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的PWM 频率就慢了一半，但是分辨率却是1：(80+80) ＝1：160，就是提高了一倍。
假设PWM 是单斜率，设定最高计数是80，我们再设定一个比较值是10，那么T/C从0计数到10时(这时计数器还是一直往上计数，直到计数到设定值
80) ，单片机就会根据你的设定，控制某个IO 口在这个时候是输出1还是输出0还是端口取反，
6.2 三相交流电源 IGBT PWM
①. 分离式(独立式) 三相交流电源，无电源变压器结构，输入未隔离，输出隔离。 结构图：
图12
特点：
·三个独立输出变压器，三组变流器，IGBT 使用数量高达 12 个； ·
三组变流器亦可共用一组整流器； ·
三相由完整的单相集成连结而成，可单相使用(使用任意一相) 或三相使用； 适用于三相平衡及不平衡(100%不平衡) 负载，可依需求制作于一机箱或三机箱；
结构不一样，成本不一样，性能当然不一样!!
②. 低成本三相交流电源，无电源变压器结构，输入未隔离，输出隔离。 结构图：
图13
特点： ·
一个输出变压器三组绕组，一组变流器，IGBT 使用数量仅6个；
·仅能供三相负载使用(无法各相单独取用) ，不适合三相不平衡负载； ·此结构仅能制作于一机箱；
③. 独立式三相交流电源，无输出变压器结构，输入隔离，输出未隔离； 结构图：
图14
特点：
一个电源变压器，三组逆变器，IGBT 使用数量12个； ·
三相由完整的单相集成连结而成，可单相使用(使用任意一相) 或三相使用； 适用于三相平衡及不平衡(100%不平衡) 负载，仅能制作于一机箱。
6.3 变频电源的优势和应用
交流变频电源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。
采用变频电源调速，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。
在采用变频电源调速时，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： F 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。
F 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。
F 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。
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。在交流调速技术中，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。
1. 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）变频电源体积小，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|稳压器，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. 与其它调速方法的比较
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，变频调速最具优势。这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。 交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频电源调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频电源调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。
参考文献
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