交-直-交变频调速系统仿真研究修改版V(2)

1.2 交直交变频调速系统研究的目的与意义

电动机调速的节能效果交流异步电动机的输出转速由下式确定:

n?60f(1?s)/P (1-1) 式中 n— 电动机的输出转速; f— 输入的电源频率; s— 电动机的转差率: P— 电机的极对数。

由公式(1-1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整P)、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整s)和变频调速(调整f)等.

通过流体力学的基本定律可知:风机 (或水泵)类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力(扬程)H以及轴功率P具有如下关系

Q1/Q2?n1/n2 （1-2） H1/H2?(n1/n2)2 （1-3）

3 P1/P2?(n1/n2) （1-4）

由公式(1-4)可知，在其它运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其节电效果是与转速降落成立方的关系，因此，节电效果非常明显。例如在工况只需要50%的风量或水量时，则可以将电机的转速调节为额定的一半，而此时电机消耗的功率仅为额定的2.5%，即理论上节能可达87.5%.

目前交流传动己经上升为电气调速传动的主流，直流传动系统占统治地位的局面已经受到强烈的冲击。推广使用可调速电动机及其控制系统的节能具有广阔的前景，在不久的将来，交流电气传动将会完全取代直流电气传动。

电动机作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力，已广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各个领域，其中异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。使之成为国内外企业采用电机节能方式的首选。因此，提高电机系统的效率，对节约电能意义十分重大。

随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流变频调速技术得到了迅速发展，其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽泛的调速范围，完善的保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利。因此，研

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究交直交变频调速系统将有利于提高系统的可靠性和工作效率。为了分析变频器对电动机的影响，利用Matlab仿真工具，搭建交—直—交变频调速系统的仿真模型，对系统进行仿真研究。

1.3 研究现状分析

(1) 采用新型功率半导体器件

功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如BIT(双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化硅场效应管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的实用化，使得开关高频化的PWM 技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。典型的电力电子变频装置有电压型交—直—交变频器、电流型交—直—交变频器和交—交变频器三种。电流型交—直—交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当电动机处于制动 (发电)状态时，只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合，在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。电压型交直交变频器的中间直流环节采用大电容作储能元件，无功功率将由大电容来缓冲。对于负载电动机而言，电压型变频器相当于一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。电压型PWM 变频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位。但电压型变频器的缺点在于电动机处于制动(发电)状态时，回馈到直流侧的再生电能难以回馈给交流电网，要实现这部分能量的回馈，网侧不能采用不可控的二极管整流器或一般的可控整流器，必须采用可逆变频器，这种再生能量回馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调，输入电流 (网侧电流)波形基本为正弦，功率因数保持为1并且能量可以双向流动的特点，代表一个新的技术发展动向，但成本问题限制了它的发展速度。通常的交一交变频器都有输入谐波电流大、输入功率因数低的缺点，只能用于低速 (低频)大容量调速传动。为此，矩阵式交一交变频器应运而生。矩阵式交一交变频器功率密度大，而且没有中间直流环节，省去了笨重而昂贵的储能元件，它为实现输入功率因数为1,输入电流为正弦和四象限运行开辟了新的途径。

(2) 用脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)技术

随着电压型PWM变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛，PWM

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技术的研究越来越深入。PWM 利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。PWM技术可分为三大类:正弦PWM、优化PWM 及随机PWM。正弦PWM 包括以电压、电流和磁通的正弦为目标的各种PWM 方案.正弦PWM一般随着功率器件开关频率的提高会得到很好的性能，因此在中小功率交流传动系统中被广泛采用。但对于大容量的电力变换装置来说，太高的开关频率会导致大的开关损耗，而且大功率器件如GTO的开关频率目前还不能做得很高，在这种情况下，优化PWM 技术正好符合装置的需要。特定谐波消除法 (Selected Harmonic Mi-inationPWM,SHE PWM)、效率最优PWM和转矩脉动最小PWM都属于优化PWM技术的范畴。普通PWM变频器的输出电流中往往含有较大的和功率器件开关频率相关的谐波成分，谐波电流引起的脉动转矩作用在电动机上，会使电动机定子产生振动而发出电磁噪声，其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变频率。如果电磁噪声处于人耳的敏感频率范围，将会使人的听觉受到损害。一些幅度较大的中频谐波电流还容易引起电动机的机械共振，导致系统的稳定性降低。为了解决以上问题，一种方法是提高功率器件的开关频率，但这种方法会使得开关损耗增加;另一种方法就是随机地改变功率器件的导通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，从而抑制某些幅值较大的谐波成分，以达到抑制电磁噪声和机械共振的目的，这就是随机PWM 技术。 (3) 应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论

交流传动系统中的交流电动机是一个多变量、非线性、强祸合、时变的被控对象，VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)控制是从电动机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果很不理想。20世纪70年代初提出用矢量变换的方法来研究交流电动机的动态控制过程，不但要控制各变量的幅值，同时还要控制其相位，以实现交流电动机磁通和转矩的解祸，促使了高性能交流传动系统逐步走向实用化。目前高动态性能的矢量控制变频器已经成功地应用在轧机主传动、电力机车牵引系统和数控机床中。此外，为了解决系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制、电压定向控制等。另外，智能控制技术如模糊控制、神经元网络控制等也开始应用于交流调速传动系统中，以提高控制的精度。

(4) 广泛应用微电子技术

随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP )、

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专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit, ASIC)等。其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。

(5) 开发新型电动机和无机械传感器技术

交流传动系统的发展对电动机本体也提出了更高的要求。电动机设计和建模有了新的研究内容，如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供电系统方程的联解、电动机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检测等。为了更详细地分析电动机内部过程，如绕组短路或转子断条等问题，多回路理论应运而生。随着20世纪80年代永磁材料特别是钦铁硼永磁的发展，永磁同步电动机(Permanent-Magnet Synchronous Motor, PMSM)的研究逐渐热门和深入，由于这类电动机无需励磁电流，运行效率、功率因数和功率密度都很高，因而在交流传动系统中获得了日益广泛的应用。在高性能的交流调速传动系统中，转子速度 (位置)闭环控制往往是必需的。为了实现转速 (位置)反馈控制，须用光电编码器或旋转变压器等与电动机同轴安装的机械速度(位置)传感器来实现转子速度和位置的检测。但机械式的传感器有安装、电缆连接和维护等问题，降低了系统的可靠性。对此，许多学者开展了无速度 (位置)传感器控制技术的研究，即利用检测到的电动机出线端电量 (如电机电压、电流)，估测出转子的速度、位置，还可以观测到电动机内部的磁通、转矩等，进而构成无速度 (位置)传感器高性能交流传动系统。该技术无需在电动机转子和机座上安装机械式的传感器，具有降低成本和维护费用、不受使用环境限制等优点，将成为今后交流电气传动技术发展的必然趋势。 (6) 变频调速系统产生的谐波对交流电机负载运行的影响

众所周知，电机的转速和电源的频率是线性关系，变频器就是利用这一原理将50Hz的工频电通过整流和逆变转换为频率可调的交流电源。从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变频两大类。间接变频将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成频率和电压可控的交流。直接变频器则将工频交流直接变换成频率和电压可控的交流，没有中间的直流环节。目前变频调速系统应用较多的还是间接变频器，即交—直—交变频器.

由于变频器供电侧电流中会含有谐波，这些谐波电流注入电网后将对电网的电能质量产生不利影响，而其逆变电路输出侧产生的高次谐波也会给电动机带来诸如

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发热加剧、转矩脉动及噪声等问题，甚至造成电机损坏，另外，谐波还对通信以及电子设备产生严重干扰，影响周围设备的正常运行。因此，研究变频器的谐波特性将有利于提高交流传动系统的可靠性和工作效率。

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