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自控课程论文

过程计算机控制系统

交流调速系统概述与发展方向

作者：

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专业：

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班级：

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学号：

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指导教师：

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机电工程学院

二零一三年六月

过程计算机控制系统

摘要：

本文主要从电力电子技术、微处理器技术和现代电机控制理论等相关技术的角度阐述了交流调速技术的发展情况与动向,介绍了先进控制理论在运动控制中的应用,展现出交流调速技术更为广阔的前景。

并简要说明了交流调速节能技术的应用以及变频技术在交流调速系统中的应用和高电压、大容量交流同步电动机的调速方法，以及交流调速的主要应用领域。

同时还涉及到了交流调速的技术难点，变频调速的技术难点及技术突破，其中重点的讲解了交流变频调速技术的原理及发展前景。

关键词：

交流调速节能变频

引言

随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。

由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。

人们转向结构简单、运行可靠、便于维护和价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。

于是，从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。

在相当长时期内，在变速传动领域，直流调速一直以其优良的性能领先于交流调速。

直到20世纪70年代，随着计算机、微处理器的迅速发展和大功率电力电子器件的问世，交流变频调速成为可能。

采用高速微处理器、新型高速电力电子器件，应用矢量控制、直接转矩控制以及智能控制等先进控制方法的交流调速系统，可以实现调速范围宽、稳态精度高、动态响应快以及四象限的可逆运行。

目前，随着这些科技的一步步发展创新，交流调速正逐步替代直流调速。

一．交流调速的概述

1.1交流调速系统的特点

对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。

这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。

　　纵观电力拖动的发展过程，交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。

在过去很长一段时期，由于直流电动机的优良调速性能，在可逆、可调速与高精度、宽调速范围的电力拖动技术领域中，几乎都是采用直流调速系统。

然而由于直流电动机其有机械式换向器这一致命的弱点，致使直流电动机制造成本高、价格昂贵、维护麻烦、使用环境受到限制，其自身结构也约束了单台电机的转速，功率上限，从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。

相对于直流电动机来说，交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。

因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。

　　随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。

诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。

现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。

交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。

1.2交流调速的方法

交流电动机有异步电动机和同步电动机两大类。

而异步电动机主要有鼠笼式电动机和绕线式电动机两种。

电机种类不同，调速方法也有差异。

常见的的调速方法有：

1.利用变频器改变电源频率调速，调速范围大，稳定性平滑性较好，机械特性较硬。

就是加上额定负载转速下降得少。

属于无级调速。

适用于大部分三相鼠笼异步电动机。

2.改变磁极对数调速，属于有级调速，调速平滑度差，一般用于金属切削机床。

3.改变转差率调速。

（1）转子回路串电阻：

用于交流绕线式异步电动机。

调速范围小，电阻要消耗功率，电机效率低。

一般用于起重机。

（2）改变电源电压调速，调速范围小，转矩随电压降大幅度下降，三相电机一般不用。

用于单相电机调速，如风扇。

（3）串级调速，实质就是就是转子引入附加电动势，改变它大小来调速。

也只用于绕线电动机，但效率得到提高。

（4）电磁调速。

只用于滑差电机。

通过改变励磁线圈的电流无极平滑调速，机构简单，但控制功率较小。

不宜长期低速运行。

4液力耦合器调速。

1.2.1变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

1.2.1变频器的作用

变频器的直接作用：

通过改变电动机的电压和频率，使电机的速度可以无极调节。

软启动节能，功率因数补偿节能

变频器的间接作用：

1.节能（节电）。

风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。

当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。

降低电耗。

2.提高生产设备自动化程度

1.2.2变频器节能原理

1、变频节能：

为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。

电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。

 当电机转速从 N1 变到 N2时，其电机轴功率（P）的变化关系如下：

P2／ P1 = （N2/N1）3 ，由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。

2、动态调整节能：

迅速适应负载变动，供给最大效率电压。

变频调速器在软件上设有 5000次/秒的测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。

3、通过变频自身的V/F功能节电：

在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节V/F曲线。

减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能状态。

4、 变频自带软启动节能：

在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收7倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。

采用软启动后，启动电流可从0 -- 电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

5、提高功率因数节能:

电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。

绕组由于其感抗作用。

对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。

采用变频节能调速器后，由于其性能已变为：

AC－－ DC －－AC，在整流滤波后，负载特性发生了变化。

变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗。

二．交流变频调速技术

2.1交流变频调速技术的概述

随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流调速取代直流调速已成为现代电气传动的主要发展方向之一，而异步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，推动技术进步的一中主要手段，它以优越的调速和起制动性能、高效率、高功率因数和显著地节电效果而广泛应用于水泵、风机等大、中型笼型感应电动机，它被公认为是最有前途的的调速方式。

2.2交流变频调速技术的基本原理

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：

n=60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。

变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。

2.3交流变频调速技术的优异特性

（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。

2.4交流变频调速技术的实际应用

变频调速技术已深入我们生活的每个角落，变频调速系统的控制方式包括V/F、矢量控制（VC）、直接转矩控制（DTC）等。

V/F控制主要应用在低成本、性能要求较低的场合;而矢量控制的引入，则开始了变频调速系统在高性能场合的应用。

近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普及，矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合，乃至变频空调、冰箱、洗衣机等家用电器。

交流驱动器已在工业机器人、自动化出版设备、加工工具、传输设备、电梯、压缩机、轧钢、风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用。

随着半导体技术的飞速发展，MCU的处理能力愈加强大，处理速度不断提升，变频调速系统完全有能力处理复杂的任务，实现复杂的观测、控制算法，传动性能也因此达到前所未有的高度。

而现在变频驱动主要使用PWM合成驱动方式，这要求其控制器有很强的PWM生成能力。

2.4.1我国变频调速技术的发展概况

在电气传动领域，人们关心的是如何合理地使用电动机以节约电能和有目的地控制机械的运转状态（位置、速度、解速度等），在实现电能-机械能之间的转换过程中达到优质、高产、低能的目的。

近几年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术，是交流调速的基础和主干内容，其根本原因在于变频调速在节能和调速特性等方面优良的特性优于其他调速方式，当然，电力电子器件发展、计算机技术、自动控制技术的迅速发展也为它的实现提供了基础。

我国关于变频器的研究开始于20世纪60年代初期，当时典型的技术是交-交变频器供电的交流变频调速传动；继此之后80年代主体技术为电压或电流型六脉冲逆变器供电的交流变频调速传动；从90年代中期至今，随着电力电子器件、调速技术以及控制技术的发展，BJT（IGBT）PWM逆变器供电的交流变频调速传动空前发展，并得到广泛的应用。

目前国内变频调速方面主要的产品状况如下。

（1）在中、小功率变频调速中主要是IGBT的PWM逆变器供电的交流变频调速设备。

产品应用的范围从单机到全生产线；控制方式从简单的U/f控制到高调速性能的矢量控制，但目前U/f控制占主体，矢量控制数量还较少。

（2）电流源型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。

（3）交-交变频器供电的交流变频调速设备。

三．交流调速系统的前景

3.1交流调速系统的发展及现状

长期以来,直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。

直流电动机在额定转速下运行时，保持电枢电压恒定可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速;在额定转速以上运行时,保持电枢电压恒定,可用改变励磁的方法实现恒功率调速。

采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。

因此,20世纪80年代以前,在变速传动领域中,直流调速一直占据主导地位。

交流变频调速的优越性早在20世纪20年代被人们所认识。

但受当时电力电子器件的限制而未能广泛应用。

直流电动机

从电力拖动的发展过程来看，交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。

随着电力电子器件，单片机的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。

3.2交流调速系统之国内外发展

长期以来，我国的传动技术特别是交流调速技术与国外发达国家存在着较大的差距，但自改革开发以来，这一技术得到了迅速的发展，并以极快的速度赶了上来。

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。

这将加快交流调速在我国的普及应用。

目前国内变频调速技术产业状况如下:

（1）变频器的控制策略的基础研究与国外差距不大；

（2）变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力、但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模；（3）变频器产品所用的半导体功率器件的制造业几乎是空白；（4）相关配套产业及行业落后；（5）产销量少，可靠性及工艺水平不高。

我国工业技术虽然有了较大的发展，但目前仍是处于一个工业化中期社会，技术发展还不平衡，在很多企业生产中，表现出来最明显的特征依旧是能源消耗多，生产效率较低，产品质量参差不齐；能效比不高，陈、旧、老设备在国民生产中仍旧占较大的比重。

变频调速的应用，就是要改造这些设备，以达到节约能源的目的。

有国家、省、市政府的大力支持，有成熟的技术基础理论，纵观节能改造市场，潜力巨大。

结语

交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展。

现代控制理论的发展和应用、电力电子技术的发展和应用、微机控制技术及神经网络技术的发展和应用，为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。

交流调速系统在人类追求节约能源的道路上将发挥越来越重要的作用。

通过此次课程论文的编写，对这一章只是有了进一步的认识。

对学过的这些只是做了一个系统的回顾与复习，并且还了解到了课本上没有的知识。

将这一知识点知识面，有了一个很好的拓宽，丰富了自己的知识，也对这一章的知识有了更加深刻的了解。

更加了解到交流调速系统在生活中的重要性，它甚至涉及到我们生活中的各个角落。

以及变频调速技术在交流调速系统中的重要性，对变频技术也有了一个概括性的了解。

参考文献

【1】.自动控制系统/任彦硕，赵一丁主编/第二版，北京邮电大学出版社，2007

【2】.电力电子技术/王兆安，刘进军主编/第五版，机械工业出版社，2009.5

【3】.电机及拖动/许晓峰主编/第三版,高等教育出版社，2007.12

【4】.交流变频调速系统的特点及其重要作用/李志华 李光举,19卷第1期，2002.3

【5】.交流变频调速的优势与应用/李玲，西南交通大学电气学院2010.NO.1