交流调速论文

交流调速技术概述与发展方向
班级：自动化十二班
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摘要：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。

关键词：交流调速；节能；变频；大容量
一、交流调速技术概述
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。

60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争。

目前，交流调速逐步代替直流调速的时代已经到来。

1、电力电子器件的代换
20世纪50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速，然而晶闸管属于半控型器件，可以控制导通，但不能由门极控制关断。

因此，由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换向电路。

70 年代后期，用第二代电力电子器件G TR，门极可关断晶闸管（GTO）、功率MOS场效应管为代表的全控型器件先后问世，并迅速发展，通过对这些器件门极（基极、栅极）的控制，既能控制导通又能控制关断，又称自关断器件。

它不再需要强迫换向电路，使得逆变器构成简单，结构紧凑。

此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关速度较高的电路。

在80年代后期，以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。

IGBT 兼有MOSFET 和GTR的优点，它把MOSFET 的驱动功率小、开关速度快的优点和GTR通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，目前是用于中小功率范围最为流行的器件。

与IG2BT相对应，MOS控制晶体管（MCT）则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET 的快速开关特性，是极有发展前景的大
功率、高频功率开关器件。

电力电子器件正在向大功率、高频化和智能化发展。

80 年代以后进入第三代，出现的功率集成电路，集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体。

90 年代至今进入第四代。

实用的第四代器件有：高压IGBT 器件、IGCT 器件、IEGT器件和SGCT 器件等。

已用于交流调速的智能功率模块（intelligent power module，IPM）采用IGBT作为功率开关，含有驱动电路及过载、短路、超温和欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断和自我保护等多种智能功能，既减小了体积，减轻了质量，又提高了可靠性，使用维护也更加方便。

模块化功率器件将成为主宰器件。

现代的电力电子变换装置中，PWM 变压变频技术是主要使用的变换器控制技术，常用的PWM 控制技术有：
1）基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM 控制；
2）基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；
3）基于电流环跟踪的CHPWM控制；
4）电压空间矢量控制SVPWM 控制。

在以上的4种PWM变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种则以被控电机的算法简单，与直接的正弦脉宽调制（sPwM ）技术相比，svPwM 在输出电压或电机线圈的电流都将产生更少的谐波，提高了对电压源逆变器直流供电电源的利用率。

因此目前应用最广。

2、矢量控制技术
由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。

20世纪70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的旋转变换，实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。

这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，获得了与直流调速系统同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。

2.1 矢量控制新技术
磁通的快速控制：在直接磁场定向矢量控制异步电动机变频调速系统中，
利用磁链预测值进行磁通快速控制的方法。

参数辨识和调节器自整定：基于模型参考自适应算法的一惯性系统及二惯性系统转动惯量参数的辨识方法。

非线性自抗扰控制器：在异步电动机系统的动态方程中，用自抗扰控制器取代经典PID控制器进行控制。

矩阵式变换器：一种适用于矩阵式变换器驱动异步电动机调速系统的组合控制策略，同时实现了矩阵式变换器的空间矢量调制和异步电动机的直接磁场定向矢量控制。

2.2 矢量控制技术的发展
采用高速电动机控制专用DSP、嵌入式实时软件操作系统，开发更实用的转子磁场定向方法和精确的磁通观测器，使变频器获得高起动转矩、高过载能力，将是未来矢量控制技术的重要发展方向。

无速度传感器的交流异步电动机驱动系统和永磁电动机驱动系统控制也是开发热点之一。

永磁电动机驱动系统由于它的高效、高功率因数、高可靠性而得到越来越多的关注。

无刷电动机的无位置传感器控制和正弦波电流控制，在应用方面已趋成熟。

开关磁阻电动机在许多领域应用也取得了很多进展。

3、直接转矩控制技术的现状与展望
直接转矩控制是20世纪80年代中期提出的又一转矩控制方法，是继矢量控制技术之后发展起来的又一种高性能的交流变频调速技术。

1985年由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授首次提出，接着1987年把它推广到弱磁调速范围。

不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点。

它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重大问题。

其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁链、转矩计算，通过磁链跟踪型PWM逆变器的开关状态，实现直接控制转矩。

因此，无需对定子电流进行解耦，免去了矢量控制的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化。

直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的静动态性能受到普遍的注意和得到迅速的发展。

3.1 直接转矩控制新技术
直接转矩无差拍控制是基于离散化直接转矩控制系统提出来的一种控制方法。

无差拍控制可以在一个控制周期内，完全消除定子磁链模值和电磁转矩的动、
静态误差，消除由于使用滞环比较器产生的转矩脉动，使电机可以运行在极低速状态，扩大了调速范围。

转矩（磁链）跟踪预测控制方法认为磁链模值已经被准确控制或只发生缓慢地变化，没有考虑磁链模值的控制问题。

对磁链和转矩都进行了预测跟踪控制，控制效果明显优于单纯的转矩跟踪预测控制。

直接解耦控制（DDC）有两种方法，一种是预测直接解耦控制，另一种是使用PI调节器的直接解耦控制。

直接解耦控制方法具有很好的动、静态特性，能够在很大程度上消除转矩脉动，即使在极低速条件下，转矩脉动也非常小。

PI调节器控制是使用PI调节器输出定子电压矢量的直接转矩控制技术，其中磁链调节器A7R和转矩调节器ATR都使用PI调节器，通过两个PI调节器给出相应定子电压分量，提高控制系统对参数变化的鲁棒性，同时也减少了控制算法的计算量。

3.2 直接转矩控制的发展方向
随着现代科学技术的不断发展，直接转矩控制技术必将有所突破：一是交流调速向高频化方向发展，进一步提高控制性能，消除脉动，其中空间矢量脉宽调制软关断技术又是重点；二是与智能控制相结合，使交流调速系统的性能有一个根本的提高，这是直接转矩控制的未来。

4、先进控制理论在运动控制中的应用
近十多年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量，进行速度估算以取代速度传感器。

其关键在于在线获取速度信息。

除了根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。

最新的无速度传感器产品则用电压电流模型和磁通模型构成速度观测器，在不同的速度区段，利用切换的办法取得更好的速度观测效果，称为双观测矢量控制系统。

此外，采用高速CPU芯片，信号处理更快，使系统在极低的转速下也能够获得良好的转矩特性与高速响应。

无速度传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统可靠性，降低了成本，因而引起了广泛兴趣。

微电子技术的发展，微型计算机功能的不断提高，使交流变频调速系统逐步向全数字化控制系统发展。

数字化控制系统不同于模拟控制系统，它的主要任务
是设计一个数字调节器。

常用的控制方法有：程序和顺序控制、直接数字控制、PID控制、最优控制等。

其中，数字式PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法。

PID控制经过40多年的应用和发展，从I型发展到W型，性能不断提高，积累的经验越来越多，在工业控制中得到广泛的应用。

微型计算机在PID 控制中的应用，又使PID 控制得到进一步发展，出现非线性PID控制算法、选择性PID 控制算法、自适应P ID 控制算法和模糊PID控制算法等。

所有这些算法都是在基本PID算法的基础上发展起来的。

4.1 模糊控制和神经网络控制
模糊控制是根据人工控制规则组织控制规则决策表，采用人类思维中模糊量、控制量，由模糊推理导出。

典型应用如：用于电机速度控制的模糊控制器；模糊逻辑在电机模型及参数辨识中的应用；基于模糊逻辑的异步电动机效率优化控制；基于模糊逻辑的智能逆变器等。

神经网络控制是人脑神经系统的某种简化抽象和模拟，由大量的简单的神经元互相连接形成的高度复杂的非线性网络系统，具有逼近任意非线性函数的功能、高容错性、多输入输出特性，易用于多变量系统的控制。

4.2 鲁棒控制和自抗扰控制器
鲁棒控制是针对时间域或频率域来说的，一般假设过程动态特性的信息和它的变化范围。

算法不需要精确的过程模型，但需要离线辨识。

近年来，在多电机协调控制中有重要的应用。

自抗扰控制器利用非线性结构克服经典PID的缺陷，抵消和估计出异步电动机高阶、非线性、强耦合的多变量系统中，同步旋转坐标系中定子电压方程存在的非线性耦合作用，使电机定子电流的转矩分量与励磁分量的相互影响，主要用于异步电动机的非线性控制。

二、交流调速节能技术的应用
1、交流电动机常用调速方法技术分析
交流电动机的调速方法实际上只有两大类。

一类是在电机中旋转磁场的同
n恒定的情况下调节转差率S，如调压调速等；而另一种是调节电机旋转步转速
s
磁场的同步转速s n ，如变频调速和变极调速。

1.1 调压调速
调压调速是通过改变电动机定子电压改变电动机转差率，从而实现调速。

这种调速方法比较适用于带动风机、水泵的异步电动机。

其原因是：
由于风机负载转矩特性2n Z K T =，当转速n 降低时，负载显著减小，它可以
稳定运行于电动机机械特性的非线性段，因而得到较低的转速，扩大了调速范围。

在降压运行时，电动机的磁化电流可以忽略不计，则电机的电磁转矩T 正比于转子电流2T 的平方。

当增加转差率S ，为使电流保持额定值不变，电机的转矩也相应减小，显然这既不适应于恒转矩负载，更不适应于恒功率负载，而较适应风机、水泵负载。

风机、水泵负载所需的起动转矩很小，降压后虽然起动转矩随2U 而下降，但仍可以满足起动转矩大于负载转矩，不会造成起动困难。

同时需要指出的是，调压调速由于转差率S 增大，而使电动机转子电阻的损耗增大，因此是一种低效调速方法，通常用于小容量设备上。

但由于风机、水泵的功率与转速三次方成正比，而转子的损耗只和转差的一次方成正比，当电动机转速降低时，风机、水泵能耗的下降比电机中损耗的增加要快得多，如转速下降到额定值的90%时，风机、水泵轴功率变为额定时的72.9%，减少了27.1%，而转子中损耗只有额定功率的7.29%，二者相抵，机组的耗电可以减少近20%。

1/4调压调速系统能平滑地调节转速，结构简单，控制方便，价格便宜，为了扩大调速范围及限制定、转子电流，希望有较大的转子电阻。

因此还需要滑差电机或绕线式异步电动机实现。

1.2 变频调速
变频调速是交流电动机一种最好调速方法。

它是通过改变电源频率来改变旋转磁场同步转速，从而达到调速目的。

在变频调速过程中，在一定的转矩T 下，S 基本不变，随着同步转速s n 下降，对应磁场角速度S X 也降低，电动机输入电磁功率PM= TXS 和输出功率)1()1(2S TX S P P S M -=-=成比例下降，损耗没有增加，所以变频调速是一种高效的调速方法。

变频调速不仅能实现无级调速，而且根据不同的负载特性，通过适当调节电压U 与频率f 之间的关系，使电动机始终运行在高效区。

对于恒转矩负载应保持U/f=常数；
对于恒功率负载应保持U/f1/2=常数；
对于风机、水泵负载应保持U/f2=常数。

交流电动机采用变频调速能显著改善电动机起动性能，大幅度降低电动机起动电流，增加起动转矩。

变频调速平滑性好，效率高，机械特性硬，调整范围广，同时可以适应不同负载特性的要求，尤为异步电动机调速的发展方向。

1/4目前变频电源装置的价格比较昂贵而限制了其推广应用，但用于较大容量风机、水泵调速，只要合理选择调速装置，其综合效益仍是相当可观的。

1.3 变极调速
变极调速是通过改变磁场的极对数，来改变同步转速，以达到调节电动机转速。

它也属高效调速方法之列。

变极调速简单可靠，成本低，机械特性硬，但它是一种有极调速，而只适用于几种运行工况场合。

例如纺织厂的空调风机，夏天一种速度，冬天另一种速度。

目前我国有风机、水泵等通用机械设备约4200万台，估计功率为1.1亿kW，其总耗电约占全国工业用电的40%。

长期以来这类机械大多采用鼠笼型异步电动机拖动恒速运行，并用挡风板和阀门调节风量或流量。

这种运行方式，节流功率损失很大，运行效率与国外同类设备相比低10%～30%，其节电潜力每年300～400亿。

因此，应用交流电机调速实现对风机、水泵风量或流量的调节，是节约电能最佳途径，其社会效益和经济效益都是相当可观的。

三、变频技术在交流调速系统中的应用
以直流电动机为拖动动力源，且以电动机转速为控制目标的的电力拖动自动控制系统称为直流调速系统。

而以交流电动机为拖动动力源、以电动机转速为控制目标的电力拖动自动控制系统称为交流调速系统。

20世纪60 年代以前的调速系统以直流机组为主，20世纪60年代开始由晶闸管构成的直流V—M系统逐步取代了直流机组。

20世纪70年代中期全世界范围内出现的能源危机迫使各国投入了大量的人力财力来研究交流调速系统，交流调速技术得到了快速的发展。

20世纪8 0年代随着以IGBT为代表的新型电力电子器件的发明及不断完善，及以矢量控制为代表的各种交流调速控制理论的深入发展，加上计算机（单片机、数字信号处
理器DSP）控制技术迅速发展的配合，使交流调速系统在性能上开始可以与直流调速系统相媲美。

之后，交流调速系统在调速领域中的比重逐步加大，目前已经成为调速系统的主流。

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，深受工业用户的青睐。

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，特性静差率高、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、与其它调速方法的比较
2.1 改变转差率的调速方法
（1）改变定子电压调速
由于异步电动机的转矩与定子电压的平方成正比，即MWU2。

改变定子电压就可以改变转矩及机械特性，从而实现调速。

该方法采用晶闸管/ 交流开关调节定子电压，其调速范围较宽、简单可靠、价格便宜，但低速时功率因数低、损耗大、效率低、发热严重。

输出特性软，不能承受重载。

这种调速方式适用于小容量的短时与重复短时作深调速运行的负载。

（2）绕线转子回路串电阻调速
在转子回路中串电阻调速可改变转子电流，从而改变其机械特性曲线，达到调速目的。

但其调速性能不好，机械特性软，且转差功率以热能的形式消耗在外接电阻上，效率太低。

因此，渐渐被节能调速所取代。

（3）电磁转差离合器调速
电磁转差离合器调速是通过改变与电动机相连的电磁离合器的励磁电流来实现调速的。

由于这种调速具有控制简单。

价格低廉、可平滑无级调速等优点，被广泛应用于调速要求不高的一般工业设备中。

其最大的缺点是低速运行时的损
耗大、效率低。

国产的电磁调速异步机系列产品型号为YCT 系列（旧JZT系列），控制装置为JDX系列（旧ZLK系列）。

（4）串级调速
串级调速是通过在转子回路中串入一个附加电势以改变转子回路的电流来改变转矩，从而达到调速的目的。

这种方法调速范围宽、结构简单、效率高、可靠性高，但过载能力差、功率因数较低，谐波电流较大，还需专门的启动设备。

在调速范围要求不大的场合，可以用一个小容量的变换器去控制一台大容量的异步电动机，这正是串调系统的主要优点。

因此在要求调速范围不大的大容量拖动系统中得到了应用。

特别对于大风机、大水泵，它要求的调速范围一般都很小，在这种情况下采用串级调速是最为有利的。

2.2 改变极对数的调速方法
通过改变定子绕组的接线来改变极对数，就改变了同步转速。

它可以获得恒转矩调速特性和恒功率调速特性。

这种方法效率高、操作简单、机械特性强。

为得到更好的调速精度与稳定性，常用速度反馈的控制方式。

缺点是有级调速，它和调压调速结合起来形成变极调压调速，可以大大改善低速运行性能，扩大调速范围。

一般变极调速用于小容量、非平滑调速的场合。

2.3 改变频率的调速方法
变频调速是通过改变电源的供电频率f来改变转速以达到调速的目的。

异步电动机变频调速时，其转差率s变化很小，转差功率基本不变，在异步电动机的各种调速系统中（变极调速构不成无级调速系统，不计在内）它的效率最高，同时性能也最好，是交流调速系统的主流。

变频调速系统可分为两大类：
（1）交—直—交变频调速
先把电网中的交流电整流成直流电，再通过逆变器逆变为频率可调的交流电。

按变频电路最后一级变换器的电源特性又可分为电压型（电容器滤波）和电流型（电感滤波）两种。

目前生产的异步电动机变频器几乎都采用电压源型晶体管SPWM 交—直—交变频电路，它具有体积小、重量轻，在采用矢量控制时系统性能好的特点，但需考虑回馈制动的问题。

随着电力电子技术的发展，目前已有多种把电压源的能量回馈到电网的方案，且已经开始批量上市。

因此，回馈制动及四象限运行的问题不久也会得到很好的解决。

它是异步电动机交—直—交变频



















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