交流调速系统论文

摘要

对于可调速的电力拖动系统来说，工程上通常分为直流调速系统和交流调速系统两大类。根据电动机在电能和机械能的转换时电流制型式的不同来分类，关于交流调速系统，它利用交流电动机来进行电能—机械能的转换，并且通过控制产生我们所需要的转速。在电力拖动的发展过程中，交流调速系统和直流调速系统一直并存于各个工业领域中，但是，在科学技术发展的不同时期，他们所处的地位也有所不同。相对于直流调速系统，交流调速系统具有结构简单，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，等优点并且在向高速，高压和大功率的发展前景也较好。近年来，很多国家偏向于对交流调速系统的研究。

关键词：矢量控制，交流调速，变频器，变频调速

第一章交流调速系统的发展

1.1交流调速系统的发展历程

在工业发展的初级阶段，交流电动机仅仅作为动力使用而无需调速。随着工业的进一步发展，尤其是电子方面和起重运输机械的发展，才对电动机的调速提出了要求，才有了直流电动机的出现。直流电机提高了生产的连续性和产品的产量以及质量，并且以其快速的正反转，准确的定位逐渐取代了简单可靠的交流电机，并且到了了广泛的运用于各行业。

80年代以来，由于直流调速系统造价高，维护投入大等缺点，在工业较为发达的国家开始使用直流调速系统，并且逐渐取代直流调速系统。这主要是由于电力电子器件，脉宽调制技术，矢量控制技术的发展，特别是以微处理机为核心的全数字化控制的应用，这才使得简单廉价的交流电机又得以取代直流电机调速系统占据主导地位。

现代控制理论的发展和应用，才促成矢量控制的出现，更是奠定了现代交流电机调速技术的理论基础，这才使得交流电机调速系统的性能能够与直流调速系统相媲美。国家的重视使得各种各样的的交流调速系统不断被开发，应用，普及，节约了社会上的大量资源，更是将社会上的传统产业发生了巨大的变革。

1.2交流调速系统的发展趋势

1.2.1交流调速系统的高性能化

交流电动机是一个多变量，强耦合，非线性的被控对象，单单用电压/频率恒定控制是不能满足我们对调速系统的要求的。接下来，交流调速系统将采用矢量控制技术，它将使调速性能达到并且超过直流调速系统。

矢量变换控制是新时期控制技术的发展随之产生的控制理论和技术，它是根据直流电动机的控制特点模拟它的控制方式来进行交流电动机的控制。直流调速的调速性能好的根本原因是交流电动机的转矩比较容易控制，而交流电动机的调速性能差就由于它的转矩难以控制，所以，要想交流电机得到的控制性能和直流电机的一样，就要通过电机统一理论和坐标变换理论，通过将交流电机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量以及跟它相垂直的坐标的转矩电流分量，将固定的坐标系转化为旋转坐标系解耦后，就是把交流量的控制转化为

直流量的控制就相当于直流电动机。

1.2.2 全控型大功率新型电力器件

电力电子技术的发展推动着交流电动机调速技术的发展，50年代电力半导体器件的晶闸管的出现，使交流电动机技术的发展更上一层楼。但是，作为第一代电力半导体器件，它的缺点就是无法实现自断能力，需要通过外界的电源或者负载来实现换相。所以，通过此类晶闸管实现交—直—交变频的逆变器，要想实现可靠的逆变就要依靠大功率的强迫换相电路来完成。所以，大功率，可关断的全控型器件就成为人们研制的重点，通过各国科学家的努力性能更好的场效应晶闸管，巨型晶闸管以及门极关断晶闸管等全控型器件相继问世，这也标志着交流调速技术又实现了一个质的飞跃。

1.2.3 脉宽调制技术

在进行交流调流调速时，往往要求调频和调压同时进行，早期的调压技术多采用相控技术，通过向空的方式产生的变频电压电源一般都夹杂着大量的谐波分量，功率因数也往往比较低，动态响应等性能无法满足人们需要的调速系统的要求。而采用了脉宽调制技术的逆变器，就完美的解决了电源侧功率因素问题。

1.2.4 数字技术的应用

计算机技术的发展同样也推动了交流调速技术的发展，数字调速技术不仅具有高精度，高可靠性，而且为新的控制理论提供了物质基础。交流数字调速主要往这两个方向发展，一个是采用大规模集成电路，以及专用的硬件。还有就是把计算机硬件软件化或者可编程化，减少硬件设备的维修节约资本。

第二章变频调速系统

在对异步电机进行调速控制时，往往希望电动机的主磁通保持不变。如果磁通太弱，就不能充分的利用铁芯，在同样的电流下，电磁转矩小，会降低电动机的的负载能力；磁能太强，就会变成过励磁，励磁电流偏大，就是限制定子电流的负载分量。

异步电机的转速公式为：n=60f1(1-s) (2-1)

三相异步电机定子每相电动势：Eg=4.44f1N1Φm （2-2）

2.1 基频以下调速

它的原理就是在保证电动机的负载能力一定以及气隙磁通不变的情况下，把频率f1从额定值向下调节时，同时还要降低Eg使Eg=常数*f，即在保证电动势与频率之比为常数的情况下进行控制。但是，由于电动势直接检测和控制不比较难，这时，当电动势和频率都比较高时可以认为U1=Eg。当U1和Eg都较小时，定子漏阻抗不能再忽略，这时要通过人为的适当地提高定子电压来减小定子压降的影响，来保证气隙磁通的恒定。

2.2 基频以上调速

在基频以上调速时，就是在保证电压U1不超过电压Un的情况下不断提高频率f1N，最大可以使U1=f1N.根据式2-2可知，主磁通会随着定子频率的上升而减小，这就是弱磁升

速，近似的可以看做是恒功率调速。

2.3 变频器

2.3.1 变频器的基本构成

变频器主要有交-交和交-直-交两种。交-交变频器又称为直接式变频器，它可以直接把工频交流直流变成频率，电压都是可以控制的交流。而交-直-交变频器也称为间接式变频器，它是先把工频交流转变成直流，然后再转变成频率电压可以控制的交流。变频器的由主回路和控制回路组成，而主回路由整流器，中间直流环节，逆变器组成。

2.3.2 变频器的启动状态

变频器在启动时所需要的启动性能是通过控制异步电机的定子电压和定子频率获得的。根据工程的需要，我们一般会采取启动电流的方式来减小变频器的容量，在启动时虽然一般希望可以快速启动，到时也不是越快越好，同时还要考虑到启动损耗的问题。它的启动方式主要有限流加速启动，限时加速启动以及s形加速启动。

2.3.3 变频器的制动状态

变频调速传动系统中会有一个再生发电制动状态，这是由于电动机减速或者它所拖动的位能负载下放产生的。这是异步电动机将传动系统中储存的机械能转化成电能。如果不采取措施，产生的这部分电能将会是电容器电压升高，一旦电动机又运行，这部分能量被负载重新利用，可能会损坏装置。所以这应该要处理好这部分能量，它的处理方式主要有人为的设置个直流回路与电容器并联各制动电阻把这部分电能消耗点：通过并联在直流回路上的其他传动系统把它吸收：把它回馈到电网。

2.3交流变频调速在起重机上的应用

现在生产的需要，不同的场合对起重机的速度也有所不同，它要求起重机合理地控制速度来提高生产效率并且实行安全生产。目前起重机采用的调速方案主要有：能耗制动调速，定子调压调速，串级调速，涡流制动器调速和变频调速等方式。调速方式的发展，使起重机的调速精度，时间响应，开闭环特性等性能显著改善。我国的大型起重机起步较晚，技术也不够国外的成熟，在低频时恒转矩输出，空中溜钩等难点还难以克服，还需要我国科学家的不懈努力。

参考文献

1．陈伯时电力拖动自动控制系统第三版北京机械工业出版社2003.7

2．李华德交流调速控制系统第一版北京电子工业出版社2003.3

3．张燕宾SPWM变频调速应用技术第二版北京机械工业出版社2002.1

4．何超交流变频调速技术北京北京航空航天出版社2006.1