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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）  

题    目：交流电动机调速系统的研究

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层    次：       专科起点本科     

专    业：      电气工程及其自动化 

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学    生：                     

指导教师：                    

完成日期：    2021 年02月27日  

内容摘要

近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机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、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义。本文首先阐述了交流电动机的调速方式和变频调速系统；其次论述了现代交流调速系统的类型；最后分析了交流调速系统控制的策略，如矢量控制、直接转矩控制以及现代控制策略。

关键词：交流电动机调速；现代交流调速系统；控制策略

目  录

内容摘要............................................................................................................................ I

1  绪论............................................................................................................................. 3

1.1  课题的背景及意义......................................................................................... 3

1.2  国内外研究和发展动态................................................................................. 3

1.2.1  国内外变频调速的发展现状............................................................. 3

1.2.2  变频调速的发展方向......................................................................... 5

1.3  本文的主要内容............................................................................................. 6

2  交流电动机的调速..................................................................................................... 8

2.1  交流电机的调速方式..................................................................................... 8

2.2  变频调速系统................................................................................................. 9

3  现代交流调速系统的类型....................................................................................... 12

3.1  异步电动机交流调速系统........................................................................... 12

3.2  开关磁阻电动机交流调速系统................................................................... 12

3.3  同步电动机调速系统................................................................................... 13

4  交流调速系统控制策略........................................................................................... 14

4.1  矢量控制....................................................................................................... 14

4.2  直接转矩控制............................................................................................... 14

4.3  现代控制策略............................................................................................... 15

4.3.1  滑模变结构控制............................................................................... 15

4.3.2  自适应控制....................................................................................... 15

4.3.3  模糊控制........................................................................................... 16

4.3.4  神经网络控制................................................................................... 16

4.3.5遗传算法.............................................................................................. 16

5  结   论..................................................................................................................... 18

参考文献......................................................................................................................... 19

1  绪论

1.1  课题的背景及意义

在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。

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以下运行时，保持励磁电流恒定，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。

20世纪80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，变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

1.2  国内外研究和发展动态

1.2.1  国内外变频调速的发展现状

1.变频调速在国内的发展

20世纪90年代初，中国企业开始认识到通用变频器的作用并尝试使用，当时全部是国外品牌，经过 20余年的推广和使用，通用变频器已得到各行各业的认可，并显示出它的活力。在我国通用变频器作为商品销售是近20年的事，在较多领域里推广应用也只不过是最近十年的时间，但发展十分迅速，销售额逐年增加，每年大约有超过数十亿元人民币的市场。我国目前市场上生产、销售变频器的国外公司、厂商甚多，品牌达上百种，几乎世界上所有大的电气公司、厂商都有自己的变频器品牌。我国自行设计、生产变频器的公司、厂家也达数十家，有些品牌还大量出口。

通用变频器在我国经过十几年的发展，在产品种类、性能和应用等方面都有了很大提高。目前，国内市场上流行的通用变频器品牌多达几十种。如欧美国家的品牌有西门子、 ABB、Vacon(瓦控)、DANFOSS(丹佛斯)、Lenze(伦茨)、KEB(科比)、CT（统一）、欧陆、Moeller(金钟-默勤)、Schneider（施耐德）、SIEI（西域）等；日本产的品牌有富士、三菱、安川、三垦、日立、松下、东芝、明电、春日、东洋等；韩国 LG、三星、现代；港澳台地区的品牌有普传、台安、台达、东元、正频、宁茂、九德松益、爱德利等；国产的品牌有康沃、安邦信、惠丰、森兰、阿尔法、时代、格立特、海利、佳灵、富凌、英威腾等。欧美国家的产品以性能先进、适应环境性强而著称；日本的产品以外形小巧、功能多而闻名；港澳台地区的产品以符合国情、功能简单实用而流行；而国产的产品则以大众化、功能简单专用、价格低的优势广泛应用。

3.变频调速在国外的发展

1964年德国人首先提出把通信技术中的脉宽调制PWM技术应用到交流传动中，从此，自 20 世纪70年代初，对PWM调速技术的研究引起了人们的高度重视，到20 世纪80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法，该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电动机气息的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成两相调制波形，使变压变频（VVVF）成为变频调速技术的核心。从20 世纪80 年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF 技术的通用变频器已商品化并广泛应用。

1980年，德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢量控制的实用化。此后，日本厂商竟相研究矢量控制技术，并在产品性能和价格两个方面取得进展，理论界则应用现代控制理论把矢量控制的理论进一步深化，开拓了解耦控制、速度观测、参数自适应、无速度传感器矢量控制等方面的理论成果。自 1992年开始，德国西门子公司相继开发了6SE70 系列通用变频器，通过 FC、VC 、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等，至 1994 年该系列通用变频器的容量就扩展到 315kW以上。

1985 年，德国人提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论（DSC）。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪，实现脉宽调制和系统的高动态性能。最初，主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变器控制中广泛应用。目前被应用于通用变频器的控制方法是一种改进的、适合于高开关频率逆变器的方法。1995年，ABB公司首先推出的直接转矩控制通用变频器，目前已成为其各系列通用变频器的核心技术[[1]]。

1.2.2  变频调速的发展方向

1.电动机与变频器的一体化

日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一块芯片上的DIPIPM（即双列直插式封装）的研制已经完成并推向市场。一种使逆变功率和控制电路达到一体化、智能化和高性能化的HVIC（高耐压IC）SOC（System on Chip）的概念已被用户接受，首先满足了家电市场低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要求。因此可以展望，随着功率做大，此产品在市场上极具竞争力。

90年代以前，对变频调速系统的研究主要集中在变频器的拓扑结构以及控制算法上，并且取得了很大的进展，使得电机传动的动态性能和调速精度等方面大大提高。但对于变频器供电下电机的效率、功率因素、绝缘等没有加以重视和研究。其中变频器带来的“电应力”问题和电机轴电压、轴电流问题是近几年较为突出的严重问题，而这些问题的起因在于变频器与电机没有作为一个整体加以设计而引起的。

2.变频控制的高性能化、全数字化

（1）无速度传感器矢量控制（SVC）的发展。早期的SVC多采用电压、电流信号构成速度观测器，后来采用磁通观测器模型，使力矩特性更好。最新的SVC产品则用电压电流模型与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，称为双观测器矢量控制系统。此外，采用高速CPU芯片，信号处理速度更快，使系统在极低的转速下也能获得良好的转矩特性与高速响应。

（2）电机参数自检测与自整定技术。高性能矢量控制变频器运行前需进行电动机参数的检测。早期变频器首先需把电动机和机械脱开，才让电动机旋转，按预先设定的程序运转，记录定子电压和电流，对参数进行自动整定，该方法称为“旋转自检测”。其缺点在于卸开电动机和机械的连接十分不方便。新开发的“停车自检测”电动机可以在不旋转的状态下进行测量，连“旋转自检测”不测量的漏电感参数也可以测出，因此控制性能得到提高。目前Siemens公司的MM440矢量型变频器具有此功能，可以“停车自检”出电机定子电阻、转子电阻、定子漏抗、主电抗以及磁化饱和曲线等。

（3）随着计算机技术的发展，人们对数字化信息的依赖程度越来越高。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。如Intel 公司1983年推出的MCS-96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。其高档型8x196KB、8x196KC、8x196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。另外，随着交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。如TI 公司的MCS320F240等DSP芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。最近TI 公司推出MCS320F240X系列产品更将价格降低到了单片机的水平。各种总线在实现数字化控制过程中也扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。

3.变频器的网络化、环保化

（1）变频器的网络化配置。在网络化日益普及的今天，与普通的点对点硬线连接方式而言，通过高速通信连接的变频器系统可以在最大程度上降低系统维护时间、提高生产效率、减少运行成本。目前安装的现场总线模块有Profibus DP、Interbus、DeviceNet、CAN Open 和Modbus Plus等。用户可以有更大的自由根据生产过程来选择PLC型号和品牌，并非常简单的集成到现有的网络中去。而且通过现场总线模块，可以不考虑变频器的型号，而以同一种语言来与不同型号的变频器进行组构，如功率、转矩、速度、电流、设定值等。由于采用了通信方式，可以通过PC来方便地进行组态和系统维护，包括上传、下载、复制、监控、参数读写等。

（2）变频器的低电磁噪音化。今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正（APFC,Active Power Factor Correction）电路，改善输入电流波形，降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在30～50MHZ时的噪声可降低15～20dB[[2]]。

1.3  本文的主要内容

本文主要对交流电动机调速系统进行研究。

全文共分为五章，各章内容简介如下：

第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；

第二章阐述了交流电动机的调速方式以及变频调速系统；

第三章论述了现代交流调速系统的类型，如异步电动机交流调速系统、开关磁阻电动机交流调速系统以及同步电动机调速系统；

第四章分析了交流调速系统控制策略，如矢量控制、直接转矩控制以及现代控制策略，而现控制策略又有滑模变结构控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制以及遗传算法。

本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。

2  交流电动机的调速

2.1  交流电机的调速方式

按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式:

                       （2.1）

式中：——电动机的转速；

——电动机的电源频率；

 ——电动机的同步转速；

——转差率；

——极对数。

由式（2.1）可知，若要实现转速的调速，只需调节、和三个变量。根据改变电机的不同参数，有以下三种调速措施：

1.改变电机的转差率

该调节方式有着简单的系统结构，在某些场合得到应用。例如电机的转子串电阻调速和串极调速都属于通过改变电机的转差率来进行调速。

2.改变电机的磁极对数

其应用的广泛程度受到限制，主要原因是调速方式的影响，其采用的是有级调速的方法。

3.改变电机的电源频率

该调节方式应用最为广泛，效率也最高，能够构成高性能的动态交流调速系统，相比较而言是发展前途最大的调节方法。电动机制造完成，转差率和磁极对数就确定了，而转速与频率之间有着线性关系，因此在理论上该调节方式的调速范围可达到 100%。由于这些优点变频调速方法在改造工程中得到广泛采用。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的一种理想的高效率、高性能的调速手段。其作用是通过改变电源频率来改变电机的转速，也就是通常所说的变频调速。

交流电机的调速方式对比见表2.1。

表2.1 交流电机的调速方式比较

变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）见表2.2。

表2.2 变频调速的优点

2.2  变频调速系统

变频调速系统可分为两大类:

1.交-直-交变频调速

交直交变频调速系统的基本构成如原理图2-1所示，它由整流、滤波、逆变等部分组成。交流电源经整流、滤波、逆变后变成直流电源，再通过逆变器的有规则的导通和截止使之输出频率可变的电源。其主回路主要有三部分构成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

图2-1变频器调速系统的原理接线图

（1）整流器 

近来大量使用的就是二极管整流器，它把工频电源变换为直流电源，电功率的传送是不可逆的。

(2)滤波回路 

在整流器整流后的直流电压中，含有六倍电源频率的脉动电压，此外，逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采用直流电抗器和电容器吸收脉动电压（电流）。装置容量较小时，如果电源输出阻抗和整流器容量足够时，可以省去直流电抗器而采用简单的阻容滤波回路。

(3)逆变器 

同整流器相反，逆变器的作用是在所确定的时间里有规则地使六个功率开关器件导通、关断，从而将直流功率变换为所需电压和频率的交流输出功率。

2.交-交变频调速

交交变频器又称直接式变频器，这是因为在交交变频器的电路结构中，仅存在一个变换环节。交交变频器可以将电压、频率恒定的交流电源仅经过一次变换，获得电压和频率可调的交流输出。一般情况下，交交变频器由三组可逆变流器组成，每一组可逆变流器都由正、反两组晶闸管反并联而成。

交交变频器分为交交电压源型变频器和交交电流源型变频器。当电路结构中不含电抗和滤波电容时，由于电压性质，此时为电压源型交交变频器。频率恒定的交流电源本身就具有电压源当电路结构中接入大电感电抗器时，此时为电流源型交交变频器。

由上文可知，交交变频器的优点是电路结构较为简单，由于省去了中间的直流滤波环节，所以在结构上只存在一个变换环节。交交变频器的缺点是电路结构中使用的功率器件数量巨大，比如常见的三相桥式变频器电路结构中，一共需要使用36个晶闸管，大大增加了控制过程的难度。同时，交交变频器在使用过程中功率因数不高，工作效率低，而且包含较多的谐波电流。根据交交变频器的优缺点，它一般被应用在容量较大(容量大于1000kw以上)、转速较低(转速小于600r/min)的交流调速系统中，如水泥回转窑、轧机主传动、球磨机等系统。由于此类交流调速系统本身转速不高，故交交变频器在使用过程中，可以省去维护成本高昂的变速齿轮箱[3]。