变频调速技术及电机设计

第一章 概述

1.1 变频调速技术的发展与应用

近十年来，随着电力电子技术、微电子学、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，

电力传动领域正发生着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的革命。交流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，被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

1.1.1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地控制机械

的运转状态（位置、速度、加速度等），在实现电能-机械能之间的转换过程中达到优质、高产、低耗的目的。今年来交流调速最活跃、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。

我国关于变频调速的研究始于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、调制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，并得到广泛应用，而随着SPWM的发展，变频系统的优点越来越突出，应用面也越来越广。

我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。在变频调速方面，国内虽然投入了一定的人力和物力，但由于力量分散，并未形成一定的技术规模和生产规模，再加上相关产业的落后，使得至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上20世纪80年代中后期的水平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。国内许多合资公司生产着当今国际上先进的产品，国内的成套部门在自行设计制造的成套装置中采用进口外国公司先进设计和装置，自行开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大的成绩，但产品的可靠性和工艺水平与国外还有差距，并且国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性还很严重。

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。这类设备的市场很大，总容量占的比例虽然不大，但台数多，需求增长快。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，矢量控制数量还比较少，此类产品和质量还不能满足市场的需要，每年要大量进口。此类国内产品中合资企业生产的比重较大。

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（2）电流源型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大的需求，国内有能力制造的单位不多。目前功率装置有国内自行生产，数字化控制装置的控制设备由国外进口，应用软件由国内自行开发设计。

（3）交-交变频器供电的交流调速设备。这类产品在轧机和矿井卷扬传动方面有较大的需求，虽总需求台数不多，但该类装置功率大，国内只有极少数科研单位有能力制造。目前最大容量可做到7000～8000KW。此类产品主要靠进口，目前的国内产品的生产状态是功率装置由国内自行生产，数字化控制装置的控制设备由国外进口，应用软件由国内自行开发设计，但系统可靠性方面与国外还有很大差距。

1.1.2国外变频调速技术的现状

当前国外交流变频调速技术高速发展，主要有以下几个优点：

（1）近些年来不断涌现出SCR,GTO,IGBT,IGCT等高电压、大电流的大功率电力电子器件以及大功率器件的并联、串联技术的发展应用，使得高电压、大功率变频器产品的生产及应用得到很大发展。例如：法国阿尔斯通公司已能提供单机容量达3?10kW的电气传动设备用于船舶推进系统；意大利公司能够提供单机容量为6?10kW的设备用于抽水蓄能电站。

（2）矢量控制、磁链控制、直接转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16位、32位高速处理微处理器，数字信号处理器（DSP），精简指令集计算机(RISC)和高级专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，使得变频器朝高精度、多功能化方向发展。国外产品已实现控制全数字化、产品系列化、功能多样化，产品已进入很成熟的阶段。

（3）由于相关的基础工业和各种制造业的高速发展，已经使变频调速装置的相关配套件的生产社会化、专业化，产品可靠性更高。

441.1.3变频调速技术未来的发展趋势

交流变频调速技术是强、弱电混合，机电一体化的综合性术。它分为功率级和控制级两大部分。功率级部分是要解决高电压、大电流方面的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题；控制级部分是要解决数字化控制的硬、软件开发问题。鉴于这两方面，未来变频调速技术的发展方向主要有以下几点：

（1）各种控制方法的深入研究与实现，进一步提高变频调性能。当前高水平的控制策略有：基于电动机和机械模型的有矢量控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器、在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列方法等；基于智能控制思

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想的模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。这些已有技术逐步推广应用，同时新的控制技术将不断涌现。

（2）进一步提高变频器的功率因数，降低网侧和负载侧的谐波，以减少对电网的污染和电动机的转矩脉动。对中、小容量变频器，主要采取提高开关频率的PWM控制；对大容量变流器，主要采取在常规的开关频率下，改变主电路结构和控制方式这两条途径。

（3）进一步增加器件的集成度，缩小变频装置整体的尺寸，更加提高系统可靠性。今后变频器中的功率器件和控制元件将具有更高的集成度，如智能化的功率模块、高频率的开关电源以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。与之配套的功率器件冷却方式的改变（如水冷、蒸发冷却和热管），也有利于整机体积减小。

（4）以32位高微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows控制系统的引入使得自由设计成为可能，图形编程的控制技术也有很大发展。

（5）电动机模拟器、负载模拟器以及各种计算机辅助设计(CAD)软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。

有关资料表明，采用变频调速技术确实能够取得非常明显的节能、增产、提高产品质量的效果，节电率一般在10～30%，有的高达40%，更重要的是生产中的一些技术难点也得到了解决。例如包钢1150轧机采用变频装置后，年平均事故时间降低到工作时间的0.1%以下，大幅度提高了产品质量和产量，起且年平均节约电费约50万元；乌鲁木齐市热力总公司在供热系统中采用变频调速后，当年节电达35%以上；石油系统从1989年～1997年，油田和长输管道上使用的变频装置已达12万kW，年节电量近2亿kW.h。

变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，已经渗透到经济领域的所有技术部门中，我国现在正大力发展和推广变频调速技术，努力缩小和世界先进水平的差距，使之向规模化、自主化、标准化发展。

1.2 变频调速在电机行业的应用——异步变频调速电动机

上世纪20年代人们就已经认识到变频调速是交流电动机的一种最好的调速方法。它既能在宽广的范围内实现无级调速，而且可以获得良好的起动和运行特性。然而由于当时的研究水平的限制，这种方法没有得到广泛的应用，直到上世纪50年代中期，晶闸管（可控硅整流器）研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代，使变频技术开始运用于电机的调速，并得到长足的发展，打破了以往直流调速电机一统天下的格局。

直流电机调速以其调速平滑,范围广,精度高,长期以来在调速领域居优势。但由于直流电机本身结构上存在换向器和电刷,使其存在如下问题：安装环境受限制,易燃、易爆及尘埃较多的环境不宜使用；常因换向不良,严重影响生产,极大地增加了维护工作量;由于换向问题存在,使制造大容量、高转速的直流电机比较困难;与同容量同转速的交流电机相比,体积大、重量大、价格高，缺点较多。

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交流变频调速器与异步电机的结合是一种理想的电力拖动调速方式。与直流电机拖动相比,环境适应性强,能极大地减少维护工作量,提高机器的生产能力,易满足高转速大容量的要求,造价也低与其它调速方式相比较,最突出的优点是节能最优。而且它还具有体积小、重量轻、易操作、精度高、应用范围广、机械特性好、自我保护功能强、易实现自动化等优点，所以它是企业进行工程设计、设备改造和技术革新的最佳选择方案，其应用前景会越来越广阔。

第二章 变频调速系统

2.1 异步电动机的变频调速原理

异步电动机的转速为： n?60f1(1?s)?n1(1?s) (2—1) np式中，n为电动机转速；f1为电动机定子的供电频率；s为转差率；np为电动机定子绕组极对数；n1为旋转磁场的同步转速。

由式(2—1)可以看出交流电源频率f1的变化，电动机同步转速随之成正比变化。因此，改变电源频率很容易改变异步电动机的转速。但是，对于异步电动机来说，若电源频率f1变化而其电源电压U1值不变的话，将会引起磁通的变化，因为： U1?E1?4.44f1N1K1? (2—2)

式中，U1为定子相电压；E1为定子相电动势；N1为定子每相绕组的匝数；K1为定子的绕组系数；?为每极气隙磁通。

当f1小于额定值f1N时，?就大于额定值。由于电机设计制造时取额定磁通在磁化曲线的饱和段附近，当?上升时就会引起过大的励磁电流。为了使由保持恒定，必须在频率f1变化的同时改变电源电压U1，并使它们遵循的规律是：

U1E1??常数 (2—3) f1f1这种压频比为常数的控制方式称为恒磁通控制方式，一般在额定频率f1N以下，即f1?f1N情况下采用。

在f1?f1N时，如果仍保持

U1?常数，则U1?U1N，这是不允许的，此时只能保持f1U1?U1N不变。由式(2—2)可看出，随着人上升，?将减弱，即：

???1 (2—4) f1 这种保持U1?U1N=常数的控制方式称为恒电压控制方式，一般在f1?f1N情况下采

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用。在变频调速过程中，始终保持定子电流幅值恒定，即I1=常数，这种变频调速的控制方式称为恒流变频调速控制方式。 一、恒磁通控制方式

异步电动机的电磁转矩一般方程是： Te?3npU12r2's2?f1[(r1?r2s)?(X1?X20)]'2'2 （2—5）

'式中，np为定子绕组构成的极对数；r1、X1为定子每相电阻、漏电抗；r2、X20为折算到定子侧的转子每相电阻、电动机静止时折算到定子侧的转子每相漏抗。将式(2—5)对；求导并令其为零，即可求得电动机最大转矩Tm及临界转差率sm： Tm?'3npU12?4?f1?r?r?(X?X)11120????2'2 （2—6）

sm?r2'r1?(X1?X20)2'2 （2—7）

由Tm、sm可绘出保持U1f1?常数条件下异步电动机调频时的机械特性曲线族，如图2—1实线所示，图中f1?f2?f3?f4。在频率较高时X1?X20??r1， 于是式(2—6)可写成：

'3npU123npU12T?? m4?f1(X1?X20')4?f?2?f1(L1?L20')

=

'U12?() （2—8） '22f8?f1(L1?L20)13npU12式中，L1、L20为定子和转子的漏感。

因为U1f1?常数，所以当频率很高时Tm保持恒定。 电动机的转速降为：

r2'r2'60f1 ?nm?snn1? n??'2'212?f1(L1?L20)npr1?(X1?X20)60r2' = （2—9） '2?np(L1?L20)由式（2—9）可看出，转速降与频率无关。因而其调速特性相互平行。

当频率较低时，r1??X1?X20，在式（2—6）的分母中忽略（X1?X20）项，则

''3npU123nU?p(1)2f1 (2—10) Tm?4?f1?2r18?r1f1第 5 页 共 59 页

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