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1、新疆轻工职业技术学院毕业论文论文题目：浅谈变频器的原理及应用 姓 名：宋 相 川 班 级：普05电气自动化（2） 指导教师：热 西 旦 二八年 三 月 二十八 日摘要：变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效
2、果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。关键词： 变频器 工作原理 异步电动机 技术发展 目 录第一章引言第二章变频器的工作原理1 电动机参数2 变频器控制方式第三章变频器对异步电机的变频调速1异步电机2变频器供电下的电机运行条件3 设计要点 4调速电机设计的进一步发展第四章变频器技术的发展1现况2 国变频器技术的发展概况3 国内变频技术的现状和发展前景第五章总结第一章：引言变频调速技术，顺应了工业生产自动化发展的要求，开创
3、了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。现已在电力、冶金、石油、化工、造纸、食品、纺织等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。目前，变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。卓越的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速
4、越来越被工业上所采用。如何选择性能好的变频其应用到工业控制中，是我们专业技术人员共同追求的目标。异步电机是典型的常规交流电机。自从现代交流变频调速技术发明以来，异步电机驱动技术得到了广泛的研究和发展。但在这些研究中，主要针对变频器拓朴结构及控制算法的研究开发，而在异步电机设计和分析方面却没有明显的改变。目前，我国所用电动机主要为20世纪70年代末设计出来的Y系列异步电机，该电机主要是针对恒频恒压电源设计的。这样的电机在变频器供电下，其效率、功率因数和功率密度等稳态性能都有所下降，且电机绝缘、噪声及其它故障情况也趋于恶化。因此，重新考虑异步电机在变频调速系统中的设计问题势在必行。 第二章 变频器
5、的工作原理1交流电动机参数交流电动机的同步转速表达式位： n60 f(1s)/p (1)式中n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率； p电动机极对数。由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。其原理图下：2 频器控制方式低压通用变频输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式经历了以下四代。2.1 U/f=C的正弦脉宽调制（SP
6、WM）控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。2.2电压空间矢量（SVPWM）控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场
7、轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。2.3矢量控制（VC）方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩
8、成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。2.4直接转矩控制（DTC）方式 1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制
9、变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。2.5矩阵式交交控制方式 VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，
10、即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；实现BandBand控制按磁链和转矩的BandBand控制
11、产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。 矩阵式交交变频具有快速的转矩响应（2ms），很高的速度精度（2，无PG反馈），高转矩精度（进一步提出了电力电子与电机集成系统的概念，并认为变频器供电下的异步电机设计和分析实际上是一个系统问题，它必须将电机与电力电子变频器及其控制方法一并考虑。其系统主要特征可概括为:集成化，即电力电子、电机及其控制系统高度集成，使得三者从设计、制造、运行都更紧密地融为一体;智能化，即自适应、模糊、神经元网络及基于遗传算法的各种人工智能控制方法大量引入和应用;通用化，即同一系统可以针对不同形式的电机以及不同运行模式而实行不同的控制方式;信息化，即电机系统不但是转换、传送
12、能量的装置，也是传递、交换信息的通道。在此基础上，研究出了完整的变频器供电下的异步电机计算机辅助设计和分析可视化软件包。该软件包已达到实用化，为在变频器供电下的异步电机设计与分析提供了有效的工具。第四章 变频器技术的发展1 现况近年来，交流变频调速技术在我国有了突飞猛进地发展，变频调速在调速范围、调速精度、动态响应、低速转矩、通信功能、智能控制、功率因素、节约电能、工作效率、使用方便等方面的优异性能，是其它的交流调速方式无法比拟的。它以体积小、重量轻、通用性强、使用范围广、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，深受钢铁、冶金、矿山、石化、医药、食品、纺织、印染、机械、电力、建材、造纸等行业的
13、欢迎，使用变频器后经济效益和社会效益都非常显著。2 我国变频器技术的发展概况 随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存在，直流电机的维护量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、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的需要。于是，从20世纪30年代开始，人们致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长的时期内，直流调速一直以其优异的性能统治着电气传动领域。20世纪60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。目前，交流调速
14、已进入逐步代替直流调速的时代。近十余年来，我国的变频器产业从无到有不断壮大，发展迅速。据统计，我国现有大大小小的变频器生产厂70多家，年销售额在7亿元左右，但这只占全国变频器市场容量的一小部分，80%90%的国内市场被各种国外变频器所占领。回顾我国变频器的发展历程，结合我国国情开发出性能优越、适销对路的产品，逐步扩大市场份额，是国人的期盼。我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力落后于发达国家。随着改革开放，经济高速发展，一个庞大的市场形成了，它既对国内市场开放，同时也对国外公司开放，很多先进的产品从发达国家进口。20世纪80年代末，大连电机厂从日本冬芝公司引进了一条变频器生产线，变频器的
15、型号为130G，功率器件用的是大功率晶体管GTR，CPU是MCS-51芯片，调制方式是SPWM，控制策略是V/F=C，这可能是我国最早有规模的组装国外较先进的变频器，虽然这种变频器在当时不是最好的，但比用可控硅作为功率器件的变频器要先进得多，后者在工业应用中，负载过重时启动困难，经常出现功率器件GTR损坏，因此低速转矩和可靠性都较差。同时在我国销售的富士变频器是G5/P5，三垦变频器是SVF，在性能和可靠性上与130G不相上下。20世纪90年代初，台湾普传进入内地，带来的产品是pi89变频器，电源还不是开关电源，功率器件用的是大功率晶体管GTR，CPU是8085芯片，调制方式是SPWM，控制策
16、略是V/F=C。台湾普传在内地的营销策略和其它的厂商不同，它是采用组建合资公司的形式。在不长的时间内，在广阔的国土上，先后组建了庆普、汉普、西普、上普、南普、纺普、普达、普天等合资公司，研发中心设在深圳，后来又在大连建了一个合资厂，这是当时国内最大和最完善的变频器营销网络。各合资公司组装变频器的机箱，主控制板都是在台湾做好后运来的。由于充分的整合国内的资源，台湾普传那几年的销售业绩非常好，pi89变频器成了当时国内变频器市场上的主打产品。由于其它方面的原因，以及后来性能和质量更好的变频器进入我国，pi89变频器市场在不长的时间内很快萎缩，直至被淘汰出局。 从台湾普传进入内地到现在已经过去十多年
17、了，这十多年中，有过很多变频器厂商，前后算来接近百家。近几年，变频器的厂商发生了相当大的变化，进来的快，出去的也快，到现在剩下的也就几十家。另外，在国内还有不少国外和台湾厂商的独资公司、合资公司，如北京ABB、天津SIEMENS、富士、台安、台达等在国内都有独资公司或合资公司。在组装变频器的过程中，我国技术人员有机会接触变频器的先进技术和管理方法，这些人员成了国内变频器技术一支重要力量。市场竞争成就了国内几家大公司的崛起，如华为、森兰。作为国内最大的变频器制造商，森兰从做V/F控制的变频器开始，逐步完善和提高变频技术，通过多年的技术实践、积累和对国外先进技术的消化吸收，已经能够开发出具有先进水
18、平转子磁链定向，磁通观测采用自校正算法的矢量控制变频器，实现了磁场和力矩的完全解耦，做到频率为1Hz 时达到200%的额定转矩，即使在零频也有100%的转矩，如SB80系列变频器。由此可见，尽管国内与国外在变频技术上相比还有差距，但已经大大缩小了。3 国内变频技术的现状和发展前景国内已经有较多的变频器生产厂，但大部分的产品都是V/F控制和电压空间矢量控制变频器，使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。工业应用中绝大部分都是这种负载，变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠性，国产变频器占国内市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬。V/F控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从
19、技术上来看要简单得多，由于国内厂家大部分都是手工作坊式的生产，工艺欠佳，检测手段有限，品质的一致性和稳定性难以保证。同样是V/F控制的变频器，国外的产品比国内的产品品质要好，这可能是生产工艺方面的差距。差距最大的是半导体功率器件的制造业，至今在国内这仍是一个空白。 变频器技术的另外一个层面是应用技术。多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用，在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向，同时鼓励单位开展同贷同还方式，抓开发、抓示范工程、抓推广应用，还处理了风机、水泵节能中
20、心，开展信息咨询和培训。1995-1997年，3年间我国风机、水泵变频调速技术改造投入资金3.5亿元，改造总容量达100万千瓦，可年节电7亿度，平均投资回收期约2年。据有关资料表明，我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩，每年有数十亿元的销售额，说明我国的变频器应用已非常广泛。从简单的手动控制到基于RS-485网络的多机控制，与计算机和PLC联网组成复杂的控制系统。在大型综合自动化系统，先进控制与优化技术，大型成套专用系统，如连铸连轧生产线、高速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等，变频器的作用是电气传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完全取代了
21、直流调速技术。近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用系统的构成更加方便和容易，使变频器的应用技术提高到一个新的水平。第五章 总结通过这次设计使我对变频器的原理、结构以及应用和发展有了更进一步的了解，同时使我认识到掌握一门技术不能仅靠学习，还要一定的实践去巩固和消化它，而且在实践中要善于思考，要善于发现新问题并解决它。参考文献： 1 李正熙.电力拖动自动控制系统(第二版).冶金工业出版社2 安荣.通用变频器及应用.机械工业出版社，2000。3 白秋生.交流传动的应用与展望J.自动化博览，2004，4。4 年培新.谈我国变调速技术的发展与应用J.
22、电气传动，2000，2。5 龙勇.谈我国变频技术的发展. 自动化博览，2004，10。6 钱敏逊.交流调速系统.机械工业出版社，1998致 谢作为一个学生的毕业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在论文写作过程中，得到了老师您亲切的关怀和耐心的指导。您严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，老师您都始终给予我细心的指导和不懈的支持。您不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，您的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。在此谨向您致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!