交流电动机调速系统的研究

1网络高等教育本科生毕业论文设计题目：交流电动机调速系统的研究学习中心：层次：本科毕业专业：年级：年春/秋季学号：学生：指导教师：完成日期：年月日交流电动机调速系统的研究22摘要近年来，随着矿石能源的逐渐减少，新型的节电设备的飞速更新和科学技术的极速飞跃发展，合理化的应用设计和节电设备的普遍应用，带给人们更多生活上及工作上的便捷。随着新型的电力电子器件的涌现和计算机技术的高速发展，高性能的交流电动机变频调速系统得到了广泛的应用，它显著的效果，给人们留下了深刻的印象。本论文首先论述了变频调速的基础技术，简述了它在我国的发展和应用以及今后在这方面应做的工作；其次对系统的主电路、控制电路、电气控制电路以及实现控制的软、硬件进行了系统地分析，并对调速系统的实施方案进行了论证。在此基础上，调速系统主电路采用了交-直-交型电路形式及交－交调速系统；最后以PWM电压源型交流调速系统的工作原理框图为例，分析并介绍交流电动机的调速系统。关键词：交流调速；变频调速；PWM技术；全数字化控制系统交流电动机调速系统的研究33目录摘要................................................................2第一章绪言........................................................41.1选题背景及意义...............................................41.2国内外研究现状...............................................51.3研究内容与目标..............................................5第二章交流电动机调速..............................................62.1交流变频调速技术的发展.......................................62.1.1交流电机...............................................72.1.2直流电机...............................................72.1.3交流电机与直流电机对比.................................72.2交流调速的方式...............................................72.2.1串极调速，单片机调速...................................82.2.2矢量变换控制调速.......................................82.2.3变频调速...............................................8第三章常见的交流机变频调速装置及应用..............................93.1交一直一交变频调速...........................................93.1.1整流原理...............................................93.1.2逆变原理...............................................93.2交一交变频调速..............................................103.2.1单相交－交变频电路....................................103.2.2三相交－交变频电路....................................113.2.3变频调速的意义........................................123.2.4变频调速的效益........................................12第四章交流电机变频调速的的原理及特性.............................144.1变频调速....................................................144.2基本原理及特性..............................................144.2.1变频调速的原理........................................144.2.2变频调速优点..........................................154.3变频调速应用举例............................................15第五章常见的变频电源及简单原理...................................175.1基本概念....................................................175.2变频调速类型................................................175.3变频电源的工作原理..........................................17第六章PWM电压源型交流调速系统...................................206.1PWM电压源型交流调速系统的工作原理..........................206.1.1PWM控制的基本原理....................................206.2.2PWM相关概念..........................................226.2三相交流电源IGBTPWM......................................226.3变频电源的优势和应用.......................................24参考文献.......................................................26交流电动机调速系统的研究44第一章绪言1.1选题背景及意义早期用原动机来驱动一台发电机，而通过控制发电机的励磁来调节发电机的输出电压，借此调节被驱动电机的转速和电机有功功率输出，还可以关闭和启动电机。以变频调速技术问世为标志的近代交流调速近二十年来取得了惊人的进展。首先是由于生产力的发展，生产机械的功率愈来愈大，1000千瓦以上功率装置愈来愈多。在这样的功率范围内，直流电动机由于受机械换向器及电刷等工艺制造的限制，很难制造额定电压超过1000伏的电动机，因而额定电流变得很大，供电须采用专用汇流排，这样供电电压降和传输损耗增加，相比之下，交流电动机制造超过6000伏以上高压电机并不困难，从而避免了上述直流电动机制造工艺的难点，换言之，功率愈大，交流拖动的经济效益优势将更为明显，制造出功率大大超过直流电动机是形势要求的一个方面；另一方面还要利用先进控制技术使其性能指标达到甚至超过直流电动机。其次，三次中东战争后，西方一度发生石油危机，廉价能源丧失，使人们认识到节能的重要性，许多传统的工艺过程必须从节能的角度加以重新评价。其直接影响是要求一大批原来恒速运行的机械改成调速运行，特别是用量很大，通常占总用电量一半左右的风机、泵类负载，采用调速方式来调节输出流量，与传统的恒速运行节流阀调节流量的方式相比，可节电30％左右；这一事实，促使人们从生产系统总效率的角度来重新评价交流调速系统的经济技术指标，变频调速系统由于具有显著的节电效果；低廉的运行费用，常可抵消装置价格偏高的不利因素，受到用户的欢迎。再者，由于在环境恶劣的生产场合（如冶金、建材、矿山、化工等工业）常有防爆或高速运行的要求，目前世界上还很难生产出大功率、高速的防爆直流电动机，再如水泥行业灰尘大，污染大，直流电动机很不适应，而且直流电机经常换电刷，维护量大，因而常常停机影响生产。发展生产力的需要大大促进科学技术的发展，因此自从70年以来，以电子电子器件、微电子器件技术和控制技术等为基础的变频调速技术，有了突破性的进展，生产出满足变频调速要求的变频器，从此交流调速进入了一个崭新时代，为了与以前传统的交流调速相区别，人们通常把实现变频调速为特征的交流调速称为近代交流调速。交流电动机调速系统的研究551.2国内外研究现状交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。它主要基于下面几个因素：（1）变频调速系统自身损耗小，工作效率高。（2）电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。（3）可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。在采用变频调速时，需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。如果仅从工艺要求、节约效益考虑，下面几种情况选用变频调速较有利：（1）根据工艺要求，生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如：包装机传送系统，根据不同品种的产品，需要改变系统传送速度，使用变频调速可使调速控制系统结构简单，控制准确，并易于实现程序控制。（2）用变频调速代替机械变速。如：机床，不仅可以省去复杂的齿轮变速箱，还能提高精度、满足程序控制要求。（3）用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。例如：锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制，不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门（或挡风板），而且使得整个锅炉锅炉控制系统得到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。目前，国外先进国家的变频技术正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向发展，我国也在加快发展步伐。1.3研究内容与目标本文主要作了以下工作：（1）介绍交流电动机调速的发展过程；（2）介绍常见的交流机变频调速装置及应用；（3）介绍交流电机变频调速的原理及特性；（4）介绍几种常见的变频电源及简单原理；（5）以PWM电压源型交流调速系统的工作原理框图为例，分析并介绍交流电动机的调速系统。交流电动机调速系统的研究66第二章交流电动机调速2.1交流变频调速技术的发展交流电动机的调速系统是一项以大功率电力电子器件为基础的新型技术学科在过去的十几年间由于大功率电力电子器件的不断出现,使交流电动机的调速技术取得了很大的发展。在六十年代以后,交流调速系统采用半导体变流技术,尤其使七十年代以来,大规模集成电路和计算机控制技术的发展,以及现代控制理论的应用,为交流电力拖动的开发进一步创造了有利条件,交流伺服控制是自动化领域中刚刚发展起来的新分支,交流伺服系统将广泛取代目前直流伺服系统这一观念已经被越来越多的人所接受,在数控机床及机器人等高精尖设备系统中,以往一直使用直流电机,因为调节直流电机的电枢电压或电流就可以方便的获得优良的调速特性。在过去的几十年里,世界范围的工业进步的一个重要因素是工厂自动化程度的不断提高.工厂里的生产线一般包括一个或多个可变速的电机传动装置,用于大功率传送带、机械手、桥式吊车、钢材扎制生产线以及塑料和合成纤维生产线等.50年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动，交流电机由于其固有的以同步或几乎同步于电源的频率运行，所以难以真正的调节或平滑的改变速度.然而，直流传动存在的诸如运行中产生火花、对环境要求叫高、电刷易于磨损、维护麻烦等等的自身结构上的问题促使人们不断寻求更