1、 第 1 页 共 65 页 1 绪论 1.1 变频调速技术的发展 传统交流调速技术方法存在调速精度差、效率低、调速范围小等缺点，所以在高精 度调速的应用中，一般采用直流调速系统。但从20世纪80年代以来，随着电力电子技术 和自动控制技术的迅速发展以及各种高性能电力电子功率器件产品的出现，阻碍交流调 速技术发展的一些因素相继被克服，原直流调速系统领先的一些技术性能，如宽广的调 速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应和四象限运行等方面，已逐在交流调速系统 得到实现。交流电动机本身具有结构简单、坚固耐用、运行可靠和惯性小等优点，能适 用于一些直流调速无法胜任的场合，如化纤纺丝机等高精度、高速化的生产
2、机械，泵、 空压机和电梯等无齿轮化的生产机械以及冶金等大容量的生产机械。因此，交流调速在 电气传动领域中已占有越来越重要的地位。目前，用交流调速系统取代直流调速系统在 许多领域成为一种趋势，从数控机床和机器人用的小功率伺服电机到上万千瓦的重型机 械主传动，都采用了交流调速技术。 交流电机调速方法可分为两大类：变同步速调速（包括变极和变频）和变滑差调速 （定子调压，转子串电阻及转差离合器调速等）。变频调速是其中最有效的调速方式， 是交流调速的理想调速方案。 变频调速是一种改变电机定子供电频率来实现改变电机同步转速的交流调速方法。 通过变频装置可将电网的固定频率转换为可调的频率，使电机在宽广的范围
3、内实现平滑 的无级调速。变频的调速的优越性早在20世纪20年代就被人们认识，但是到了20世纪50 年代中期才随着晶闸管的发明而广泛的应用。特别是最近20多年来，随着新型的电力电 子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的迅速发展，使变频调速技术获得了巨大 的进步。 交流变频调速系统在调速时和直流电动机变压调速系统相似，机械特性基本上平行 上下移动，而转差功率不变。同时交流电动机采用变频起动更能显著改善交流电动机的 起动性能，大幅度降低电动机的起动电流，增加起动转矩。变频调速系统目前广泛应用 的是转速开环恒压频比控制的调速系统，也称为恒V/F控制。这种调速方法采用转速开 环恒压频比和低频电压补偿
4、的控制方案，其控制系统结构简单、成本低，适用于风机、 双相感应电机供电三桥臂逆变器控制原理及算法软件的研究设计 第 2 页 共 65 页 水泵等对调速系统动态性能要求不高的场合。转速开环变频调速系统可以满足一般的平 滑调速要求，但是静、动态性能都有限，要提高静、动态性能，首先要用带转速反馈的 闭环控制。对此人们又提出了转速闭环转差频率控制的变频调速系统。转差频率控制是 从异步电动机稳态等效电路和转矩公式出发的，因此保持磁通恒定也只在稳态情况下成 立。一般来说，它只适用于转速变化缓慢的场合，而在要求电动机转速作出快速响应的 动态过程中，电动机除了稳态电流以外，还会出现相当大的瞬态电流，由于它的影
5、响， 电动机的动态转矩和稳态运行时的静态转矩有很大的不同。因此，如何在动态过程控制 电动机的转矩，是影响系统动态性能的关键。 人们经过深入的研究，提出了对异步电动机更有效的控制策略。异步电动机的数学 模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，对其最有效的控制首推20世纪70年代 提出的矢量控制技术。1971年德国西门子公司的F.Blaschke等提出的“感应电动机磁场 定向的控制原理”和美国的P.C.Custman和A.A.Clark申请的专利“感应电动机定子电压 的坐标变换控制”，经过不断的实践和改进，形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频 调速系统。 其原理是利用坐标变换技术， 实现定子电
6、流励磁分量和转矩分量的解耦， 在理论上使得交流电机与直流电机一样分别对励磁分量和转矩分量进行独立的控制，从 而得到像直流电机一样的动态性能。矢量控制的调速性能优良，可以和直流电机相比， 但是需要复杂的坐标变换计算和对转子磁链的精确观测。 德国鲁尔大学Depenbrock教授1985年首先提出异步电动机直接转矩控制方法 （DTC）。直接转矩控制不需要解耦电动机模型，强调对电动机的转矩进行直接控制。 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，让电机的磁链矢量沿六边形运动。日本学者Yoshihiyo Moral又提出了让电动机的 磁链矢量基本上沿圆形轨迹运动的磁通轨迹控制原理。应用这种理论，可以方便的直接 控制电动机的转矩和转矩的增长率，从而获得快速的动态响应。直接转矩控制方法是现 在异步电机控制研究的热点之一。 12 单相电机的应用现状 单相异步电机是用单相电源供电，作为驱动用的一类异步电动机。它与工业上应用 的三相异步电机的主要不同就在于它在单相电源条件下工作。单相电机在家用电器、电 动工具、医疗器械、小功率机床、汽车电器设备等工、农、交通以及
