安徽机电职业技术学院毕业论文

1. 绪论

1.1. 本设计的背景

1.1.1. 变频调速的背景与研究意义

我国对交流变频调速技术的研究起步较晚，直到上个世纪90年代才有产品出现，而且采用的控制技术相对单一，主要以V/F控制方式为主，而且性能较低，无法满足动态性能要求和生产节能需求。但随着变频技术的不断发展，交流电动机变频技术也日趋完善，各种复杂控制技术在变频器技术中逐步应用，使变频器的性能不断提高，而且应用范围也越来越广。变频器现不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，尤其在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中的应用。

目前，变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。

1.1.2. 变频调速技术介绍

随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，三相交流异步电动机的调速已经从继电器控制时代发展到今天的由变频器控制调速，且在工业各个领域中得到了极为广泛的应用，而在现在的工业自动化控制系统中，最为常见的是PLC控制，PLC是可编程控制器的简称，PLC技术是在继电接触器控制和计算机基础上开发的工业自动控制装置。由于它可以通过软件来改变控制过程，且编程较为简单，所以目前PLC在工业控制中占据了主导地位，得到了非常广泛的应用。

交流调速系统具备宽的调速范围，高的稳速范围，高的稳速精度，快的动态响应功率等特点。随着半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如BJT（双极型晶体管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频化的PWM技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、

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大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。典型的电力电子变频装置有电压型交-直-交变频器、电流型交-直-交变频器和交-交变频器三种。电流型交-直-交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当三相异步电动机处于制动（发电）状态时，只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合，在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。电压型交-直-交变频器的中间直流环节采用大电容作储能元件，无功功率将由大电容来缓冲。对于负载电动机而言，电压型变频器相当于一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。电压型PWM变频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位。但电压型变频器的缺点在于三相交流异步电动机处于制动（发电）状态时，回馈到直流侧的再生电能难以回馈给交流电网，要实现这部分能量的回馈，网侧不能采用不可控的二极管整流器或一般的可控整流器，必须采用可逆变流器，如采用两套可控整流器反并联、采用PWM 控制方式的自换相变流器（“斩控式整流器”或 “PWM整流器”）。网侧变流器采用PWM控制的变频器称为“双PWM控制变频器”，这种再生能量回馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调，输入电流（网侧电流）波形基本为正弦，功率因数保持为1并且能量可以双向流动的特点，代表一个新的技术发展动向，但成本问题限制了它的发展速度。通常的交-交变频器都有输入谐波电流大、输入功率因数低的缺点，只能用于低速（低频）大容量调速传动。为此，矩阵式交-交变频器应运而生。矩阵式交-交变频器功率密度大，而且没中间直流环节，省去了笨重而昂贵的储能元件，为实现输入功率因数为1、输入电流为正弦和四象限运行开辟了新的途径。

随着电压型PWM变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛，PWM技术的研究越来越深入。PWM利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。PWM技术可分为三大类：正弦PWM、优化PWM及随机PWM。正弦PWM包括以电压、电流和磁通的正弦为目标的各种PWM方案。正弦PWM一般随着功率器件开关频率的提高会得到很好的性能，因此在中小功率交流传动系统中被广泛采用。但对于大容量的电力变换装置来说，太高的开关频率会导致大的开关损耗，而且大功

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率器件如GTO的开关频率目前还不能做得很高，在这种情况下，优化PWM技术正好符合装置的需要。特定谐波消除法（Selected Harmonic Elimination PWM——SHE

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PWM）、效率最优PWM和转矩脉动最小PWM都属于优化PWM技术的范畴。普

通PWM变频器的输出电流中往往含有较大的和功率器件开关频率相关的谐波成分，谐波电流引起的脉动转矩作用在三相交流异步电动机上，会使三相交流异步电动机定子产生振动而发出电磁噪声，其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变频率。如果电磁噪声处于人耳的敏感频率范围，将会使人的听觉受到损害。一些幅度较大的中频谐波电流还容易引起三相交流异步电动机的机械共振，导致系统的稳定性降低。为解决以上问题，一种方法是提高功率器件的开关频率，但这种方法会使得开关损耗增加；另一种方法就是随机地改变功率器件的导通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，从而抑制某些幅值较大的谐波成分，以达到抑制电磁噪声和机械共振的目的，这就是随机PWM 技术【2,3】。 1.1.3. 变频调速技术发展和现状

目前，我国的能源消费仅次于美国，位列世界第二，但国民生产总值却不高，其中最重要的原因之一就是单位产值能耗太大。我国具有各类风机 约780万台，水泵4000万台，空压机560万台，这些装置又占去了电机耗电的一半以上。由于这些设备一般均釆用恒速驱动，每年造成大量能源浪费。国家在〈十 一五〉规划中指出：坚持开发节约并重、节约优先，按照减量化、再利用、资源化的原则，大力推进节能节水节地节材，加强资源综合利用，完善再生资源回收利用体系，全面推行清洁生产，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的节约型增长方式。实行有利于资源节约的价格和财税政策。强化节约意识，鼓励生产和使用节能节水产品、节能环保型汽车，发展节能街地型建筑，形成健康文明、节约资源的消费模式。我国对交流变频调速技术的研究起步较晚，到上个世纪90年代才有产品出现，釆用的控制技术几乎都还只是V/F控制，调速性能根本无法与国外产品相比。目前在中、低压交流传动中，变频器的使用越来越多，而我国在研究矢量控制系统所需的各种硬件条件已经具备，如己出现的智能化功率器件 (IPM),其电压等级、开关频率都有很大的提高；数字化控制元件也已出现单指令周期10ns的高速数字信号处理器(DSP)和几乎能完成一个系统功能的专用集成电路。

变频调速已成为电动机调速的最新潮流，有其自身身的特点和优点，随着交流

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变频技术的日趋完善和推广应用，特别是在矿用大功率高压设备中的绞车、 提升机、通风机、带式输送机等矿用设备上的应用效果则更加明显。对耗电大、 生产环境恶劣的煤炭行业推广应用变频技术更具有现实意义【3】。

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1.2. 本设计的主要内容

(1) 根据控制要求选定变频调速的控制方式； (2) 设计变频调速系统的硬件和软件； (3) 变频器调试系统安装与调试； 本系统控制要求如图1-1所示

控制信号 变 频 器 M -PLC

图1-1 系统控制要求

由图1-1可知，本设计通过PLC控制变频器达到变频调速的目的，从而实现交流电机的正反转、起停、加速、减速控制以及速度的调节。