2 交直交变频调速系统的基本原理及特性研究
变频调速系统的结构框图:
L+IGBT2AIGBT6IGBT4BVdCCVdMIGBT5IGBT3IGBT1-图2-1变频器调速系统的原理接线图
变频器原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。交—直—交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。
交—直—交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。传统的电流型交直交变频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电中应用的不多。采用电压型交直交变频器这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点，可以明显地改善双馈发电机的运行状态和输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离。
变频器的整流部分通常采用三相6脉动桥式整流电路，因此，交流供电侧电流中所包含的谐波主要是6k?1(k为正整数)次谐波，这些谐波电流注入电网后将对电网的电能质量产生不利影响。在变频器的逆变侧，通过控制装置产生6组脉宽可调的PWM波控制三相的6组功率元件的导通和关断，从而形成电压、频率可调的三相输出电压。
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2.1 系统的构成
交直交变频调速系统的基本构成如原理图2-1所示，它由整流、滤波、逆变等部分组成。交流电源经整流、滤波、逆变后变成直流电源，再通过逆变器的有规则的导通和截止使之输出频率可变的电源。其主回路主要有三部分构成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 (1) 整流器
近来大量使用的就是二极管整流器，它把工频电源变换为直流电源，电功率的传送是不可逆的。 (2) 滤波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有六倍电源频率的脉动电压，此外，逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采用直流电抗器和电容器吸收脉动电压（电流）。装置容量较小时，如果电源输出阻抗和整流器容量足够时，可以省去直流电抗器而采用简单的阻容滤波回路。 (3) 逆变器
同整流器相反，逆变器的作用是在所确定的时间里有规则地使六个功率开关器件导通、关断，从而将直流功率变换为所需电压和频率的交流输出功率。
2.2 交直交变频的基本工作特性
? 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 ? 调速范围较大，精度高。
? 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。 ? 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。 ? 易于实现过程自动化。
? 必须有专用的变频电源，目前造价较高。
? 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。
2.3 交直交变频调速的优越性
交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中，变频调速最具优势。这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。
在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行检
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查，电机安装环境受到限制。例如：不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。此外，也限制了电机向高转速、大容量发展。而交流电机就不存在这些问题，主要表现为以下几点：
第一，直流电机的单机容量一般为12 - 14MW，还常制成双电枢形式，而交流电机单机容量却可以数倍于它。第二，直流电机由于受换向限制，其电枢电压最高只能做到一千多伏，而交流电机可做到6 - 10kV。第三，直流电机受换向器部分机械强度的约束，其额定转速随电机额定功率而减小，一般仅为每分钟数百转到一千多转，而交流电机的达到每分钟数千转。第四，直流电机的体积、重量、价格要比同等容量的交流电机大。最后，特别要指出的是交流调速系统在节约能源方面有着很大的优势。一方面，交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以上的比重，这类负荷实现节能，可以获得十分可观的节电效益。另一方面，交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。
2.4 交直交变频调速合理应用
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。
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(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。
2.5 变频器容量的确定
变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，比较简便的方法有三种：
(1)电机实际功率确定发 首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量。 (2)公式法 设安全系数取1.05，则变频器的容量Pb为
Pb?1.05Pm/hm?cosy(kw) （2-1）
式中，Pm为电机负载；hm为电机功率。
计算出Pb后，按变频器产品目录可选出具体规格。 In为第n台电动机的额定电流，n为电机的台数。在任何情况下，都不能在连续使用时超过额定电流I，当一台变频器用于多台电机时，应满足 电机额定电流法变频器 变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，避免选用的变频器过大，使投资增大。
虽然变频调速有诸多优点，但也有其不利因素，主要问题是电流中含高次谐波较多，除对电网有污染外，也使电机自身增加损耗，引起电机发热。再有，变频器价格贵、投资回收器长、技术复杂、尤其在实现闭环自动控制时，还需进行技术处理。
此外，不是任何情况下变频器都节电，如果电机负载变化不大，或深井泵配有水塔，节电、节水效果都不大，就不宜使用变频调速。
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2.6 熟悉Matlab的原理及应用及Simulink仿真
Matlab(Matrix Laboratory的缩写)是Mathworks公司开发的一种集计算、图形可视化和编辑功能于一体的功能强大、操作简便、易于扩充的语言，是目前国际上公认的优秀的数学应用软件之一。
Matlab系统的强大功能是由其核心内容（语言系统、开发环境、图形系统、数学函数库、应用程序接口等）和辅助工具箱（符号计算、图象处理、优化、统计和控制等工具箱）两大部分构成。
Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。
在Simulink 提供的图形用户界面GUI上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型。它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。从建模角度讲，这既适于自上而下（Top-down）的设计流程（概念、功能、系统、子系统、直至器件），又适于自下而上（Bottum-up） 逆程设计。从分析研究角度讲，这种Simulink模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。
在Simulink环境中，用户将观察到现实世界中摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。在Simulink环境中，用户可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。Simulink环境使用户摆脱了深奥数学推演的压力和烦琐编程的困扰。
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