华北科技学院毕业设计（论文）
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的控制方案，其控制系统结构简单、成本低，适用于风机、
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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。
1．2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、交通以及日常生活的各个方
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面都有广泛的应用。
据统计，在工业发达国家，每个家庭平均使用50-100个小功率电动机。在整个小功率电机市场中，单相异步感应电机约占50%的份额，在小功率电机中占有重要的地位。
近年来，我国电机工业得到高速的发展。根据最新统计，全国现有分马力电机生产及配套厂商2000家余家，主机生产厂商超过1000家，行业从业人员近30万人。2006 年，全国小功率电机产量超过15亿台，工业总产值400亿元，年均增速在20%以上。未来几年，小功率电机行业在家电产品、汽车产业、医疗器械与仪表仪器工业、农用电机等领域前景良好。
世界各国小功率电机的产量逐年增加，其增长率大于大中型电机。可以预计，今后相当长一段时间内，世界电机市场总的需求呈上升趋势。
1.3 两相电机调速的应用现状
传统的带有分相电容的单相电机，由于运行电容的影响，在非额定情况下，其调速性能受到很大的影响，所以去除电容，将单相异步电机变为两相异步电机，并使它与电力电子技术相结合，进行变频调速技术的研究是当今的主流。
现在研究单相电机可调速应用的途径通常可分为两种:一是仍然将单相异步电动机当作单相电机模型，并由此展开研究。另一种是将单相异步电动机看作是两相电机模型来进行研究。在两相电机的模型中，单相电机的主绕组和副绕组的工作方式与原来有较大的区别，副绕组不再仅仅承担电机起动作用，而将参与到电机的整个运行过程中。两相电机模型中，电机是用变频电源来供电的，电机工作在变频调速状态下。从国内外研究的现状来看，两相电机的变频调速技术将是未来发展的主要方向。两相电机变频调速作为单相电机调速技术的新兴方向，首先得益于变频调速技术在三相异步电机调速领域应用的日益成熟。三相电机变频调速已经以其优越的变频调速效果而成为调速技术的首选。三相电机变频调速的一些核心技术，如逆变器拓扑和电机控制方法也已日渐成熟。两相电机变频调速技术的研究在上个世纪90年代开始就见诸于一些工程技术刊物。这说明两相电机变频调速技术正在受到科研技术人员的重视，到目前为止，对两相电机变频调速的研究主要集中于以下几个方面: （1）逆变器拓扑结构的选择与优化
在三相逆变器中，大都选用的是三相半桥逆变结构，而且各种控制手段都是基于这
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种逆变结构的，所以为两相电机选择逆变器的时候，最初选用的就是参照三相电机用的半桥逆变器结构。但是，由于两相电机两套绕组中的电流在相位上相差90度，使得从绕组接点回馈到电压源的电流比较大，从而对电源产生较大的影响，这种半桥结构的逆变器需要采用正负对称的稳压电源才可以保证逆变器正常工作。为了克服半桥结构逆变器的缺点，研究者们在拓扑的结构和优化方面进行了不少研究，并提出了双全桥逆变结构和三桥臂逆变结构等。两相电机变频用逆变器的结构至今还在不断的讨论中，近来以基于三桥臂的逆变器结构的讨论是其中一个主流方向。 （2）电机控制方案的选择与优化
变频调速的实质技术是控制电机内部旋转磁场的特性。根据磁场与外加电压的关系，异步电机的控制方法又分为基本U/F曲线控制和追求更高性能的矢量控制及转矩直接控制等。两相电机变频调速的要求要与电机本身特性和适用要求相适应。到目前为止，控制方案的研究多是以口f曲线控制为出发点，靠改变逆变器开关的方法，以期在普通的变频调速方面不断改善电机的特性。常见的手段有半桥结构的空间电压矢量法，全桥结构的空间电压矢量法，以及非常适合于模拟控制的SPWM脉宽调制控制等。总的来看，两相电机变频调速技术在国内外虽然已经在不断的研究中，但是许多问题还没有得到解决，且研究的领域也非常有限。
1.4 两相电机变频调速技术的意义及其发展趋势
1.4.1 单相电机变频调速的优势
单相电动机在小功率范围内的应用非常广泛，但以往在小功率可调速电机的应用场合，大多数采用直流电机。单相电机与其他的小功率电机如：直流电机、永磁同步电机等相比，具有很多优点。单相电机多采用鼠笼式的转子绕组，它不象直流电机那样需要经常的更换维修电刷；它也不需要象永磁电机那样需要经常性的给永磁体充磁、更换永磁体，具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、维修方便的优点。而且与昂贵的永磁体相比，单相电机更具有成本低廉的优势，并且单相电机可以直接使用民用的两相电源，使用十分方便。
近年来由于交流调速技术的发展，以及世界范围内的能源紧张问题，人们开始研究单相可调速电动机系统，以提高现有的单相电机的运行性能，节约能源，提高产品的性
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能；扩展单相电机的运用场合，使其能在高性能的运用中与直流电机或永磁电机竞争，利用自身的优势提高产品使用寿命，并降低成本。 1.4.2 两相电机变频调速的发展趋势
两相电机变频技术的发展主要得益与两方面：一是变频调速技术在三相异步电机上的成熟运用。由于三相异步电机在交流调速场合占据了主流地位，所以关于三相电机调速的技术已经十分成熟可靠，这就为变频调速技术在单相电机中的运用打下了坚实的基础。二是电力电子技术和现代控制理论的高速发展。各种电力电子器件和高速运算控制芯片的出现和价格的下降，使得两相电机调速系统的成本大大降低；现代调速理论的发展能进一步提高两相电机调速系统的精度，使其具有更强的竞争力。值得一提的是两相电机在应用转子磁场定向控制时，由于其定子两相绕组自然正交，所以与三相电机应用矢量控制相比，它减少了一个从三相坐标系到两相坐标系的变换，减少了计算量，从理论上说，还可以提高控制的精度。
当前国内外单相异步电动机变频调速技术的研究，是将单相电机看作是两相电机模型来进行研究。在两相电机的模型中，单相电机的主绕组和副绕组的工作方式与原来有较大的区别：副绕组不仅仅承担电机起动作用，而将参与到电机的整个运行过程中；副绕组不再需要串电抗器或者电容器，而是采用变频器给两相电机的两个绕组分别供电，获得较小的起动电流、较大的起动转矩和较好的运行性能，电机工作在变频调速状态下。
从国内外研究的现状来看，变频调速技术是两相电机调速控制的主要发展方向。 从国外的文献来看，两相电机变频调速技术的研究在上个世纪90年代开始就见诸于一些工程技术刊物。其研究内容包括两相逆变器结构、逆变器控制策略、电机控制方法等方面。最近几年来，关于两相电机变频调速技术的学术论文在IEEE等国际权威刊物上发表的数量呈逐年上升的趋势，研究的内容也在不断的扩展。这说明两相电机变频调速技术正在受到工业界的重视。两相电机变频调速的研究在国内的开展还比较少，仅有少数高校如浙江大学、福州大学等单位，做了一些理论上的研究工作，研究内容的深度和广度均与国外有相当大的差距。而见诸于各类科学期刊、会议的论文以及能供参考的文献也较少。总的来看，两相电机变频调速技术在国内外虽然已经在不断的研究中，但是有些问题还没有得到完全解决，特别是高性能两相电机调速控制取得的进展非常有限。对两相电机变频调速技术的研究到现在还基本处于理论研究和实验开发阶段，尚未形成
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