80C1单片机全数字交流牵引变频调速控制装置的研究(2)

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在国内异步电动机的用电量非常大，然而这些电动机当中的很大一部分仍然还在直流调速技术和模拟控制技术，也就是说大部分电动机在实际使用过程中经常处在轻载或者空载的状态，因此电动机的“大材小用”现象是很常见的。这就造成了大量能源的浪费。据1996年国家统计局统计，当时全国各种机电设备所消耗的电量占全国总发电量的60%，而总电机耗能的70%是来自90kw以内的中小功率的异步电动机，即消耗了4200亿度电。假如这部分电机能够减少10%的电能消耗，那么就能节约420亿度电，按照0.5元/千瓦时计算的话，总共可以节省21亿元人民币。

因此在能源和环保问题日趋严重、国内工业生产迅猛发展的今天，利用变频调速技术来提高电机的运行效率能对缓解能源紧张的状况以及经济效益的提高有很大的帮助。

1.2 变频调速器的分类和选择

1.2.1 变频调速器的分类

变频调速器的种类很多，分类方法也很多，按变换环节分，有交-交变频和交-直-交变频；按直流环节的储能方式分可分为电流型变频器和电压型变频器；按输出波形分可分为方波、阶梯波、PAM和PWM变频器；按工作原理分可分为U/f控制变频器、转差率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩控制变频器；按控制电路实现方式分还可以分为模拟电路和数字电路。

交-交变频。把频率固定的交流电直接变换成频率和电压可调的交流电。主要优点是没有中间环节，变换效率高，但连续可调的频率范围窄，通常为额定频率的二分之一以下，主要适用于电力牵引等容量较大的低速拖动系统。

交-直-交变频。先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的交流电，由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此在频率的调节范围以及改善频率后电机的特性等方面都有明显优势，是目前广泛采用的变频方式。

电流型变频。直流环节储能元件是电感线圈L。其优点是动态响应快，可以直接实现回馈制动，可以频繁快速的实现四象限运动，更加适合一台逆变器对一台电机供电的单机运行方式。

电压型变频。直流环节的储能元件是电容。被控量是电压，只有在电源侧设置反并联逆变器时才能实现能量回馈，比较适合多电机拖动。

U/f控制逆变器。U/f控制逆变器的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时调制，通过使U/f的值保持不变而，得到所需的转矩特征采用U/f控制的变频器控制电路结构简单，成本低，多用于精度要求不高的通用变频器。

转差率控制变频。转差率控制方式是对U/f控制的一种改进，这种控制需要由电机上的速度传感器检测出电机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差率，而变频器的输出频率则由电机的实际转速与所需转差率之和决定。由于通过控制转差率来控制转矩和电流，与U/f控制相比，其减速特性和限制过电流的能力得到了提高。

矢量控制变频。矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它的基本思路是：将异步电机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁分量）和与其垂直产生转矩的电流分量（转矩分量），并加以控制，由于这种控制方式必须同时控制电动机定子电流的幅值和相位，即定子电流的矢量，因此这种控制方式被称作矢量控制方式。

1.2.2 变频调速器的选择

在上述几种控制方式中，最适合感应电机调速的是矢量控制变频，前面的几种控制方式控制的都是其平均值，而矢量控制是控制其瞬时值，因此矢量控制的响应速度快，适合精度要求高，动态响应好的场合。不过矢量控制的缺点是：由于电机运行时转子参数变化较大，转子磁链的观测和定向比较困难，并且矢量变换的运算比较复杂，这就使得实际控制时的效果和理论分析的结果差距比较大，因此也阻碍了它的推广和应用。