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我国是化石能源储量较少的国家，煤的储量占世界第3位，石油和天然气只占世界第10位。因此节能能源是基本国策。据统计，全国发电量的60%通过电机转换能量。在十一五规划中，把电机系统节能放到了重要的位置。电机系统节能主要表现在二个方面：一是节能电机，如永磁同步电机。二是电机调速节电。变频调速体积小、重量轻、转矩大、精度高、功能强、可靠性高、操作简单、便于通信等优点。

变频器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。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

变频器可以从四个方面节电。，软启动。一般交流电机的启动电流为电机额定电流的6-7倍。变频调速后启动电流不超过电机的额定电流。第二，节省设计冗余。一般设计都按照使用时的极端条件，因而都留有设计冗余，有的冗余量很大，形成大马拉小车，变频调速可以把冗余节省下来。第三，是调速节电。按流体力学原理，轴功率正比速度的立方，转速下降，轴功率变小。这是变频调速的主要节电原理。第四，系统功率因数高。一般在0.95以上，节省无功，减轻了变压器的负担。

1、变频器调速原理及控制方式

1.1变频器调试原理

交流电动机的同步转速表达式位：

n＝60f(1－s)/p(1)

式中：n为异步电动机的转速；

F为异步电动机的频率；

S为电动机转差率；

P为电动机极对数。

由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的GX率、高性能的调速手段。

1.2变频器控制方式

低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。

1.2.1电压空间矢量（SVPWM）控制方式

电压空间矢量控制方式以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。

1.2.2直接转矩控制（DTC）方式

该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。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。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

1.2.3矢量控制（VC）方式

矢量控制变频调速方法是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

1.2.4正弦脉宽调制（SPWM）控制方式

正弦脉宽调制控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，但此控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。

1.2.5矩阵式交—交控制方式

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。其控制实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：

1、控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；

2、自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；

3、算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；

4、实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。

矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。

2、系统硬件设计

2.1变频器的选型

由于本次设计中所用的风机为三相380V11KW，因此将选用HLP-A系列HLPA001143B变频器。此变频器的特点如下：

以大规模电机控制IC+IGBT为核心，具有多种保护功能，整机可靠性高。

对进线电压适应性强，波动可达±20%特别适用于电网质量较差的国家和地区。

软件功能强大，内置有多种控制方式，广泛应用于各种工业场合的控制要求。

内置PID调节器，可方便地构成闭环控制系统。

内置简易PLC，具有牵升、扰动、多段速控制、程序运行等多种功能。

高输出扭矩，1Hz时可达150%，频率解析度高达0.01Hz。

过载能力强，150%（1分钟），200%（2ms）。

具有良好的通讯制界面，极易组成集中控制系统。

2.2PLC的选型

根据设计要求，设备中的PLC要求7输入/4输出，因此本次设计将选用欧姆龙CPM1A系列进行讨论。其特点如下：

1.丰富的指令集；2.简便可靠的安装；3.小巧紧凑的结构；

4.灵活的系统配置；5.强大的模拟量处理能力；6.丰富的模块种类；

7.高性能的运动控制；8.的控制功能；9.独特的掉电保护；

10.实用的离线仿真；11.标准的编程语言；12.较强的通信功能；