电机调速技术的历史与现状分析

20 世纪的大多数时期为直流传动调速和交流传动恒速阶段，直至20 世纪末，交直流传动按调速分工的格局才被打破，主要原因是直流电机换向器受容量限制(极限容量与转速乘积应小于106 kW/ r.min - 1) ，为此，世界先进国家投入了大量的人力和财力去研究高效节能的交流调速系统，并取得了极大成功。
由交流异步电动机原理可知：从定子传入转子的电磁功率Pe = Pm + Ps ，即为机械功率和转差功率。根据转差功率消耗情况，目前异步电动机调速系统的基本类型可分为3 类。
1.1 　转差功率消耗型调速系统
该调速系统主要通过降低电压调速、电磁转差离合器调速和转子绕阻串电阻调速。主要通过增加转差功率的消耗来换取转速的降低， 因而效率较低。
1.2 　转差功率回馈型调速系统
该调速方法使转差功率的一部分消耗掉，而大部分则通过变流装置回馈给电网或转为机械能。主要采用转子绕阻串级调速，但新增变流装置后会消耗一定的功率。
1.3 　转差功率不变型调速系统
该调速系统的转差功率消耗基本保持不变，如改变磁极对数进行调速等. 由于转差功率消耗基本不变，因此，效率最高. 但改变磁极对数只能进行有级调速，而应用场合有限。最理想的交流调速应采用无级变频调速。保持每极磁通量为额定值，既可防止磁通太弱，没有充分利用铁心造成的浪费，又可防止过分增大磁通使铁心饱和、导致励磁电流过大而损坏电机的现象，根据电机学理论

要保持Φm 不变，且E 接近电动机电源电压，可近似要求V/ f = 常数，这就能满足Φm 不变。我们将此称为恒压频比控制，也称变压变频控制，即VVVF 型(Variable Voltage Variable Frequency) 。

由于传统的逆变环节采用相控方式，调压、调频两极可控，造成电路复杂、成本高、功率因数低、输出谐波分量大；采用SPWM 后，用不控整流，输入端功率因数不变，调压、调频在同一环节完成，可以较好地抑制和减少输出谐波，使输出波形接近正弦波，这是当前变频装置中较为理想的结构形式，见图2。马鞍山电厂变频改造采用了这种结构方式。
SPWM是根据能量等效原理在惯性环节中不同形状的窄脉冲能量作用近似相同，将正弦波用若干等幅不等宽的窄方波等效，见图3。
设正弦波电压U1 = UMsinωt，直流矩形波电压U = Us/ 2。将正弦波半个波作n等分，则每等分为π/ n ，则对应第i 个直流矩形波窄脉冲宽度为δi ，根据面积相等的等效原则

可见，随着正弦波幅值的变化，矩形波宽度也会发生相应变化。根据数学分析可知，期望的正弦波分段越多，脉冲宽度越窄，等效性越好。依据上述原理，可以用计算方法求得SPWM 脉冲波形的宽度，而且采用数字控制是很容易实现的。马鞍山电厂使用的LB 系列变压变频器，控制元件采用的就是Intel 公司的16 位微处理器芯片N87C196mc ，在软件控制下可直接产生高质量的SPWM脉冲序列。功放元件采用的是绝缘栅双极晶体管IGBT，其开关频率可达20 kHz ，按基频50Hz 计算，每个周波可分段40 次，从而满足了波形要求。

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