机电一体化技术及其应用研究
摘 要 讨论了机电一体化技术对于改变整个机械制造业面貌所起的重要作用，并说明其在钢铁工业中的应用以及发展趋势。
关键词 机电一体化 技术 应用
1 机电一体化技术发展
机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。
1.1 数字化
微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。
1.2 智能化
即要求机电产品有一定的智能,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。
1.3 模块化
由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。
1.4 网络化
由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。
1.5 人性化
机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。
1.6 微型化
微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(Micro Electronic Mechanical Systems，简称MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器），各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）。
1.7 集成化
集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。
1.8 带源化
是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。
1.9 绿色化
科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。所以，人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。
2 机电一体化技术在钢铁企业中应用
在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理机为核心，把微机、工控机、数据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来，采用组装合并方式，为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件，增强系统控制精度、质量和可靠性。机电一体化技术在钢铁企业中主要应用于以下几个方面：
2.1 智能化控制技术(IC)
由于钢铁工业具有大型化、高速化和连续化的特点，传统的控制技术遇到了难以克服的困难，因此非常有必要采用智能控制技术。智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经网络等，智能控制技术广泛应用于钢铁企业的产品设计、生产、控制、设备与产品质量诊断等各个方面，如高炉控制系统、电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢---连铸---轧钢综合调度系统、冷连轧等。
2.2 分布式控制系统(DCS)
分布式控制系统采用一台中央计算机指挥若干台面向控制的现场测控计算机和智能控制单元。分布式控制系统可以是两级的、三级的或更多级的。利用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。随着测控技术的发展，分布式控制系统的功能越来越多。不仅可以实现生产过程控制，而且还可以实现在线最优化、生产过程实时调度、生产计划统计管理功能，成为一种测、控、管一体化的综合系统。DCS具有特点控制功能多样化、操作简便、系统可以扩展、维护方便、可靠性高等特点。DCS是监视集中控制分散，故障影响面小，而且系统具有连锁保护功能，采用了系统故障人工手动控制操作措施，使系统可靠性高。分布式控制系统与集中型控制系统相比，其功能更强，具有更高的安全性。是当前大型机电一体化系统的主要潮流。
2.3 开放式控制系统(OCS)
开放控制系统(Open Control System)是目前计算机技术发展所引出的新的结构体系概念。“开放”意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家产品的兼容和互换，且资源共享。开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。
2.4 计算机集成制造系统(CIMS)
钢铁企业的CIMS是将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控制。目前钢铁企业已基本实现了过程自动化，但这种“自动化孤岛”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应现代钢铁生产的要求。未来钢铁企业竞争的焦点是多品种、小批量生产，质优价廉，及时交货。为了提高生产率、节能降耗、减少人员及现有库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，关键就是加强管理，获取必须的经济效益，提高了企业的竞争力。美国、日本等一些大型钢铁企业在20世纪80年代已广泛实现CIMS化。
2.5 现场总线技术(FBT)
现场总线技术(Fied Bus Technology)是连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。采用现场总线技术取代现行的信号传输技术(如4～20mA，DC直流传输)就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进行双向传送。通过现场总线连接可省去66%或更多的现场信号连接导线。现场总线的引入导致DCS的变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表，如智能变送器、智能执行器、现场总线化检测仪表、现场总线化PLC(Programmable Logic Controller)和现场就地控制站等的发展。
2.6 交流传动技术
传动技术在钢铁工业中起作至关重要的作用。随着电力电子技术和微电子技术的发展，交流调速技术的发展非常迅速。由于交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动，数字技术的发展，使复杂的矢量控制技术实用化得以实现，交流调速系统的调速性能已达到和超过直流调速水平。现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速。交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。
参考文献
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电机功率转换的原理
引言：
电机调速实质的探讨，是关系到近代交流调速发展的重要理论问题。随着近代变频调速矢量控制及直接转矩控制等调速控制理论的提出和实践，很多有关文献和论著都把调速的转矩控制确认为调速的普遍规律，并提出调速的实质和关键在于电磁转矩控制。然而，这种观点尚缺乏理论和实践的证明，值得商榷。
本文根据电机功率转换的普遍原理，提出并证明恒转矩调速的实质在于电机的轴功率控制，转速调节是功率控制的响应，其关键为如何通过电功率控制轴功率。
一、功率控制与转矩控制
根据机电能量转换原理，凡电动机都可划分为主磁极和电枢两个功能部分。主磁极的作用是建立主磁场，电枢则是与磁场相互作用将电磁功率转换为轴功率。
直流电动机的主磁极和电枢不仅结构鲜明，而且功能独立，无疑符合以上定义。而交流（异步）电动机通常以定子、转子划分构成，需加说明。
根据所述电枢定义，异步机的轴功率产生于转子，因此，异步机真正的电枢是转子。问题在于定子，一方面定子励磁产生主磁场，故定子是主磁极。另一方面，定子又通过电磁感应为电枢（转子）输送电磁功率，却不产生轴功率，因此定子又具有电枢的部分特征，这里我们把它称为伪电枢。定子的这种复合功能，是异步机区别于直流机的主要特征。
从电枢输出角度观察，电动机的轴功率与电磁转矩机械转速的关系为：
PM＝MΩ (1)
或 Ω＝PM／M （2）
公式（2）除了给出了电机转速与轴功率和电磁转矩间的量值关系以外，同时表明，电机转速最终只能通过轴功率或电磁转矩两种控制获得调节，前者简称功率控制，后者简称转矩控制。
1. 功率控制
功率控制是以轴功率PM为调速主控量， 作用对象必然是电枢或伪电枢。电磁转矩在调速稳态时，取决于负载转矩的大小。
即 M＝Mfz (3)
当负载转矩一经为客观工况所确定之后，电磁转矩就唯一地被决定了，因此电磁转矩不仅与调速控制无关，而且不能随意改变其量值。
电磁转矩对转速的作用表现在调速的过渡过程，转矩的变化是转速响应滞后的结果，此时，功率控制造成电磁转矩响应。
设电机调速前的稳态转速为Ω1，轴功率为PM1，调速后的稳态转速为Ω2，相应的轴功率变为PM2。 由于电磁转矩：
M＝PM／Ω (4）
故调速时，电磁转矩变为：
M＝PM2／Ω
由于受惯性的作用，在t＝0的调速瞬时Ω＝Ω1，故
M＝PM2／Ω1
t=0
此时的电磁转矩将与原来的电磁转矩M1＝PM1／Ω1不等，转矩平衡被破坏并产生动态转矩，电机转速在动态转矩作用下开始由Ω1向Ω2过渡，其变化规律为：
Ω1＝（Ω1－Ω2）e－t/T＋Ω2 （5）
电磁转矩则为：M＝PM2／（Ω1－Ω2）e－t/T＋Ω2
随着时间增大，动态转矩减小，直至电磁转矩与新的负载转矩平衡，即：
M＝PM2／Ω2＝Mfz，
转速稳定在Ω2不变，电机调速结束。 上述的调速过程可以由图1的框图说明。
图1 功率控制的调速流程
功率控制作用的是电枢，主磁场或主磁通量保持不变，根据电机理论，电机的额定电磁转矩正比于主磁通量，受限于电枢的最大载流量。因此功率控制调速时，电机的额定电磁转矩输出能力不变，属于恒转矩调速。
2. 转矩控制
根据公式（2），电机转速在轴输出功率不变的前提下，与电磁转矩成反比。由于受电磁转矩以额定转矩为上限的约束，转矩控制实际上只能在额定转矩以下实现，因此属于恒功率调速。
电磁转矩的独立控制方法主要依据转矩公式：
M＝CMΦmIS （直流机） (6)
或 M＝CMΦmI2COSφ2 （交流机） (7)
受控的物理量为主磁通Φm，由于主磁通量Φm产生于主磁极，因此转矩控制实际上是磁场控制，作用对象为主磁极。转矩控制调速同样要保证稳态时的转矩平衡，即：
M＝Mfz
由于调速稳态时，电磁转矩发生了变化，因此要求负载转矩适应于电磁转矩变化，即要求负载跟踪电机。
转矩控制实际是弱磁调速，主要用于额定转速以上的调速。鉴于本文重点讨论的是功率控制，故不赘述。
二、功率控制的方法与性能
电机调速的轴功率控制只能通过电功率间接控制来实现。以异步机为例，图2是其等效三端口网络。
图2.异步机的等效网络
其中电枢（转子）除产生轴功率输出外，还产生以感应电压u2和电流i2为参量的电功率响应。由于该功率与转差率成正比，故称转差功率，其端口简称Ps口。
如果电机转子为笼型，其绕组呈短路状，Ps口为封闭不可控的。反之为绕线型，Ps口则是开启可控的， 转子可以通过Ps口输出或输入电功率。由此可见，异步机的功率控制调速有两种方式，一种是通过伪电枢间接对电枢实现轴功率控制；另一种是通过Ps口直接控制电枢轴功率。 前者主要适用于笼型异步机，后者则适用于绕线型异步机。
1. 定子伪电枢功率控制。
图3.异步机定子功率控制调速
作为伪电枢，定子向电枢（转子）传输的电磁功率：
Pem＝P1－△P1 （8）
电枢的轴功率则为：
PM＝Pem－△P2 (9)
故 PM＝P1－（△P1＋△P2） (10)
可见，控制伪电枢的输入功率P1或增大其损耗△P1就可以控制电枢的轴功率，后者显然是低效率、高损耗的调速，不宜推荐。
控制P1调速的唯一方法是调压━━变频， 即所谓的变频调速。由于：
P1＝m1U1I1COSφ1 (11)
故对于电压源供电调节端电压U1是控制功率P1的必须手段。问题的关键是为什么不能单纯调压，而必须辅以变频？这是定子除了伪电枢的功能之外，还同时兼主磁极之故。
前已叙及，功率控制的要点有：
① 保持主磁通量不变
② 作用对象是电枢或伪电枢
③ 控制目标是轴功率
如果单纯调压而频率不变，定子的主磁极功能就要受到严重影响。根据电机理论，做为主磁极，定子的主磁通量：
Φm＝E／4.44W1kr1f1
＝KE1／f1
≈KU1／f1 (12)
恒频调压的结果，主磁通Φm将随U1下降而减小，形成了前述的转矩控制。更主要的是此时不但未能控制功率P1，反而增大了电机损耗，与目的绝然相悖。
设负载为恒转矩性质，由转矩平衡方程，电磁转矩：
M＝Mfz＝const
又 M＝CMΦmI1COSφ1
＝CMΦmI2COSφ2 (13)
设功率因数不变，定转子电流I1、I2将随主磁通Φm下降而正比增大，其结果功率P1不变，但定转子损耗：
△P1＝m1I 12 r1
△P2＝m2I 222 r1
将按电流的平方律增大。根据式（10），轴功率控制虽能实现，却属低效率高损耗的调速。
为此，异步机定子的功率控制调速，必须要将定子的主磁极和伪电枢两种功能游离开。针对同一定子绕组，一方面使主磁极产生的磁场保持稳定，同时又要控制其向电枢传递的电磁功率。
于是变频调速建立了一条重要原则，就是调压变频，且保证V／F（压频比）为常数，这样就确保了上述控制要求的实现。顺便指出，近代变频调速的矢量控制，实际上就是遵循这一原理。矢量控制的核心思想，是把磁场与转矩游离开，分别加以控制，认为调速的根本在于转矩，而事实上游离的却是磁场和电磁功率，虽然结果无误，但理论上必须加以澄清。
2. 转子功率控制
对于绕线转子异步机的调速，可以利用转差功率端口━Ps口直接控制轴功率。方法是由Ps口移出或注入转差功率。需要指出：
① 所述的转差功率应区别经典电机学中的转子损耗转差功率，为此将后者称为转子损耗功率，记以△P2。
② 转差功率有电能与热能之分，分别记以Pes和Prs，两者性质不同，对调速的影响也不同。
图4.异步机转子功率控制调速
当在转子的Ps口引入电转差功率Pes时，转子的轴功率：
PM＝（Pem±Pes）－△P2 （14）
式中的Pem为定子向转子传输的电磁功率，电转差功率的负号表示从Ps口移出，正号表示从Ps口注入。Pes属电功率，故与电磁功率相合成，结果使轴功率PM发生变化，电机转速得到相应调节。
电转差功率调速的典型实例是串级调速和双馈调速，前者的电转差功率为负，流向为从转子移出，故实现的是额定转速以下的调速。后者的电转差功率可以双向流动，既可以移出，又可以注入，因此可以实现低同步和超同步两种调速。
当Ps口引入的是热转差功率Prs时， 转子的轴功率则为：
PM＝Pem－（△P2＋Prs） (15)
显然热转差功率的引入，增大了电枢（转子）的损耗，轴功率随Prs的增大而减小，其典型例子是异步机转子串电阻调速。
三、功率控制的理想空载转速，效率与机械特性
根据电机学，电动机的理想空载转速主要取决于电枢的电磁功率，因有：
Ω0＝Pem／M （16）
由于电磁转矩为负载所决定，理想空载转速Ω0就决定于某一负载条件下电磁功率的大小。
功率控制调速的电枢功率可以综合表达为：
PM＝∑Pem－∑p2 （17）
相应的转速：
PM／M＝∑Pem／M－∑p2／M （18）
Ω＝Ω0－△Ω (19)
其中Ω0＝∑Pem／M为功率控制调速的理想空载转速，因此调节电枢的电磁功率可以改变电机的理想空载转速。换言之，电机的理想空载转速取决于电枢的电磁功率。又，△Ω＝∑p2／M 为电机的转速降。由此表明增大电枢损耗，可以增加电机转速降。
电机调速的效率表达为：
η＝PM／（P1－∑pi）
＝PM／（Pem－△P2)
因此，在一定的轴功率PM输出条件下，控制电磁功率的调速是高效率的节能型调速，而控制损耗功率的调速必然是低效率的耗能型调速。
公式（18）同时刻画出了功率控制调速的机械特性，当连续改变电磁功率∑Pem时，如果损耗功率不变，电机的理想空载转速随∑Pem连续变化，其机械特性为一族平行的曲线。而增大损耗，电磁功率不变时，电机理想空载转速不变，改变的只是转速降，其机械特性为一族汇交型曲线。如图5给出了两种调速的定性曲线。
图5 a.电磁功率调速特性 b.转速降调速特性
综上所述，可以得出以下结论：
① 电磁功率控制调节的是理想空载转速，损耗功率控制调节的是转速降。
② 电磁功率控制是高效率节能型的调速，其机械特性必为平行曲线族。损耗功率控制属低效率耗能调速，其机械特性必为汇交型曲线族。
四、异步机调速的分类与方法
与按n＝ 60f1/p·(1-S）表达式不同，根据本文所述的电机调速功率控制理论，异步机调速可分类表示如下：
性质/方案 控制点/变量 方法 要点
五、结论
1. 电机调速的基本原理有两种，一为轴功率控制，二是转矩控制。转矩控制实际是磁场控制，适于恒功率调整。
2.轴功率控制的作用对象是电枢或伪电枢， 并最终只能通过电功率控制来实现。其中，电磁功率调节的是理想空载转速，损耗功率改变的是转速降。前者为高效节能型，后者为低效耗能型，两者的机械特性亦由此决定。
3. 轴功率控制的调速具有恒转矩特性，电磁转矩的变化是转速响应滞后所造成的，调速稳态时，电磁转矩只决定于负载，与控制无关。
4. 变频调速和电转差功率控制调速同属电磁功率控制调速，两者性能一致，并无本质差别。
异步电动机直接转矩控制原理与展望
一、引言电动机调速是各行各业中电动机应用系统的必需环节。直流电动机因其磁链与转矩电流各自独立，不存在耦合关系，能够获得很好的调速范围和调速精度，静、动态特性均比较好而获得广泛应用。交流（异步）电动机结构简单却因其磁链与电流强耦合，而且是多变量非线性系统，调速难度大，长期以来在调速系统的应用受到限制。直到近三十年来，一系列新型的传动调速技术的出现才开始了交流传动的新篇章。1．交流传动的发展简述首先是变压变频调速系统（VVVF），后来出现了矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）调速系统。由于VVVF系统只是维持电动机内的磁链恒定，并没有解决磁链和电流强耦合的问题，其调速范围窄，调速性能也不佳。矢量控制是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法，通过两次旋转坐标变换，实现异步电动机的转速和磁链控制的完全解耦。但实际上由于转子磁链很难准确观测，系统特性受电机参数的影响较大，且计算也比较复杂。1985年，德国的M.Depenbrock和日本的I.Takahashi先后提出直接转矩控制理论。直接转矩控制在定子坐标系下，避开旋转坐标变换，直接控制转子磁链，采用转矩和磁链的bang-bang控制，不受转子参数随转速变化而变化的影响，简化了控制结构，动态响应快，对参数鲁棒性好，因而得到广泛的深入研究和应用。2．矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）的简略对比（1）控制原理：FOC是在转子磁通坐标系中，通过分别控制q轴和d轴定子电流分量，实现转速和磁链的解耦控制。其实质是通过坐标变换重建的电动机数学模型等效为直流电动机，从而象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。DTC是在定子坐标系下通过检测电动机定子电压和电流，采用空间矢量理论计算电动机的转矩和磁链，并根据与给定值比较所得差值，实现转矩和磁链的直接控制。（2）控制性能：FOC的调速范围较宽（1：20～200），调速精度较高，低速特性连续，响应速度较快，但受参数变化影响较大，且计算复杂，控制相对繁琐。DTC的调速范围较窄（1：15～100），调速精度也较高，响应速度快，低速特性有脉动现象，但其不仅计算简便，而且控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，动静态性能均佳，有广阔的应用前景。
图1异步电动机的空间矢量等效电路直接转矩控制的基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电动机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。二、数学模型1．异步电动机转矩的数学模型异步电动机的空间矢量等效图如图1所示该等效电路是在正交坐标系（α-β坐标系）上描述异步电动机的。其中：US（t）-----定子电压空间矢量iS（t）-----定子电流空间矢量ir（t）-----转子电流空间矢量ΨU（t）----定子磁链空间矢量Ψr（t）----转子磁链空间矢量ω-----电角速度则异步电动机在定子坐标系上各方程可表示如下：
电压方程： （1）（2）磁链方程： （3）（4）转矩方程： （5）若用转子磁链代替定子电流，转矩方程将变成如下形式：（6）或 (7)
θ是磁通角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角。在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机，而转子磁链的幅值由负载决定。如果要改变异步电动机的转矩，可通过改变磁通角θ来实现。2．异步电动机磁链的数学模型目前磁链模型主要有三种，分别适用于不同转速下应用。（1）u-i模型在30%额定转速以上，采用u-i模型，其表达式为：
（8）
从此式可看出，在计算过程中唯一所需了解的电动机参数是易于确定的定子电阻。同样，定子电压us（t）和转子电流is（t）也是易于确定的物理量，它们能以足够的精度被检测出来。计算出定子磁链后，再把定子磁链和测量所得的定子电流代入式（5）就可计算出电动机的转矩。此模型中关键是要准确确定定子磁链，即要求定子电压和定子电阻压降之间的差值存在且误差可忽略，而只有在30%额定转速以上时才能达到这一要求。（2）i-n模型在30%额定转速以下，由于定子频率很低（仅有几赫兹），电动机端电压很小，定子电阻RS的变化导致u-i模型中积分项is（t）RS误差较大，故采用i-n模型，其表达式为：
（9）（10）
在30%额定转速以下范围，磁链只能根据转速来正确计算。在i-n模型中正是用定子电流与转速来确定定子磁链。该模型在这个转速范围内是合适的。但要注意在使用i-n模型时要求准确测量角速度ω，这是因为角速度的测量误差首先引起转子磁链的误差，再由转子磁链</SPAN></SPAN></SPAN></SPAN>
摘 要
现在流行的异步电动机的调速方法可分为两种：变频调速和变压调速，其中异步电动机的变频调速应用较多，它的调速方法可分为两种：变频变压调速和矢量控制法，前者的控制方法相对简单，有二十多年的发展经验。因此应用的比较多，目前市场上出售的变频器多数都是采用这种控制方法。
关键词: 交流调速系统, 异步电动机, PWM技术.....
目录
摘 要 1
前言 3
1.1 设计的目的和意义 3
1.2变频器调速运行的节能原理 3
第二章 变频器 4
2.1变频器选型： 4
2.2变频器控制原理图设计： 4
2.3变频器控制柜设计 6
2.4变频器接线规范 7
2.5变频器的运行和相关参数的设置 8
2.6 常见故障分析 8
第三章 交流调速系统概述 10
3.1 交流调速系统的特点 10
第四章变频电动机的特点 14
4.1电磁设计 14
4.2结构设计 14
第五章 变频电机主要特点和变频电机的构造原理 15
5.1 变频专用电动机具有如下特点： 15
5.2变频电机的构造原理 15
第六章 交流异步电动机 16
6.1交流异步电动机变频调速基本原理 16
6.2 变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性 18
6.3变压变频运行时机械特性分折 19
第七章 PWM技术原理 24
7.1 正弦波脉宽调制(SPWM） 25
7.2单极性SPWM法 ..................................................................................................................26
结论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
前言
1.1 设计的目的和意义
近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义．
1.2变频器调速运行的节能原理
实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU／DSP）等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U／f协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。
采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超过7000r／rain。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1．5倍左右，这样大大提高了快速增速和减速能力。同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。此外，在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。采用该控制方式的变频调速技术后，电机定子电流下降64％ ，电源频率降低30％ ，出胶压力降低57％ 。由电机理论可知，异步电机的转速可表示为：n=60•f 8（1—8）／p
第二章 变频器
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。
2.1变频器选型：
变频器选型时要确定以下几点：
1) 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。
2) 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
3) 变频器与负载的匹配问题；
I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
II. 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
4) 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
5) 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
6) 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。
2.2变频器控制原理图设计：
1) 首先确认变频器的安装环境；
I.工作温度。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。
II. 环境温度。温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。在水处理间，一般水汽都比较重，如果温度变化大的话，这个问题会比较突出。
III.腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。
IV. 振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。淮安热电就出现这样的问题。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。
V. 电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。
2) 变频器和电机的距离确定电缆和布线方法；
I.变频器和电机的距离应该尽量的短。这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。
II. 控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。
III.电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为500mm。同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90度角交叉。与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。
IV. 与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆（其规格要比普通电机的电缆大档）或遵从变频器的用户手册。
3) 变频器控制原理图；
I.主回路：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。虽然变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照变频器的容量进行选择。可以用变频器本身的过载保护代替热继电器。
II. 控制回路：具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。
4) 变频器的接地；
变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。变频器与控制柜之间电气相通。
2.3变频器控制柜设计
变频器应该安装在控制柜内部，控制柜在设计时要注意以下问题
1) 散热问题：变频器的发热是由内部的损耗产生的。在变频器中各部分损耗中主要以主电路为主，约占98%，控制电路占2%。为了保证变频器正常可靠运行，必须对变频器进行散热我们通常采用风扇散热；变频器的内装风扇可将变频器的箱体内部散热带走，若风扇不能正常工作，应立即停止变频器运行；大功率的变频器还需要在控制柜上加风扇，控制柜的风道要设计合理，所有进风口要设置防尘网，排风通畅，避免在柜中形成涡流，在固定的位置形成灰尘堆积；根据变频器说明书的通风量来选择匹配的风扇，风扇安装要注意防震问题。
2) 电磁干扰问题：
I.变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰，而且会产生高次谐波，这种高次谐波会通过供电回路进入整个供电网络，从而影响其他仪表。如果变频器的功率很大占整个系统25%以上，需要考虑控制电源的抗干扰措施。
II.当系统中有高频冲击负载如电焊机、电镀电源时，变频器本身会因为干扰而出现保护，则考虑整个系统的电源质量问题。
3) 防护问题需要注意以下几点：
I.防水防结露：如果变频器放在现场，需要注意变频器柜上方不的有管道法兰或其他漏点，在变频器附近不能有喷溅水流，总之现场柜体防护等级要在IP43以上。
II. 防尘：所有进风口要设置防尘网阻隔絮状杂物进入，防尘网应该设计为可拆卸式，以方便清理，维护。防尘网的网格根据现场的具体情况确定，防尘网四周与控制柜的结合处要处理严密。
III.防腐蚀性气体：在化工行业这种情况比较多见，此时可以将变频柜放在控制室中。
2.4变频器接线规范
信号线与动力线必须分开走线：使用模拟量信号进行远程控制变频器时，为了减少模拟量受来自变频器和其它设备的干扰，请将控制变频器的信号线与强电回路（主回路及顺控回路）分开走线。距离应在30cm以上。即使在控制柜内，同样要保持这样的接线规范。该信号与变频器之间的控制回路线最长不得超过50m。
信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部：连接PLC和变频器的信号线如果不放置在金属管道内，极易受到变频器和外部设备的干扰；同时由于变频器无内置的电抗器，所以变频器的输入和输出级动力线对外部会产生极强的干扰，因此放置信号线的金属管或金属软管一直要延伸到变频器的控制端子处，以保证信号线与动力线的彻底分开。
1) 模拟量控制信号线应使用双股绞合屏蔽线，电线规格为0.75mm2。在接线时一定要注意，电缆剥线要尽可能的短（5-7mm左右），同时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘胶布包起来，以防止屏蔽线与其它设备接触引入干扰。
2) 为了提高接线的简易性和可靠性，推荐信号线上使用压线棒端子。
2.5变频器的运行和相关参数的设置
变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。
控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。
最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。
最高运行频率：一般的变频器最大频率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。
载波频率：载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。
电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。
跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。
2.6 常见故障分析
1) 过流故障：过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。
2) 过载故障：过载故障包括变频过载和电机过载。其可能是加速时间太短，电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。
3) 欠压：说明变频器电源输入部分有问题，需检查后才可以运行。
第三章 交流调速系统概述
3.1 交流调速系统的特点
对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。
纵观电力拖动的发展过程，交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。在过去很长一段时期，由于直流电动机的优良调速性能，在可逆、可调速与高精度、宽调速范围的电力拖动技术领域中，几乎都是采用直流调速系统。然而由于直流电动机其有机械式换向器这一致命的弱点，致使直流电动机制造成本高、价格昂贵、维护麻烦、使用环境受到限制，其自身结构也约束了单台电机的转速，功率上限，从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。相对于直流电动机来说，交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。
随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。
3.2 交流调速常用的调速方案及其性能比较
由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下：
n= 60ƒ1 (1-s) pn (1-1)
式中 Pn——电动机定子绕阻的磁极对数；
f1——电动机定子电压供电频率；
s ——电动机的转差率。
从式（1-1）中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。
（1）改变电动机的磁极对数
由异步电动机的同步转速
no= 60ƒ1 pn
可知，在供电电源频率f1不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数Pn，即可改变异步电动机的同步转速n0，从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。采用这种控制方式，电动机转速的变化是有级的，不是连续的，一般最多只有三档，适用于自动化程度不高，且只须有级调速的场合。
（2）变频调速
从式（1—1）中可以看出，当异步电动机的磁极对数Pn一定，转差率s—定时，改变定子绕组的供电频率f1可以达到调速目的，电动机转速n基本上与电源的频率f1成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑，无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频f=50Hz以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。
（3）变转差率调速
改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：异步电动机定子调压调速，电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速，串级调速等。
定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。为了能得到好的调速精度与能稳定运行，一般采用带转速负反馈的控制方式。所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电动机。
电磁转差离台器调速系统，是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。这种系统一般也采用转速闭环控制。
绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子回路所串电阻来进行调速，这种调速方法简单，但调速是有级的，串入较大附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运行损耗大，稳定性差。
绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势Ef，只要改变这个附加的，同电动机转子电压同频率的反向电势Ef，就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。Ef越大，电动机转速越低。
上述这些调速的共同特点是调速过程中没有改变电动机的同步转速n0，所以低速时，转差率s较大。
在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率PM可以分成两部分：一部分P2=（1—s）PM是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率PS=sPM，与转差率s成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的去向而言，交流异步电动机调速系统可以分为三种：
1）转差功率消耗型
这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转速的降低，转差率s增大，转差功率PS=sPM增大，以发热形式消耗在转子电路里，使得系统效率也随之降低。定子调压调速、电磁转差离合器调速及绕线式异步电动机转子串电阻调速这三种方法属于这一类，这类调速系统存在着调速范围愈宽，转差功率PS愈大，系统效率愈低的问题，故不值得提倡。
2）转差功率回馈型
这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线式异步电动机转子串级调速即属于这一类，它将转差功率通过整流和逆变作用，经变压器回馈到交流电网，但没有以发热形式消耗能量，即使在低速时，串级调速系统的效率也是很高的。
3）转差功率不变型
这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但不论转速高低，转差功率基本不变。如变极对数调速，变频调速即属于这一类，由于在调速过程中改变同步转速n0，转差率s是一定的，故系统效率不会因调速而降低。在改变n0的两种调速方案中，又因变极对数调速为有极调速，且极数很有限，调速范围窄，所以，目前在交流调速方案中，变频调速是最理想，最有前途的交流调速方案。
第四章变频电动机的特点
4.1电磁设计
对普通异步电动机来说，再设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率反比于电源频率，可以在临界转差率接近1时直接启动，因此，过载能力和启动性能不在需要过多考虑，而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。方式一般如下：
