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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目： 交交变频器应用研究
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层 次： 专科起点本科
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指导教师：
完成日期： 2021 年9月14日
交流电机变频调速系统目前在工业生产中获得了广泛的应用，而变频技术仍 在不断的发展中。本文浅析了交交变频器的工作原理以及其技术特点等相关问题， 对交交变频器应用中的若干问题进行了分析。
交交变频传动就是一种在大功率、低俗范围内广泛使用的调速方案，它应用 于乳钢机、矿井提升机等大容量低速运转的生产机械，逐渐取代传统的直流调速， 产生显著地经济效益。作为一种很好应用的调速方案，其频率范围容易调节，而 数字化是现代传动技术的发展趋势，实现全数字控制是交交变频的新课题。
关键词：发展趋势；技术原理；应用研究
目 录
1 绪论
1.1 课题的背景及意义
交交变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统是包含多 种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控 制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提 供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。
1.2 发展现状及趋势
1.2.1 发展现状
20世纪30年代交交变频电路就已经出现，当时采用的是水银整流器，曾经有 装置用在电力机车上，由于原件性能限制，没能得到广泛推广。到20世纪70年 代，随着晶闸管的问世交交变频电路逐渐被交直交变频电路取代。近年来随着现 代工业生产及社会发展的需要推动了交交变频技术的飞速发展，现代电力电子器 件的发展和应用、现代控制理论和控制器件的发展和应用、危机控制技术及大规 模集成电路的发展和应用为交流变频技术的发展和应用创造了新的位置和技术条 件，交流变频电路又逐渐成为研究的热点。
1.2.2 发展趋势
随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频 器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现 变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。 变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响，二要看对电网 的谐波污染和输入功率因数，三要看本身的能量损耗（即效率)如何？这里仅以量 大面广的交一直一交变频器为例，阐述它的发展趋势：
（1）主电路功率开关元件的自关断化、模块化、集成化、智能化，开关频率不 断提高，开关损耗进一步降低。
（2）变频器主电路的拓扑结构方面：变频器的网侧变流器对低压小容量的装置 常采用6脉冲变流器，而对中压大容量的装置采用多重化12脉冲以上的变流器。 负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平的桥式逆变器，而对中压大容量的 装置采用多电平逆变器。对于四象限运行的传动，为实现变频器再生能量向电网 回馈和节省能量，网侧变流器应为可逆变流器，同时出现了功率可双向流动的双
PWM变频器，对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波，减少对电网的 公害。目前，低、中压变频器都有这类产品。
（3）脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制(SPWM)控制、消 除指定次数谐波的PWM控制、电流跟踪控制、电压空间矢量控制(磁链跟踪控制）
1.3本文的主要内容
本文研究的是交交变频器的应用。
全文共分为4章，各章内容简介如下：
第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的 主要内容；
第二章交交变频器简介，从交交变频器的技术性能和特点入手，介绍了交交 变频器的工作原理；
第三章交交变频器的应用研究，列举交交变频器电路图以及分析，同时以 SIMOREGK6RA24为例子介绍了交交变频的应用。
本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。
2 交交变频器简介
2.1 交交变频器的技术性能及特点
自从交流调速系统出现以来，日本、西欧等一些工业先进国家在交流调速方面确实有了长足的发展。1975年日本新增加的传动装置中，交流与直流的功率比25：75，到1985年已变为75：25。据美国工业市场报道，1988年交流调速装置销售了4亿美元，直流调速装置为5.3亿，到1993年交流调速装置可达6.2亿美元，直流调速装置为5.6亿。由此可见，交流调速取代直流调速的趋势也更加明显。
从20世纪60年代起，晶闸管（SCR）功率的不断增大，使变频调速具有实现的可能；到70年代可关断晶闸管（GTO），电力晶体管（GTR），使变频技术取得突破进入实用阶段；到90年代，场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等电力电子开关器件的出现，使变频调速器达到普及的阶段。同时现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，现在从数百瓦的伺服系统到数万千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、大范围的电气传动，几乎都可以采用交流变频调速，因此交流变频调速开始广泛应用于各行各业。变频调速系统由交流电动机、变频器和电源三部分组成。而变频器又由主电路和控制电路组成。
图 2.1 变频调速系统的框图
交流调速传动的特点主要包括：
1）交流调速结构简单，因此有可能与机械合为一体，形成机电一体化产品，大大简化机械结构，减小体积和重量，提高可靠性。
2）成本方面，交流调速的功率装置（变频器与电网补偿装置）和控制装置比直流调速的功率装置（整流器与补偿装置）和控制装置贵，但它的电动机便宜。
3）减小维修工作量，减少停机时间，提高产量。
4）减小电机的转动惯量，提高系统动态性能。
5）可以突破直流电动机的功率，速度极限，为设备提供更大的动力，从而提高产量。
6）交流电动机比直流电动机减少损耗和了冷却水约50%，所以更节能节水。
2.2 交交变频器的基本原理
随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频 器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现 变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。 变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响，二要看对电网 的谐波污染和输入功率因数，三要看本身的能量损耗（即效率)如何？交流输出的正半周电流由正组整流器提供，负半周电流由负组整流器提供。交-交变频电路由正、负两组相控整流器组成，通过适当的相位控制，使两组整流器轮流导通，正、负组整流器分别流过负载中的正向和反向输出电流。由于每组整流器都可实现相位控制，为了得到低频输出，可以在电源的若干周波内，先封锁负组整流器，使正组整流器的相控角连续地按一定规律逐渐由大变小，再由小变大。然后在电流正半波输出结束后立即封锁正组整流器，再对负组整流器进行同样的控制，又可构成负半周的低频输出。因此只要电源频率相对输出频率高出许多倍，就可以近似认为输出电压是平滑的正负两半周对称的低频正弦波。交-交变频通常采用余弦交点法进行控制，即由某一代表输出电压和输出频率的给定输出曲线与一余弦曲线相交，在交点处产生各晶闸管的触发脉冲。改变给定输出曲线的频率和幅值，可以控制交－交变频器的输出电压和频率的大小。这种余弦交点法很容易用微机控制来实现，并且适用于三相－单相或三相－三相交交变频器。采用晶闸管的交-交变频器电路，将电网交流电变成电压和频率可调的低频交流电。大功率同步电动机使用的是三相输出的交交变频电路（又称三相交交变频电路），其原理与单相输出的交交变频电路（又称单相交交变频电路）相同。三相交交变频电路的输出电压的频率越低，每个周期所含的工频相电压的波头数越多，因此就可以得到正弦度非常好的电压波形，谐波分量小，而随着其输出频率的增加，输出电压的谐波分量会大幅度的增加导致变频器出力降低，负载电动机脉动转矩增大，损耗增加，因此交交变频器最大输出频率为电网工频的1/3～1/2，对于50Hz工频的交流电压，交交变频器输出电压的频率最高为16.6~25Hz。
