交流调速系统概述
1.1、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。相比于直流电动机，交流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。
随着电力电子技术，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，交流可调传动得到了广泛的发展，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。
1.2交流调速系统的应用
由于交流调速系统的优越性，其已经普遍应用于现代工业中，主要由以下几个方面：（1）、风机、水泵、压缩机耗能占工业用电的40%，进行变频、串级调速，可以节能。
（2）、对电梯等垂直升降装置调速实现无级调速，运行平稳、档次提高。
（3）、纺织、造纸、印刷、烟草等各种生产机械，采用交流无级变速，提高产品的质量和效率。
（4）、钢铁企业在轧钢、输料、通风等多种电气传动设备上使用交流变频传动。
（5）、有色冶金行业如冶炼厂对回转炉、培烧炉、球磨机、给料等进行变频无级调速控制。
（6）、油田利用变频器拖动输油泵控制输油管线输油。此外，在炼油行业变频器还被应用于锅炉引风、送风、输煤等控制系统。
（7）、变频器用于供水企业、高层建筑的恒压供水。
（8）、变频器在食品、饮料、包装生产线上被广泛使用，提高调速性能和产品质量。
（9）、变频器在建材、陶瓷行业也获得大量应用。如水泥厂的回转窑、给料机、风机均可采用交流无级变速。
（10）、机械行业是企业最多、分布最广的基础行业。从电线电缆的制造到数控机床的制造。电线电缆的拉制需要大量的交流调速系统。一台高档数控机床上就需要多台交流调速甚至精确定位传动系统，主轴一般采用变频器调速（只调节转速）或交流伺服主轴系统（既无级变速又使刀具准确定位停止），各伺服轴均使用交流伺服系统，各轴联动完成指定坐标位置移动。
1.3、交流调速系统分类
交流调速系统分为交流异步电动机调速系统和交流同步电动机调速系统两大类。
1、在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率m p 可以分成两部分：一部分m mech p s -1p ）（=是拖动负载的有效功率，另一部分是m s sp p =与转差率s 成正比的转差功率，转差功率的流向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的流向向而言，交流异步电动机调速系统可以分为三种：
（1）、转差功率消耗型调速系统
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m s sp p =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s p 愈大，系统效率愈低的问题，故不值得提倡。
（2）、转差功率馈送型调速系统
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）、转差功率不变型调速系统
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0n ，转差率s 是一定的，故系统效率不会因调速而降低。在改变0n 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。
2、在交流同步电动机中，由于其转差功率恒为零，从定子传入的电磁功率m P 全部变为机械轴上输出的机械功率mech P ，只能是转差功率不变型的调速系统。其表达式为p 1n f
60n n ==,同步电动机的调速只能通过改变同步转速1n 实现，由于同步电动机极对数是固定的，只能采用变压变频调速。
交流调速系统的调速
2.1三大调速方案
由电机与拖动技术知，交流异步电动机的转速公式如下：
n 1p s -1f 60n ）（=
（1-1）
式中 n p ——电动机定子绕阻的磁极对数；
1f ——电动机定子电压供电频率；
s ——电动机的转差率。
由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值是
m 11g N 4.44f Φ=E （1-2）
式中g E —气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V ）；
1f —定子频率（Hz ）；
1N —定子每相绕组串联匝数；
m Φ—每极磁通量（Wb ）。
从上两式中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。
1、变压变频调速
当异步电动机的磁极对数n p 一定，转差率s —定时，改变定子绕组的供电频率1f 可以达到调速目的，为了达到良好的控制效果，常采用电压——频率协调控制，电动机转速n 基本上与电源的频率 1f 成正比，因此，就能平滑地调节供电电源的频率，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，只要控制好g E 和1f 便可达到控制气隙磁通m Φ的目的，对此有基频（额定频率50Hz f =）以下和基频以上两种情况，基频50Hz f =以下，保持气隙磁通不变，属于恒转矩调速方式；在基频50Hz f =以上，保持定子电压不变，属于恒功率调速方式。
（1)、基频以下调速
在基频一下调速时，为了保持电动机的负载能力，应保持气隙磁通m Φ为额定值N m Φ不变，这就要求频率1f 从额定值N 1f 向下调节时，必须同时降g E 使 m 11g N 4.44f Φ=E 常数= , 即保持电动势与频率之比常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调速，属
于恒转矩调速方式。但是，g E 难于直接检测和直接控制。（当g E 和1f 的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可近似地保持定子相电压s U 和频率1f 的比值为常数，即认为g E U =1，保持
=1f s U 常数即可）,这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通
控制。
低频时，1U 和g E 都较小，定子电阻和漏磁感抗压降（主要是定子电阻压降）所占的分量比较显著，不能再忽略。这时，可以人为地适当提高定子电压s U ，以便近似地补偿定子阻抗压降，使气隙磁通基本保持不变。
图1 基频以下调速机械特性
（2）、基频以下电流补偿控制
基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的有点，但负载的变化将导致磁通的改变，因此采用需要采用定子电流补偿，根据电子电流的大小改变电子电压，保持磁通恒定。有保持定子磁通ms Φ（曲线a ）、气隙磁通m Φ（曲线b ）和转子磁通mr Φ（曲线c ）恒定的三种控制方法，以下图 2 是这三种控制方法的特性曲线
图2 不同控制方式下，异步电动机的机械特性
与恒压频比控制相比，恒定子磁通ms Φ、恒气隙磁通m Φ和恒转子磁通mr Φ的控制方式均需要定子电流补偿，控制要复杂一些。恒定子磁通ms Φ和恒气隙磁通m Φ的控制方式虽然改善了低速性能，但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力受到限制。恒转子磁通mr Φ的控制方式，可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。
（3）、基频以上调速
在基频以上调速时，频率可以从N 1f 往上升高，但受电机绝缘耐压的限制，定子电压s U 却不能超过额定电压，最多只能保持sN U U =s 额定电压不变。由式（1-2）可知，这必然会导致主磁通m Φ随着1f 的上升而降低，使异步电动机工作在弱磁状态，允许输出转矩减小，但转速却升高了，可以认为允许输出转功率基本不变，属于近似的恒功率调速方式。其机械特性曲线在固有特性曲线之上。
2、改变电动机的极对数调速
由异步电动机的同步转速n 11p f 60n =
可知，在供电电源频率1f 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n p ，即可改变异步电动机的同步转速1n ，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，且只需有级调速的场合。
3、改变电动机的变转差率调速
由式（1-1）知，可以通过改变异步电动机的转差率s来改变电动机转速。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、绕线式异步电动机转子回路串电阻调速和串级调速等。
（1）、异步电动机定子调压调速
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。
（2）、电磁转差离合器调速
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。
（3）、绕线式异步电动机转子回路串电阻调速
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。
（4）、绕线式异步电动机串级调速
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f E，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f E，就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。f E越大，电动机转速越低。
上述这些调速的共同特点是在调速过程中没有改变电动机的同步转速0n，所以低速时转差率s较大。
2.2、异步电动机的调速系统
1、脉冲宽度调制技术
在异步电动机变频调速时，为了得到理想的控制效果需要有电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。这就涉及到了交流PWM变频技术，即脉冲宽度调制技术，这是现代变频器中用得最多的控制技术。
脉冲宽度调制（PWM)的基本思想是：控制逆变器中的电力电子器件的开通或关断，输出电压为高度相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。传统的交流PWM技术是用正玄波来调制等腰三角波，称为正弦脉冲宽度调制（SPWM)，随着控制技术的发展，产生了电流跟踪PWM(CFPWM)控制技术和电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术。
（1）、正弦脉冲宽度调制（SPWM)
SPWM 是以频率与期望值得输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率与期望波高得多的等腰三角波作为载波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得高度相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列。
SPWM 采用三相分别调制，在调制度为1时，输出相电压的基波幅值为2U d
，输出线电压的基波幅值为d 23U ，直流电压的利用率为[]9866.0。若调制度大于1，直流电压的利用率
可以提高，但会产生失真现象，谐波分量增加。这是普通SPWM 变频器的一个短处，其输出电压带有一定得谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机的转矩脉动，在SPWM 的基础上衍生出“消除指定次数谐波”的SHEPWM 控制技术。
（2）、电流跟踪PWM(CFPWM)控制技术
SPWM 控制技术的目的只在于使输出电压接近正玄波，并为考虑到电流波形因负载的性质及大小的影响。对了、交流电动机来说，应该保证为正玄波的是电流，稳态时在绕组中通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不产生脉动，这就是以正弦波电流为控制目标的优越性，电流跟踪PWM 就能实现这种控制。
CFPWM 的控制方法是在原有主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形。常用的电流闭环控制方法是电流滞环跟踪PWM 。
在电流滞环跟踪PWM 的控制系统中，以PWM 变压变频器的A 相控制原理为例。其中，电流控制器是滞环的比较器，环宽为2h ，将给定电流与输出电流进行比较，当电流偏差A i ?超过h ±时，经滞环控制器HBC 控制逆变器A 相上（或下）桥臂的功率器件动作。B 、C 两相的控制与A 相相同。
电流跟踪PWM(CFPWM)控制技术的特点是精度高、响应快，且易于实现，但功率开关器件的开关频率不定。一般可采用具有恒定开关频率的电流控制器来克服。
具有电流滞环跟踪控制的PWM 型变压变频器用于调速系统时，只需要改变电流给定信号的频率即可实现变频调速，无需再人为地调节逆变器电压。此时，电流控制环只是系统的内环，外环仍应有转速外环，才能视不同负载的需要自动控制给定电流的幅值。
（3）、电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术
交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作为“磁链跟踪控制”磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称为“电压空间矢量PWM 控制”。
电压空间矢量控制是一种新的控制理论和控制技术，它的基本思想是：按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，设法摸拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制。
调速的关键问题是转矩控制问题，为使交流电动机得到和直流电动机一样的转矩控制性能，必须通过坐标变换理论，按转子磁链定向把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的励磁分量和与之相垂直的坐标转矩分量，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机。即如果在调速过程中始终维持定子电流的励磁分量不变，而控制转矩分量，它就相当于直流电机中维持励磁不变，而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样，能使系统具有较好的动态特性。
SVPWM控制模式的特点:
1）、逆变器共有8个基本输出矢量，6个有效工作矢量和2个零矢量，在一个旋转周期内，每个有效工作矢量只作用1次的方式；只能生成正六边形的旋转磁链，谐波分量大，将导致转矩脉动。
2）、用相邻的2个有效工作矢量，可合成任意的期望输出电压矢量，使磁链轨迹接近于圆。开关周期越小，旋转磁场越接近于圆，但功率器件的开关频率提高。
3）、利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算方便。
4）、与一般的SPWM相比较，SVPWM控制方式的输出电压可提高15%。
异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统
通过坐标变换和按转子磁链定向，可以得到等效的直流电动机模型，在按转子磁链定向坐标系中，用直流机的方法控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经逆变换得到三相坐标系的对应量，以施以控制。由于变换的是矢量，所以坐标变换也可称作矢量变换，相应的控制系统成为矢量控制系统。
图 3 矢量控制系统控制原理结构图
按转子磁链定向的矢量控制系统的关键是准确定向，也就是说需要获得转子磁链矢量的空间位置，根据转子磁链的实际值进行矢量变换的方法，称作直接定向。
转子磁链的直接检测相当困难，实际的系统中，多采用间接计算的方法，即利用容易测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与空间位置。在计算模型中，由于主要实测信号的不同，分为电流模型和电压模型两种。电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速。有时为了提高准确度，把两种模型结合起来，在低速时采用电流模型，在中、高速时采用电压模型。
矢量控制系统的特点：
（1）、按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，需要电流闭环控制。
（2）、转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节，可以采用磁链闭环控制，也可以是开环控制。
（3）、采用连续的PI 控制，转矩与磁链变化平稳，电流闭环控制可有效地限制启、制动电流。
异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统
矢量控制方法的提出使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，并且具有调速范围宽的特点。但是经典的矢量控制方法比较复杂，它要进行坐标变换，且需精确测算出转子磁链的大小和方向，比较麻烦，且其精度受转子参数变化的影响很大。继而又出现了一种对交流电动机实现直接转矩控制的新方法，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算工作量，直接在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，其基本原理是根据定子磁链幅值偏差和电磁转矩偏差的符号，再根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减少定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制，响应较快，控制性能比矢量控制还好。
直接转矩控制系统简称DTC 系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统，在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩。
图4 直接转矩控制系统原理结构
在转速环里面设置了转速内环，可以抑制定子磁链对内环控制对象的扰动，从而实现了转速和磁链子系统之间的近似解耦。根据定子磁链幅值偏差s ??的符号和电磁转矩e T ?的符号，再依据当前定子磁链矢量s ψ所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。
转速双闭环：ASR 的输出作为电磁转矩的给定信号；设置转矩控制内环，它可以抑制
磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。转矩和磁链的
控制器：用滞环控制器取代通常的PI调节器。
与VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，
DTC系统与VC系统不同的特点是：
（1）、转矩和磁链的控制采用双位式控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号
产生电压的SVPWM 波形省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。
（2）、选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控
制系统的鲁棒性。如果从数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然要比按转子磁链定向时
复杂，但是，由于采用了非线性的双位式控制，这种复杂性对控制器并没有影响。
（3）、由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩
响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应的快
速性也是有限的。
直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较
性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统
磁链控制定子磁链闭环控制转子磁链闭环控制，间接定
向时是开环控制转矩控制双位式控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑
电流控制无闭环控制闭环控制
坐标变换静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂
按转子磁链定向磁链定向需知道定子磁链矢量的位
置，但无须定向
调速范围不够宽比较宽转矩动态响应较快不够快
2.3同步电动机的调速系统
1、同步电动机的分类
n ；定子除与异步电动机相比，在稳态时同步电动机的稳态转速等于同步转速，即1n
了定子磁动势外，在转子侧还有独立的直流励磁或者永久磁钢励磁；同步电动机的气隙是不
均匀的有凸极和隐极之分，异步电动机要靠加大转差后才能提高转矩，而同步电动机只需加
大功率角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，动态响
应快。
同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步电动机和永久同步电动机。可控励磁同步电动
机在转子侧有独立的直流励磁，可以通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可
以滞后也可以超前。永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁，具有体积小、
重量轻，运行效率高，结构紧凑和动态性能好的特点。
2、同步电动机的特点
与异步电动机相比，同步电动机具有以下特点：
（1）、交流电机旋转磁场的同步转速1n 与定子电源频率1f 有确定的关系：
p 1p 11n 2w 60n f 60n π==
异步电动机的稳态转速总是低于同步转速的，而同步电动机的稳态转速等于同步转速。
（2）、异步电动机的磁场仅靠定子供电产生，而同步电动机除定子磁动势外，在转子侧还有对立的直流励磁，或者靠永久磁钢励磁。
（3）、同步电动机转子除直流励磁磁阻外，还可能有自身短路的阻尼绕组。
（4）、异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有隐极和凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀。
同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步电动机和永磁同步电动机两种。其中，永磁同步电动机按气隙磁场分布分为正弦波永磁同步电动机和梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）。
分析同步电动机恒频恒压时的稳定运行问题，在20πθ<
<的范围内，同步电动机能够稳定运行。在πθπ
<<2的范围内，当负载转矩加大时，转子减速使矩角θ增加，但随着θ
增加，电磁转矩反而减小，由于电磁转矩的减小，导致θ继续增加，最终，同步电动机转速偏离同步转速，出现失步现象，同步电动机不能稳定运行。
当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁动势以同步转速旋转，电动机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转速；在一个周期内，电磁转矩平均值等于零，故同步电动机不能起动。同步电动机中转子有起动绕组，使电动机按异步电动机的方式起动，当转速接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。
3、同步电动机的调速方式
同步电动机的转速等于同步转速，即 p 1n f 60n n =
=而同步电动机有确定的极对数，同步电动机的调速只能是改变电源频率的变频调速。由于，同步电动机变频调速的电压频率特性与异步电动机变频调速相同，基频以下采用带定子压降补偿的恒压频比控制方式，基频以上采用电压恒定的控制方式。
同步电动机的变频调速方法有三种：用独立的变压变频装置给同步电动机供电的称作他控调速系统，根据转子位置直接控制变压变频装置换相时刻的称作自控变频调速系统，另外还有矢量控制系统。
（1)、他控变频同步电动机调速系统
他控变频同步电动机调速系统是指用独立的变压变频装置给同步电动机供电，通过外在
的变压变频装置改变供电频率进而控制电机转速，这是一种开环的调速系统，存在转子震荡和失步问题；采用频率或转速的闭环控制可以很好地解决这种问题，即在同步电机运行过程中采用频率或转速闭环控制，及时调整同步电动机的定子电源频率，将转矩角限制在
<
0θ的范围内。
?180
<
?
在大功率同步电动机调速系统中，可以采用恒压频比控制，在起动过程中，同步电动机定子电源频率按斜坡规律变化，将动态转差限制在允许的范围内，以保证同步电动机顺利起动。起动结束后，同步电动机转速等于同步转速，稳态转差等于零。也可以采用转速闭环控制的矢量控制或直接转矩控制。
图5 它控同步电动机调速原理结构图
（2）、自控变频同步电动机调速系统
自控变频同步电动机调速系统是在电动机轴端装有一台转子位置检测器BQ，由它发出的转子位置信号直接控制变压变频装置的换相时刻，保证转子转速与供电频率同步，可控整流器完成调压。调速时改变直流电压转速随之变化，逆变器的输出频率自动跟踪转速，这就做到了控制电压的同时自动的控制了频率，故属于同步电动机的变压变频调速。
自控变频同步电动机因其核心部件的不同，略有差异。
（1）、无换向器电动机：由于采用电子换相取代了机械式的换向器，多用于带直流励磁的同步电动机。
（2）、正弦波永磁自控变频同步电动机：以正弦波永磁同步电动机为核心，构成的自控变频同步电动机。
（3）、梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直流电动机——以梯形波永磁同步电动机为核心的自控变频同步电动机，性能更接近于直流电动机。但没有电刷，故称无刷直流电动机。
图6 自控变频同步电动机调速原理结构图
（3）、同步电动机矢量控制系统
同步电动机矢量控制系统的基本原理与异步电动机相似，是通过坐标变换把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。同步电动机的定阻绕组与异步电动机相同，主要差异在转子部分，同步电动机转子为直流励磁或永磁体，为了解决启动问题和抑制失步现象，有些同步电动机在转子侧带有阻尼绕组。由于同步电动机的转子结构与异步电动机不同，其矢量坐标变换也有自己的特色，比异步机的矢量坐标变换简单，主要有按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统和正弦波永磁同步电动机矢量控制系统等。
图 7 同步电动机矢量控制系统原理结构图
交流调速系统概述 1.1、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。相比于直流电动机，交流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。 随着电力电子技术，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，交流可调传动得到了广泛的发展，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。 1.2交流调速系统的应用 由于交流调速系统的优越性，其已经普遍应用于现代工业中，主要由以下几个方面：（1）、风机、水泵、压缩机耗能占工业用电的40%，进行变频、串级调速，可以节能。 （2）、对电梯等垂直升降装置调速实现无级调速，运行平稳、档次提高。 （3）、纺织、造纸、印刷、烟草等各种生产机械，采用交流无级变速，提高产品的质量和效率。 （4）、钢铁企业在轧钢、输料、通风等多种电气传动设备上使用交流变频传动。 （5）、有色冶金行业如冶炼厂对回转炉、培烧炉、球磨机、给料等进行变频无级调速控制。 （6）、油田利用变频器拖动输油泵控制输油管线输油。此外，在炼油行业变频器还被应用于锅炉引风、送风、输煤等控制系统。 （7）、变频器用于供水企业、高层建筑的恒压供水。 （8）、变频器在食品、饮料、包装生产线上被广泛使用，提高调速性能和产品质量。 （9）、变频器在建材、陶瓷行业也获得大量应用。如水泥厂的回转窑、给料机、风机均可采用交流无级变速。 （10）、机械行业是企业最多、分布最广的基础行业。从电线电缆的制造到数控机床的制造。电线电缆的拉制需要大量的交流调速系统。一台高档数控机床上就需要多台交流调速甚至精确定位传动系统，主轴一般采用变频器调速（只调节转速）或交流伺服主轴系统（既无级变速又使刀具准确定位停止），各伺服轴均使用交流伺服系统，各轴联动完成指定坐标位置移动。
基于单片机转差频率控制的交流调速系统设计 摘要 单片机控制的变频调速系统设计思想是用转差频率进行控制。通过改变程序来达到控制转速的目的。由于设计中电动机功率不大，所以整流器采用不可控电路，电容器滤波；逆变器采用电力晶体管三相逆变器。系统的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，SA8282大规模集成电路，保护电路，AT89C51单片机， 8255可编程接口芯片，I/O接口芯片，测速发电机等组成。回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运行的可靠性有了保障。 关键词:AT89C51单片机；SA8282；转差频率；交流调速；三相异步电动机
目录 前言 (1) 第1章交流调速系统的概述 (4) 1.1交流调速的基本原理 (4) 1.2 交流调速的特点 (5) 第2章交流调速系统的硬件设计 (7) 2. 1 转差频率控制原理： (7) 2. 2 系统设计的参数 (7) 2.3 用单片机控制的电机交流调速系统设计 (7) 2.3.1调速系统总体方案设计 (7) 2.3.2 元器件的选用 (9) 2.3.3 系统主回路的设计以及参数计算 (12) 2.3.4 SPWM控制信号的产生 (15) 2.3.5 光电隔离及驱动电路设计 (17) 2.3.6 故障检测及保护电路设计 (18) 2.3.7 模拟量输入通道的设计 (18) 第3章系统软件的设计 (19) 3.1 主程序的设计 (19) 3.2 转速调节程序 (19) 3.3 增量式PI运算子程序 (20) 3.4故障处理程序 (21) 3.5 部分子程序 (22) 3.5.1 AD0809的编程 (22) 3.5.2 8255的编程 (23) 结论 (23) 参考文献 (23)
中南大学 《工程训练》 ——设计报告 设计题目：异步电机变频调速 指引教师：黎群辉 设计人：冯露 学号： 专业班级：自动化0906班 设计日期：9月
交流异步电动机变频调速系统设计 摘要 近年来,交流电机变频调速及其有关技术研究己成为当代电气传动领域一种重要课题,并且随着新电力电子器件和微解决器推出以及交流电机控制理论发展，交流变频调速技术还将会获得巨大进步。 本文对变频调速理论，逆变技术，SPWM产生原理进行了研究，在此基本上设计了一种新型数字化三相SPWM变频调速系统，以8051控制专用集成芯片 SA4828为控制核心，采用IGBT作为主功率器件，同步采用EXB840构成IGBT驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控功率环节，电路构造比较简朴。 V控制，同步，软件程序使得参数输入和变频器运营方式变本文在控制上采用恒 f 化极为以便，新型集成元件采用也使得它开发周期短。 此外，本文对SA4828三相SPWM波发生器使用和编程进行了详细简介，完毕了整个系统控制某些软硬件设计。 V控制，SA4828波形发生器 核心字:变频调速，正弦脉宽调制， f
目录 摘要................................................ 错误!未定义书签。 1.1 研究目与意义 (1) 1.2本次设计方案简介 (2) 1.2.1 变频器主电路方案选定 (2) 1.2.2 系统原理框图及各某些简介 (3) 1.2.3 选用电动机原始参数 (4) 2交流异步电动机变频调速原理及办法 (5) 2.1 异步电机变频调速原理 (5) 2.2 变频调速控制方式及选定 (6) V比恒定控制 (6) 2.2.1 f 2.2.2 其他控制方式................................ 错误!未定义书签。3变频器主电路设计. (13) 3.1 主电路工作原理 (13) 3.2 主电路各某些设计 (13) 3.3. 采用EXB840IGBT驱动电路 (15) 4控制回路设计 (16) 4.1 驱动电路设计 (16) 4.2 保护电路......................................... 错误!未定义书签。 4.2.1 过、欠压保护电路设计........................ 错误!未定义书签。 4.2.2 过流保护设计................................ 错误!未定义书签。 4.3 控制系统实现 (19) 5变频器软件设计....................................... 错误!未定义书签。 5.1 流程图 (22)
交流调速系统 第一讲交流调速概述及现代电力电子 主讲人：讲课时间：2007年9月10日 主要内容 ?第一章交流调速概述 ?1.1 电气传动控制系统 ?1.2 交流电动机的调速方法 ?1.3 三相异步电动机的六种调速方式 ?1.4 交流调速的基本类型 第一章交流调速概述 直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生与19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。 但是，由于技术上的原因，在很长一段时期内，占整个电力拖动系统80%左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机（包括异步电动机和同步电动机），而在需要进行调速控制的高性能拖动系统中则基本上采用的直流电动机。 由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点： （1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短； （2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； （3）结构复杂，难以制造出大容量、高转速和高电压的直流电动机。 与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点： （1）结构坚固，工作可靠，易于维修保养； （2）不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； （3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。 因此，很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作。 直至20世纪70年代，交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正能够令人满意的成果，也因此限制了交流调速系统的推广应用。 也正是因为这个原因，在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖动系统中不得不采用挡板和阀门来调节风速和流量。 这种做法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源的浪费。 经历了20世纪70年代中期的第2次石油危机之后，人们充分认识到了节能工作的重要性，并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。 随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能的不断提高，变频驱动技术也得到了显著的发展。 随着各种复杂控制技术在变频器技术中的应用，变频器的性能不断提高，而且应用范围也越来越广。 １
天津职业技术师范大学 课程设计说明书题目：三相异步电动机变频调速系统设计及仿真 指导老师： 班级：机检1112班 组员
天津工程师范学院 课程设计任务书 机械工程学院机检1112 班学生 课程设计课题： 三相异步电动机变频调速系统设计及仿真 一、课程设计工作日自 2015 年 1 月 12 日至 2015 年 1 月 23 日 二、同组学生： 三、课程设计任务要求（包括课题来源、类型、目的和意义、基本要求、完成时 间、主要参考资料等）： 1、目的和意义 交流调速是一门重要的专业必修课，它具有很强的实践性。为了加深对所学课程（模拟电子技术、数字电子技术、电机与拖动、电力电子变流技术等）的理解以及灵活应用所学知识去解决实际问题，培养学生设计实际系统的能力，特开设为期一周的课程设计。 2、具体内容 写出设计说明书，内容包括： （1）各主要环节的工作原理； （2）整个系统的工作原理（包括启动、制动以及逻辑切换过程）； （3）调节器参数的计算过程。 2．画出一张详细的电气原理图； 3．采用Matlab中的Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的调节 器参数进行校正，验证设计结果的正确性。将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。 4、考核方式 1．周五采用口试方式进行考核（以小组为单位），成绩按百分制评定。其中小组分数占60%，个人成绩占40%（包括口试情况和上交材料内容）； 2．每天上午8:30--11:30在综合楼226房间答疑。 五、参考文献 1、陈伯时．电力拖动自动控制系统----运动控制系统（第3版）．机械工业出版社，2003 指导教师签字：教研室主任签字：
摘要 对于可调速的电力拖动系统来说，工程上通常分为直流调速系统和交流调速系统两大类。根据电动机在电能和机械能的转换时电流制型式的不同来分类，关于交流调速系统，它利用交流电动机来进行电能—机械能的转换，并且通过控制产生我们所需要的转速。在电力拖动的发展过程中，交流调速系统和直流调速系统一直并存于各个工业领域中，但是，在科学技术发展的不同时期，他们所处的地位也有所不同。相对于直流调速系统，交流调速系统具有结构简单，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，等优点并且在向高速，高压和大功率的发展前景也较好。近年来，很多国家偏向于对交流调速系统的研究。 关键词：矢量控制，交流调速，变频器，变频调速 第一章交流调速系统的发展 1.1交流调速系统的发展历程 在工业发展的初级阶段，交流电动机仅仅作为动力使用而无需调速。随着工业的进一步发展，尤其是电子方面和起重运输机械的发展，才对电动机的调速提出了要求，才有了直流电动机的出现。直流电机提高了生产的连续性和产品的产量以及质量，并且以其快速的正反转，准确的定位逐渐取代了简单可靠的交流电机，并且到了了广泛的运用于各行业。 80年代以来，由于直流调速系统造价高，维护投入大等缺点，在工业较为发达的国家开始使用直流调速系统，并且逐渐取代直流调速系统。这主要是由于电力电子器件，脉宽调制技术，矢量控制技术的发展，特别是以微处理机为核心的全数字化控制的应用，这才使得简单廉价的交流电机又得以取代直流电机调速系统占据主导地位。 现代控制理论的发展和应用，才促成矢量控制的出现，更是奠定了现代交流电机调速技术的理论基础，这才使得交流电机调速系统的性能能够与直流调速系统相媲美。国家的重视使得各种各样的的交流调速系统不断被开发，应用，普及，节约了社会上的大量资源，更是将社会上的传统产业发生了巨大的变革。 1.2交流调速系统的发展趋势 1.2.1交流调速系统的高性能化 交流电动机是一个多变量，强耦合，非线性的被控对象，单单用电压/频率恒定控制是不能满足我们对调速系统的要求的。接下来，交流调速系统将采用矢量控制技术，它将使调速性能达到并且超过直流调速系统。 矢量变换控制是新时期控制技术的发展随之产生的控制理论和技术，它是根据直流电动机的控制特点模拟它的控制方式来进行交流电动机的控制。直流调速的调速性能好的根本原因是交流电动机的转矩比较容易控制，而交流电动机的调速性能差就由于它的转矩难以控制，所以，要想交流电机得到的控制性能和直流电机的一样，就要通过电机统一理论和坐标变换理论，通过将交流电机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量以及跟它相垂直的坐标的转矩电流分量，将固定的坐标系转化为旋转坐标系解耦后，就是把交流量的控制转化为
用单片机控制的电机交流调速系统设计 文摘单片机控制的变频调速系统设计思想是用转差频率进行控制。通过改变程序来达到控制转速的目的。由于设计中电动机功率不大，所以整流器采用不可控电路，电容器滤波；逆变器采用电力晶体管三相逆变器。系统的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，HEF4752大规模集成电路，保护电路，Intel系列单片机，Intel8253定时/记数器，Intel8255可编程接口芯片，Intel8279通用键盘/显示器，I/O接口芯片，CD4527比例分频器和测速发电机等组成。回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运行的可靠性有了保障。 关键词MCS-51单片机；HEF4752；8253定时器；晶闸管；整流器；三相异步电动机
Exchange the speed of adjusting to design systematically with the electrical machinery that the one-chip computer controls Zhoumingqiang information and Electrical Engineering School, panzhihua university, Panzhihua 617000 Abstract Frequency conversion that one-chip computer control transfer speed systematic design philosophy with transfer to difference frequency control. Achieve the goal of controlling rotational speed through changing the procedure . Because the motor is not big in power in the design, the rectifier can not adopt controlledly the circuit, the condenser strains waves; Going against the becoming device adopts three phases of the electric transistor to go against the becoming device. The systematic ensemble architecture is by the main return circuit mainly, drive the circuit, the photo electricity isolates the circuit, HEF4752 large scale integrated circuit, protects the circuit, the Intel series one-chip computer, Intel8253 timing /count device of,Intel8255 programmable interface chip,Intel8279 keyboard not in common use / display, I/O interface chip, CD4527 proportion frequency division device and tests the speed such composition as the generator ,etc.. Have the dependability that can make the whole system operate of measuring and protecting the circuit to have guarantee in the return circuit [keywords] MCS-51；HEF4752；time/counter of l8253；selenium；rectifier；three phase eletromotor of asynchronism
交流调速系统的现状及发展趋势 摘要随着电力电子器件的发展，以及对效率的追求，交流调速得到快速发展，加上新技术、新理论不断渗透到交流调速之中，使其不断呈现新的面貌。 关键词交流调速；脉宽调制；智能化 0 引言 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 交流调速系统的发展及现状 长期以来,直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时,保持励磁电流恒定,可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速;在额定转速以上运行时,保持电枢电压恒定,可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此,20世纪80年代以前,在变速传动领域中,直流调速一直占据主导地位。交流变频调速[1]的优越性早在20世纪20年代被人们所认识。但受当时电力电子器件的限制而未能广泛应用。 从电力拖动的发展过程来看，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。随着电力电子器件，单片机的迅速发展，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。 1.1 电力电子器件是交流调速装置的支柱 电力电子器件是现代交流调速装置的支柱,其发展直接决定和影响交流调速技术的发展。迄今为止,电力电子器件的发展经历了分立换流关断器件(第一代) →自关断器件(第二代) →功率集成电路PIC (第三代) →智能模块IPM (第四代) 四个阶段。 20世纪80年代中期以前,变频装置功率回路主要采用晶闸管元件。装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。20世纪80年代中期以后用第二代电力电子器件GTR、GTO 、VDMOS-IGBT 等创造的变频装置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是20世纪90年代制造变频器的主流产品, 中、小功率的变频调速装置(1—100kw)主要是采用IGBT , 中、大功率的变频调速装置(1000 —10000kw) 采用GTO 器件。20 世纪90 年代至今,电力电子器件的发展进入了第四代。主要实用的第四代器件为:(1) 高压IGBT器件, (2) IGCT 由于GTR 、GTO 器件本身存在的不可克服的缺陷,功率器件进入第三代以来, GTR 器件已被淘汰不再使用。进入第四代后,GTO器件也将被逐步淘汰。第四代电力电子器件模块化更为成熟。如智能化模块IPM 、专用功率器件模块ASPM 等。模块化功率器件将是21 世纪主宰器件。
《交流调速系统》课后习题答案 第5章闭环控制得异步电动机变压调速系统 5-1异步电动机从定子传入转子得电磁功率中，有一部分就是与转差成正比得转差功率根据对处理方式得不同，可把交流调速系统分成哪几类？并举例说明。 答:从能量转换得角度上瞧，转差功率就是否增大，就是消耗掉还就是得到回收，就是评价调速系统效率高低得标志。从这点出发，可以把异步电机得调速系统分成三类。 1）转差功率消耗型调速系统：这种类型得全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统得效率最低，而且越到低速时效率越低，它就是以增加转差功率得消耗来换取转速 得降低得（恒转矩负载时）。可就是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定得应用价值。 2）转差功率馈送型调速系统：在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送得功率越多，绕线电机串级调速或双馈电机调速属于这一类。无论就是馈出还就是馈入得转差功率，扣除变流装置本身得损耗后，最终都转化成有用得功率，因此这类系统得效率较高，但要增加一些设备。 3）转差功率不变型调速系统：在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低 转差功率基本不变，因此效率更高，变极对数调速、变压变频调速属于此类。其中变极对数调速就是有级得，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能得交流调速系统,取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当得变压变频器，相比之下,设 备成本最高。 5-2有一台三相四极异步电动机，其额定容量为5、5kW,频率为50Hz,在某一情况下运行自定子方面输入得功率为6、32kW,定子铜损耗为341W,转子铜损耗为237、5W,铁心损耗为167、5W,机械损耗为45W,附加损耗为29W试绘出该电动机得功率流程图，注明各项功率或损耗得值，并计算在这一运行情况下该电动机得效率、转差率与转速。 解:，因为, 由已知条件得电磁功率为，所以有 所以
目录 摘要 (2) 1引言 (3) 1.1交流调速系统的现状 (3) 1.2交流调速系统的特点 (4) 1.3交流调速系统原理 (5) 2交流调速系统的硬件设计 (6) 2.1交流调速系统控制回路设计 (6) 2.2交流调速系统参数设计 (7) 2.3元器件的选用 (11) 3交流调速系统软件设计 (23) 3.1主程序设计及说明 (23) 3.2子程序设计 (26) 4结论 (28) 5参考文献 (28) 6致谢 (29)
单片机控制的交流调速系统设计 摘要 交流变频调速具有调速范围宽，稳速精度高，动态响应快，运行可靠等技术性能，已逐步取代直流电动机调速系统。然而目前的变频器大部分都是线路复杂，价格昂贵，常用于大、中功率的电动机。本课题单片机控制的变频调速系统设计思想是用转差频率进行控制。通过改变程序来达到控制转速的目的。由于设计中电动机功率不大，所以整流器采用不可控电路，电容器滤波；逆变器采用电力晶体管三相逆变器。系统的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，SA8282大规模集成电路，保护电路，AT89C51单片机， 8255可编程接口芯片，I/O接口芯片，测速发电机等组成。可以满足各种不同场合的应用，以达到调速节能的效果。 关键词:AT89C51单片机；SA8282；转差频率；交流调速；三相异步电动机
1引言 1.1交流调速系统的现状 电气传动从总体上分为调速和不调速两大类。按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流和化大生产的不断发展，生产技术越来越复杂，对生产工艺的要求也越来越高，这就要求生产交流两大类，直流电动机在19世纪先后诞生，但当时的电气传动系统是不调速系统，随着社会机械能够在工作速度，快速启动和制动，正反转等方面具有较好的运行性能。从而推动了电动机的调速不断向前发展，自从1834年直流电动机出现以后，直流电动机作为调速电动机的代表，在工业中得到了广泛的应用。它的优点主要在于调速范围广，静差小，稳定性能好以及具有良好的动态性能，晶闸管变流装置的应用使直流拖动发展到了一个很高的水平，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中相当长时间内几乎都采用直流拖动系统。尽管如此，直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向问题和在恶劣环境下的不适应问题，同时，制造大容量，高转速以及高电压直流电动机也十分困难，这就限制了直流传动系统的进一步发展。 交流电动机在1885年出现后，由于一直没有理想的调速方案，只被应用于恒速拖动系统，从本世纪30年代起，不少国家才开始提出各种交流调速的原始方案，晶闸管的出现使交流电动调速的发展出现了一个质的飞跃，使得半导体变流技术的交流调速得以实现，国际上在60 年代后期解决了交流电动机调速方案中的关键问题，70年代开始就实现了产品的高压，大容量，小型化，且已经逐渐取代了大部分传统的直流电动机的应用领域。交流调速系统发展迅速的很大一部分原因在于交流电动机本身的优点：没有电刷和换向器，结构简单，寿命长。近年以来大功率半导体器件，大规模集成电路，电子计算机技术的发展，加上交流电动机本身的优越特性，为交流调速提供了广泛的应用前景。目前交流电力拖
基于单片机控制的交流调速系统设计 摘要 单片机控制的变频调速系统设计思想是用转差频率进行控制。通过改变程序来达到控制转速的目的。由于设计中电动机功率不大，所以整流器采用不可控电路，电容器滤波；逆变器采用电力晶体管三相逆变器。系统的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，SA8282大规模集成电路，保护电路，AT89C51单片机， 8255可编程接口芯片，I/O接口芯片，测速发电机等组成。回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运行的可靠性有了保障。 关键词:AT89C51单片机；SA8282；转差频率；交流调速；三相异步电动机
目录 前言 (1) 第1章交流调速系统的概述 (4) 1.1交流调速的基本原理 (4) 1.2 交流调速的特点 (5) 第2章交流调速系统的硬件设计 (7) 2. 1 转差频率控制原理： (7) 2. 2 系统设计的参数 (7) 2.3 用单片机控制的电机交流调速系统设计 (7) 2.3.1调速系统总体方案设计 (7) 2.3.2 元器件的选用 (9) 2.3.3 系统主回路的设计以及参数计算 (12) 2.3.4 SPWM控制信号的产生 (15) 2.3.5 光电隔离及驱动电路设计 (17) 2.3.6 故障检测及保护电路设计 (18) 2.3.7 模拟量输入通道的设计 (18) 第3章系统软件的设计 (19) 3.1 主程序的设计 (19) 3.2 转速调节程序 (19) 3.3 增量式PI运算子程序 (20) 3.4故障处理程序 (21) 3.5 部分子程序 (22) 3.5.1 AD0809的编程 (22) 3.5.2 8255的编程 (23) 结论 (23) 参考文献 (23)
《运动控制系统》课程设计指导书 一、课程设计的主要任务 （一）系统各环节选型 1、主回路方案确定。 2、控制回路选择：给定器、调节放大器、触发器、稳压电源、电流截止环 节，调节器锁零电路、电流、电压检测环节、同步变压器接线方式（须对以上环节画出线路图，说明其原理）。 （二）主要电气设备的计算和选择 1、整流变压器计算：变压器原副方电压、电流、容量以及联接组别选择。 2、晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择。 3、系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择 计算。 4、平波电抗器选择计算。 （三）系统参数计算 1、电流调节器ACR 中i i R C 、 计算。 2、转速调节器ASR 中n n R C 、 计算。 3、动态性能指标计算。 （四）画出双闭环调速系统电气原理图。 使用A1或A2图纸，并画出动态框图和波德图（在设计说明书中）。 二、基本要求 1、使学生进一步熟悉和掌握单、双闭环直流调速系统工作原理，了解工程设计的基本方法和步骤。 2、熟练掌握主电路结构选择方法，主电路元器件的选型计算方法。 3、熟练掌握过电压、过电流保护方式的配置及其整定计算。 4、掌握触发电路的选型、设计方法。 5、掌握同步电压相位的选择方法。 6、掌握速度调节器、电流调节器的典型设计方法。
7、掌握电气系统线路图绘制方法。 8、掌握撰写课程设计报告的方法。 三、 课程设计原始数据 有以下四个设计课题可供选用： A 组： 直流他励电动机：功率P e ＝，额定电流I e =，磁极对数P=1，n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =Ω,主电路总电阻R ＝7Ω，L ∑＝(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，K s =，机电时间常数T m =，滤波时间常数T on =T oi =，过载倍数λ＝， 电流给定最大值 10V U im =* ，速度给定最大值 10V U n =* B 组： 直流他励电动机：功率P e ＝22KW ，额定电压U e =220V ，额定电流I e =116A,磁极对数P=2，n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =Ω,主电路总电阻R ＝Ω，L ∑＝(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，电磁系数C e = Vmin ／r ，K s =22，电磁时间常数T L =，机电时间常数T m =，滤波时间常数T on =T oi =，过载倍数λ＝，电流给定最 大值 10V U im =* ，速度给定最大值 10V U n =* C 组： 直流他励电动机：功率Pe ＝145KW ，额定电压Ue=220V ，额定电流Ie=733A,磁极对数P=2，ne=430r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=Ω,主电路总电阻R ＝Ω，Ks=，电磁时间常数TL=，机电时间常数Tm=，滤波时间常数Ton=Toi=，过载倍数λ＝，电流给定最大值 8V U im =* ，速度给定最大值 10V U n =* D 组： 直流他励电动机：功率Pe ＝145KW ，额定电压Ue=220V ，额定电流Ie=,磁极对数P=1，ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=Ω,主电路总电阻R ＝Ω，Ks=27，电磁时间常数TL=，机电时间常数Tm=，滤波时间常数Toi=，Ton=，过载倍数λ＝，电流给定最大值 8V U im =* ，速度给定最大值 10V U n =* ，β＝A ，α＝ Vmin ／r 双闭环直流电机调速系统设计参考案例 第一章 绪 论 1．1 直流调速系统的概述
《交流调速系统》课后习题答案 第 5 章 闭环控制的异步电动机变压调速系统 5-1 异步电动机从定子传入转子的电磁功率m P 中，有一部分是与转差成正比的转差功率s P ，根据对s P 处理方式的不同，可把交流调速系统分成哪几类？并举例说明。 答：从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统 效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。 1）转差功率消耗型调速系统：这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。 2）转差功率馈送型调速系统：在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通 过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线电机串级调速或双馈电机调速属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成 有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。 3）转差功率不变型调速系统：在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，变极对数调速、变压变频调速属于此类。其中变极对数 调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。 5-2 有一台三相四极异步电动机，其额定容量为5.5kW ，频率为50Hz ，在某一情况下运行，自定子方面输入的功率为6.32kW ，定子铜损耗为341W ，转子铜损耗为237.5W ，铁心损耗为167.5W ，机械损耗为45W ，附加损耗为29W ，试绘出该电动机的功率流程图，注明各项功率或损耗的值，并计算在这一运行情况下该电动机的效率、转差率和转速。 解：87.032 .65.5==η，因为rpm 1500250606010=?==p f n ， 由已知条件得电磁功率为kw 8115.5=m P ，所以有041.08115 .52375.0== s 所以rp m 1439)041.01(150000=-=-=sn n n
《交流调速系统》复习题 不断地耕耘，献出我们的心血与智慧！ 一、填空题 1、生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比被称为调速范围，用字母D表示。 2、交流调速系统的应用领域主要有3个方面，分别是一般性能的节能调速和按工艺要求调速、高性能的交流调速系统和伺服系统、特大容量与极高转速的交流调速。 3、按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分为两部分，一部分是拖动生产机械的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率成正比。 4、按电动机能量转换类型分类，交流调速系统可分为转差功率消耗型、转差功率馈送型、转差功率不变型。 5、按电动机调速方法分类，常见的交流调速方法有变极对数调速、变压变频调速、降电压调速、转差离合器调速、转子串阻调速、绕线式电机串级调速等。 6、调压调速即通过调节通入异步电动机的三相交流电压大小来调节转子转速的方法。理论依据来自异步电动机的机械特性方程式。 7、异步电动机调压调速的方法一般有四种：自耦调压器、饱和电抗器、晶闸管交流调压器、全控新型调压器。 8、对于绕线式异步电动机，可以在其转子回路串入电阻来减小电流，从而减小电磁转矩，进而减小转速。 9、所谓“双馈”，就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与交流电网连接，转子绕组则与其他含电动势的电路连接，使它们可以进行电功率的相互传递。 10、在双馈调速工作时，除了电机定子侧与交流电网直接连接外，转子侧也要与交流电网或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势。 11、在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。对于只用于次同步电动状态的情况来说，比较方便的办法是将转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制其幅值，就可以调节异步电动机的转速。 12、串级调速装置是指整个串级调速系统中除异步电动机以外为实现串级调速而附加的所有功率部件，包括转子整流器、逆变器、逆变变压器。 13、电气串级调速系统具有近似恒转矩的机械特性。机械串级调速系统具有近似恒功率的机械特性。 14、串级调速系统与转子自然接线相比，最大拖动转矩减少到原来的%，即异步电动机的过载能力损失17%左右。
SPWM在交流调速系统 中的应用 ： 班级： 学号：
目录 序言 (2) 1.正弦脉宽调制SPWM型逆变器基础理论 (2) 1.1正弦脉宽调制（SPWM） (3) 1.2 SPWM波的调制条件 (5) 2.三相SPWM逆变电路带星型负载的仿真 (5) 2.1建立三相SPWM仿真模型： (6) 2.2仿真结果分析 (7) 3．三相异步电机调速系统SPWM电压型逆变器的仿真 (10) 3.1 建立模型基础概念 (10) 3.2 SPWM电压型逆变器矢量仿真模型的建立 (11) 3.3 仿真结果及其分析 (13) 序言 交流电机传动的电力机车是由电压型、电流型交直交变流器供电的异步电机组成的系统，包括整流器，直流中间环节，和逆变部分。而逆变器是控制 6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电件的通断，可以得到不路。按照一定规律控制同频率的三相交流输出各半导体开关器件的通断，可以得到不同频率的三相交流输出。本文针对逆变环节，在理论分析的基础上，对针对带一般星型电感性负载，和在三相异步电机的情况下分别进行了MATLAB仿真，并对负载突然变动时的情况进行了讨论（添加一个阶跃转矩），在对三相异步电机进行仿真时，采用了转差频率控制的矢量控制模型，即使在负载变动的情况下，系统仍能在很短的时间达到稳定，可见其具有很好的调速性能。 为了简便起见，本文仅针对电压源型逆变环节进行讨论，所以在MATLAB仿真中，直流中间环节采用直流电源替换，电压源型逆变器的原理图如下图所示： 电压型逆变器 1.正弦脉宽调制SPWM型逆变器基础理论 所谓PWM（Pulse Width Modulation）是用直流斩波的方法，将逆变器的输出相电压调制成幅值相等的若干个矩形电压脉冲，通过调节占空比改变脉冲宽度，即可改变输出电压的大小，而调节一个周期的循环开断时间可改变输出电压
电气与电子信息工程学院 《控制系统课程设计》 课程设计报告 名称：直流调速系统设计及仿真和交流调压调速系统建模及仿真专业名称：电气工程及其自动化 班级：级（专升本）班 学号： 姓名： 指导教师： 设计地点：
课程设计任务书 2014～2015学年第一学期 学生姓名：专业班级：电气工程及其自动化级专升本班 指导教师：工作部门：电气教研室 一、课程设计题目：直流调速系统设计及仿真和交流调压调速系统建模及仿真 二、设计目的： 《控制系统课程设计》是继“自动控制系统”课之后开设的实践性环节课程。由于它是一门理论深、综合性强的专业课，单是学习理论而不进行实践将不利于知识的接受及综合应用。本课程设计将起到从理论过渡到实践的桥梁作用,通过该环节训练达到下述教学目的： 1、通过课程设计，使学生进一步巩固、深化和扩充在交直流调速及相关课方面的基本知识、基本理论和基本技能，达到培养学生独立思考、分析和解决问题的能力。 2、通过课程设计，让学生独立完成一项直流或交流调速系统课题的基本设计工作，使学生熟悉设计过程，了解设计步骤，达到培养学生综合应用所学知识能力、培养学生实际查阅相关设计资料能力的目的、培养学生工程绘画和编写设计说明书的能力。 3、通过课程设计，提高学生理论联系实际，综合分析和解决实际工程问题的能力。通过它使学生理论联系实际，以实际系统作为实例，对系统进行分析设计，掌握控制系统设计必须遵循的原则、基本内容、设计程序、设计规范、设计步骤方法及系统调试步骤。通过设计培养学生严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风。培养学生的创新意识和创新精神，为今后走向工作岗位从事技术打下良好基础。 三、课程设计内容（含技术指标） 1．直流调速系统设计及仿真题目和设计要求 不可逆直流调速系统设计：设计数据：直流电机额定功率P N=10KW；额定电压UN=220V, 额定电流I N=55A,极对数2P=4,转速n N=1000r/min；电枢电感L D=7mH；电枢电阻Ra=0.5Ω ,励磁电压U L=220V, 励磁电流I L=1.6A；要求系统调速范围D=10,S≤ 5%，电流脉动系数Si≤10%。 设计要求: 1、调速方案选择及确定 2、主电路计算和元件选择 3、触发电路设计选择 4、控制回路设计元件选择和指标校验 5、辅助电路设计及选择 6、PCB板设计(选做) 7、调试方案制订 8、对系统进行仿真 9、上交设计说明书，原理图 2．交流调速系统建模及仿真 系统设计数据技术数据：380V，50HZ，三相交流供电电源 鼠笼式三相交流异步电动机，额定功率PN=2.2kW，额定电压UN=380v，额定电流IN=10A，额定转速n N=1460r/min,，J=0.2kg2m2，Rs=0. 5Ω，Rr=2Ω，P=2。建立交流调压调速系统的仿真模型，并进行参数设置。做出仿真结果，上交说明书。
基于单片机控制得交流调速系统设计 摘要 单片机控制得变频调速系统设计思想就是用转差频率进行控制.通过改变程序来达到控制转速得目得。由于设计中电动机功率不大,所以整流器采用不可控电路,电容器滤波；逆变器采用电力晶体管三相逆变器.系统得总体结构主要由主回路，驱动电路,光电隔离电路,SA8282大规模集成电路,保护电路,AT89C51单片机, 8255可编程接口芯片，I/O接口芯片,测速发电机等组成.回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运行得可靠性有了保障。 关键词：AT89C51单片机；SA8282;转差频率；交流调速;三相异步电动机 目录 前言 (1) 第1章交流调速系统得概述 (4) 1、1交流调速得基本原理 (4) 1、2 交流调速得特点 (5) 第2章交流调速系统得硬件设计 (7) 2、 1 转差频率控制原理: (7) 2、 2 系统设计得参数 (7) 2、3 用单片机控制得电机交流调速系统设计 (7) 2、3、1调速系统总体方案设计 (7) 2、3、2 元器件得选用 (9) 2、3、3 系统主回路得设计以及参数计算 (12) 2、3、4 SPWM控制信号得产生 (15) 2、3、5 光电隔离及驱动电路设计 (17) 2、3、6 故障检测及保护电路设计 (18) 2、3、7 模拟量输入通道得设计 (18) 第3章系统软件得设计 (19) 3、1 主程序得设计 (19) 3、2 转速调节程序 (19) 3、3 增量式PI运算子程序 (20)
3、4故障处理程序 (21) 3、5 部分子程序 (22) 3、5、1 AD0809得编程 (22) 3、5、2 8255得编程 (23) 结论 (23) 参考文献 (23) 前言 自上个世纪90年代以来，近代交流调速步入了以变频调速为主导得发展阶段.其间,由于各种新型电力电子器件得支持，使变频调速在低压（380 V)、中小容量（200 kW以下）方面取得了较大得进展。但就是面对高压（6～10 kV）中大容量领域，由于电力电子器件自身规律得限制,变频调速在技术上遇到了很大困难，无论就是“高-低”“、高—低-高”以及“多电平串联”等方案，都在实践中暴露出技术复杂、价格昂贵、效率降低、可靠性较差等缺点。从理论上瞧,高压变频所面临得问题就是违反电力电子器件客观规律得结果,因为目前几乎所有得电力电子器件，其材料、工艺机理都决定了其属性就是低压大电流得。 尽管如此,高压变频得势头仍有增无减，除了客观市场需求得拉动以外（诸如高压中大容量得风机泵类节能）,主要就是“变频调速就是唯一得最佳交流调速”理论导向得结果。根据近代交流调速理论,交流调速被划分为变频、变极与变转差率三种方案，在缺乏科学分析得条件下,认定变转差率调速就是低效率得,而变极调速又属于有级调速，因此惟有变频调速最佳.而变频调速方法与变转差调速方法有本质不同，从高速到低速都可以保持有限得转差率，因而变频调速具有高效率、宽范围与高精度得调速性能。可以认为，变频调速就是交流电动机得一种比较合理与理想得调速方法。” 随着电力电子技术、微电子技术与自动控制理论得发展,交流调速技术也有了日新月异得变化。可调速得高性能交流电力拖动系统在工业上得应用也越来越广。进入21世纪交流调速技术也进入了现代交流调速技术时代,现代交流调速技术也成为人类社会得重大技术进步之一。其发展速度之快、应用覆盖范围之广都就是前所未有得。而且应用实践表明，采用现代交流调速技术极大得提高了传动系统得运行质量,同时,带来了巨大得经济与社会效益。 第1章交流调速系统得概述