中南大学
《工程训练》
——设计报告
设计题目：异步电机的变频调速
指导老师：黎群辉
设计人：冯露
学号：0909092117
专业班级：自动化0906班
设计日期：2012年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相关技术的研究己成为现代电气传动领域的一个重要课题,并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变频调速技术还将会取得巨大进步。
本文对变频调速理论，逆变技术，SPWM产生原理进行了研究，在此基础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，同时采用EXB840构成IGBT的驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控的功率环节，电路结构比较简单。
V控制，同时，软件程序使得参数的输入和变频器运行方式本文在控制上采用恒
f
的改变极为方便，新型集成元件的采用也使得它的开发周期短。
另外，本文对SA4828三相SPWM波发生器的使用和编程进行了详细介绍，完成了整个系统控制部分的软硬件设计。
V控制，SA4828波形发生器
关键字:变频调速，正弦脉宽调制，
f
目录
摘要ii
1.1 研究的目的与意义1
1.2本次设计方案简介2
1.2.1 变频器主电路方案的选定2
1.2.2 系统原理框图及各部分简介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方法5
2.1 异步电机变频调速原理5
2.2 变频调速的控制方式及选定6
V比恒定控制6
2.2.1
f
2.2.2 其它控制方式10
3变频器主电路设计13
3.1 主电路的工作原理13
3.2 主电路各部分的设计13
3.3. 采用EXB840的IGBT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15
4.2.1 过、欠压保护电路设计15
4.2.2 过流保护设计17
4.3 控制系统的实现19
5变频器软件设计20
5.1 流程图22
5.2 程序设计23
总结33
参考文献34
所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将50Hz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交-交变频)，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中;间接变频(又称交-直-交变频)，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。
本设计所设计的题目属于间接变频调速技术。它主要包括整流部分、逆变部分、控制部分及保护部分等。逆变环节为三相SPWM逆变方式。
1.1研究的目的与意义
在工业发展的初级阶段，人们主要使用集中传动。作为动力的鼠笼电动机，是不需要调速的。它只需要满足各种生产条件对它提出的起动和稳速运行的要求就可以，调速的任务是由皮带和齿轮来完成。随着生产规模的不断扩大，对生产的连续性和流程化的要求愈来愈高，发展电机的调速技术已经是势在必行了。直流调速系统，由于其良好的调速性能，很长的时期内在调速领域内占据首位。但是由于直流电动机本身有机械换向器，给直流调速系统造成一些固有的、难于解决的问题。
随着交流传动电动机调速的理论问题的突破和调速装置(主要指变频器)性能的完善，交流电动机调速系统的性能差的缺点已经得到了克服，目前，交流调速系统的性能已经可以和直流系统相媲美，甚至可以超过直流系统。由于交流调速不断显示其本身的优越性和巨大的社会效益，使变频器具有越来越旺盛的生命力。各种性能优越的新型电力半导体器件的出现，如既能控制导通又能控制关断的门极可关断晶闸管GTO；具有良好功率转换效率和适于在高频大功率情况下工作的MOSFET；既有MOS管栅极驱动电压功率小和驱动线路简单，又有双极性功率晶体管导通饱和压降小优点的绝缘栅双极性大功率管IGBT；以及内部既有大功率开关器件，又有各种驱动电路和过压、过流等保护电路的智能型功率模块IPM等器件的应用，不仅使交流调速系统控制装置体积小，效率高，而且还更容易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案，更加充实和推动了变频器理论的进一步发展。
能完成各种复杂信号和信息处理的集成芯片的出现，如能产生脉宽调制信号的专用集成电路以及各种单片机和计算机系统用的微处理器和接口芯片的大量问世，为高质量的控制创造了良好的条件。建立在电机统一理论和机电一体化理论基础上的各种先进控制方案，通过快速检测电流实现PWM控制的变频技
术，通过直接控制转矩来快速控制转速的转速自调整技术，以及具有很强抗干扰能力的变结构控制系统等等，都极大地丰富了电机调速领域的内容。
总之，交流电机调速技术的发展，特别是变频器传动本身固有的优势，必将使之应用于社会生产的各个领域，以体现出不同的功能，达到不同的目的，收到相应的效益。因此，本论文通过对变频器的研究，对于交流变频调速系统理论的应用，有着实际的意义和一定的应用价值。
1.2本次设计方案简介
1.2.1变频器主电路方案的选定
变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。静止式变频器从变换环节分为两大类：交-直-交变频器和交-交变频器。
1.交-交型变频器：它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3～1/2,所以不能高速运行。
2.交-直-交型变频器：交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种：
（1）电流型变频器
电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。
（2）电压型变频器
电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。
由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。
由于交-直-交型变频器是目前广泛应用的通用变频器，所以本次设计中选用此种间接变频器，在交-直-交变频器的设计中，虽然电流型变频器可以弥补电压型变频器在再生制动时必须加入附加电阻的缺点，并有着无须附加任何设备即可以实现负载的四象限运行的优点，但是考虑到电压型变频器的通用性及其优点，在本次设计中采用电压型变频器。
1.2.2系统原理框图及各部分简介
本文设计的交直交变频器由以下几部分组成，如图1.1所示。
图1.1 系统原理框图
系统各组成部分简介：
供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220V，中大功率的采用三相380V电源。因为本设计中采用中等容量的电动机，所以采用三相380V电源。
整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。在本设计中采用三相不可控整流。它可以使电网的功率因数接近1。
滤波电路：因在本设计中采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。
逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。在设计中采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。
电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。
控制电路：采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。
1.2.3选用电动机原始参数
在这次设计中，采用中等容量的电动机，具体数据如下：
额定功率P e=3KW，
额定电压U e=380V;
额定电流I e=6.1A，
转速n e=2880/min;
Y接法，
f e=50H z.
2交流异步电动机变频调速原理及方法
2.1 异步电机变频调速原理
交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。
交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。
交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定
子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速，用0n 表示：
p f
n 600=
（2-7）
式中：f 为三相交流电源频率，一般是50Hz ；p 为磁极对数。当p =1是，
0n =3000r ／min ；p =2时，0n =1500r ／min 。
由上式可知磁极对数p 越多，转速0n 就越慢，转子的实际转速n 比磁场的同步转速0
n 要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率s 表示：
%1000
0?-=
n n
n s （2-8）
在加上电源转子尚未转动瞬间，n =0，这时s =1；启动后的极端情况n =0n ，则s =0，即s 在0～1之间变化，一般异步电动机在额定负载下的 s =1%～6%。综合（2-7）和（2-8）式可以得出：
060(1)
(1)f s n n s p -=-=
（2-9）
由式（2-9）可以看出，对于成品电机，其极对数p 已经确定，转差率s 的变化不大，则电机的转速n 与电源频率f 成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。 2.2 变频调速的控制方式及选定 2.2.1f V 比恒定控制
f V
比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。
它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁通基本恒定，从
而在较宽的调速X 围内，使电动机的效率、功率因数不下降。f V 控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。
三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态，从而使铁心材料得到充分的利用。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率发生变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足
或励磁过强。在励磁不足时电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于饱和状态，是电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的功率损耗，降低电动机的效率和功率因数。因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定为额定值。
由电机理论知道，电机定子的感应电势有效值是：
11114.44N m
E f N K =Φ
则 111144.4N K f E N m =
Φ 即1
1m f E
∝Φ （2-10）
另外，电机的电磁转矩为:
2
2m T e cos ΦI Φ=T C （2-11）
其中 T C —与电动机有关的常数；
Cos 2Φ—转子每相电路功率因数；
2Φ—转子电压与电流的相位差；
e T —电机的电磁转矩。
由式(2-10)推断，若1E 不变，当定子电源频率1f 增加，将引起气隙磁通m
Φ减小；而由式(2-11)可知，m Φ减小又引起电动机电磁转矩e T 减小，这就出现了频率增加，而负载能力下降的情况。在1E 不变时，而定子电源频率1f 减小，又将引起m Φ增加,m Φ增加将导致磁路饱和，励磁电流升高，从而导致电动机发热，严重时会因绕组过热而损坏电动机。由以上情况可知:变频调速时，必须使气隙磁通不变。因此，在调节频率的同时，必须对定子电压进行协调控制，但控制方式随运行频率在基频以下和基频以上而不同。
1.基频以下调速
由式(2-10)可知，要保持m Φ不变，当频率1f 从额定值N f 向下调节时，必须同时降低1E ,使
1
1
f E =常值
只要保持1
1
f E 为常数，就可以达到维持磁通恒定的目的。因此这种控制又
称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。 根据电机端电压和感应电势的关系式：
11111
()U E r jx I =++(2-12)
式中:
1
U -定子相电压；
1
r -定子电阻； 1x -定子阻抗； 1
I -定子电流。
当电机在额定运行情况下，电机定子电阻和漏阻抗的压降较小，1U 和1E
可以看成近似相等，所以保持f V =常数即可。
由于f V 比恒定调速是从基频向下调速，所以当频率较低时，1U 与1E
都变小，定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能再忽略。这种情况下，可以人
为地适当提高定子电压以补偿电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。
变频后的机械特性如图2.4所示。
图2.1 电动机低于额定转速方向调速时的机械特性
从图2.4中可以看出，当电动机向低于额定转速0n 方向调速时,曲线近似平行地下降，减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性；但是临界转矩却随着电动机转速的下降而逐渐减小，这就是造成了电动机负载能力的下降。
临界转矩下降的原因可以如下解释：为了使电动机定子的磁通量m Φ保持恒定，调速时就要求感应电动势1E 与电源频率1f 的比值不变，为了使控制容易实现，采用电源电压U ≈1E 来近似代替，这是以忽略定子阻抗压降作为代价，当然存在一定的误差。显然，被忽略的定子阻抗压降在电压U 中所占的比例大小决定了它的影响。当1f 的数值相对较高时，定子阻抗压降在电压U 中所占的比例相对较小，U ≈1E 所产生的误差较少；当1f 的数值较低时，定子阻抗压降在
电压U 中所占的比例下降，而定子阻抗的压降并不按同比例下井，使得定子阻抗压降在电压U 中的比例增大，已经不能再满足U ≈1E 。此时如果仍以U 代替
1E ，将带来很大的误差。因为定子阻抗压降所占的比例增大，使得实际上产生的感应电动势1E 减小，1
1f E 的比值减小，造成磁通量m Φ减小，因而导致电动
机的临界转矩的下降。
变频后机械特性的降低将是电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用。一种简单的解决方法就是所示的f
V 转矩补偿法。
f
V 转矩补偿法的原理是：针对频率f 降低时，电源电压U 成比例地降低引起的U 的下降过低，采用适当的提高电压U 的方法来保持磁通量m Φ恒定，使电动机转矩回升，因此，有些变频器说明书又称它为转矩提升（Torque Boost ）。
带定子压降补偿的压频比控制特性示于图2.5中的b 线，无补偿的控制特性则为a 线。
定子降压补偿只能补偿于额定转速方向调速时的机械特性，而对向高于额定转速方向调速时的机械特性不能补偿。
图2.2 压频比控制特性曲线
补偿后的机械特性曲线如图2.6所示。
图2.3补偿后的机械特性曲线
2.在基频以上调速
在基频以上调速时，频率可以从额定频率N f 向上增高，但是电压却不能超出额定电压N U ，由式（2-10）可知，这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种调速方式下，转子升高时转矩降低，属于恒功率调速方式。
变频后的机械特性如图2.7所示。
图2.4 电动机高于额定转速方向调速时的机械特性
当电动机向高于额定转速0n 方向调速时，曲线不仅临界转矩下降，而且曲线工作段的斜率开始增大，使得机械特性变软。
造成这种现象的原因是：当频率1f 升高时，电源电压不可能相应升高。这是因为电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压，所以，磁通量m 将随着频率1f 的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转矩下降，造成电动机的机械特性变软。
以上调速方式相应的特性曲线如图2.8所示。
注：图中曲线1——在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线 图中曲线2——在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线
f
V
比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定子的电压和电势近似相等条件已不能满足，所以仍按f V 比恒定控制就不能保持电机磁通恒定，而电机磁通的减小势必会造成电机的电磁转矩减小。另一方面原因是低速时逆变器桥臂上、下开关元件的导通时间相对较短，电压下降，而且它们的互锁时间也造成了电压降低，从而引起转矩脉动，在一定条件下这将会引起转速、电流的振荡，严重时会导致变频器不能运行。 2.2.2 其它控制方式
1.转差频率控制变频调速
转差率控制方式是f V 控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出时转差率，而变频器的输出频率则有电动机实际转速与所需转差频率之和决定。它是解决f V 控制静态性能较差的一种有效方法。虽然这种方法可以提高调速精度，但是它需要使用速度传感器来求取转差角频率，还要针对具体电机的机械特性调整控制参数，因而此方法的通用性较差。
2.矢量控制变频调速
矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流a I 、b I 、c I 通过三相——两相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流1αI 、
1βI ，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流
1m I 、1t I （1m I 相当于直流电动机的励磁电流；1t I 相当于与转矩成比例的电枢电
流），然后仿效直流电动机的控制方法，求得直流电动机控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。在高性能的异步电机控制系统中多采用交叉闭环控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。虽然这一理论的提出是交流传动理论上的一个飞跃，但是由于它既要确定转子的磁链，又要进行坐标变换，还要考虑转子参数变动带来的影响，所以系统非常复杂。矢量控制变频器通常应用于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的场合。
3.直接转矩控制变频调速
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock 教授首次提出了直接转矩控制变频技术。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化成等效直流电动机，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。
日前市场销售的通用变频器的控制多半为f V 比恒定控制，它的应用比较广泛，特别是在风机，泵及土木机械等方面应用较多，f V 比恒定控制的突出优点是可以进行电机的开环速度控制。
从以上的分析可看出，f V 控制常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。由于f V 控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电机，所以这种控制方法通用性强、经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。由此，在本设计中采用f V 控制。
3变频器主电路设计
3.1主电路的工作原理
变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这
个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。
在本设计中采用图3.1的主电路，这也是变频器常用的格式[4]。
图3.1 电压型交直交变频调速主电路
3.2主电路各部分的设计
1.交直电路设计
选用整流管61VD VD 组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。整流后的电压为d U =1.35L U =1.35×380V=513V 。
滤波电容F C 滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。 当变频器通电时，滤波电容F C 的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管，为了保护二极管，在电路中串入限流电阻L R ，从而使电容F C 的充电电流限制在允许的X 围内。当F C 充电到一定程度，使L S 闭合，将限流电阻短路。
在许多下新型的变频器中，L S 已有晶闸管替代。
电源指示灯HL 除了指示电源通电外，还作为滤波电容放电通路和指示。由于滤波电容的容量较大，放电时间比较长（数分钟），几百伏的电压会威胁人员安全。因此维修时，要等指示灯熄灭后进行。
B R 为制动电阻，在变频器的交流调速中，电动机的减速是通过降低变频器
的输出频率而实现的，在电动机减速过程中，当变频器的输出频率下降过快时，
电动机将处于发电制动状态，拖动系统的动能要回馈到直流电路中，使直流电路电压（称泵升电压）不断上升，导致变频器本省过电压保护动作，切断变频器的输出。为了避免出现这一现象，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，B R 和B V 的作用就是消耗掉这部分能量。如图3.1所示，当直流中间电路上电压上升到一定值，制动三极管B V 导通，将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。
2.直交电路设计
选用逆变开关管61V V -组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的交流电，逆变管在这里选用IGBT 。
续流二极管127VD VD -的作用是：当逆变开关管由导通变为截止时，虽然电压突然变为零，但是由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二极管提供通道，维持电流在线圈中流动。另外，当电动机制动时，续流二极管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。
电阻0601R R -，电容0601C C -，二极管0601VD VD -组成缓冲电路，来保护逆变管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流c I 和集电极与发射极间的电压ce V 的冲击，因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变管关断时，ce V 迅速上升，c I 迅速降低，过高增长的电压对逆变管造成危害，所以通过在逆变管两端并联电容（0601C C -）来减小电压增长率。当逆变管开通时，ce V 迅速下降，
c I 迅速升高，并联在逆变管两端的电容由于电压降低，将通过逆变管放电，这
将加速电流c I 的增长率，造成IGBT 的损坏。所以增加电阻0601R R -，限制电容的放电电流。可是当逆变管关断时，该电阻又会阻止电容的充电，为了解决这个矛盾，在电阻两端并联二极管（0601VD VD -），使电容充电时避开电阻，通过二极管充电。放电时，通过电阻放电，实现缓冲功能。这种缓冲电路的缺点是增加了损耗，所以适用于中小功率变频器。因本次设计所选用的电动机为中容量型，在此选用此种缓冲电路。
3.3采用EXB840的IGBT 驱动电路
采用EXB840集成电路驱动的IGBT 的典型应用电路如图3.5所示[8]。 其中ERA34-10是快速恢复二极管。IGBT 的栅极驱动连线应该用双绞线,长度应该小于1m,以防止干扰,如果IGBT 的集电极产生大的电压脉冲,可增加IGBT 的栅极电阻G R 。
图3.2 EXB840组成的驱动电路
4控制回路设计
控制回路是为变频器的主电路提供通断信号的电路，其主要任务是完成对
逆变器开关元件的开关控制。控制方式有模拟控制和数字控制两种，本设计中采用的是以微处理器为核心的全数字控制，优点是它采用简单的硬件电路，主要依靠软件来完成各种控制功能，以充分发挥微处理器计算能力和软件控制灵活性高的特点来完成许多模拟量难以实现的功能。设计控制电路如下：
4.1驱动电路设计
驱动电路的作用是逆变器中的逆变电路换流器件提供驱动信号。主电路逆变电路设计中采用的电力电子器件是IGBT，故称为门极驱动电路。以下将介绍SPWM技术工作原理和设计中所选用能产生SPWM波芯片SA4828的基本结构和工作原理。
4.2保护电路
保护电路的主要功能是对检测电路得到的各种信号进行运算处理，以判断变频器本身或系统是否出现异常。当检测到异常时，进行各种必要的处理[12]。4.2.1过、欠压保护电路设计
过压、欠压保护是针对电源异常、主回路电压超过或低于一定数值时考虑的。通用变频器输入电源电压允许波动的X围一般是额定输入电压的士10%。通常情况下，主回路直流环节的电压与输入电压保持固定关系。当输入电源电压过高，将使直流侧电压过高。过高的直流电压对IGBT的安全构成威胁，很可能超过IGBT的最大耐压值而将其击穿，造成永久性损坏。当输入电压过低时，虽不会对主回路元件构成直接威胁，但太低的输入电压很可能使控制回路工作不正常，而使系统紊乱，导致SA4828输出错误的触发脉冲，造成主回路直通短路而烧坏IGBT。而且较低的输入电压也使系统的抗干扰能力下降。因此有必要对系统的电压进行保护。图 4.5为本文介绍的变频器过压保护电路。
图4.1 过电压保护电路
它直接对直流侧电压进行检测。其中电压信号的取样是通过电阻1R 和2R 分压得到的，电容1C 起滤波抗干扰作用，防止电路误动作。过压设定值从电位器
1W 上取出。运放A U :1接成比较器的形式。当取样电压高于设定值时(异常情况
下)，比较器输出高电平，光耦器件导通，输出低电平保护信号。其中电阻5R 是正反馈电阻，它的接入使正反馈有一定回差，防止取样信号在给定点附近波动时比较器抖动，这里将过压保护的动作值整定为额定输入电压的110%。
欠压产生的原因有两种：一是输入的交流电压长时间低于标准规定的数值。另一种是瞬时停电或瞬时电压降低。欠电压导致逆变器开关器件驱动功率不足而烧坏开关器件。一般欠压信号从直流端取样，这样既能在欠电压，过电压时检测出信号进行保护，又不会因为短时间因为在欠电压，过电压并未构成危险时而保护误动作。
欠压保护电路的原理与过压保护电路类似。其电压取样与过压取样相同，欠压设定值由2W 上取出。运放B U :1接成比较器的形式。当取样电压高于设定值时(正常情况下)，比较器输出高电平，光耦器件不导通，输出高电平。当取样电压低于设定值时(欠压情况下)，比较器输出低电平，光耦器件导通，输出低电平保护信号。其电路下图所示。动作值整定为输入电压的85%。
图4.2欠压保护电路
本系统的故障自诊断是指在系统运行前，变频器本身可以对过载、过压、欠压保护电路进行诊断，检测其保护电路是否正常。因此故障自诊断功能就是由单片机控制发出各种等效故障信号，检测对应的保护电路是否动作，若动作则说明保护电路正常，反之说明保护电路本身有故障，应停机对保护电路进行检查，直到显示器显示正常为止。
故障自诊断电路工作过程如下：单片机控制HSO.2口发出一高电平，经非门
整形后输出低电平，光耦器件导通，有电流流过三极管的基极，三极管导通输出低电平，输出的低电平自诊断信号分别送至过压、欠压保护电路。因SA4828的SET TRIP端为高电平有效,所以应加上一个反相器,使其反相后输出高电平。以下的过流信号也是如此.故障自诊断电路如图4.7所示[13]：
图4.3 故障自诊断电路
4.2.2过流保护设计
变频器在诸如直流短路、桥臂短路、输出短路、对地短路等情况下，电流变化非常迅速，元件将承受极大的电压和电流，而IGBT器件的内部结构决定了它在足够大的电流下会出现锁定现象，造成管子失控无法关断，以至烧坏，所以过流之前必须使IGBT关断以切断电流，虽然在IGBT的驱动模块EXB840中已
di过大时IGBT还未来得及关断已经发生锁定现象经有过流保护，但考虑到dt
的可能性，必须采取辅助断流措施。这里采用瑞士LEM 公司生产的霍尔效应磁场补偿式电流传感器来进行电流的检测。在此传感器的输出端串电阻R，则R 上的压降反应了被测的电流。过流发生时，R上的压降大于过流保护动作整定值，比较器LEM324输出低电平去封锁IGBT的驱动电路的输入信号，即可使桥臂上的所有IGBT处于截止状态实现过流保护的功能。过流保护的电路示意图如4.8图所示：
在异步电动机调速系统中，调速性能最好、应用最广的系统是变压变频调速系统。在这种系统中，要调节电动机的转速，须同时调节定子供电电源的电压和频率，可以使机械特性平滑地上下移动，并获得很高的运行效率。但是，这种系统需要一台专用的变压变频电源，增加了系统的成本。近来，由于交流调速日益普及，对变压变频器的需求量不断增长，加上市场竞争的因素，其售价逐渐走低，使得变压变频调速系统的应用与日俱增。下面首先叙述异步电动机的变压变频调速原理。 交流异步电动机变频调速原理： 变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。 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。 变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。 交-直部分 整流电路：由VD1-VD6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于380V的额定电源，一般二极管反向耐压值应选1200V，二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。（二）变频器元件作用 电容C1： 是吸收电容,整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波， 变压器是一种常见的电气设备，可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。 压敏电阻： 有三个作用,一过电压保护,二耐雷击要求,三安规测试需要. 热敏电阻：过热保护 霍尔: 安装在UVW的其中二相,用于检测输出电流值。选用时额定电流约为电机额定电流的2倍左右。 充电电阻： 作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容二端的电压为0V；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。一般而言变频器的功率越大，充电电阻越小。充电电阻的选择范围一般为：10-300Ω。 储能电容： 又叫电解电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。PN端的电压电压工作范围一般在430VDC～700VDC 之间，而一般的高压电容都在400VDC左右，为了满足耐压需要就必须是二个400VDC的电容串起来作800VDC。容量选择≥60uf/A 均压电阻：防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容；因为二个电解电容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏。
三相异步电动机基本控制线路的安装与调试 任务1-1 三相异步电动机的单向运行控制 学习内容: 1、常用低压电器的基本结构、工作原理、图形符号和文字符号、主要技术参数及其应用； 2、三相异步电动机的启/停、点动/长动控制。 学习目标: 1、知道：常用低压电器的工作原理、图形符号和文字符号；常用低压电器的用途。 2、能根据控制要求正确选择低压电器。 3、了解：常用低压电器的基本结构；主要技术参数。 4、掌握三相异步电动机的启/停、点动/长动控制电路的原理。 学习重点:工作原理、图形符号、文字符号、选择使用。 学习难点:工作原理、选择使用 §1-1 机床电气控制中常用的低压电器 目标任务： 1、了解低压电器的基本知识，熟悉常用的低压电器种类； 2、熟悉常用的各种低压电器的结构及原理、符号、选用； 3、熟练掌握常用低压电器的使用。 相关知识： 1-1. 低压电器基本知识
凡是对电能的生产、输送、分配和应用能起到切换、控制、调节、检测以及保护等作用的电工器械，均称为电器。低压电器通常是指在交流1200V及以下、直流1500V及以下的电路中使用的电器。机床电气控制线路中使用的电器多数属于低压电器。 一、低压电器的分类 低压电器是指工作在交流电压1200V 、直流电压1500V 以下的各种电器。生产机械上大多用低压电器。低压电器种类繁多，按其结构、用途及所控制对象的不同，可以有不同的分类方式。 1 ．按用途和控制对象不同，可将低压电器分为配电电器和控制电器。 用于电能的输送和分配的电器称为低压配电电器，这类电器包括刀开关、转换开关、空气断路器和熔断器等。用于各种控制电路和控制系统的电器称为控制电器，这类电器包括接触器、起动器和各种控制继电器等。 2 ．按操作方式不同，可将低压电器分为自动电器和手动电器。 通过电器本身参数变化或外来信号（如电、磁、光、热等）自动完成接通、分断、起动、反向和停止等动作的电器称为自动电器。常用的自动电器有接触器、继电器等。 通过人力直接操作来完成接通、分断、起动、反向和停止等动作的电器称为手动电器。常用的手动电器有刀开关、转换开关和主令电器等。 3 ．按工作原理可分为电磁式电器和非电量控制电器 电磁式电器是依据电磁感应原理来工作的电器，如接触器、各类电磁式继电器等。非电量控制电器的工作是靠外力或某种非电量的变化而动作的电器，如行程开关、速度继电器等。 二、低压电器的作用 控制作用、保护作用、测量作用、调节作用、指示作用、转换作用 三、低压电器的基本结构 电磁式低压电器大都有两个主要组成部分，即：感测部分──电磁机构和执行部分──触头系统。 1 ．电磁机构 电磁机构的主要作用是将电磁能量转换成机械能量，带动触头动作，从而完成接通或分断电路的功能。 电磁机构由吸引线圈、铁心和衔铁 3 个基本部分组成。常用的电磁机构如图所示，可分为 3 种形式。 2. 直流电磁铁和交流电磁铁
目录 1 绪论 (1) 1.1课题的背景 (1) 1.1.1 电机的起源和发展............................. 错误！未定义书签。 1.1.2 变频调速技术的发展和应用..................... 错误！未定义书签。 1.2本文设计的主要内容............................... 错误！未定义书签。 2 变频调速系统的方案确定 (4) 2.1变频调速系统 (4) 2.1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理 (4) 2.1.2 变频调速原理 (4) 2.1.3 变频调速的基本控制方式 (5) 2.2系统的控制要求 (6) 2.3方案的确定 (6) 2.3.1 电动机的选择 (6) 2.3.2 开环控制的选择 (7) 2.3.3 变频器的选择 (7) 4 变频调速系统的硬件设计 (8) 4.1S7-200PLC (8) 4.2M ICRO M ASTER420变频器 (8) 4.3外部电路设计 (9) 4.3.1 变频开环调速 (9) 4.3.2 数字量方式多段速控制 (11) 4.3.3 PLC、触摸屏及变频器通信控制 (12) 5 变频调速系统的软件设计 (14) 5.1编程软件的介绍 (14)
5.2变频调速系统程序设计 (15) 6 触摸屏的设计 (23) 6.1触摸屏的介绍 (23) 6.2MT500系列触摸屏 (25) 6.3触摸屏的设计过程 (26) 6.3.1 计算机和触摸屏的通信 (26) 6.3.2 窗口界面的设计 (27) 6.3.3 触摸屏工程的下载 (31) 7 PLC系统的抗干扰设计 (33) 7.1 变频器的干扰源 (33) 7.2干扰信号的传播方式 (33) 7.3 主要抗干扰措施 (34) 7.3.1 电源抗干扰措施 (34) 7.3.2 硬件滤波及软件抗干扰措施 (34) 7.3.3 接地抗干扰措施 (34) 结论 (36) 致谢 ................................................ 错误！未定义书签。参考文献 .. (37)
1.三相异步电动机的交流调速方式： 变极调速，串电阻调速，降压调速，串级调速，变频调速。 2.常用的三种负载类型及典型（如恒转矩负载：车床主轴电机） 恒转矩负载的特点有：转矩与转速（），功率与转速（） 3.变频器的分类： 按结构分为：间接变频器，直接变频器。 按滤波方式分为：电压型变频器，电流型变频器。 按电压的调制分为：交--直--交变频器（脉幅调制PAM）（脉宽调制PWM） 按控制方式分为：U/F控制，矢量控制，直接转矩控制。 按用途分为：通用变频器，专用变频器。 4. 什么是U/F控制？为什么要采用U/F控制方式？（变频器的同时为何变压） 5.矢量控制方式？ 6.基频以下采用（）调速，基频以上采用（）调速。 例题：电动机从基本频率向下的变频调速属于（）。 A:恒转矩B:恒功率C:恒磁通D:恒转差率 7.脉宽调制和正弦波脉宽调制的定义及英文缩写：SPWM控制的原理是什么？为什么采用SPWM控制？ 8.SPWM的控制方式分为单极性和双极性两种，了解这两种方式的区别？ 9.什么是转矩提升？为什么要采用转矩提升？ 例题：在U/F控制方式下，当输出频率比较低时，会出现转矩不足的情况，要求变频器具有（）功能。变频器利用增加输出电压来提高电动机转矩的方法，称为（） 10.常用的电力电子器件有哪些？各自的图形符号。属于电流控制型号的有哪些？属于电压控制型的是那些？晶闸管导通和关断的条件？在中小型变频器电路中，（）应用比较广泛。 11.交--直--交变频器主要有那两部分组成？其中主电路由什么组成？说明各部分的作用以及逆变电路中电力电子器件旁并联的二极管的作用？ 例题：变频器主电路由整流及滤波电路（）和制动单元组成。
第一节 交流异步电动机变频调速原理 根据电机学原理，交流异步电动机的转速可表示为： )1(**60s p f n -= （2-1-1） 式中： n 一 电动机转速/分钟，单位：r/min ； p 一 电动机磁极对数； f 一 电源频率，单位：Hz ； s 一 转差率，10<
I 一 定子绕组的相电流； r 一 定子绕组电阻与转子绕组电阻折算到定子侧的电阻之和。 交流异步电动机的定子绕组的感应电动势是定于绕组切割旋转磁场磁力线的结果， 其 有效值计算如下： E = K * f * Φ （2-1-3） 式中：Ｋ 一 与电动机结构有关的常数； ｆ 一 电源频率； Φ 一 磁通量 。 由式（2-1-2）知，加在电机绕组端的电源电压Ｕ，一部分产生感应电动势Ｅ，另一部 分消耗在电阻 r （ 定子绕组电阻与转子绕组电阻折算到定子侧的电阻之和 ）上 。其中定 子绕组的相电流 I 由两部分构成： 21I I I += （2-1-4） 电机的定子电流有一小部分1I 用于建立磁场的主磁通，其余大部分2I 用于产生拖动负 载的电磁力。 由式 （2-1-1）知，调整电源频率f 时，可以调节速度n 。 当电源频率f 下降时，由 式 （2-1-3）知，感应电动势随之比例减小；在相电压U 保持不变的情况下，由式（2-1-2） 知，定子绕组的相电流I 相应增大。在很多情况下，电机的负载是基本恒定的，因此用于产 生电磁力的电流2I 是基本不变的，于是1I 将增大；1I 的增大将直接导致主磁通的增大。由 式 （2-1-3），主磁通的增大，将引起感应电动势Ｅ比例增大；由式（2-1-2），感应电动势 Ｅ的增大将使定子电流I 减小。不难理解，通过这样的负反馈，电机将最终稳定在一个新的 工作点。 这样的控制方法看起来似乎没有问题。但实际情况是主磁通容量上限与电机的铁芯有 关。电机的铁芯受制于重量、体积、成本等因素的考虑，不可能做的很大。对于电机设计来 说，设计目标之一就是：当电机处于额定工作状态下时，主磁通接近容量上限。上述的变频 调速方法工作在额定频率以下时，将会导致铁心磁饱和，引起电流波形畸变，有效力矩下降； 严重时，将导致电机发热过快，振动和噪音加大；工作在额定频率以上时，铁心处于弱磁状 态，电磁力矩不足，电机的机械特性变软（转差率s 变大），带载能力下降。 结论：通过只调节电源频率来调节速度的方法不可取。
三相异步电动机分类特点以及调速方法 三相异步电动机分类： 1、从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。不改变同步转速的调速方法有1)绕线式电动机的转子串电阻调速、2)斩波调速、3)串级调速以及应用电磁转差离合器、4)液力偶合器、5)油膜离合器等调速。不改变同步转速的调速方法在生产机械中广泛使用。 2、改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。 3、从调速时的能耗观点来看，有1)高效调速方法与2)低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法(如串级调速等)。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。 我们清楚三相异步电动机转速公式为： n=60f/p(1-s) 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的，下面松文机电具体介绍其七种调速方法。 一、变极对数调速方法：这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的。本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。 特点如下：1、具有较硬的机械特性，稳定性良好； 2、无转差损耗，效率高；3、接线简单、控制方便、价格低；4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；5、可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 二、变频调速方法：变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。其特点：1、效率高，调速过程中没有附加损耗；2、应用范围广，可用于笼型异步电动机；3、 调速范围大，特性硬，精度高；4、 技术复杂，造价高，维护检修困难。 三、串级调速方法 ：串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为
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)
课题：转速开环恒压频比控制的交速 姓名：谢海波 学号：P091812925 专业班级：电气工程及其自动化（3）班 西北民族大学电气工程学院 转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统
摘要：转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的控制方式，一般变频调速装置都有这项功能，恒压频比的转速开环工作方式能满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，并且使用方便，是通用变频器的基本模式。采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中的转差率基本不变，所以电动机的机械特性较硬，电动机有较好的调速性能。异步电动机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在它的应用面很广，目前交流异步电动机的调速系统已经广泛应用于数控机床、风机、泵类、传送带、给料系统、空调器等设备的电力源和动力源，并起到了节省电能，提高设备自动化，提高产品质量的良好效果.下文在详细分析交流异步电动机变频调速的原理基础上，应用MATLAB/SIMULINK仿真软件，实现了转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统的仿真，并且详细分析了仿真结果。 关键词：异步电动机；变频调速；MATLAB 仿真 1．仿真系统说明 本文对交流系统进行建模仿真，可以更加熟悉交流调速系统的结构，掌握各种调速系统的优缺点，选择合理的方案，解决实际中的问题。在进行电动机调速时，常须考虑的一个重 要因素，就是希望保持电动机中每极磁通量为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用 电机的铁芯，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰 当的补偿，保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通由定子和转子磁动势合成产生，要保持磁通恒定就要费一些周折。 2．变频调速控制方式和原理 转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的控制方式，一般变频调速装置都带有这项功能，在异步电动机调速时，总希望保持主磁通为额定值。由异步电机定子每相电动势有效值可知，如果略去定子阻抗下降，有 （1） 由(1)式知，若定子端电压不变，随着升高，将减小。又由转矩公式 知，在相同的情况下，减小会导致电动机输出转矩下降，严重时会使电动机堵转。因此， 在变频调速过程中应该同时改变定子电压和频率，以保持主磁通不变。而如何按比例改变电压和频率，要分基频以下和基频以上两种情况。 2.1基频以下调速 恒定压频比调速要求；当相对较高时，可忽略定子电阻那么最大实用转
一、三相异步电动机变频调速原理 由于电机转速n 与旋转磁场转速1n 接近，磁场转速1n 改变后，电机转速n 也就随之变化，由公式1 160f n p =可知，改变电源频率1f ，可以调节磁场旋转，从而改变电机转速，这种方法称为变频 调速。 根据三相异步电动机的转速公式为 ()()1 16011f n s n s p = -=- 式中1f 为异步电动机的定子电压供电频率；p 为异步电动机的极对数；s 为异步电动机的转差率。 所以调节三相异步电动机的转速有三种方案。异步电动机的变压变频调速系统一般简称变频调速系统，由于调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系统中效率最高，同时性能最好，是交流调速系统的主要研究和发展方向。 改变异步电动机定子绕组供电电源的频率1f ，可以改变同步转速n ，从而改变转速。如果频率1f 连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。 三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为 1111m 4.44m U E f N k φ≈= 式中1E 为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；1f 为定子电源频率；1N 为定子每相绕组匝数； m k 为基波绕组系数，m φ为每极气隙磁通量。 如果改变频率1f ，且保持定子电源电压1U 不变，则气隙每极磁通m φ将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率1f 时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通m φ的目的。 .1、基频以下变频调速 为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率1f 时，保持 1 1 U f 为常数，使气每极磁通m φ为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动机的电磁转 矩为 ()()2 22 2 11 1 111 2 12222111211222p r r m pU f m U s s T f r r f r x x r x x s s ππ?? ?? ?? ??? ??? ?? ??? ''??= = ?''????'+++'+++ ? ? ? [1][8]
教案（首页） 授课班级机电高职1002 授课日期 课题序号 3.5 授课形式讲授授课时数 2 课题名称三相异步电动机的使用、维护和检修 教学目标1．了解三相异步电动机启动前的准备工作和启动时的注意事项。2．熟悉三相异步电动机运行中的监视项目。 3．熟悉三相异步电动机的定期检修内容。 4．了解三相异步电动机的常见故障以及处理方法。 教学重点1．了解三相异步电动机启动前的准备工作和启动时的注意事项。2．熟悉三相异步电动机运行中的监视项目。 教学难点1．了解三相异步电动机启动前的准备工作和启动时的注意事项。2．熟悉三相异步电动机运行中的监视项目。 教材内容更 新、补 充及删减 无 课外作业补充 教学后记无 送审记录 课堂时间安排和板书设计
复习5 导 入 5 新 授 60 练 习 15 小 结 5 一、电机选择原则 1、电源的原则 2、防护形式的选择 3、功率的选择 4、起动情况选择 5、转速的选择 二、电机的安装原则 三、电机的接地装置 四、电机的定期检查和保养 五、三相异步电机的常见故障及处理方法 课堂教学安排
课题序号课题名称第页共页教学过程主要教学内容及步骤 导入新授三相异步电动机在生产设备中长期不间断地工作，是目前工矿企业的主要动力装置，电动机的使用寿命是有限的，因为电动机轴承的逐渐磨损、绝缘材料的逐渐老化等等，这些现象是不可避免的。但一般来说，只要选用正确、安装良好、维修保养完善，电动机的使用寿命还是比较长的。在使用中如何尽量避免对电动机的损害，及时发现电动机运行中的故障隐患，对电动机的安全运行意义重大。因此，电动机在运行中的监视和维护，定期的检查维修，是消灭故障隐患，延长电动机使用寿命，减小不必要损失的重要手段。 一、电动机的选择原则 合理选择电动机是正确使用电动机的前提。电动机品种繁多，性能各异，选择时要全面考虑电源、负载、使用环境等诸多因素。对于与电动机使用相配套的控制电器和保护电器的选择也是同样重要的。 1．电源的选择 在三相异步电动机中，中小功率电动机大多采用三相380V电压，但也有使用三相22OV电压的。在电源频率方面，我国自行生产的电动机采用50Hz的频率，而世界上有些国家采用60Hz的交流电源。虽然频率不同不至于烧毁电动机，但其工作性能将大不一样。因此，在选择电动机时应根据电源的情况和电动机的铭牌正确选用。 2．防护型式的选择 由于工作环境不尽相同，有的生产场所温度较高、有的生产场所有大量的粉尘、有的场所空气中含有爆炸性气体或腐蚀性气体等等。这些环境都会使电动机的绝缘状况恶化，从而缩短电动机的使用寿命，甚至危及生命和财产的安全。因此，使用时有必要选择各种不同结构形式的电动机，以保证在各种不同的工作环境中能安全可靠地运行。电动机的外壳一般有如下型式: (1)开启型外壳有通风孔，借助和转轴连成一体的通风风扇使周围的空气与电动机内部的空气流通。此型电动机冷却效果好，适用于干燥无尘的场所。 (2)防护型机壳内部的转动部分及带电部分有必要的机械保护，以防止意外的接触。若电动机通风口用带网孔的遮盖物盖起来，叫网罩式；通风口可防止垂直下落的液体或固体直接进入电动机内部的叫防漏式；通风口可防止与垂直成100o范围内任何方向的液体或固体进入电动机内部的叫防溅式。(3)封闭式机壳严密密封，靠自身或外部风扇冷却，外壳带有散热片。适用于潮湿、多尘或含酸性气体的场合。 (4)防水式外壳结构能阻止一定压力的水进入电动机内部。 (5)水密式当电动机浸没在水中时，外壳结构能防止水进入电动机内部。 (6)潜水式电动机能长期在规定的水压下运行。 (7)防爆式电动机外壳能阻止电动机内部的气体爆炸传递到电动机外部，从而引起外部燃烧气体的爆炸。 3．功率的选择 课堂教学安排 课题序号课题名称第页共页
机电传动与控制课程综合训练三 一、综合训练项目任务书 综合训练项目：交流电机变频调速系统 目的和要求：加强对交流变频调速系统及变频器的理解；应用交流变频调速系统及变频器解决交流电机变频调速问题。提高分析和解决实际工程问题的能力。促成“富于探索精神，具有较强的自学能力、开拓创新意识和敏锐的观察事物以及分析处理事物的能力”的目标实现。 成果形式：交流电机变频调速系统设计说明书。 相关参数：参看《机电传动控制》（第五版），冯清秀等编著，华中科技大学出版社，P291~316。 一、综合训练项目设计内容 1.变频调速系统 1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理 三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。三相交流异步电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。 1.2 变频调速原理 变频器可以分为四个部分，如图1.1所示。 通用变频器由主电路和控制回路组成。给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器。
图1.1 变频器简化结构图 ⑴整流器。它的作用是把工频电源变换成直流电源。 ⑵平波回路（中间直流环节）。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件—电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。 ⑶逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。 ⑷控制回路。控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控制。 2.系统的控制模型 本系统的结构如图1.2所示。
《自动控制元件及线路》 课程实习报告 异步电动机变频调速系统 1.4.1 系统原理框图及各部分简介 本文设计的交直交变频器由以下几部分组成，如图1.1所示。
图1.1 系统原理框图 系统各组成部分简介： 供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220V，中大功率的采用三相380V电源。因为本设计中采用中等容量的电动机，所以采用三相380V电源。 整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。在本设计中采用三相不可控整流。它可以使电网的功率因数接近1。 滤波电路：因在本设计中采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。 逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。在设计中采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。 电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。控制电路：采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。 1.4.2 变频器主电路方案的选定 变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。静止式变频器从变换环节分为两大类：交-直-交变频器和交-交变频器。 1.交-交型变频器：它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3～1/2,所以不能高速运行。 2.交-直-交型变频器：交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种：（1）电流型变频器 电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。 （2）电压型变频器 电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。 由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是
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。本设计采用恒压变频调速并在MTALAB运行环境下进行仿真设计并运行仿真模型得出结论。 关键词:交流调速系统, 异步电动机, PWM技术MATLAB.....
目录 摘要................................ 错误！未定义书签。第一章前言.......................... 错误！未定义书签。 1.1 设计的目的和意义................. 错误！未定义书签。 1.2变频器调速运行的节能原理......... 错误！未定义书签。第二章交流异步电动机............... 错误！未定义书签。 2.1交流异步电动机变频调速基本原理 ... 错误！未定义书签。 2.2变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性 (6) 2.3变压变频运行时机械特性分折 (7) 第三章变频技术简介和控制方法 (11) 3.1 变频调速技术简介 (11) 3.2变频器工作原理及分类 (12) 3.3 交流调速的基本控制方法 (18) 3.4脉冲宽度调制（PWM）技术 (21) 第四章异步电动机变频调速系统设计的仿真和实现 (24) 4.1 MATLAB的编程环境 (24) 4.2仿真结果 (29) 结论 (30) 致谢.............................. 错误！未定义书签。参考文献............................ 错误！未定义书签。
三相异步电动机的几种调速方式 本文介绍了三相异步电动机的七种调速方式及其特点,指明其适用的场合、情况。 三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s) 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：①高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。 ②有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中； ③电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中； ④液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。
一、变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下： 1、具有较硬的机械特性，稳定性良好； 2、无转差损耗，效率高； 3、接线简单、控制方便、价格低； 4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速； 5、可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。 二、变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点： 1、效率高，调速过程中没有附加损耗； 2、应用范围广，可用于笼型异步电动机； 3、调速范围大，特性硬，精度高； 4、技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。
湖南工程学院应用技术学院毕业设计说明书 目：题 专业班级：号：学学生姓名： 完成日期： 指导教师： 评阅教师：
2011 年 6 月
院术学学院应用技湖南工程务任书（论文）毕业设计 设计（论文）题目：交流异步电机的调速控制系统设计 姓名专业班级学号 指导老师职称教研室主任 一、基本任务及要求： 主要设计完成可控硅交流调压调速系统的设计，主要完成： （1）交流调压调速的原理和调压调速的静、动态性能分析； （2）系统组成与工作原理； （3）主电路与控制电路设计； （4）元器件选型及参数计算； （5）软件设计； （6）系统应用与调试说明。 二、进度安排及完成时间： （1）第一至第三周：查阅资料,撰写文献综述和开题报告。 （2）第四周至第五周：毕业实习。 （3）第六周至第七周：交流调压调速的原理和调压调速的静、动态性能分析。 （4）第八周至第九周：系统组成与工作原理；主电路与控制电路设计。
（5）第十周至第十二周：元器件选型及参数计算；软件设计；系统应用与调试说明。 （6）第十三周至第十五周：撰写毕业设计论文。 （7）第十六周：毕业设计答辩 目录 摘 要 .................................................................. .... I ABSTRACT ............................................................ ..... II 第1章绪 论 (1) 1.1 变频调速技术简介 ................................................. 1 1.2 变频器的发展现状和趋 势 (2) 1.2.1 变频器的发展现状 ............................................. 2 1.2.2 变频器技术的发展趋势 ......................................... 2 1.2 研究的目的与意义 ................................................. 3 1.3 本次设计方案简 介 (4) 1.3.1 变频器主电路方案的选定 ....................................... 4 1.3.2 系统原理框图及各部分简介 ..................................... 5 1.3.3 选用电动机原始参数 ........................................... 6 第2章交流异步电动机变频调速原理及方 法 (7)
课程报告 课程名称：三相异步电动机变频调速的实现学生姓名：刘佐威王一哲王宇洋赵馨雨专业班级： 12级电气一班 2016 年 1月 4日
摘要 变频调速是一种典型的交流电动机调速方法,交流电动机采用变频调速技术不仅能够实现无级调速,而且可以根据负载的不同,通过适当调节电压和频率的关系,使电机始终在高效率区运行,并且保证良好的动态性能,因而被广泛使用。 目前,世界上有60%左右的发电量是通过电动机消耗的。据统计,我国各类电动机的装机容量已超过4亿kW,其中异步电动机约占90%,拖动风机、水泵及压缩机类机械的电动机约1.3亿kW。在目前4亿kW的电动机负载中,约有50%的负载是变动的,其中的30%可以使用电动机调速。虽然,有专门为变频调速系统而设计的变频调速电机,但是由于变频调速电机价格较贵,所以在大多数有调速要求的系统中都是变频器和普通交流异步电机组成的调速系统[4]。但是,在实际生产中,还只是凭借经验确定交流异步电机运行的频率范围,而对普通交流异步电机在频率改变时,电机的各项性能指标的大小和变化情况还没有定量研究。在本文中,我们以Y100L1-4普通三相交流异步电机和松下VF-8X变频器组成的变频调速系统为测试对象,测试普通交流异步电机在频率改变时的各项性能指标,以这些实验数据为依据,进而分析确定普通交流异步电机变频调速的最佳调速范围。在测试中所有的实验均按照国标中三相异步电机型式实验的相关规定进行。 课程目的 笼式三相异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。正由于此，通过此课程设计，实现三相异步电动机的变频调速控制与应用。 课程意义 这次课程设计可以使我们在学校学的理论知识用到实践中，使我们在学习中起到主导地位，是我们在实践中掌握相关知识，能够培养我们的职业技能，课程设计是以任务引领，以工作过程为导向，以活动为载体，给我们提供了一个真实的过程，通过设计和运行，反复调试、训练、便于我们掌握规范系统的电机方面的知识，同时也提高了我们的动手能力。 课程内容 在这次课程设计中，我们的主要工作在于 1. 电机的结构与工作原理 2. 变频器的结构与原理 3. 变频器的调速方法及工作过程
交流电动机调速及变频原理 一、交流异步电动机调速的基本类型 交流调速系统的主要类型 交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又 有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。 1、交流异步电动机调速的基本类型 由异步电动机的转速公式：min)/)(1(60r s p f n -= 可知，异步电动机有下列三种基本调速方法： （1）改变定子极对数p 调速。 （2）改变电源频率1f 调速。 （3）改变转差率s 调速。 异步电动机的调速方式： 1.1 变频调速 交流变频调速技术的原理是把工频50Hz 的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流异步电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的。
它与直流调速系统相比具有以下显著优点： （1）变频调速装置的大容量化。 （2）变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好。 （3）变频调速系统可以直接在线起动，起动转矩大，起动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软起动装置。 （4）变频器内置功能多，可满足不同工艺要求；保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外部接口端子，可同计算机、PLC 联机，便于实现自动控制。 （5）变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术。其中以风机、泵类负载的节能效果最为显著，节电率可达到20%～60％。 1.2变极调速 磁极对数 p 的改变，取决于电动机定子绕组的结构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动机的磁极对数。 1.3 变转差率调速 1.3.1、改变定子电压调速 ??交流调压调速 异步电动机的机械特性方程式: ])()/[(/32'21212' 211' 221l l e L L s R R s R pU T +++=ωω