学习指导（详解）
第3章 脉宽调制(PWM)控制技术
3.1 PWM 型变频器的工作原理
1、脉宽调制概念
脉宽调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压或电流信号。
2、PWM 型变频器的基本控制方式
（1）“△”波调制法
如图3-1，三角波调制法利用三角波电压与参考电压（通常为正弦波）相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度，从而得到所需要的PWM 脉冲。
“△”波调制法的电路原理如图3-1a 所
示，在电压比较器A 的两输入端分别输入
正弦波参考电压R u 和三角波电压?u ，在
A 的输出端便得到PWM 调制电压脉冲。
PWM 脉冲宽度的确定可由图3-1b 看
出。由于?u 和R u 分别接至电压比较器A
的“-” 和“+”输入端，显然当?u A 的输出为高电平，反之，?u >R u 时，输出 为低电平。图3-1b 中R u 与?u 的交点之间的 距离随参考电压R u 的大小而变，而该交点之 间的距离决定了电压比较器输出电压脉冲的宽度，因而可得到幅值相等而脉冲宽度不等的PWM 电压信号P u 。 （2）控制方式 从三角波电压与参考电压的频率来看， PWM 控制方式可分为同步式、异步式和分段同步式。 A 、同步控制方式 三角波电压的频率?f 与参考电压的频率R f （即逆变器的输出频率）之比?f /R f =常数时称为同步控制方式。 图3-1 “△”调制法原理 同步控制方式在逆变器输出电压每个周期内所采用的三角波电压数目是固定的，因而所产生的脉冲数是一定的。其优点是在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有120°相位移的对称关系。然而，同步控制方式的一个严重缺点是：当逆变器低频输出时，每个周期内的PWM 脉冲数过少，低次谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。 B 、异步控制方式 异步控制方式采用的是固定不变的三角载波频率。低速运行十，逆变器输出电压每个周期内的脉冲数相应增多，因而可减少负载电动机的转矩脉动和噪声，使调速系统具有良好的低频特性。然而，异步控制方式也有其缺点：由于三角波调制频率?f 为定值，当参考电压频率R f 连续变化时，则难以保证?f /R f 为一整数，特别是能被3整除的数，因而不能保证逆变器输出正负半波以及三相之间的严格对称关系，将会导致负载电动机运行的不够平稳。 C 、分段同步控制方式 在低频运行时，使三角载波与参考波的频率比?f /R f 有级的增大，在有级的改变逆变器输出电压半波内PWM 脉冲数目的同时，仍保持其半波和三角对称关系，从而改善了系统的低频运行特性，并可消除由于逆变器输出电压波形不对称所产生的不良影响。 采用分段同步控制方式，需要增加调制脉冲切换电路，从而增加了控制电路的复杂性。 3、简单的PWM 型变频器工作原理 单相逆变器的主电路如图3-2。波形如图3-3。 图3-2 单相逆变器（0为直流电源的理论中心点） 图3-3 电路的波形 PWM 控制方式通过改变电力晶体管VT 1、VT 4和VT 2，VT 3交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率；改变每半周期内VT 1、VT 4或VT 2，VT 3开关器件的通、断时间比，即通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小。如果使开关器件在半个周期内反复通断多次，并使每个输出矩形脉冲波电压下的面积接近于对应正弦波电压下的面积，则逆变器输出电压就将很接近基波电压，高次谐波电压将大大减少。若采用快速开关电器，使逆变器输出脉冲数增多，即使输出低频时，输出波形也是比较好的。所以PWM 型逆变器特别适用于异步电动机变频调速的供电电源，实现平滑起动、停车和高效率宽范围调速。 4、单极性正弦波PWM 调制原理 从调制脉冲的极性看，PWM 又可分为单极性与双极性控制模式两种。 产生单极性PWM 模式的基本原理如图3-4所示。首先由同极性的三角波调制电压?u 与参考电压R u 比较（图3-4a ），产生单极性的PWM 脉冲（图3-4b ）；然后将单极性的PWM 脉冲信号与图3-4c 所示的倒相信号I u 相乘，从而得到正负半波对称的PWM 脉冲信号P u ，如图3-4d 所示。 5、双极性正弦波PWM 调制原理 双极性PWM 控制模式采用的是正负交变的双极性三角载波?u 与参考波P u ，如图3-5所示，可通过?u 与P u 的比较直接得到的双极性的PWM 脉冲，而不需要倒相电路。 与单极性模式相比，双极性PWM 模式控制电路和主电路比较简单，然后 对比图3-4与图3-5可看出，单极性PWM模式要比双极性PWM模式输出电压中高次谐波分量小得多，这是单极性模式的一个优点。 图3-4单极性PWM模式（单相）图3-5双极性PWM模式调制原理 学习指导（详解） 3.2 PWM的控制模式及实现 为了减小谐波影响提高电机的运行性能，要求采用对称的三相正弦波电源为三相交流电电动机供电，因此，PWM逆变器采用正弦波作为参考信号。这种正弦波脉宽调制型逆变器称为SPWM逆变器。目前广泛应用的PWM型逆变器皆为SPWM逆变器。 一、SPWM逆变器的同步调制和异步调制 定义载波的频率f c与调制波频率f r之比为载波比N，即N=f c / f r。视载波比的变换与否有同步调制与异步调制之分。 1. 同步调制 在同步调制方式中，N=常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步变化，因而逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。如果取N 等于3的倍数，则同步调制能够保证逆变器输出波形的正、负半波始终保持对称，且能严格保证三相输出波形间具有互差120o的对称关系。当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增大，使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声，这是同步调制方式的主要缺点。 2. 异步调制 为了消除上述同步调制的缺点，可以异步调制方式。顾名思义，异步调制中，在逆变器的整个变频范围内，载波比N是不等于常数的。一般在改变参考信号频率f r时保持三角载波频率f c不变，因而提高了低频时的载波比。这样逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可以减少负载电机的转矩脉冲与噪声，改善了低频工作的特性。 但是异步调制在改善低频工作的同时，又会失去同步调制的优点。当载波比随着输出频率的降低而连续变化时，势必使逆变器输出电压的波形及其相位都发生变化，很难保持三相输出间的对称关系，因而引起电动机工作的不平稳。为了扬长避短，可将同步和异步两种调制方式结合起来，因而就有了另一种分 段调制方式的出现。 3. 分段同步调制 在一定频率范围内，采用同步调制，保持输出波形对称的优点。当频率降低较多时，使载波比分段有级的增加，又采纳了异步调制的长处。这就是分段同步调制方式。具体的说，把逆变器整个变频范围分成若干频段，在每个频段内斗维持载波比N的恒定，对不同的频段取不同的N值，频率低时N取大一些，一般按等级比数安排。 二、SPWM的控制模式及其实现 实现SPWM的控制方式有三类，一是采用模拟电路，二是采用数字电路，三是采用模拟与数字电路相结合的控制方式。 采用模拟电路元件实现SPWM控制的原理示意图，如图4-4a所示，首先由模拟元件构成的三角波和正弦波发生器分别产生三角载波信号uΔ和正弦波参考信号u R，然后送入电压比较器，产生SPWM脉冲序列。这种采用模拟电路调制方式的优点是完成uΔ与u R信号的比较和确定脉冲宽度所用的时间短，几乎是瞬间完成的，不像数字电路采用软件计算需要一定的时间。然而，这种方法的缺点是所需硬件较多，而且不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。 采用数字电路的SPWM逆变器，可采用以软件为基础的控制模式。其优点是所需硬件少，灵活性好和智能性强，缺点是需要通过计算确定SPWM的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。然而，随着高速度/高精度多功能微处理器/微控制器和SPWM专用芯片的发展，采用微机控制的数字化SPWM技术已占当今PWM逆变器的主导地位。 微机控制的SPWM控制模式有多种，常用的有以下两种： 1. 自然取样法该法与采用模拟电路由硬件自然确定SPWM脉冲宽度的方法相类似，故称之自然取样法。然而微机是采用计算的办法寻找三角载波uΔ与参考正弦波u R的交点从而确定SPWM脉冲宽度的。 由图3-6看出，只要通过对uΔ和u R的数字表达式联立求解，找出其交点对应的时刻t0、t1、t2、t3、t4…便可确定相应SPWM的脉冲宽度。虽然微机具有复杂的运算功能，但需要一定的时间，而SPWM逆变器的输出需要适时控制， 因此没有充分的时间支联立求解方程准确计算u Δ和u R 的交点。一般实际采用的方法是，先将在参考正弦四分之一周期内各时刻的u Δ和u R 值算好，以表格形式存在计算机内，以后需要计算某时刻的u Δ和u R 值时，不用临时计算而采用查表的方法很快得到。由于波形对称，仅需知道参考正弦波四分之一周期的u Δ和u R 值就可以了，在一个周期内其他时刻的值可由对称关系求得。u Δ和u R 波形的交点求法可采用逐次逼近的数值解法，即规定一个允许误差ε，通过修改t i 值，当满足∣u Δ（t i ）-u R （t i ）∣≤ε时，则认为找到了u Δ 一个交点。根据求得的t 0、t 1、t 2 …值便可确定 SPWM 的脉冲宽度。 采用上述方式，虽然可以较准确的确定u Δ和 u R 的交点，但计算工作量较大，特别是当变频范 围较大时，需要事先对各种频率下的u Δ和u R 值计 算列表，将占用大量的内存空间。因而只有在某 一变化不大的范围内变频调速时，采用此法才较可行。为了简化计算工作量，可采用下述规则取样法。 2．对称规则取样法 如图3-7所示，按自然取样法求得的u Δ和 u R 的交点为A′和B′，对应的SPWM 脉宽为t 2′。 为了简化计算，采用近似的求u Δ和u R 交点的方 法。通过两个三角波峰之间中线与u R 的交点M 作水平与两个三角波分别交于A 和B 点。由交 点A 和B 确定SPWM 脉宽为t 2，显然，t 2与t 2′数值相近。只是两脉冲相差了一个很小的Δt 时间。 规则取样法就是用u Δ和u R 近似交点A 和B 代替实际的交点A′和B′，用以确定SPWM 脉冲信号。这种方法虽然有一定的误差，但却大大减小了计算工作量。由图3-7可很容易的求出规则取样法的计算公式。 设三角波和正弦波的幅值分别为u Δm 和u sm ，周期分别为T Δ和T s ，脉宽t 2 和间隙时间t 1及t 3可由下列公式计算： 2t =???? ??+???t T U U T T s m sm π2sin 22 （3-1） 1t =3t =()221t T -?=21?? ???????? ??+???t T U U T T s m sm π2sin 22 （3-2） 由公式（4-1）和（4-2）可很快的求出t 1和t 2值，进而确定相应的SPWM 脉冲宽度。具体计算也可采用查表法，仅需对 ??? ? ????t T U U T s m sm π2sin 2值列表存放即可。 另外还有非对称规则取样法（又称阶梯法），其原理可参阅有关资料。 学习指导（详解） 3.3 具有消除谐波功能的SPWM 控制模式的优化 SPWM 逆变器中采用正弦波作为参考波，虽然在逆变器的输出电压和电流中基波占有主要成分，但仍存在一系列高次谐波分量。如果不使其含有次数较低的谐波分量，则需要提高三角波的频率。然而载波频率的提高将增加功率元件的开关次数和开关损耗，提高了对功率元件和控制电路的要求。最好的办法是在不增加载波频率的情况下能消除所不希望的谐波分量。所谓PWM 控制模式的优化就是指可消除谐波分量的PWM 控制方式。近二十多年来，人们对各种优化方法做了大量的工作。在此仅对PWM 控制模式优化的基本思路作一简单介绍。 一、两电平PWM 逆变器消除谐波的一般方法 多相PWM 逆变器是由单相PWM 逆变器构成的，其PWM 控制模式的机理是相同的。为了简单明了，下面以单相PWM 制模式优化消除给定次数谐波分量的方法。 单相PWM 逆变器的原理示意图如图3-8所 示，其中功率开关元件用开关S1、S1′、S2和S2′ 表示。为了防止电源短路，显然不允许S1与S1′或 S2与S2′同时接通，而需要采用互补控制，因此仅 分析S1和S2的通断状态即可。 如果用以1和0分别表示一个开关的接通和断开状态，则S1S2的可能操作方式为00，01，10和11。可实际采用的只有两种PWM 控制模式： （1）S1S2采用10和01控制方式构成两电平PWM 逆变器，由图可看出，S1S2为10时负载电压u L =U d ，而S1S2为01时u L =-U d ，仅有两种电平。 （2）S1S2采用10，00，01三种控制方式时构成三电平PWM 逆变器，因为除了10和01对应的两电平外，还多出了一个00状态对应的零电平。 由于两电平和三电平PWM 逆变器输出电压波形不同，含有的谐波分量有图3-8 单相PWM 逆变器原理接线图 所不同。故需要分别分析。下面先分析两电平PWM 逆变器的谐波消除方法。 如图4-9所示，假定两电平PWM 逆变器输出电压波形具有基波四分之一周期对称关系，显然，如将该PWM 脉冲电压序列展成傅氏级数，则仅含奇次谐波分量。负载电压u L 可表示各次谐波电压之和，即 1sin L v v u U v t ω∞==∑ ()14121cos N k d v K k U U v v απ=??=+-???? ∑ （3-3） 式中，v U 为v 次谐波电压幅值；K α为电压脉冲前沿或后沿与t ω坐标的交点，以电角度表示；N 为在90o范围内K α的个数。 理论上讲，欲想消除第v 次谐波分量，只要令式（3-3）中的v U =0，从而解出相应的K α值即可。然而，由式（3-3）可看出，未知数K α的个数有N 个，需要有N 个方程联立求解。为此可同时令N 个谐波次数的电压为0，通过优化值K α消除N 个谐波分量。显然，如果想消除的谐波次数少一些，则选取的N 值也可少一些。反之，要想消除的谐波次数多一些，则必须选取PWM 脉冲的个数也要多一些。下面举例说明K α值的具体求解方法。 图3-9 两电平PWM 逆变器的输出电压波形 （1）消除5次和7次谐波 一般采用星形接线的三相对称电源供电的交流电机，相电流中不包含三的倍数次谐波。故在PWM 与调制是可不必考虑消除3次谐波。如前所述，对电 机调速性能影响最大的是5次和7次谐波，因此应列为需要首先消除的谐波。如仅想消除5 次和7次谐波，可选用N =2，仅需求解二个联立方程。令5U 和7U 为0，由式可得下述联立方程。 [][]512712412cos52cos505412cos 72cos 707d d U U U U ααπααπ?=-+=????=-+=?? （3-4） 由于是超越方程，直接联立求解有一 定的困难，可采用数值解法，设定1α值， 分别由式（3-4）计算出函数关 系()211f αα=和()2 21f αα'=，然后根据 ()11f α和()21f α曲线的交点，可求得1α 和2α值，如图3-10所示。由上述方式求 得的值为1α=16.247?，2α=22.068?， 相应的PWM 逆变器的输出波形如图3-11 所示。 图3-11 可消除5次、7次谐波分量的PWM 调制模式 （2）消除5、7、11和13次谐波，除了5，7次谐波外，11和13次谐波对调速性能的影响也较大，故也希望尽可能与5，7次谐波同时消除。如在基波的1/4周期（90o）范围嫩增加一个脉冲，即有四个未知k α值（k =4） ，则可同时 消除5、7、11和13次谐波。令5U 、7U 、11U 和13U 皆为0，由式（4-3）可得下述联立方程： 123412341234123412cos52cos52cos52cos5012cos 72cos 72cos 72cos 7012cos112cos112cos112cos11012cos132cos132cos132cos130 αααααααααααααααα-+-+=??-+-+=??-+-+=??-+-+=? （3-5） 解上述四个超越联立方程比较困难，一般需采用数值法求解值法求解，首先假定1α、2α、3α和4α值，代入上述方程，如不满足对1α～4α进行修正，通过迭代逐渐逼近真值。 二、三电平PWM 逆变器消除谐波的方法 图3-8所示PWM 逆变器当S1、S2采用10、00、01开关模式时，则逆变器输出电压具有三种电平，其输出PWM 波形如图4-12所示。 图3-12 三电平PWM 逆变器的输出电压波形 将图3-12所示电压波形展开傅氏级数，显然也仅包含奇次谐波的电压幅值为 () 1141cos k N d v k k U U v v απ+==-∑ （3-6） 式中，N 为在1/4周期（90o）内脉冲前沿和后沿数；k α为脉冲前沿或后沿在t ω轴上的坐标。 为消除v 次谐波，可令0v U =，求解式（3-6）可得优化的k α值。如想同时消除5、7和11次谐波，则可取N =3，通过设5U 、7U 和11U 为0，则可由式（3-6）求得1α、2α和3α。 学习指导（详解） 3.4 电流跟踪型PWM 逆变器的控制技术 一、电流跟踪型PWM 逆变器运行原理 电流跟踪型PWM 又称电流控制型电源PWM 逆变器（CRPWM ），它兼有电压型和电流型逆变器的优点：结构简单、工作可靠、响应快、谐波小，采用电流控制，可实现对电机定子相电流的在线自适应控制，特别适用于高性能的矢量控制系统。其中滞环电流跟踪型PWM 逆变器除上述特点外，还因其电流动态响应快，系统不受负载参数的影响，实现方便，而得到广泛的重视。 滞环电流跟踪型SPWM 逆变器的单相结构示意图如图3-13所示。 图3-13 滞环电流跟踪型PWM 单相结构示意图 i r 为给定参考电流，是电流跟踪目标，当实际负载电流反馈值i f 与i r 之差达到滞环上限值Δ时，即i f -i r ≥Δ，使VT2导通，VT1截止，负载电压为-E ，负载电流i f 下降。当i f 与i r 之差达到滞环下限值Δ时，即i f -i r ≤-Δ，使VT1导通，VT2截止，负载电压为+E ，负载电流i f 上升。这样通过VT1，VT2的交替通断，使︱i f -i r ︱≤Δ，实现i f 对i r 的自动跟踪。如i r 为正弦电流，则i f 也近似为一正弦电流。 图3-14 电压SPWM 波形的产生 图3-14是滞环电流跟踪型逆变器通过反馈电流i f 与给定电流i r 相比较产生 输出PWM电压信号的波形图。可以看出，PWM脉冲频率（即功率管的开关频率）f T是变量，与下列因素有关： （1）f T与滞环宽Δ成反比，滞环越宽，f T越低。 （2）逆变器电源电压E越大，负载电流上升（或下降）的速度越快，i f到达滞环上限（或下限）的时间越短，因而f T随值E增大而增大。 （3）负载电感值L越大，电流的变化率d i r/d t越小，i f到达滞环上限（或下限）的时间越长，因而f T越小。 （4）f T与参考电流i r的变化率d i r/d t有关，d i r/d t越大，f r越小，这可由图3-14中看出，越接近i r的峰值，d i r/d t越小，而PWM脉宽越小，即f T越大。 由以上分析可以看出，这种具有固定滞环宽度的电流跟踪型PWM逆变器存在一个问题，即在给定参考电流的一个周期内PWM脉冲频率差别很大，显然，在频率低的一段，电流的跟踪性差于频率高的一段。而参考电流的变化率接近于0时，功率开关管的工作频率增高，加剧了开关损耗，甚至超出功率器件的安全工作区。相反，PWM脉冲的频率过低也不好，因为会产生低次谐波，影响电机的性能。 二、开关频率恒定的电流跟踪型PWM控制技术 如上所述，有固定滞环宽度的电流跟踪型PWM逆变器，功率元件的开关频率变化过大，不仅会降低电流跟踪精度和产生谐波影响，而且不利于功率管的安全工作。最好能使逆变器的开关频率基本保持一定，这样便可以减小跟踪误差，降低谐波电流影响和提高逆变器的性能。 由前面的分析可知，保持在参考电流i r的一个周期内功率元件开关频率f T 恒定，唯一的办法是随着d i r/d t的变化调整滞宽Δ。改变滞宽使f T恒定，可以采用不同的控制方式。下面列举两种： （1）随着d i r/d t变化调整滞环宽度Δ使f T不变。 一种用模拟元件由d i r/d t计算滞宽的电路示意图如图3-15所示。 图3-15使用d i r/d t改变滞宽保持f T恒定的原理电路图 参考电流经微分电路B求得d i r/d t。然后根据电路参数由C计算响应的滞宽Δmax和Δmin，再由两选一电路D将Δmax或Δmin与i r-i f一起送入滞环比较器E。两选一电路的控制可由滞环比较器输出电平自动选取。通过适当的选取电路参数，可实现滞环比较器输出PWM脉冲的频率基本不变。 （2）在电流闭环中增设频率闭环使f T不变。 在常用的电流滞环中增加频率闭环使f T恒定的原理框图如图3-16所示。根据功率器件的类型、特性和逆变器的性能指标，可以确定最佳开关频率的给定信号f T*。右电流滞环输出测量的PWM脉冲信号频率经电压频率变换器f/V转换成电压信号f T*，将f T*- f T送入非线性开关调节器，调节器实时给出电流滞环宽度。当f T*＞f T时，给出滞环宽Δmin，使f T提高；反之，当f T*＜f T时，给出滞环宽Δmax，使f T下降。 图3-16 使用频率闭环使f T恒定的原理电路图 学习指导（详解） 3.5 PWM脉冲的生成方法 对于PWM变频调速系统来说，显然PWM脉冲信号的产生是整个控制系统的核心部分。PWM脉冲控制信号的产生可分为模拟电路控制方式，数字电路控制方式和两种电路相结合的混合控制方式生成三类。 一、模拟电路控制方式 PWM控制信号产生电路的主要功能是根据给定的指令（如转速）和对调速特性的要求，通过对调速系统数学模型的解算，产生控制逆变器功率元件通断的PWM信号。由于所采用的数学模型与控制机理不同，所采用的控制方式是多种多样的，如矢量（磁场定向）控制、直接转矩控制、变结构控制、模糊控制、神经元自适应控制等等。在此不可能对这些控制方法作论述，仅就参考信号确定之后，如何采用模拟电路具体产生PWM信号的方法作一分析。 如前所述，产生PWM信号的基本和常用的一种方法是用三角载波对给定参考波进行调剂。假定所需要的参考电压的频率与幅值已经求出，对于SPWM 逆变器，需要产生给定频率和幅值的正弦波和三角载波电压信号。如前所述，脉宽调制有同步方式和异步方式之分，它们各有优缺点，而最好的方式是分段同步式，即根据参考正弦波的频率变化范围分段选用同步方式，使三角载波频率为参考波的整数倍，以保证PWM输出波形的对称。产生频率和幅值可控正弦波的方法有多种，这里不作介绍。在此只讨论如何实现分段同步控制。下面介绍一种采用锁相环产生分段同步控制三角载波的方法。 分段同步控制三角载波产生电路原理如图示3-17所示。变频调速需要给定的参考正弦波给整形电路变为方波后送入锁相环，与由3端输入的波形进行相位比较，其差值信号由13端输出经低通滤波由9端输入送至锁相环内部的V/f 转换器产生由4端输出的矩形脉冲，经N分频变为3端输入信号。再次与14端信号相比，经反复调整，最后使3端输入信号的频率和相位与14端输入信号相等。此时由4端输出未经N分频的矩形脉冲经积分电路后可获得产生PWM 信号怕三角载波，三角载波的频率为参考正弦波频率的N倍。显然，通过改变分频值N可实现分段同步控制。 图3-17 分段同步控制三角载波的产生 图3-18 可预置N 分频器 可变N 值的分频电路可用在预置端的计数器来实现。如二—N —十进制减计数器MC14522B 。其三级可预置分频电路如图3-18所示。每级的预置可通过D 0~D 3端电平设置来实现，按高电平为1，低电平为0。所需要的分频数N 值由三位十进制数2n 1n 0n 组成。CR 端高电平计数器清零，低电平计数。当LD 端为高电平时将预定的分频值N 值按2n 1n 0n 置入各计数器。由CP 端输入锁相环压频振荡器输出信号作为时钟脉冲进行减法计数，完成分频功能。当三级计数器均减至零时，由于末级的CF 接电高电压，故其cc Q 变为高电平，随之第一级的CF 和cc Q 也变为高电平，由于第一级cc Q 与各级LD 相接，故又重新开始置数，致使计数器连续对输入脉冲进行分频。通过改变计数器的D 0~D 3端子的电平可改变分频数N 的设置。 值得注意的是，虽然这里只对PWM 脉冲完全由模拟电路生成做介绍，但总的发展趋势在向全数字化控制方向发展。 二、数字电路控制方式 采用数字控制方式时，调速系统数学模型的求解，各闭环控制调节器以及PWM 控制信号的产生等功能全部由单片机或微处理器完成。下面简单介绍用于SPWM 控制的专用芯片及微处理器。 1．新型SPWM 专用微处理器的主要性能 SPWM 控制信号可用多种方法产生，然而，近年来计算机技术的发展使人们倾向于用微处理器或单片机来合成SPWM 信号。目前用单片机产生SPWM 信号，通常是根据某种算法计算、查表、定时输出三相SPWM 波形，再由外部硬件电路加延时和互锁变成六路信号。受运算速度和硬件所限，SPWM 的调制频率以及系统动态响应速度都不是太高。在闭环控制变频调速系统中，采用一般的微处理器实现纯数字的速度和电流闭环控制是相当困难的。 随着大规模集成电路（LSC）技术的发展，近来出现了多种新型用于电动机控制的专用单片微处理器。这些新型专用微处理器具有以下性能指标：（1）基本指令数，执行时间、内存容量及处理器的可读、写内存容量 为了提高运算速度，几乎所有的新型微处理器的命令都采用“管线”（Pipe Line）方式。为了完成复杂的运算，这类微处理器皆具有乘、除法指令或带符号的乘、除法指令。此外，有的微处理器还备有便于进行矩阵运算的求积、和的指令。 （2）中断功能及中断通信道数 为了对变频器及电动机的运行参数（如电压、电流、温度等）进行适时检测与故障保护，需要微处理器具有很强的中断功能与足够的中断通道数。 （3）PWM波形生成硬件及调制范围 波形生成硬件单元可设定各种PWM调制方式，调制频率及死区时间，可实现的调制频率范围应能满足低噪音变频器和高输出频率的变频器的要求。 （4）A/D接口 芯片应具有输入模拟信号（可用于电动机的电压、电流信号，各种传感器的二次电信号以及外部的模拟量控制信号）的A/D转换接口，A/D转换器的字长一般为8位或10位。 （5）通讯接口 芯片应备有用于外围通信的同步、异步串行接口的硬件或软件单元。 2．几种新型单片机微处理器简介 目前，具有代表性的新型PWM专用芯片是：美国英特尔（INTEL）公司的8×196MC系列，日本电气（NEC）公司的PD78336系列和日本日立公司的SH7000系列。下面重点介绍8×C196MC的功能和特点，同时对三种芯片的主要性能指标作一对比分析。 （1）8×C196MC系列 INTEL公司的8×C196MC系列于1991年投放市场，有三种产品：无内部ROM 的80C196MC，备有16KB一次性写入内部ROM的83C196MC以及备有16KB 可重复写内部ROM的87C196MC。8×C196MC的引脚排列如图4-19所示。主要包括算术、逻辑运算部件RALU，寄存器集，内部A/D转换器，PWM发生器，事件处理阵列EPA，三相互补SPWM输出发生器以及看门狗、时钟和中断 控制等电路。 8×C196MC寄存器阵列包括512个字节，分为低256和高256字节两部分。低256字节在RLU运算过程中可当作256个累加器使用，高256字节用作寄存器RAM，也可通过特有的窗口技术，将高256字节切换成具有累加器功能的256个字节。从而避免了一般单片机仅使用单个累加器而产生的“瓶颈效应”，提高了运算速度。在16MHz晶振频率下，8×C196MC完成16位乘以16位乘法，仅需1.75sμ，完成32位除以16位的除法只要3.0sμ。这对于实现控制系统的快速控制非常有利。 8×C196MC最具特色的是它的三相（六路）互补SPWM输出功能，事件处理阵列EPA和外设服务功能PTS，下面分别作一简单介绍。 ①SPWM波形输出 三相SPWM波形三由U、V、W三个单相SPWM波形生成器构成的，其中一相（U相）电路的原理图如图4-20左图所示，它由脉宽发生，脉冲合成及保护电路等单元电路构成。脉宽发生单元则由三角调制波产生、输出脉宽值设定以及脉宽比较和生成电路构成。 为防止逆变器同一桥臂上下两个功率远见发生直通造成短路，该SPWM发生电路通过编程设置死区互锁时间t d，如图3-20右图所示，使驱动同一桥臂上下两功率元件的SPWM脉冲信号u+和u-具有互补功能，且在u+和u-电平切换时设置皆为高电平的死区时间t d，以确保同一桥臂的上下功率元件不会同时导 网络学习指导(第4版)_在线作业_4 一、单选题 1. (5分) 选课要严格遵守所在学习层次和专业教学计划对选修学分的要求，包括总学分和各类课程的（）学分要求。 ? A. 大致 ? B. 详细 ? C. 具体 ? D. 单项 得分：5 知识点：2.2 选课 展开解析 答案D 解析 2. (5分) 统考地点在经过网考办批准的全国（）以上城市及少数县级城市设置的考点，具体考点名单详见网考办网上报名系统，学生参加统考可以选择适当的考点。 ? A. 地级 ? B. 乡级 ? C. 县级 ? D. 省级 得分：5 知识点：2.7 统考 展开解析 答案A 解析 3. (5分) 在课件使用过程中遇到问题时，可以在学院首页/新生通道/( )/网络及光盘课件使用说明中查询。 ? A. 常见问题 ? B. 帮助中心 ? C. 学习指南 ? D. 迎新专题 得分：5 知识点：网络学习指导(第4版) 展开解析 答案C 解析 4. (5分) 学院分秋季学期和春季学期。秋季学期为每年（），春季学期为每年12月至次年6月。 ? A. 6月至10月 ? B. 4月至11月 ? C. 7月至10月 ? D. 7月至11月 得分：5 知识点：2.2 选课 展开解析 答案D 解析 5. (5分) 对于申请（）的学生，毕业论文（设计）成绩必须达到良好以上（含良好）。? A. 学士学位 ? B. 肄业 ? C. 结业 ? D. 毕业 得分：5 知识点：网络学习指导(第4版) 展开解析 答案A 解析 6. (5分) 在课程学习中，如果单击“课程学习”后出现一片空白，请（）相关系统中的广告拦截功能，或者按住Ctrl键再打开课件。 ? A. 点击 ? B. 使用 ? C. 取消 ? D. 连接 得分：5 知识点：网络学习指导(第4版) 展开解析 答案C 解析 7. 西电网院《交流调速技术》模拟试题5 考试时间_90_分钟闭卷试卷编号____________ 姓名_________ 学号____________ 班级____________ 一、判断题(10分每题1分) （对√、错×） ( × )1. PWM脉宽调制型变频，是靠改变脉冲频率来控制输出电压。 ( √ )2. 起重机属于恒转矩类负载。 ( √ )3. 变频器矢量控制模式下，一只变频器只能带一台电动机。 ( √ )4. 直接转矩控制是直接分析交流电动机的模型，控制电动机的磁链和转矩。 ( √ )5. 变频器基准频率也叫基本频率 ( √ )6. 起动频率是指电动机开始起动的频率。 ( √ )7. PID控制是闭环控制中的一种常见形式。 ( √ )8.变频器内部装有冷却风扇上下左右与相邻的物品和挡板必须保持足够的空间。 ( × )9.变频器与电动机之间的连接线越长越好。 ( √ )10.风机变频调速参数设置，上限频率不应超过额定频率。 二、选择题（共10题，每题2分，共20分） 1. 9、对电动机从基本频率向上的变频调速属于（A）调速。 A：恒功率B：恒转矩 C：恒磁通D：恒转差率 2．下列哪种制动方式不适用于变频调速系统（ C ）。 A：直流制动B：回馈制动 C：反接制动D：能耗制动 3．变频器种类很多，其中按滤波方式可分为电压型和（A）型。 A：电流B：电阻 C：电感D：电容 4．目前，在中小型变频器中普遍采用的电力电子器件是（D ）。 A：SCR B：GTO C：MOSFET D：IGBT 5．变频器常用的转矩补偿方法有：线性补偿、分段补偿和（ B ）补偿。 A：平方根 B ：平方率 C：立方根D：立方率 6．变频调速过程中，为了保持磁通恒定，必须保持（ C ）。 A：输出电压U不变B：频率f不变 C：U/F不变D：U·f不变 7. 对电动机从基本频率向上的变频调速属于（ A ）调速。 A.恒功率 B.恒转矩 C.恒磁通 D.恒转差率 8．三相异步电动机的转速除了与电源频率、转差率有关，还与（ B ）有关系。 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) 学习指导 第2章变频调速技术 2.1 交-直-交变频器的基本电路 概述 1、交-直-交变频器的作用及组成 2、分类 一、交直交电压型变频器 1、电路：交-直-交电压型变频器的构成见图2-1所示。 图2-1 交-直-交电压型变频器主电路 2、逆变器部分电路工作原理 （见难点详解） 3、电压型变频器及电压调节方式 （1）电压型变频器 A、不可再生制动：最简单的电压型变频器由可控整流器和电 压型逆变器组成，用可控整流器调压，逆变器 调频，如图2-6所示。 图中，逆变电路使用的功率开关为晶闸管。 由图可知，因中间直流电路并联着大电容C d， 直流极性无法改变。这就是说，从可控整流器 到C d之间的直流电流I d的方向和直流电压U d的极性不能改变。因此，功率只能从交流电网输送到直流电路，反之不行。这种变频器由于能量只能单方向传送，不能适应再生制动运行，应用场所受到限制。 B、可再生制动：为适应再生制动运行，可在图2-6电路的基础上，增加附加 电路。 一种方法是，在中间直流电路中设法将再生能量处理掉，即在电容C d的两端并联一条由耗能电阻R与功率开关(可以是晶闸管或自关断器件)相串联的电路，如图2-7所示。 当再生电能经逆变器的续流二极管反馈到直流电路时，将使电容电压升高，触发导通与耗能电阻串联的功率开关，再生能量便消耗在电阻上。此法适用于小容量系统。 图2-7 并联耗能电阻的电压型变频器 另一种方法是，在整流电路中设置再生反馈通路—反并联一组逆变桥，如图2-8所示。 此时，U d的极性仍然不变，但I d可以借助于反并联三相桥(工作在有源逆变状态)改变方向，使再生电能回馈到交流电网。此法可用于大容量系统。 图2-8 反并联逆变桥的电压型变频器 （2）电压调节方式 为适应变频调速的需要，变频电源必须在变频的同时，实现变压。对于前述输出矩形波的变频器而言，除了在逆变器输出端利用变压器进行调压或移相调节外，在逆变器输入端调节电压主要有两种方式。 A、采用可控整流器整流：通过对触发脉冲的相位控制直接得到可调直流电压，已如前述，见图2-6。此法电路简单，但电网侧功率因数低，特别是低电压时， 注意事项： 1.本套题目仅供2016年春及以后年级学生做，其他年级学生做了成绩无效 2.答题时只在答题框填写答案，不要抄题。具体答题格式如下（单选题各题答案选项的内容、多选题中各题答案选项的数目和内容由题目决定）： -----------以下为答题格式------------------------ 一、单选题 1.A 2.A 3.A 4.A 5.A 6.A 7.A 8.A 9.A 10.A 二、多选题 11.AAA 12.AA 13.AAA 14.A A 15.AA 16.AAA 17.AA 18.AAA 19.A A 20.AA -----------以上为答题格式------------------------ ==================================== ==================================== ======= 一、单选题（每题5分，共10题） 1．对于学校、企事业单位或公司的用户来说，通过（B）方式接入局域网，然后再通过专线接入Internet是最常见的接入方式。 A．广域网 B．宽带 C．以太网 D．城域网 2．华中科技大学远程与继续教育学院的网站电信网地址是B。 A．https://www.doczj.com/doc/9b31611.html, B．https://www.doczj.com/doc/9b31611.html, C．https://www.doczj.com/doc/9b31611.html, D . https://www.doczj.com/doc/9b31611.html, 3．在教学教务管理平台上，当学生和教师都进入到课堂后，如果学生有问题需要教师解答，可以通过（C）功能来实现与教师的音视频交流。 A．提问 B．答疑 C．举手 D．论述 4．学生在学习过程中应该以网络课程学习为主，把（B）作为参考资料来学习，这样才能取得比较好的学习效果。 A．学习资料 B．纸质教材 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) 网络学习指导(第4版)_在线作业_1 交卷时间：2017-04-13 20:34:15 一、单选题 1. (5分) 中农大网院的（）是：以质量为中心，改革创新、规范管理、适度发展、办出特色。 ? A. 工作指导 ? B. 教育思想 ? C. 办学理念 ? D. 办学方针 纠错 得分： 5 知识点： 1.2 中农大网院介绍 展开解析 2. (5分) 新生入学后需预付不少于（）学分的学费。 ? A. 80 ? B. 20 ? C. 40 ? D. 60 纠错 得分： 5 知识点： 2.1 缴费 展开解析 3. (5分) 学院在每个学期期末会组织考前辅导，提供语音在线辅导或文字辅导资料，并放在相应课程的（）栏目中，供同学们下载。 ? A. 网上学习 ? B. 辅导资料 ? C. 考试计划 ? D. 毕业论文 纠错 得分： 5 知识点：网络学习指导(第4版) 展开解析 4. (5分) 下列有关统考考生违纪情况处理及处罚说法中，不正确的是：（） ? A. 有考试作弊行为的考生，当次考试全部科目成绩无效，并视情节严重情况给予停考1-3年的处理 ? B. 有考试违纪行为的考生，其相关科目的考试成绩无效 ? C. 有作弊或协同作弊的考生，视其情节轻重，给予警告或记过 ? D. 代替他人或由他人代替参加考试者，取消统考资格 纠错 得分： 5 知识点： 2.7 统考 展开解析 5. (5分) 学术界普遍认为，远程教育起源自19世纪中叶的（），是以函授教学形式进行的。 ? A. 英国 ? B. 亚洲 ? C. 日本 ? D. 美国 纠错 得分： 5 知识点： 1.3 远程教育介绍 展开解析 6. (5分) 课程论文的题目可以在（）下载。 ? A. 学习指南 ? B. 我的课堂 ? C. 学生论坛 ? D. 新生通道 纠错 得分： 5 知识点： 2.6 课程考试 展开解析 7. (5分) 当在学习过程中遇到教学教务相关问题时，可以在（）栏目提出。 1、交流电动机的变频交流调速技术：用半导体电力电子器件构成的变频器，把50或60Hz 的交流电变成频率可调的交流电，供给交流电动机，用以改变交流电动机的运转速度的技术。 2、转差率：同步转速n0与定子转速n之差称为转速差，转速差与同步转速的比值称为转差率S。额定状态下运行时，异步电动机的转差率sn在0.01~0.06之间；空载时，sn在0.05以下。 3、三相异步电动机的调速方法：调频调速、改变磁极对数、改变转差率。 4、三相异步电动机的机械特性：三个主要特征点①理想空载点（N0）：负载转矩T为零，异步电动机的转速n最大，达到同步转速n0。②启动点（S）：异步电动机接通电源瞬间，电动机的转速n为零，此时的和转矩为启动转矩Ts，称为堵转转矩。③临界点（K）：异步电动机的机械特性有一个拐点K，此时对应的转速为临界转速nk。 5、异步电动机负载的机械特性主要是指负载的阻转矩与转速的关系。常见的有恒转矩负载、恒功率负载和二次方率负载。恒转矩负载（负载功率与转速成正比）、恒功率负载（转速和转矩成反比）、二次方率负载（负载的阻转矩与转速的二次方成正比）。 6、变频器的分类：⑴按变换环节：①(间接变频)交-直-交变频器②(直接变频)交-交变频器 ⑵按电压的调制方式：①PAM(脉幅调制)②PWM(脉宽调制)⑶按滤波方式：①电压型变频器②电流型变频器⑷按输入电源的相数：①三进三出变频器②单进三出变频器⑸按控制方式：①v/f控制变频器②转差频率控制变频器③矢量控制变频器④直接转矩控制变频器⑹按用途：①通用变频器②高性能专用变频器③高频变频器⑺按变频器的供电电压的高低分类：①低压变频器②高压变频器 7、直流电动机的工作原理。为什么直流电动机有优越的调速特性！ 答：直流电动机有两个独立的绕组：定子和转子。定子绕组通入直流电，产生稳定磁场；转子绕组通入直流电，产生稳恒电流；定子的稳恒磁场和转子的电流相互作用，产生机械转矩， 第一章异步电动机变压变频调速理论基础 1.交流电动机的优点有哪些？ 直流电机的优点：⑴调速优良，易于控制，静态性能好动态响应快 ⑵数学模型简单：线性2阶＋1阶 ⑶易于控制：电枢和励磁线圈可以独立调节 ⑷天然解耦：Ia与Φm线性无关是解耦的 直流电机的缺点：a）结构上存在的机械换向器和电刷 b）体积大 c）维护困难，使用环境受限 d）寿命短 e）在容量发展上受限制 ⊙⊥⊙交流的电动机的优点：(1)结构简单，体积小、转动惯量、小重量轻 (2)坚固耐用 ⑶动态响应好 ⑷价格低廉 交流的电动机的缺点：⑴难于控制，调速性能先天不足 ⑵多变量耦合 ⑶强非线性（自己写：） ⑷高阶次：至少是7阶 2.根据转差功率的去向，交流异步电机的调速方法可分为哪几类？各有哪些方法？ 按电动机的调速方法分类，常见的交流调速方法有： ①降电压调速 ②转差离合器调速 ③转子串电阻调速 ④绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速 ⑤变极对数调速 ⑥变压变频调速等 ⑴转差功率消耗型调速系统①、②、③都属于这种，效率最低，低速时以增加转差功 率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）；结构简单，设备成本最低。 ⑵转差功率馈送型调速系统④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，效率较高。 ⑶转差功率不变型调速系统⑤、⑥转差功率只有转子铜损，转速高低，转差功率基本 不变，效率更高。分两种，变极对数调速是有级的，应用场合有限；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，但定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，成本最高。 3.画出异步电动机在调压调速时的机械特性，并说明其特点。 ⑴n0不变（起点） ⑵Te(包括Tst)正比于u1的平方（极值） ⑶Sm不变（极值轴心） 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。 第一章：计算机网络概述 例题精解 1.计算机网络是（）和（）相结合的产物。 2.计算机网络由（）和（）两部分组成c 3.计算机网络的发展可分为（）、（）、（）和（）4个阶段。 4.计算机网络的应用越来越普遍，其最主要的特点是（）。 A.节省人力 B.存储容量扩大 C.可实现资源共享 D.使信息存储速度提高 习题 一、填空题 1.在计算机网络中，LAN代表的是（），WAN代表的是（）。 2.通常在我国所说的教育网是指（）。 3. E-mail的中文含义是（）， E-Commerce的中文含义是（） 4.按照网络中计算机所处的地位，计算机网络可以划分为（）和基于服务器的网络。 5.从逻辑功能上可以把计算机网络分为通信子网和资源子网，其中通信子网的功能是 （）资源子网的功能是（）。6.通信链路是指两个网络结点之间承载（）和（）的线路。 7.网络中的计算机之间、网络设备之间、计算机与网络设备之间必须遵循相同的 （）才能实现连接。 8.主机系统是计算机网络的主体，按其功能和用途可分为（）和 （）两大类。 9.网络资源包括（）、（）和（）。 10.信息高速公路主要由（）、（）、 （）和人等几个基本要素组成。 11.常用的网络操作系统有（）、（）、（）等。 12.最常见的传输介质有（）、（）和（）。 13.网络硬件系统包括各种计算机系统、（）、（）、（）。 14.数字数据网(DDN)、公用电话交换网( PSTN)都属于（）。 15.计算机网络的功能主要体现在（）、（）、（）、（）、（）、（）。 二、选择题 1.计算机网络可以按网络的拓扑结构来划分，以下（）不是按此标准划分的。 A.星状网 B.环状网 C.局域网 D.总线结构 2.计算机网络的最大优点是（）。 A.精度高 B.内存容量大 C共享资源 D.运算速度快 3.国家信息基础设施的缩写为（）。 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： 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 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 考试作业一 以下均为单选题（每题10分） 1．以个人身份登陆到华中科技大学远程与网络继续教育学院院平台时，以（）为初始密码。 A．姓名 B．学号 C．身份证号 D．预留手机号 2．第一代远程教育技术模式是（）。 A．函授教育 B．多媒体教学的远程教育 C．双向交互教学的远程教育 D．虚拟教学的远程教育 3．开始学习网络学习时，我们建议同学们应每周不少于（）访问学院的网络教学平台。 A．一次 B．二次 C．三次 D．四次 4．华中科技大学远程与继续教育学院的网站电信网地址是（）。 A．https://www.doczj.com/doc/9b31611.html, B．https://www.doczj.com/doc/9b31611.html, C．https://www.doczj.com/doc/9b31611.html, D．s https://www.doczj.com/doc/9b31611.html, 5．华中科技大学是国家教育部直属的全国重点大学，由原华中理工大学、同济医科大学、武汉城市建设学院于（）合并成立，是首批列入国家“211工程”重点建设和“985工程”建设的大学。 A．2000年5月26日 B．2001年5月26日 C．2002年5月26日 D．2003年5月26日 6．华中科技大学是2000年7月经教育部批准开展试点现代远程教育的高校，（）年成立了网络教育学院。 A．2000年 B．2001年 C．2002年 D．2003年 7．在我院网站首页面上公布的实时串讲课表中的时间内点击“视频会议”栏可以在线接收教师实时串讲课程，如错过时间也可进入（）下载课程内容。 A．ftp://221.232.133.124/ B．ftp://222.232.133.124/ C．ftp://221.232. 132.124/ D．ftp://221.232.133.123/ 交流变频调速技术发展的现状及趋势 概述 交流电动机变频调速技术是在近几十年来迅猛发展起来的电力拖动先进技术，其应用领域十分广泛。为了适应科技的发展，将先进技术推广到生产实践中去，交流变频调速技术已成为应用型本科、高职高专电类专业的必修或选修课程。 变频调速技术概述，常用电力电子器件原理及选择，变频调速原理，变频器的选择，变频调速拖动系统的构建，变频技术应用概述，变频器的安装、维护与调试和变频器的操作实验。 在理论上以必需、够用为原则；精心选材，努力贯彻少而精、启发式的教学思想； 变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。大家知道，从大范围来分，电动机有直流电动机和交流电动机。由于直流电动机调速容易实现，性能好，因此，过去生产机械的调速多用直流电动机。但直流电动机固有的缺点是，由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来不少的麻烦。因此人们希望，让简单可靠价廉的笼式交流电动机也能像直流电动机那样调速。这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速和串极调速等交流调速方式；由此出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机。但其调速性能都无法和直流电动机相比。直到20世纪80年代，由于电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，才出现了变频调速技术。它的出现就以其优异的性能逐步取代其他交流电动机调速方式，乃至直流电动机调速系统，而成为电气传动的中枢。 要学习交流电动机的变频调速技术，必须有电力拖动系统的知识。因此，先温习电力拖动系统的基础知识。电力拖动系统由电动机、负载和传动装置三部分组成。描写电力拖动系统的物理量主要是转速，n和转矩T（有时也用电流，因转矩和电动机的电枢电流成正比）。两者之间的关系式称为机械特性。 交流电动机是电力拖动系统中重要的能量转换装置,用来实现将电能转换为机械能。长期以来人们一直在寻求对电动机转速进行调节和控制的方法,起初由于直流调速系统的调速性能优于交流调速系统,直流调速系统在调速领域内长期占居主导地位。 变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，比较简便的方法有三 种 对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。它们最大的不同之出主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的机械向器——整流子。 20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优 交流调速系统的发展现状 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; 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?现代交流调速技术的发展 现代交流调速的法阵可分为几个阶段20世纪60年代中期，德国的A Schonung等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通信系统中的调制技术推广应用于变频调速中，为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了新的道路。从此，交流调速理论及应用技术大致沿下述四个方面发展。 （1）电力电子器件的蓬勃发展 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）一自关断器件（第二代）-功率集成电路PIC（第三代）一智能模块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（ Gia nt Tran sistor）、GTq Gate Turn 网络教育学习指导参考 答案 Revised as of 23 November 2020 考试作业一以下均为单选题（每题10分） 1．以个人身份登陆到华中科技大学远程与网络继续教育学院院平台时，以（）为初始密码。 A．姓名 B．学号 C．身份证号 D．预留手机号 2．第一代远程教育技术模式是（）。 A．函授教育 B．多媒体教学的远程教育 C．双向交互教学的远程教育 D．虚拟教学的远程教育 3．开始学习网络学习时，我们建议同学们应每周不少于（）访问学院的网络教学平台。 A．一次 B．二次 C．三次 D．四次 4．华中科技大学远程与继续教育学院的网站电信网地址是（）。 A． B． C． 5．华中科技大学是国家教育部直属的全国重点大学，由原华中理工大学、同济医科大学、武汉城市建设学院于（）合并成立，是首批列入国家“211工程”重点建设和“985工程”建设的大学。 A．2000年5月26日 B．2001年5月26日 C．2002年5月26日 D．2003年5月26日 6．华中科技大学是2000年7月经教育部批准开展试点现代远程教育的高校，（）年成立了网络教育学院。 A．2000年 B．2001年 C．2002年 D．2003年 7．在我院网站首页面上公布的实时串讲课表中的时间内点击“视频会议”栏可以在线接收教师实时串讲课程，如错过时间也可进入（）下载课程内容。 A． B． 8．综合成绩包括平时成绩、网上学习成绩和考试卷面成绩三部分组成，其中平时成绩占（）。 A．10% B．15% C．20% D．25% 9．因专业计划课程衔接问题，转专业一般只允许新入学学生在第一学期办理，每年办理转专业手续的时间规定为（）。 A．3月和9月 B．3月和10月 C．4月和9月 D．4月和10月 10．华中科技大学远程继续教育学院规定，实验课每（）个学时计一个学分。 A．8 B．16 C．24 D．32 答案—— 、、、、、、、、、 练习作业一 什么是网络教育 网络教育现行的英文名称是E-Learning，其中“learning”的意思是学习，字母“E”的意义则可以解释为电子（electronic）、网络（network）、在线（on-line）等等，因此有些地方称网络教育为网络化学习、电子化学习或在线学习。在中国，现代远程教育有着多种形式。比如“农村中小学现代远程教育工程”和“全国农村党员干部现代远程教育试点”等，主要是通过卫星传递数字资源到学校或地方接收点，学校可在地方接收点将这些资源下载之后，再在学校或地方接收点的计算机上使用，这其中几乎不使用计算机网络通信技术进行沟通；而全国67所网络教育试点高校的网络教学则主要是通过计算机网络技术建立学生与学校老师及学生之间的联系，所以现代远程教育在高校常常被称之为“网络教育”。 远程教育经历了三个主要发展阶段：第一阶段是函授教育；第二阶段是广播电视教育；第三阶段是网络教育。 从网络搭建的规模和入网学生范围来分，网络教育有校内网络教育和现代远程教育两种。校内网络教育是在学校范围内、校区之间或若干所同地域的学校之间通过学校的 交流调速原理及应用 第一单元 交流调速的原理 ——异步电机变压变频调速系统（VVVF 系统） 异步电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，无论是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,因此现在应用面很广。 第一节 变压变频调速的基本控制方式 定子每相电动势 m N s 1g S 44.4Φk N f E = 只要控制好 E g 和 f 1 ，便可达到控制磁通Φm 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。 1、基频以下调速 要保持 Φm 不变，当频率 f 1 从额定值 f 1N 向下调节时，必须同时降低 E g ，使 常值=1 f E g 即采用恒值电动势频率比的控制方式。 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 U s ≈ E g ，则得 常值=1 f U s 这是恒压频比的控制方式。 但是，在低频时 U s 和 E g 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 U s 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。 带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于图1中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。 2、基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从 f 1N 向上升高，但定子电压U s 却不可能超过额定电压U sN ，最多只能保持U s = U sN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图2所示。 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。 第二节 异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性 1、 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 当定子电压U s 和电源角频率w 1恒定时，异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性 方程式T e = f (s )如下：2'lr ls 2122'r s ' r 12 1s p e )()(3L L s R sR R s U n T +++??? ? ??=ωωω 当s 很小时，转矩近似与s 成正比，机械特性T e = f (s )是一段直线。当s 接近于1时， 转矩近似与s 成反比，机械特性T e = f (s )是一段双曲线。当s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图3所示。 一单项选择题 1. 当在学习过程中遇到教学教务相关问题时，可以在（）栏目提出。 A考风考纪B英语对对碰C在线问答D心情随笔 2. 在课程学习中，如果单击“课程学习”后出现一片空白，请（）相关系统中的广告拦截功能，或者按住Ctrl键再打开课件。 A连接B使用C取消D点击 3. 统考地点在经过网考办批准的全国（）以上城市及少数县级城市设置的考点，具体考点名单详见网考办网上报名系统，学生参加统考可以选择适当的考点。 A县级B乡级C地级D省级 4. 毕业论文（设计）成绩采用五级计分制，其中良好指的是（）。 A 60-69分 B 0-100分 C 70-79分 D 80-89分 5. 通过北京地区成人本科学士学位英语统一考试，是中农大网院本科在籍生（专升本、高起本的学生）申请成人本科（）的必要条件之一。 A培训证书B结业证书C学士学位D毕业证书 6. 学生在使用E知通前必须先进行（）。 A手机激活B邮箱注册C邮箱激活D E知通验证 7. 学院网上学生活动主要是通过（）栏目来实现。学生可以自由参与，和老师、同学们进行交流；同时通过相册、日志等充分展示自己的风采，共同建构浓厚的校园文化。 A在线课程B学院公告C新生通道D七彩校园 8. “（）”栏目是中农大网院发布政策信息的地方，学生入学后须详细阅读其中的文件，主要链接《学生手册》、《课程免修免考管理办法》、《学籍管理规定》等有关制度。 A管理规定B新生向导C学习指南D迎新专题 9. 课件运行环境对学生软硬件要求如下：硬件是任何一台能上网的计算机；软件是（），IE7.0以上，Media Player9.0以上，Flash播放插件（自适应）和Acelpacm.exe(插件)。 A microsoft offer B windows97 C windows98/NT/2000 /XP D windows word 10. 从2009年开始四门统考课程全部实行（）考试形式。 A机考闭卷B开卷考试C考察D笔试 11. 如果学生想申请本科学士学位，全学程平均成绩需不低于（）分。 A 70 B 85 C 75 D 80网络学习指导(第4版)_在线作业_4
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