题目：交流电动机调速系统的研究
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专业：电气工程及其自动化
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摘要
最近几年，随着新型电力电子器件的不断涌现和计算机技术的飞速发展，高性能的交流电动机变频调速系统得到了广泛的应用，他的显著的节能效果和灵活的运行方式，给人们留下了深刻的印象。
本论文首先论述了变频调速的基础技术，简述了它在我国的发展和应用以及今后在这方面应做的工作；其次对系统的主电路、控制电路、电气控制电路以及实现控制的软、硬件进行了系统地分析，并对调速系统的实施方案进行了论证。在此基础上，调速系统主电路采用了交-直-交型电路形式及交－交调速系统；最后以PWM电压源型交流调速系统的工作原理框图为例，分析并介绍交流电动机的调速系统。
关键词：交流调速变频调速PWM
摘要 ................................................................................................................................................. II 第一章引言.. (1)
1.1选题背景及意义 (1)
1.2国内外研究现状 (2)
1.3 研究内容与目标 (2)
第二章交流电动机调速 (3)
2.1交流变频调速技术的发展 (3)
2.1.1交流电机 (4)
2.1.2直流电机 (4)
2.1.3交流电机与直流电机对比 (4)
2.2交流调速的方式 (4)
2.2.1串极调速 (5)
2.2.2矢量变换控制调速 (5)
2.2.3变频调速 (5)
第三章常见的交流机变频调速装置及应用 (6)
3.1交一直一交变频调速 (6)
3.1.1整流原理 (6)
3.1.2逆变原理 (6)
3.2交一交变频调速 (7)
3.2.1单相交－交变频电路 (7)
3.2.2三相交－交变频电路 (8)
3.2.3变频调速的意义 (9)
3.2.4变频调速的效益 (9)
第四章交流电机变频调速的的原理及特性 (11)
4.1变频调速 (11)
4.2基本原理及特性 (11)
4.2.1变频调速的原理 (11)
4.2.2变频调速优点 (12)
4.3变频调速应用举例 (12)
第五章常见的变频电源及简单原理 (14)
5.1基本概念 (14)
5.2变频调速类型 (14)
5.3变频电源的工作原理 (14)
第六章 PWM电压源型交流调速系统 (17)
6.1 PWM电压源型交流调速系统的工作原理 (17)
6.1.1 PWM控制的基本原理 (17)
6.2.2 PWM相关概念 (19)
6.2 三相交流电源IGBT PWM (19)
6.3 变频电源的优势和应用 (21)
参考文献 (23)
第一章引言
1.1选题背景及意义
以变频调速技术问世为标志的近代交流调速近二十年来取得了惊人的进展。首先是由于生产力的发展，生产机械的功率愈来愈大，1000千瓦以上功率装置愈来愈多。在这样的功率范围内，直流电动机由于受机械换向器及电刷等工艺制造的限制，很难制造额定电压超过1000伏的电动机，因而额定电流变得很大，供电须采用专用汇流排，这样供电电压降和传输损耗增加，相比之下，交流电动机制造超过6000伏以上高压电机并不困难，从而避免了上述直流电动机制造工艺的难点，换言之，功率愈大，交流拖动的经济效益优势将更为明显，制造出功率大大超过直流电动机是形势要求的一个方面；另一方面还要利用先进控制技术使其性能指标达到甚至超过直流电动机。
其次，三次中东战争后，西方一度发生石油危机，廉价能源丧失，使人们认识到节能的重要性，许多传统的工艺过程必须从节能的角度加以重新评价。其直接影响是要求一大批原来恒速运行的机械改成调速运行，特别是用量很大，通常占总用电量一半左右的风机、泵类负载，采用调速方式来调节输出流量，与传统的恒速运行节流阀调节流量的方式相比，可节电30％左右；这一事实，促使人们从生产系统总效率的角度来重新评价交流调速系统的经济技术指标，变频调速系统由于具有显著的节电效果；低廉的运行费用，常可抵消装置价格偏高的不利因素，受到用户的欢迎。
再者，由于在环境恶劣的生产场合（如冶金、建材、矿山、化工等工业）常有防爆或高速运行的要求，目前世界上还很难生产出大功率、高速的防爆直流电动机，再如水泥行业灰尘大，污染大，直流电动机很不适应，而且直流电机经常换电刷，维护量大，因而常常停机影响生产。
发展生产力的需要大大促进科学技术的发展，因此自从70年以来，以电子电子器件、微电子器件技术和控制技术等为基础的变频调速技术，有了突破性的进展，生产出满足变频调速要求的变频器，从此交流调速进入了一个崭新时代，为了与以前传统的交流调速相区别，人们通常把实现变频调速为特征的交流调速称为近代交流调速。
1.2国内外研究现状
交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60% - 65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15% - 20%的电量。
采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。它主要基于下面几个因素：（1）变频调速系统自身损耗小，工作效率高。
（2）电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。
（3）可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。
在采用变频调速时，需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。如果仅从工艺要求、节约效益考虑，下面几种情况选用变频调速较有利：（1）根据工艺要求，生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如：包装机传送系统，根据不同品种的产品，需要改变系统传送速度，使用变频调速可使调速控制系统结构简单，控制准确，并易于实现程序控制。
（2）用变频调速代替机械变速。如：机床，不仅可以省去复杂的齿轮变速箱，还能提高精度、满足程序控制要求。
（3）用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。例如：锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制，不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门（或挡风板），而且使得整个锅炉锅炉控制系统得到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。
交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。目前，国外先进国家的变频技术正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向发展，我国也在加快发展步伐。
1.3 研究内容与目标
本文主要作了以下工作：
（1）介绍交流电动机调速的发展过程；
（2）介绍常见的交流机变频调速装置及应用；
（3）介绍交流电机变频调速的原理及特性；
（4）介绍几种常见的变频电源及简单原理；
（5）以PWM电压源型交流调速系统的工作原理框图为例，分析并介绍交流电动机的调速系统。
第二章交流电动机调速
2.1交流变频调速技术的发展
交流电动机的调速系统是一项以大功率电力电子器件为基础的新型技术学科在过去的十几年间由于大功率电力电子器件的不断出现,使交流电动机的调速技术取得了很大的发展。在六十年代以后,交流调速系统采用半导体变流技术,尤其使七十年代以来,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,为交流电力拖动的开发进一步创造了有利条件,交流伺服控制是自动化领域中刚刚发展起来的新分支,交流伺服系统将广泛取代目前直流伺服系统这一观念已经被越来越多的人所接受,在数控机床及机器人等高精尖设备系统中,以往一直使用直流电机,因为调节直流电机的电枢电压或电流就可以方便的获得优良的调速特性。在过去的几十年里,世界范围的工业进步的一个重要因素是工厂自动化程度的不断提高.工厂里的生产线一般包括一个或多个可变速的电机传动装置,用于大功率传送带、机械手、桥式吊车、钢材扎制生产线以及塑料和合成纤维生产线等.50年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动，交流电机由于其固有的以同步或几乎同步于电源的频率运行，所以难以真正的调节或平滑的改变速度.然而，直流传动存在的诸如运行中产生火花、对环境要求叫高、电刷易于磨损、维护麻烦等等的自身结构上的问题促使人们不断寻求更好的解决问题的方法.一般来说，交流传动与相当的直流传动相比通常有价格方面的优势，而且具有较少维护、较小的电机尺寸和更高的可靠性.然而对这些传动系统可利用的控制灵活性是非常有限的，而且它们的应用主要局限在风机、泵和压风机等应用方面，其速度只需要粗略调节而对暂态响应和低速特性没有严格要求.用于机床、高速电梯、测功器、矿井提升机等的传动装置，有更加复杂的要求，而且必须提供允许调节多个变量的灵活性，例如速度、位置、加速度和转矩等.这样的高性能应用，一般在速度闭环下要求高速段保持高于0.5%的调速精度和至少20：1的宽调速范围，以及高于50rad/s的快速暂态响应.以前，这样的传动装置几乎全部是直流电机的应用领域，并根据具体应用的需要配置各种结构的AC.DC变换器.然而，采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已胜过直流传动，并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机器人和自动装置的传动、电动汽车和电器火车传动等等。
2.1.1交流电机
交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。
2.1.2直流电机
输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
2.1.3交流电机与直流电机对比
在应用系统中使用交流电机具有更大的吸引力,这是由于交流电机与直流电机相比有一系列优点:
（1）交流电机不存在换向器圆周调速限制,也不存在电枢元件中电抗电势数值限制,其转速限制可以设计得比相同功率的直流电机高。
（2）直流电机在高速范围运行时,也是由于电抗电势数值限制,其输出功率严重下降,而交流电机高速时仍能输出较大的功率,几乎可以以稳定功率运行。
（3）结构简单,没有相电刷、换向器那种复杂、精密得部件,因而降低制造成本。
（4）交流电动机没有需要经常保养得部件,在安装地位受到限制、不易接近得场合也能使用,在恶劣环境下、在不允许有火花得环境下也能可靠得工作。
经过近三十年的发展，交流调速电气传动已上升为电气调速的主流，正在越来越广泛的领域取代传统的直流调速传动.
2.2交流调速的方式
交流调速的方式多种多样,我们知道交流电机的同步转速表达式为nl=60f/p,
根据异步电机转差率的定义s=(nl-n) /n,l可知异步电机的转速为n=nl(1-s)=60* f (1-s) /p。因而异步电机得调速方法可以有改变转差率,改变磁极对数及变频三种。其中改变转差率的方法又可以通过调定子电压,转子电阻转差电压以及定、转子供电频率等方法来实现。
2.2.1串极调速
它是将饶线式异步电动机的转差功率回馈到电网的一种比较经济的调速方法,可以又低同步及高同步两种串调方式。
2.2.2矢量变换控制调速
这是一种新的控制思想,技术和理论。它的想法是模拟直流电及得控制特点来进行交流机的控制。
2.2.3变频调速
它是一种最有发展前途得一种调速方式,其调速花样繁多。从60年代提出的迈克默雷电压型变频器开始,发展到电流型脉宽调治(PWM)型以及循环变流器,现在又向着高性能、高精密、响应快、大容量化、微型化以及理想化的方面发展,并不断出现新的控制结构及控制方式。由简单的开环控制转为闭环控制,诸如位置控制、锁相控制、速度闭环、及数字控制等,随着功率半导体器件质量得提高,从普通可控硅(SCR)发展到快速可控硅及关断可控硅(GTO)的应用,从普通晶体管发展到动力晶体管(GTR)的应用。控制单元和系统从分力元件向着大规模集成电路微型化和数字化方向发展,从而使可控硅变频调速装置的可靠性及经济性不断提高。
第三章常见的交流机变频调速装置及应用现代变频技术有多种实现方式，在此只介绍普通型交流异步电动机变频调速技术。对于新出现的矩阵式变频电路等不再叙述。普通型交流异步电动机变频调速有交一直一交方式和交一交方式。
3.1交一直一交变频调速
交一直一交方式通过整流先把交流电变为直流电，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流电。现以单相电为例介绍其工作原理。
3.1.1整流原理
以单相桥式全控整流电路为例。
图1
图2
在uZ处在正半周时，在触发角。处触发VTI与VT4，在tlz处于负半周时，在触发角。处触发VTZ、VT3，这样两组晶闸管分别工作，它们都在电压过零时关断。于是我们在负载上得到同一方向的电流，即直流电(如前图所示)。
3.1.2逆变原理
也以单相桥式逆变电路为例说明。我们以开关代替晶闸管，电路如下图，图中51一54是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关S，、54闭合，52、53断开时负载电压u。为正，当开关S，、54断开，52、
53闭合时uo为正，如上图，这
样就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。
图3
以上两步即为交一直一交变频电路的工作原理。
3.2交一交变频调速
交－交变频电路也称周波变流器，它是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路，因为没有中间直流环节，属于直接变频电路。
3.2.1单相交－交变频电路
单相输出交一交变频电路是三相输出交一交变频电路的基础，我们以单相交一交变频电路为例说明，其电路由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，如下图:
图4
图5
变流器P和N都是相控整流电路，P组工作时，负载电流为正，N组工作时，负载电流为负，让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电，改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率;改变变流电路工作时的控制角。。就可以改变交流输出电压的幅值。
3.2.2三相交－交变频电路
它由三组输出电压相位各差120°的单相交一交变频电路组成，主要有两种接线方式，接线图分别如下:
公共交流母线进线方式(如图)因为电源进线端公用，所以三相单相交一交变频电路的输出端必须隔离，为此电动机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。它主要用于中等容量的交流调速系统。输出星形联结方式中(如图b)，三组单相交一交变频电路的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结，电动机中性点不和变频器中性点接在一起，电动机只引出三根线即可。因为三组单相交一交变频电路的输出联结在一起，其电源进线必须隔离，因此，三组单相交一交变频器分别用三个变压器供电。
3.2.3变频调速的意义
由于流体力学有三个公式ne n e /Q/Q =；2)/(/ne n H H e =；3)/(/ne n P P e =，风机、泵类的流体功率表达式为33)/()/(ne n P Q Q P P e e e ==，所以在效率一定时，风量(流量)下降到80%e Q 时，即转速相应下降到80%ne 时，F C F e n P ne ne n /51.0)/8.0)(/P P 3==（轴，其中F n 风机，泵类效率。当风量(流量)下降到50%Qe 时，)/(125.0)/5.0(/P P 3F e F e n P ne ne n ?==轴计算结果表明，当工艺要求减小风量(流量)时，如果使风机泵类的转速作相应降低，不仅满足了工艺要求，而且可使电动机的轴功率大幅度下降，从而节约了大量电力;如果采用人工调节风门挡板(或阀门)开关，使风量(流量)减小，也能达到工艺要求，但电动机的转速却仍是原来的转速，说明轴功率并未降下来，而功率消耗于挡板或阀门壁上。两种调节流量方法相比，当Qe 下降到80%时或下降到50%Qe 时转速控制法比人工调节风门挡板或阀门分别多节电49%和87.5%。虽然这只是一种纯理论上的计算，但也能表明调速控制方法具有明显的节电效果。
由以上介绍，变频调速易于实现，能给我们带来更好的机械性能，而且能大大降低成本。所以我们非常有必要在企业中推广变频调速技术。
3.2.4变频调速的效益
1、节约电能
节约电能是变频调速技术最典型的例子，其中以风机和泵类机械的节电效果为最显著，风机水泵在生 产中应用的特点可以用面广、量大、耗电多来概括，根据八十年代国务院经委组织的一次全国重点工业部门风机水泵使用情况来看，全国风机水泵用电约占工业用电量的40～50％，可见节能潜力很大。中央领导已经明确要求以风机水泵的节电工作作为推广电动机变频调速的突破口，以改变长期以来利用档板或阀门调节风量流量；造成浪费大量电能的不合理现象。这项工作在我国已经取得较好的效果。
2、提高生产率
利用变频调速技术，可以实现提高生产率的多种措施。诸如保证加工工艺中的最佳转速；选择适应负载不同工况的最佳转速；利用低速，实现高精度准确停车，缩短生产过程中间歇时间等。
3、提高产品质量
例如加工机械可选择加工对象的最佳速度；运输带生产机械可达到平滑的加、减速；造纸、塑料生产机械可满足高精度的转矩控制等。完全可以达到甚至
超过直流电动机系统的性能指标。
4、适应和改善工作环境
变频调速装置能用在有爆炸性的气体和可燃性溶剂的生产设备：用在有腐蚀性和户外潮湿的工作环境；大大减少环境的机械噪声，在很多行业，这方面呼声很高。
第四章交流电机变频调速的的原理及特性
4.1变频调速
交流异步电动机的调速方式有多种，诸如调压调速、变级调速、串级调速、滑差调速等，而变频调速优于上述任何一种调速方式，是当今国际上广泛采用的效益高、性能好、应用广的新技术。它采用微机控制、电力电子技术及电机传动技术取得工业交流异步电机的无级调速功能。目前在国内外已广泛应用，是自动化电力传动的发展方向。
交流变频调速技术已经成熟。高压大功率变频器（几千V，数千kW）已在大容量风机、高压水泵等电机上应用。低压小功率（几百V，几个kW）变频器在鼓风机、压缩机、离心机、搅拌机、水泵、机床，甚至在空调、洗衣机等方面被广泛采用。在纺织工业方面，用于织布机、毛纺机等，本文以地毯背涂机为例叙述在地毯制造业上的应用。
4.2基本原理及特性
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图1所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型（见图2），俗称鼠笼型电动机。
4.2.1变频调速的原理
图6三相异步电动机结构示意图图7笼型电动机的转
当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用n1表示
n1=60f/p(r/min) (4.1) 式中：f—三相交流电源频率，一般为50Hz。
p—磁极对数。当p=1时，n1=3000r/min；p=2时，n1=1500r/min。可见磁极对数p越多，转速n1越慢。
转子的实际转速n比磁场的同步转速n1要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表示：
s=[n1－n）/n1]×100％（4.2）当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=n1，则s=0，即s在0～1之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（1～6）％。综合式（1）和式（2）可以得出：
n=60f（1－s）/p （4.3）由式（3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s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。
但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率（VariableFrequency）的同时还要调整电压（VariableV oltage），故简称VVVF（装置）。通过电工理论分析可知，转矩与磁通量（最大值）成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。
变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为AC－DC－AC（交－直－交）变频方式。
4.2.2变频调速优点
利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于水泵，风机等设备是很适用的。
我国应用的变频器，国外产品以日本富士、三菱牌号较多，台湾普传产品也不少，国内有西普（西安）、艾伦（上海）、华为（深圳）、艾普斯（天津）等厂家的产品均在推广应用。
4.3变频调速应用举例
地毯背涂机是地毯生产中常用的设备，目前国内多数企业仍采用单台异步电
机作传动动力源，由机械联接方式运行。虽然工作稳定，但难以获得高质量加工效果。
国外有的采用电液传动、滑差调速或直流调速等，但都有缺点，不能适应环境条件（防火、防爆、绒毛粉尘等）要求，而采用变频器及异步电动机调速方式，既便宜，效果又好。
电动机的调速运转与控制是工农业生产以及其它领域中所依赖的基本技术之一。电子技术的广泛应用和迅速发展,加速了对交流电机实现变频调速的需要。变频调速已成为现代电力传动的一个主要方向,它将必然地替代大部分传统的传动装置,变频调速技术目前已在发达国家中普及推广。我国在应用变频调速技术上目前虽说尚处于初级阶段,但其发展速度逐年增长较快,国家已将该项技术列为“八五”重点攻关和推广项目。交流变频调速的基本特点和优越性交流变频调速技术的基本特点是:运用现代电动机控制理论,采用微处理机控制技术,改变交流电动机的转速。它具有效率高、容量大、体积小、重量轻、运行可靠、维修简便,并能适应各种环境条件下工作。
第五章常见的变频电源及简单原理
5.1基本概念
变频电源是将市电中的交流电经过AC→DC→AC变换, 输出为纯净的正弦波，输出频率和电压一定范围内可调。它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。
5.2变频调速类型
变频电源主要有二大种类：线性放大型和SPWM开关型。
5.3变频电源的工作原理
经过AC→DC→AC变换的逆变电源称为变频电源，它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换成所需频率的稳定的纯净的正弦波电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。变频电源主要有二大种类：线性放大型和PWM开关型HY系列程控变频电源，以微处理器为核心，以MPWM方式制作,用主动元件IGBT模块设计，采用了数字分频、D/A转换、瞬时值反馈、正弦脉宽调制等技术, 使单机容量可达100kVA, 以隔离变压器输出来增加整机稳定性, 具有负载适应性强、输出波形品质好、操作简便、体积小、重量轻等特点，具有短路、过流、过载、过热等保护功能，以保证电源可靠运行。
图7
变频电源可带负载种类及容量先择方法
变频电源可以带载各种阻抗特性的负载，包括电感类、电阻类、整流类常见负载，需引起重视的是负载类型不同，所需变频电源的功率容量有很大不同。
（1）负载性质的种类：
图8
（2）电源容量选择方法
·阻性：电源容量= 1.1×负载功率
·感性：电源容量=负载启动电流/负载额定电流×负载功率
·整流：电源容量= 负载电流波峰系数/1.5×负载功率·
混合型：请按照不同负载所占比例适当选取
注：对于冰箱、空调之类的感性负载，应按照启动功率来选择电源容量。(启动功率一般为额定功率的5-7倍)
第六章 PWM电压源型交流调速系统
6.1 PWM电压源型交流调速系统的工作原理
PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM 型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
6.1.1 PWM控制的基本原理
理论基础：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
图9形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
面积等效原理：
分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图
2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
1 设计任务 1、了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速原理及组成。 2、学习 SIMULINK，熟悉相关的模块功能。 3、进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。 2 设计要求 1、利用SIMULINK建立闭环调速系统仿真模型。 2、调试完成调压模块仿真、开环系统仿真、闭环系统仿真。 3 设计设备 1、计算机一台 2、MATLAB仿真软件 4 设计原理 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： 其中，p为电机的极对数； 为定子电源角速度； w 1 为定子电源相电压； U 1 R ’为折算到定子侧的每相转子电阻； 2 为每相定子电阻； R 1 L 为每相定子漏感； 11 L 为折算到定子侧的每相转子漏感； 12 S为转差率。 图1 异步电动机在不同电压的机械特性
由电机原理可知，当转差率s 基本保持不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电动机转速的目的。 4.1 调压电路 改变加在定子上的电压是通过交流调压器实现的。目前广泛采用的交流调压器由晶闸管等器件组成。它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。这里采用三相全波星型联接的调压电路。 图2 调压电路原理图 4.2 开环调压调速 开环系统的主电路由触发电路、调压电路、电机组成。原理图如下： Ua Ub Uc T2 T3 T5 T4 T6 R R R N T1
图3 开环调压系统原理图 AT为触发装置，用于调节控制角的大小来控制晶闸管的导通角，控制晶闸管输出电压来调节加在定子绕组上的电压大小。
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
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。
交流电动机调速系统的分类 1.同步电动机调速系统 同步电动机只能依靠改变频率来进行调速，而根据频率控制方式的不同，可把同步电动机调速系统分为他控式和自控式两种类型。 如果用独立的变频装置作为同步电动机的变频电源进行调速，则称之为他控式同步电动机调速系统，大多用于类似永磁同步电动机的小容量场合。 采用频率闭环方式的同步电动机调速系统称为自控式同步电动机调速系统，它是用电动机轴上安装的位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动机工作在自同步状态。自控式同步电动机调速系统又可细分为负载换向自控式同步电动机调速系统和交一交变频供电的自控式同步电动机调速系统。 负载换向自控式同步电动机调速系统叉称为x换向器电机，它的主电路采用交一直-交电流型变流器，利用同步电动机电流超前电压的特点，使逆变器的晶闸管工作在自然换向状态。这种系统又被称为LCI(Load Commutated Inve11er)，它的容量已达到数万千伏安，电压达万伏以上。 交一交变频同步电动机调速系统的逆变器由晶闸管组成，采用交一交循环变流结构和矢量控制技术，具有优良的动态性能，广泛地用于轧钢机主传动系统中。交一交变频同步电动机调速系统的容量很大，但调频范围只能限制在工频的三分之一左右。 2.异步电动机调速系统 在异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率可以分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率，与转差率成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的处理方式的不同，异步电动机调速系统可分成三大类。 (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，因而效率也随之降低。降电压调速、电磁转差离合器调速及绕线异步电动机转子串电阻调速这三种方法都属于这一类。 (2)转差功率回馈型调速系统。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。绕线异步电动机转子双馈调速即属于这一类。 (3)转差功率不变型调速系统。在这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但小论转速高低，转差功率基本不变。如变极对数调速、变频调速两种调速方法即属于这一类。 2.异步电动机转差回馈型调速系统 双馈调速足指将电能分别馈入异步电动机的定子绕组和转子绕组，通常将定子绕组接入工频电源，将转子绕组接到频率、幅值、相位和相序都可以调节的变频电源。如果改变转子绕组电源的频率、幅值、相位和相序，就可以调节异步电机的转矩、转速、转向及和定子侧的无功功率。这种双馈调速的异步电动机可以超同步或亚同步运行，不但可以工作在电动状态，而且可以工作在发电状态。 因为交一交变流器采用晶闸管自然换向方式，结构简单，可靠性高，而且交，交变流器能够直接进行能量转换，效率高，所以，在双馈调速方式中采用交．交变流器作为转子绕组的变频电源是比较合适的。 绕线式异步电动机串级调速系统是从定子侧馈入电能，从转子侧馈出电能的系统。从广义上说，它也是双馈调速系统的一种。 在双馈调速中，所用变频器的功率仅占电动机总功率的一小部分，可以大大降低变频器的容量，从而降低了调速系统的成本，此外，双馈电机还可以调节功率因数，由于具有这些优点，双馈电机特别适合应用于大功率的风机、水泵类负载的调速场合；双馈调速方式在风力、
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。
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)
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。
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。
毕业论文声明 本人郑重声明： 1．此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 2．本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。 3．若在大学学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担，与毕业论文指导老师无关。 4.本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。 学位论文作者（签名）： 年月
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《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
三相交流电动机的调速方法及无级调速的实现 第一章引言 随着电力电子学、微电子技术、计算机技术以及电机理论和自动控制理论的发展，影响三相交流电动机发展的问题逐渐得到了解决，目前三相异步交流电动机的调速性能已达到直流调速的水平。在不久的将来交流调速必将取代直流调速。在实际生产过程中，根据加工工艺的要求，生产机械传动机构的运行速度需要进行调节。这种负载不变，人为调节转速的过程称为调速。通常有机械调速和电气调速两种方法，通过改变传动机构转速比的调速方法称为机械调速；通过改变电动机参数而改变系统运行转速的调速方法称为电气调速。不同的生产机械，对调速的目的和具体要求各不相同，对于鼓风机和泵类负载，通过调节转速来调节流量，这与通过调节阀门调节的方法相比，节能效果更加显著。 调速控制是交流电动机的重要控制内容，实际应用中的交流调速方法有多种，常见的有变极调速、转子串电阻调速、串级调速、电磁调速、异步电动机调速、变频调速等。 目前广泛使用的调速方法仍然是传统的改变极对数和改变转子电阻的有级调速控制系统，近年来，随着电力电子、计算机控制以及矢量控制等技术的进步，变频调速技术发展迅速，已应用于很多生产领域，这是将来调速发展的方向。
第二章三相异步电动机的简介 2.1三相异步电动机的基本原理 静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，在转子导体中产生感应电动势，并在形成闭合回路的转子导体中产生感应电流，其方向用右手定则判定。转子电流在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩。电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致。如图2—1所示 图2—1电动机的运行原理 电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速n1，因而称为异步电动机。又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，所以也称为感应电动机。 转子电动势和转子电流 定子绕组通入电流后，产生旋转磁场，与转子绕组间产生相对运动，由于转子电路是闭合的，产生转子电流。根据左手定则可知在转子绕组上产生了电磁力。 电磁转距和转子旋转方向 电磁力分布在转子两侧，对转轴形成一个电磁转距T，电磁转距的作用方向与电磁力的方向相同，因此转子顺着旋转磁场的旋转方向转动起来。
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
(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 用单片机控制的电机交流调速系统设计 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，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，IO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。非传统的CMOS变革了存储器技术。直到现在，我们仍然依靠DRAM 作为主要的存储体。不幸的是，随着芯片的缩小，只有芯片外围速度上的增长——处理器芯片和它相关的缓存速度每两年增加一倍。这就是存储器代沟并且是人们焦虑的根源。存储技术的一个可能突破是，使用一种非传统的CMOS管，在计算机整体性能上将导致一个很大的进步，将解决大存储器的需求，即缓存不能解决的问题。 关键词:MCS-51单片机；HEF4752；8253定时器；晶闸管；整流器
Exchange the speed of adjusting to design systematically with the electrical machinery that the one-chip computer controls 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, IO 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 the return circuit.Unconventional CMOS could revolutionalize memory technology. Up to now, we DRAMs for main memory. Unfortunately, these are only increasing in speed marginally as shrinkage continues, whereas processor chips and their associated cache memory continue to double in speed every two years. The result is a growing gap in speed between the processor and the main memory. This is the memory gap and is a current source of anxiety. A breakthrough in memory technology, possibly using some form of unconventional CMOS, could lead to a major advance in overall performance on problems with large memory requirements, that is, problems which fail to fit into the cache.
第六章 交流异步电动机变压变频调速系统 本章主要问题： 1． 在变频调速中变频时为什么要保持压频比恒定？ 2． 交-直-交电压源型变频器调压、调频的有哪几种电路结构,并说明各种电压结构的优缺点。 3． SPWM 控制的思想是什么? 4． 什么是1800导通型变频器？什么是1200导通型变频器？ 5． 电压、频率协调控制有几种控制方式，各有哪些特点？ 6． 在转速开环恒压频比控制系统中，绝对值单元GAB 的作用？函数发生器GFC 的作用？如 何控制转速正反转。 7． 总结恒11 ωU 、恒1ωg E 、恒1ωr E 三种控制方式的特点。 ———————————————————————————————————————— §6-1 交流调速的基本类型 要求：掌握交流调速哪几种基本类型有以及各种调速方法的特点。 目的：能根据不同应用场合选择出相应的调速方式。 重点、难点：变频调速时基频以下和基频以上调速的特点 主要内容（交流调速的基本类型、变频调速的基本要求） 思考： 1. 交流异步电动机调速的方式有哪几种？并写出各方式的优缺点？ 2. 在变频调速中变频时为什么要保持压频比恒定？ 教学设计：交流调速的基本类型采用多媒体课件讲授，用大量的实例，说明几种类型的应用场合。 复习感应电动机转速表达式： )1(60)1(1 0s n f s n n p -= -= 异步电动机调速方法：?? ?? ??? ?????? ? ??型变频调速：绕线式、笼：绕线式串级调速（转差电压）电磁转差离合器调转子电阻：绕线式、调压（定子电压）变转差率调速变极调速：笼型异步机异步电动机 §6-2 变频调速的构成及基本要求 目的、教学要求：掌握变频调速时基频以下和基频以上调速的特点 重点、难点：变频调速时基频以下和基频以上调速的特点 主要内容（变频调速的基本要求）
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)
第五章交流电机调速系统实验 实验一双闭环三相异步电机调压调速系统实验 一、实验目的 (1)了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速系统的原理及组成。 (2)了解转子串电阻的绕线式异步电机在调节定子电压调速时的机械特性。 (3)通过测定系统的静态特性和动态特性，进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。 二、实验所需挂件及附件
三、实验线路及原理 异步电动机采用调压调速时，由于同步转速不变和机械特性较硬，因此对普通异步电动机来说其调速范围很有限，无实用价值，而对力矩电机或线绕式异步电动机在转子中串入适当电阻后使机械特性变软其调速范围有所扩大，但在负载或电网电压波动情况下，其转速波动严重，为此常采用双闭环调速系统。 双闭环三相异步电机调压调速系统的主电路由三相晶闸管交流调压器及三相绕线式异步电动机组成。控制部分由“电流调节器”、“速度变换”、“触发电路”、“正桥功放”等组成。其系统原理框图如图7-1所示：整个调速系统采用了速度、电流两个反馈控制环。这里的速度环作用基本上与直流调速系统相同，而电流环的作用则有所不同。在稳定运行情况下，电流环对电网扰动仍有较大的抗扰作用，但在启动过程中电流环仅起限制最大电流的作用，不会出现最佳启动的恒流特性，也不可能是恒转矩启动。 异步电动机调压调速系统结构简单，采用双闭环系统时静差率较小，且比较容易实现正、反转，反接和能耗制动。但在恒转矩负载下不能长时间低速运行，因低速运行时转差功率 P s=SP M全部消耗在转子电阻中，使转子过热。
图1-1 双闭环三相异步电机调压调速系统原理图 四、实验内容 (1)测定三相绕线式异步电动机转子串电阻时的机械特性。 (2)测定双闭环交流调压调速系统的静态特性。 (3)测定双闭环交流调压调速系统的动态特性。 五、预习要求 (1)复习电力电子技术、交流调速系统教材中有关三相晶闸管调压电路和异步电机晶闸管调压调速系统的内容，掌握调压调速系统的工作原理。 (2)学习有关三相晶闸管触发电路的内容，了解三相交流调压电路对触发电路的要求。 六、思考题