第六章 交流异步电动机变压变频调速系统

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11ωU 、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(10s 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）思考：在变频调速中变频时为什么要保持压频比恒定？教学设计：教师从交流异步电动机的结构、工作原理出发，利用多媒体课件讲解。

《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。

交流异步电动机变压变频调速系统设计与仿真异步电动机变压变频调速系统是一种常见的电动机调速系统，可以实现电动机转速的精确控制和调节。

本文将介绍异步电动机变压变频调速系统的设计和仿真。

首先，异步电动机的调速原理简要介绍。

异步电动机是一种常用的交流电动机，其转速通常由额定电压和频率决定。

通过改变电动机的电压和频率，可以实现对电动机的调速。

变压变频调速系统通过调节电压和频率的大小，改变电动机的转速。

在设计异步电动机变压变频调速系统之前，首先要确定电动机的参数。

电动机的参数包括额定功率、额定电压、额定电流等，这些参数可以从电动机的标牌上获取。

另外，还需要确定变压变频器的参数，包括额定电压范围、频率范围等。

这些参数将决定整个系统的性能。

设计异步电动机变压变频调速系统的关键是选取合适的变压变频器。

变压变频器是将电网的交流电转换为可调频率和可调电压的交流电的装置。

根据电动机的额定电压和变压变频器的额定电压范围，选取合适的变压变频器，以满足调速系统的要求。

设计异步电动机变压变频调速系统的下一步是进行系统的电路设计。

电路设计包括电动机的接线和变压变频器的接线。

电动机的接线要根据电动机的型号和相数来进行，确保电机的正常运行。

变压变频器的接线要根据变压变频器的接线图进行，确保变压变频器与电动机的连接正确。

完成电路设计后，还需要进行系统的控制设计。

控制设计包括电机的启动和停止控制、电机的转速控制等。

启动和停止控制一般采用按钮控制或者遥控控制，可以通过按钮或者遥控装置来启动和停止电动机。

转速控制一般采用PID控制器进行，通过调节变压变频器的输出电压和频率，来实现对电动机转速的控制和调节。

完成设计后，可以使用仿真软件进行系统的仿真。

常用的仿真软件有MATLAB/Simulink、PSIM等。

通过仿真可以验证系统的设计是否正确，并进行性能评估。

仿真结果可以用来优化系统的设计，提高系统的性能。

综上所述，异步电动机变压变频调速系统的设计和仿真是一个系统工程，需要从确定电动机和变压变频器的参数开始，进行电路设计和控制设计，最后进行仿真验证。

交流异步电动机变频调速原理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。

交流异步电动机的变频调速技术电动机是进行工业、农业生产的一种重要工具,它能够将电能转变成为机械能从而满足生产的需要,也因此被广泛的运用到社会生产的各个领域。

一般来讲,电动机可以分为直流电机与交流电机,只是近年来随着技术的发展以及直流电机固有的缺点,人们对交流电机的运用更为广泛。

但是交流电机相对直流电机来说在调速方面有着一些困难,所以变频调速技术也就应用而生。

随着交流传动电动机调速理论研究逐步突破以及调速装置(主要为变频器)性能的完善,交流电动机调速系统的缺点(性能较差)已经基本得到了克服。

目前,交流调速系统的性能已经可以与直流系统相媲美,甚至可以超过直流系统。

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。

一、交流异步电动机的变频调速技术概述(一)交流异步电动机特点概述。

交流异步电动机是在现今社会经济条件下运用最为广泛的一种动力机械,其承载着工业生产以及农业生产等重要的任务。

但是作为一种机械设备,由于其特定的结构以及性能也有着属于自身的使用特点,具体来讲如下:1.交流异步电动机使用优点。

在电动机中主要有直流电动机与交流电动机,而交流异步电动机作为交流电动机的一种,具有自己明显的运用优势。

首先,它具有简单的结构,并且功能齐全,可靠性高;其次,在其内部,控制器可以自成系统,也就使得软件功能完善灵活;再次,其控制功能全面精确,使用寿命长;最后,它在工作的过程中拥有着较高的工作效率,并且机器本身的重量也轻,通用性强,具有较低的运行成本。

2.交流异步电动机使用缺陷。

虽然说,通过上面的分析我们可以看出交流异步电动机有着很多的运行优势,但是不可避免的它还是有着自身的一些缺点。

其中调速性能差是其主要的缺点。

它不能够像直流电动机一样进行灵活简单的调速,而是由于其工艺要求,需要一定的电动机调速上场合。

所以,很多时候人们也往往因为交流异步电动机这样的一个缺点,会选用直流电动机来进行作业,或者是运用新的技术,来让交流异步电动机的运行能够进行符合其工艺要求的调速。

交流异步电动机变频调速系统简介交流异步电动机变频调速系统是一种用于控制电动机转速的技术，通过改变电机供电频率来实现电机的调速。

这种系统由多个元件组成，包括变频器、传感器和控制器等。

工作原理交流异步电动机变频调速系统的工作原理是通过改变电机供电的频率来改变电机转速。

系统中的变频器负责将输入的电源频率转换为所需的输出频率，并通过传感器实时监测电机的转速。

控制器则根据传感器反馈的信号，对变频器进行调整，以实现电机的精确调速。

特点和优势交流异步电动机变频调速系统具有以下特点和优势：1. 节能：通过调整电机转速，系统可以根据实际需要提供恰当的动力输出，减少能源浪费。

2. 精确控制：系统可以通过微调频率来实现对电机转速的精确控制，满足各种应用需求。

3. 可靠性高：系统采用先进的控制算法和监测技术，保证了系统的稳定性和可靠性。

4. 维护成本低：由于系统自动监测电机运行状态，并及时发出报警信号，因此可以降低维护成本和停机时间。

应用领域交流异步电动机变频调速系统广泛应用于各个领域，包括工业制造、交通运输、石油化工等。

常见的应用包括：1. 机械设备：用于控制机器设备的转速和运行状态，提高生产效率和质量。

2. 电梯和升降机：用于控制电梯和升降机的运行速度和平稳性。

3. 水泵和风机：用于控制水泵和风机的转速，以适应不同工况需求。

结论交流异步电动机变频调速系统是一种经济高效、可靠稳定的电机调速技术。

它在提高能源利用率、降低维护成本和实现精确控制方面具有重要意义。

在各个行业中广泛应用，为工业现代化进程提供了强有力的支持。

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，fAC INDUCTION MOTOR SPEED-ADJUSTED SYSTEM DESIGNABSTRACTRecently, the research of variable frequency speed variation of AC motor and relevant technology has become an important issue in electrical drive field, with the appearance of new power electron apparatus and microprocessor and the development of the control theory, the technology of variable frequency speed variation will improve more rapidly.This thesis has a research on these technologies: Variable Voltage Variable Frequency motor drive, inverter, and the creation principle of SPWM, Based on the results of the study, I designed a system of a new digital three phases VVVF motor drive system. It uses ASIC-SA4828 controlled by 8051 as main controlling core, it uses IGBT as power device, and uses EXB840 as drive. It uses diodes as converting circuit unit, which makes power factor close to 1. Because I only need to control inverter, the whole circuit is very simple.V operation. At the same time, it is very convenient toI adopt the means of linear finput parameter s or change the drive’s operating mode due to the software procedure. Moreover, owing to the advantages of the new integrated parts, it costs less time to develop this motor drive.This thesis has also detail introduced the method of the usage and the programs of the three phases SPWM wave generator SA4828. The software and the hardware of the control part in system have been completed.Keywords: variable frequency speed control，Sine Pulse Width Modulation V operation; SA4828 Wave Generator(SPWM)，f目录摘要 (i)Abstract (ii)1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)1.3 研究的目的与意义 (3)1.4本次设计方案简介 (4)1.4.1 变频器主电路方案的选定 (4)1.4.2 系统原理框图及各部分简介 (5)1.4.3 选用电动机原始参数 (6)2交流异步电动机变频调速原理及方法 (8)2.1 三相异步电机工作的基本原理 (8)2.1.1 异步电机的等效电路 (8)2.1.2 异步电动机的转矩 (9)2.1.3 异步电动机的机械特性 (10)2.1.4 异步电机变频调速原理 (12)2.2 变频调速的控制方式及选定 (13)V比恒定控制 (13)2.2.1f2.2.2 其它控制方式 (18)3变频器主电路设计 (20)3.1 主电路的工作原理 (20)3.1.1 主电路各部分的设计 (20)3.1.2 变频器主电路设计的基本工作原理 (21)3.2 主电路参数计算 (24)3.3 IGBT及驱动模块介绍 (25)3.3.1 IGBT简介及驱动要求 (25)3.3.2 EXB840的内部结构 (27)3.3.2 采用EXB840的IGBT驱动电路 (28)4控制回路设计 (30)4.1 驱动电路设计 (30)4.1.1 SPWM调制技术简介 (30)4.1.2 SPWM波生成芯片特点和引脚功能 (32)4.1.3 SA4828内部结构及工作原理 (33)4.2 保护电路 (36)4.2.1 过、欠压保护电路设计 (36)4.2.2 过流保护设计 (38)4.3 控制系统的实现 (39)5变频器软件设计 (42)5.1 流程图 (42)5.2 SA4828的编程 (42)5.2.1 初始化寄存器编程 (42)5.2.2 控制寄存器编程 (45)5.3 程序设计 (46)总结 (56)参考文献 (57)致谢 (58)1绪论1.1 变频调速技术简介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。

与直流调速系统相比，以异步电动机作为执行机构，更加难于理解。

但实际上基于异步电动机的调速系统的基本结构和直流调速系统是一致的。

由于转矩是通电导体在磁场中受力产生的，为了控制转矩，必须兼顾电流和磁场，为了能使电机输出尽量大的转矩，提高带载能力，磁通要工作在接近饱和状态。

因此整个第六章、第七章交流调速部分都是围绕这一问题展开的，如何在维持磁通恒定的情况实现一般性能的转速调节和高性能的转速调节。

第六章基于稳态模型的异步电动机调速系统1. 以异步电动机调压调速为例说明异步电动机调速控制中维持磁通恒定的必要性由机械特性易理解调速原理，但如何解释调压时机械特性变软，临界转矩随电压成平方下降：需结合磁通分析，调压时磁通随电压成反比下降，调压时定子电流也会近似反比下降。

导致电机转矩随着电压下降快速下降。

2. 异步电动机变压变频调速的基本原理（重点，难点）➢异步电动机从额定转速向下调速时，如果单电机频率，显然电机磁通会增加，需要更大的激磁电流。

➢磁通表示单位面积通过的磁力线的多少，为了使电机在整个转速胃内出力最大，总是希望用足铁芯，即使电机调速时磁通一直接近饱和状态，磁通超过饱和状态时会使激磁电流过大，导致损耗过大，磁通增加又很少，为了使电机在整个调速范围内都能输出足够的电磁转矩，最好保持电机气隙磁通恒定，一直接近饱和状态。

➢如何保持气隙磁通恒定？可以从磁通与反电动势关系入手，即式6-11，而电机反电动势不能直接测量，忽略定子绕组和漏抗压降，可以得到式6-12，从而引出恒压频比控制。

并据此分析异步电动机采用恒压频比（书中也称变压变频调速）控制时电压、频率、磁通的变化规律。

3. 异步电动机采用恒压频比（变压变频）控制时的机械特性（重点，难点）➢表征异步电动机机械特性的几个关键参数包括：同步转速、临界转矩（表征最大带载能力）、起动转矩（表征起动带载能力）、线性段斜率（表征机械特性硬度）。

分析变压变频调速时机械特性曲线变化也关注以上方面。

《交流调速系统》课后习题答案第 5 章ﻩ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。