第七章 交 直 交变频调速系统

交直流调速系统简介交直流调速系统是一种广泛应用于电机调速的控制系统。

它通过控制电机输入的电压或电流，实现对电机输出转速的精确控制。

交直流调速系统在工业领域中的应用非常广泛，可以用于机械设备、电梯、风机、泵站等各种场合。

原理交直流调速系统的基本原理是采用电力电子技术，将交流电转换为直流电，并通过控制器对直流电进行调节，再将调节后的直流电供给电机，从而实现对电机的转速控制。

交直流调速系统的核心部件是变频器，它通过改变电压或频率的大小，控制电机的转速。

变频器通常由整流器、滤波器、逆变器和控制器组成。

•整流器：将交流电转换为直流电，通过整流和滤波过程，将交流电的波形变换为平滑的直流电。

•逆变器：将调节后的直流电转换成交流电，逆变器可以改变输出的频率和电压大小，从而实现对电机转速的控制。

•控制器：控制系统的大脑，接收输入的控制信号，根据设定的转速要求对逆变器进行控制。

优势交直流调速系统相比传统的电阻调速和磁阻调速有以下几个优势：1.节能高效：交直流调速系统可以根据负载的需求调节电机的转速，避免了不必要的能耗，提高了能源利用效率。

2.转速范围广：通过控制器的精确调节，交直流调速系统可以实现广范围的转速调节，满足不同应用场景的需求。

3.控制精度高：交直流调速系统具有良好的转速控制性能，可实现对电机的精确控制，提高生产过程的稳定性和产品质量。

4.可靠性强：交直流调速系统采用先进的电力电子技术，具有较高的可靠性和抗干扰能力，可以适应恶劣的工作环境。

5.维护成本低：交直流调速系统的维护成本相对较低，设备运行稳定可靠，减少了维修和更换的频率。

应用领域交直流调速系统广泛应用于各个领域，特别适用于以下场合：1.机械设备：交直流调速系统可以应用于各种机械设备的转速调节，如印刷机、纺织机、切割机等。

2.电梯：交直流调速系统可以实现电梯的平稳起动和停止，提高电梯运行的安全性和舒适性。

3.风机：交直流调速系统可以应用于风机的转速调节，根据风量需求自动调节风机的运行速度，降低能耗。

交交变频同步电机调速系统冶金部自动化研究院交流调速工程开发中心一九九四年八月目录一、前言二、交交变频同步电机调速传动的发展概述三、交交变频器四、同步电机五、同步电机矢量控制系统1.同步电机矢量控制原理2.坐标变换单元3.同步电机矢量控制系统结构4.位置检测器5.电流控制系统6.磁通观测器7.同步电机功率因数控制8.同步电机全数字控制系统一、前言直流电动机调速性能好且方便，因而在要求调速的传动中一直占统治地位，由于直流电机存在换向器、电刷、升高片等部件，使其在单机大容量、高过载能力、低转动惯量以及维护简单化等方面受到了限制，已不能满足生产机械向大型化的发展。

随着电力电子学、微电子技术以及现代控制理论的迅速发展，在大功率调速传动领域已出现交流传动取代直流传动的趋势。

对于大容量低速运转的生产机械，例如：轧钢机、矿井提升机以及水泥球磨机传动，交交变频同步电机调速是一种十分理想的传动方式，它不仅有与直流传动同样优越的调速性能，还有很多直流传动所不及的优点。

1. 由于同步电机不受整流子换向火花的限制，电机具有比直流机大得多的过载能力。

2. 电机在整个调速过程中，甚至在堵转状态，可始终维持其最大转矩，对于矿井提升机传动是一个突出的优点。

3. 效率高，节能效果显著，比直流传动效率高3-4％。

以西门子公司为宝钢热连轧机R2粗轧机13000KW电机提出的传动方案为例,交流比直流年节电628万度/年, 折合52万元/年。

4. 体积小, 重量轻, 转动惯量小。

湘潭钢铁厂750轧机改为交流传动后, 电机容量加大40%, 而转动惯量GD2 仅为直流机的1/6。

GD2 的大幅度减少使系统得到更快的动态性能, 加快了轧机的轧制节奏,提高了产量，如湘潭钢铁厂电机改造后综合经济效益提高了30%。

5. 维护简单, 可靠性高。

电机可直接安装在轧机旁, 无需主电室。

同步电机变频调速与异步电机变频调速相比较, 功率因数高，可实现功率因数为1的运行。

第七章交流变频调速及变频器公式N=(1-s)N 实际转速N1同步转速S 转差率 f 电机供电频率 p 电机极对数三相异步电动机的调速方法：改变转差率（适用于绕线式异步电动机）和改变旋转磁场的同步转速（适用于鼠笼式异步电动机）1改变转差率：电动机定子电源电压2改变旋转磁场的同步转速：定子极对数供电电源频率交流异步电机最主要的调节方式是：变频调速现代的变频器都是由大功率电子器件构成，被称为静止式变频装置，是系统的中心环节变频调速系统由静止式变频装置、交流电动机、控制电路三大部分组成控制任务大多由微处理机承担交流变频调速的三种基本控制方式忽略定子漏阻抗压降，三相异步电动机每相电压：U1≈E1=4.44*f1*W1*Kw1*ΦmU1电机每相电压 E1感应电动势 f1频率 W1每相绕组匝数Kw1 匝数系数Φm每极磁通基频（额定频率）以下的变频调速有三种控制方式1恒电动势频率比E1/f1 通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，改善了低速性能，但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力受到限制。

2恒压频率比 U1/f1（最容易实现，机械特性是平行下移，硬度也较好，满足一般，低速带载能力差，需对定子压降实行补偿）3转子全磁通的感应电动势频率比Er/f1 实现起来比较复杂基频以下，电压和频率成比例变化基频以上，磁通和频率成反比例变化变频调速以下几个特点：1从基频以下调速，为恒转矩调速方式；从基频以上调速，近似恒功率调速方式2调速范围大 3机械特性较硬，静差率小相对稳定性好4 运行时转差率小损耗较小效率高 5频率可连续调节，变频调速为无级调速交直交变频器有：整流器滤波器逆变器（逆变器是核心，里面核心元器件是大功率开关器件，分为两组，轮流控制切换频率，改变输出交流电频率，按直流输入端接入滤波器的不同分为电压源型和电流源型。

按电子开关频率不同分为180度导电型和120度导电型。

）交直交变频器的调压方法有可控硅整流器调压，直流斩波器调压， PWM调压主电路包括：整流电路，中间电路，逆变电路。

河南机电高等专科学校课程设计报告书课程名称：电力电子应用技术课题名称：交直交变频调速系统系部名称：自动控制系专业班级：电气自动化技术093姓名：学号：目录一、电路原理图及波形图二、系统的工作原理三、观察现象并分析四、心得体会五、参考文献一电路原理图主电路控制电路SPWM正弦脉宽调制控制电路波形图用示波器测三角发生器处的波形XYU/V440--2.850μs 80μswt可看出三角波并不是规则的波形，周期是80μs，而上下的幅值却是不一样的。

用示波器测2、3、4处的波形如下：501001502005010015020010ms20ms30ms40ms1830--------183--XYU 可以看出，2,3，4处的波形是幅值电压183V ，周期20ms ，相差120度正弦波形。

用示波器测6,7,8处的波形如下：60120U/V YX 40Hz20Hz Wt可以看出，6,7,8处得波形是幅值为120V ，周期40Hz ，等幅不等宽的脉冲波形。

二 系统的工作原理1.主电路工作原理由主电路原理图可知，交直交变频调速系统一般分为整流电路，滤波电路,控制电路，逆变电路。

●整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。

整流电路一般都是单独的一块整流模块●滤波电路在交流电源转换直流电源后，电路会有电压波动，为抑制电压的波动，采用简单的电容滤波。

●逆变电路逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压装换为所要频率的交流电压。

2.控制电路的工作原理脉宽调制技术简称PWM ，PWM 控制技术就是控制半导体开关元件的导通和关断时间比，即调节脉冲宽度或周期来控制输出电压的一种控制技术。

PWM 常用于电压型逆变器，它可以消除或减小低次谐波，滤波器的体积可减小，有利于小型化和降低成本，这个控制电路采用的是常用的正弦波脉宽调制技术（SPWM ）。

正弦波脉宽调制分单极性和双极性脉宽调制，它使每一个输出 矩形波的面积与对应的正弦波电压的面积呈正比，获得等幅不等宽的正负脉冲列，这样的逆变器输出的电压波形就与正弦基波电压接近。

用单片机控制的电机交流调速系统设计文摘单片机控制的变频调速系统设计思想是用转差频率进行控制。

通过改变程序来达到控制转速的目的。

由于设计中电动机功率不大，所以整流器采用不可控电路，电容器滤波；逆变器采用电力晶体管三相逆变器。

系统的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，HEF4752大规模集成电路，保护电路，Intel 系列单片机，Intel8253定时/记数器，Intel8255可编程接口芯片，Intel8279通用键盘/显示器，I/O接口芯片，CD4527比例分频器和测速发电机等组成。

回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运行的可靠性有了保障。

关键词MCS-51单片机；HEF4752；8253定时器；晶闸管；整流器；三相异步电动机电气传动从总体上分为调速和不调速两大类。

按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流和交流两大类，直流电动机在19世纪先后诞生，但当时的电气传动系统是不调速系统，随着社会化大生产的不断发展，生产技术越来越复杂，对生产工艺的要求也越来越高，这就要求生产机械能够在工作速度，快速启动和制动，正反转等方面具有较好的运行性能。

从而推动了电动机的调速不断向前发展，自从1834年直流电动机出现以后，直流电动机作为调速电动机的代表，在工业中得到了广泛的应用。

它的优点主要在于调速范围广，静差小，稳定性能好以及具有良好的动态性能，晶闸管变流装置的应用使直流拖动发展到了一个很高的水平，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中相当长时间内几乎都采用直流拖动系统。

尽管如此，直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向问题和在恶劣环境下的不适应问题，同时，制造大容量，高转速以及高电压直流电动机也十分困难，这就限制了直流传动系统的进一步发展。

交流电动机在1885年出现后，由于一直没有理想的调速方案，只被应用于恒速拖动系统，从本世纪30年代起，不少国家才开始提出各种交流调速的原始方案，晶闸管的出现使交流电动调速的发展出现了一个质的飞跃，使得半导体变流技术的交流调速得以实现，国际上在60 年代后期解决了交流电动机调速方案中的关键问题，70年代开始就实现了产品的高压，大容量，小型化，且已经逐渐取代了大部分传统的直流电动机的应用领域。

摘要随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流变频调速技术得到了迅速发展，其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽泛的调速范围，完善的保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利。

因此，研究交—直—交变频调速系统的基本工作原理和作用特性意义十分重大。

本文研究了变频调速系统的基本组成部分，主回路主要有三部分组成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

使用Matlab/Simulink搭建交—直—交变频调速系统的仿真模型，通过试验对该交—直—交变频调速系统的基本工作原理、工作特性及作用有更深的认识，也对谐波对于交—直—交变频调速系统的影响有了一定的了解。

关键词：交—直—交变频，整流，逆变，谐波，仿真。

AbstractWith power electronic technology, computer technology, automatic control tech-nology is developing rapidly, AC variable-frequency system technology has been de-veloping rapidly. Significant energy efficiency and precision and broad scope of spe-ed control, perfect protection and easy to implement automatic communications, all which have win the many users acceptance . Therefore, studying the AC-DC-AC variablefrequency systerm for the role of the basic working principle and characteristics of great significance.In this paper we studied the basic component of the variable frequency speed regulation system. There are three main components: the "rectifier" which convert the AC power into DC power; the "loop filter " can absorbed the voltage pulse which the rectifier and inverter circuit generated by,it is also energy storage circuit; the “inverter” converts the DC power into the AC power. Then we used the Matlab / Simulink to build an AC-DC-AC Frequency Control System Simulation Model. Through the test of the AC-DC Frequency Control System to pay the basic working principle and working characteristics, we not only had a deeper understanding of the role,but also had a certain degree of understanding about the harmonic AC-DC-DC Frequency Control System.Key Words ：AC-DC-AC variable requency systerm,rectifier，inverter，harmonics, simulation目录摘要 (I)Abstract........................................................... I I 1引言 (1)1.1交流调速技术的发展 (1)1.2交直交变频调速系统研究的目的与意义 (2)1.3研究现状分析 (3)2交直交变频调速系统的基本原理及特性研究 (7)2.1系统的构成 (8)2.2交直交变频的基本工作特性 (8)2.3交直交变频调速的优越性 (8)2.4交直交变频调速合理应用 (9)2.5变频器容量的确定 (10)2.6熟悉M ATLAB的原理及应用及S IMULINK仿真 (11)3 工作原理研究及仿真实验 (12)3.1设计方案 (12)3.2整流器的工作原理研究及实验 (12)3.2.1整流器的基本工作原理 (12)3.2.2整流器部分的实验研究与分析 (14)3.3逆变器的工作原理研究及其实验分析 (21)3.3.1逆变器的基本工作原理 (21)3.3.2逆变器实验研究分析 (23)3.4交直交变频调速系统的实验研究分析 (30)3.4.1 交直交变频调速系统模型的实验研究 (30)3.4.2 交直交变频调速系统的运行仿真与分析 (36)3.5变频器输出谐波的影响 (38)3.5.1 变频器输出谐波对负载的影响 (38)3.5.2谐波实验研究与分析（逆变器部分） (41)4结论 (45)致谢 (46)参考文献 (47)附录一：整流模块仿真模型 (48)附录二：交直交变频调速系统仿真模型 (49)1引言1.1交流调速技术的发展随着电机制造技术的不断进步，电动机作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力，已广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各个领域，其中异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。

1 概述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。

它们最大的不同之处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换向器——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。

许多传统的由直流电机调速系统拖动的工业设备改由交流变额调速系统拖动，从而提高了系统的可靠性，减少了系统的维护费用。

随着变频调速应用的日益广泛，相关技术的日益成熟，人们不仅对变频调速系统的精度要求越来越高，而且对控制的功能要求越来越多，对系统的智能化要求越来越高，对系统的抗扰能力要求越来越高，以满足生产的需求并适应不同的工作环境。

在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。

交流变频调速的优异特性：调速时平滑性好，效率高。

低速时，特性静差率较高，相对稳定性好；调速范围较大，精度高；起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维修简便，易于实现过程自动化；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

交流电动机因其结构简单，运行可靠，价格低廉，维修方便，故而应用面很广，几乎所有的调速传动都采用交流电动机。

尽管从1930年开始，人们就致力于交流调速系统的研究，然而主要局限于利用开关设备来切换主回路达到控制电动机启动，制动和有级调速的目的。

变极对调速，电抗或自藕降压启动以及绕线式异步电动机转子回路串电阻的有级调速都还处于开发的阶段。

交流调速缓慢的主要原因是决定电动机转速调节主要因素的交流电源频率的改变和电动机的转矩控制都是非常困难的，使交流调速的稳定性，可靠性，经济性以及效率均不能满足生产要求。