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
其中：p 为电机极对数；
U1为相电压有效值 R1为定子每相绕组的阻 Ll1为每相漏感
R2′为折算到定子侧的每相电阻 Ll2′为折算到定子侧的漏感
交流调压调速是通过改变电动机定子外加电压从而改变转差率S 进行调速的。它是一种简单、可靠、价格便宜的调速方法，但其调速特性软，低速时转差功率损耗大，效率较低。交流调压调速常采用晶闸管组成的交流调压调速系统。 1.3.2、绕线式异步电动机转子串电阻调速
绕线式异步电动机转子串电阻的机械特性如图所示。转子串电阻时同步转速和最大转矩Tm 不变，临界转差率增大。 转子串电阻调速的优点：
设备简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机如桥式起重机等。 转子串电阻调速的缺点：
转子绕组需经过电刷引出，属于有级调速，平滑性差；由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，所以电动机的效率很低，机械特性较软，调速精度差。 1.3.3、绕线式异步电动机在转子回路中串级调速
在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通过改变附加电势的幅值和相位实现调速。其优点是：
可以通过某种控制方式，使转子回路的能量回馈到电网，从而提高效率；在适当的控制方式下，可以实现低同步或高同步的连续调速。
缺点是：
只能适应于绕线式异步电动机，且控制系统相对复杂。
总结：
2、变频调速的核心部件-变频器
鼠笼型异步电动机的定子采用变频电源供电所构成的变频调速系统是具有高效率和高性能的调速系统。通过改变定子供电频率，电机转速可得到宽围的无级调节。对定子电压（或电源）以及频率按一定规律进行协调控制，可提高传动系统的运行特性。通过控制转差(n0 - n)／n0，电机可获得较理想的快速响应特性。一旦采用闭环控制系统，整个传动系统可获得高精度及优良的传动特性。
给电功机定子提供频率可变电源的设备就是变频器，变频器是变频调速系统的核心部分。变频器与电动机完美的控制配合构成了性能优良的变频调速系统。为分析变频器的工作情况。
变频器是介于电源与电动机之间的电压与频率可调变的供电环节。从逆变器的主回路上看．如果主回路等效于电压源供电，再把电源的直流量通过开关及控制元件，转化成交流输出，这样的逆变器称为电压型逆变器。主回路等效于电流源供电，开关元件将其转换为交流输出，这种类型的逆变器叫电流型逆变器。
变频器与电源、电动机的关系
二、调速电机选型
以jscc调速电机为例
1、调速电机构成
2、调速电机选型
2.1、调速电机可以直连，输出轴为圆轴，也可以加减速箱，输出轴为齿轮轴
2.1.1、直连
虽然调速电机的调速围为:50Hz…90~1400转分钟;60Hz…90-1600转分钟。但由于低速时(≤400转分钟),电机转矩下降较多,易发生过载,且电机直连风扇冷却效果差,易发热,因此必须预留足够的功率余量,并且不要经常工作在低速区。因此电机最佳调速围为:50Hz…·400-1400转分钟;60Hz…400-1600转分钟
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。
变频器工作原理 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。整流器 最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。平波回路 在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。 逆变器 同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm 逆变器为例示出开关时间和电压波形。 控制电路 是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。 （1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 （2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。 （3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg 等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 （5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
变频器多段速度控制 1．变频调速的原理 异步电机的转速n可以表示为 式中，n2为同步转速，Δn1为转差损失的转速，p为磁极对数，s为转差率，f为电源的频率。可见，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。 频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压。这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，亦需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速（VVVF），简称变频调速。 实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU／DSP）等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。 2．电机调速的分类 按变换的环节分类 （1）交-直-交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。
（2）可分为交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器 按直流电源性质分类 （1）电压型变频器 电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。 （2）电流型变频器 电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。 按主电路工作方法 电压型变频器、电流型变频器 按照工作原理分类 可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等 按照开关方式分类 可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器 按照用途分类 可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。 按变频器调压方法 PAM变频器是一种通过改变电压源Ud 或电流源Id的幅值进行输出控制的。 PWM变频器方式是在变频器输出波形的一个周期产生个脉冲波个脉冲，其等值电压为正弦波，波形较平滑。
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。
变频器调速基本原理 变频器调速基本原理 1、变频器概述。 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控 制装置。它的主电路都采用交—直—交电路。JP6C-T9/J9 系列低压通用变频器工作电压为：380～690V，功率为0.75～800kW，工作频率为0～400Hz； JP6C-YZ 系列中压通用变频器工作电压为：1140～2300V，功率为37～1000kW，工作频率为0～400Hz；JCS 系列高压变频器工作电压为：3KV / 6KV / 10KV，功率为280～20000kW，工作频率为0～60Hz； 2、变频原理。 从理论上我们可知，电机的转速N 与供电频率f 有以下关系： )1(*60sP fN 其中： p ——电机极数 S——转差率 由式(1)可知，转速n 与频率f 成正比，如果不改变电动机的极数，只要改变频率f 即可改变电动机的转速，当频率f 在0～50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 3、节能调速原理 一般使用的风机、水泵类它们额定风量、水量都超过实际需要，又因工艺的需要，往往运行中要改变风量、水量，而目前多数采用档板或阀门来调节的，虽然方法简单，但实质是人为增加阻力的办法。因此浪费大量电能，属不经济的调节方式。从流体力学原理可知，风机的风量、水泵的流量与电机转速及电机功率的关系如下：当风机转速下降时，电动机的功率迅速降低，例风量下降到80％，转速亦下降到80％时，则轴功率下降到额定的51％，若风量下降到50％，轴功率将下降到额定的13％，其节电潜力非常大，并有下述曲线、阴影部分表示采用变频器调速方式的节电效果，其节电可达30-40％效果十分明显。对不同使用频率时的节电率N%可查表。 上述原理也基本适用水泵，可见采用变频调速控制实现节电是有效的、惟一的途径。变频调速特点是效率高，无附加转差损耗，调速范围大、精度高、无级的。容易实现协调控制和闭环控制，可利用原有异步电动机对旧设备进行技术改造，它既保留了原有电动机，具有改造简单，可靠、耐用，维护方便的优点，即能达到节电的显著效果，又能恒压力的工艺需求，还能减小机械磨损。因此，可理论上认为风机、水泵采用交流调速来实现较大幅度的节能（可达20-50％）是种较
变频器远程控制及调速原理 -----唐玉龙 一、变频器的远程控制 什么是变频器远程控制器在许多变频器的应用现场，电机与操作室距离较远。如将变频器安装在现场，不便于工人的观察与操作；如安装在操作室内，则动力线拉的距离太远，成本高，且对变频器本身及系统中其他设备造成干扰。针对上述应用情况，我们开发研制了变频器远程控制器产品。变频器远程控制器是一种实现变频器远程操作的智能仪表，通过RS485网络远程控制变频器的启动、停止、加速、减速、正反转，并实时显示变频器的工作频率、转速等运行状态信息。单机通讯距离可达1200米(9600bps)，有效减少变频器的干扰。这样就可将变频器安装在电动机附近，通过屏蔽通讯线接到远端操作室内仪表盘上的变频器远程控制器上，在操作室内就能观察和操作变频器的运行状态。另外，变频器远程控制器还可接外置操作按钮，有手动/自动切换及监听等功能,可接入计算机控制系统，便于工程使用。二、变频器远程控制器的种类和功能我们研发的变频器远程控制器根据变频器的不同可分为标准型和加强型；根据通讯方式的不同可分为有线通讯、无线通讯；根据不同的通讯协议也分别有相应的产品。如果没有通讯接口或无法知道其通讯协议的变频器，可在变频器一端接上我们的远端转换器，将模拟信号和开关信号通过485网络传送到远程控制器上。这样对没有通讯口或无法知道通讯协议的变频器也都能使用，真正实现变频器万能远程控制器的功能。 二、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。
变频器调速工作原理 目前交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流，在电气传动领域内，由直流电动机占统治地位的局面已经受到了猛烈的冲击。 现在人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动，除变频以外的另外一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。交流调速传动控制技术之所以发展的如此迅速，和如下一些关键性技术的突破性进展有关，它们是电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。 1变频器的发展 近二十年来，以功率晶体管GTR为逆变器功率元件、8位微处理器为控制核心、按压频比U/f控制原理实现异步机调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进步。其一，是所用的电力电子器件GTR以基本上为绝缘栅双极晶体管IGBT所替代，进而广泛采用性能更为完善的智能功率模块IPM，使得变频器的容量和电压等级不断地扩大和提高。其二，是8位微处理器基本上为16位微处理器所替代，进而有采用功能更强的32位微处理器或双CPU，使得变频器的功能
从单一的变频调速功能发展为含有逻辑和智能控制的综合功能。其三，是在改善压频比控制性能的同时，推出能实现矢量控制和转矩直接控制的变频器，使得变频器不仅能实现调速，还可进行伺服控制。其发展情况可粗略地由以下几方面来说明。 1．容量不断扩大80年代采用BJT的PWM变频器实现了 通用化。到了90年代初BJT通用变频器的容量达到600KV A，400KV A 以下的已经系列化。前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三四年的时间，IGBT变频器的单机容量已达1800KV A，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量将随之扩大。 2．结构的小型化变频器主电路中功率电路的模块化、控 制电路采用大规模集成电路（LSI）和全数字控制技术、结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。 3．多功能化和高性能化电力电子器件和控制技术的不断 进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微机的应用，以其简练的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。由于全数字控制技术的实现，并且运算速度不断提高，使得通用变频器的性能不断提高，功能不断增强。 4．应用领域不断扩大通用变频器经历了模拟控制、数模 混合控制直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。目前其应用领域得到了相当的扩展。如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆，带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停
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]
变频调速的基本原理 1．电机调速的类型 通常，家用电器用得最多的是单相异步电动机，靠电容或电阻来分相。电机在工作时常处于短时重复状态（开／停），如空调、冰箱等。这样势必带来起动频繁、噪声大、电机寿命短、温度稳定性差以及能耗高等一系列弊端。变频调速技术的应用不但给这些家电产品带来功能的增加、性能的改善，而且具有明显的节能效果和降噪效果，同时使整机寿命较传统家电有明显提高。 异步电机调速有许多方法，如变极调速、变转差率调速和变频调速等。前两种转差损耗大，效率低，对电机特性来说都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源的频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽（10～100％）和精度高等性能，节电效果可达到20～30％。 变频调速有两种方法：一是交－直－交变频，适用于高速小容量电机；二是交－交变频。适用于低速大容量拖动系统。 变频空调器按照其室内风扇电机、室外风机及压缩机的类型，可分为3A和3D变频空调器。对于室内、室外风机和变频压缩机均为交流（AC）形式的变频空调器，一般称之为3A变频空调器；而对于室
内、室外风机和变频压缩机均为三相直流无刷电机（DCBLM）形式的变频空调器，一般称之为3D变频空调器。后者价位远高于前者，仅物料成本就高于同功率的3A变频空调器近300元，而且开发难度较大，空调系统和控制器的配合复杂度较高。 2．变频调速的原理 异步电机的转速n可以表示为 式中，n2为同步转速，Δn1为转差损失的转速，p为磁极对数，s为转差率，f为电源的频率。可见，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。 频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压。这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，亦需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速（VVVF），简称变频调速。 实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、
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。
变频器工作原理 要想做好变频器维修，当然了解变频器基础知识是相当重要的，也是迫不及待的。下面我们就来分享一下变频器维修基础知识。大家看完后，如果有不正确地方，望您指正，如果觉得还行支持一下，给我一些鼓动！变频器维修入门--电路分析图对于变频器修理，仅了解以上基本电路还远远不够的，还须深刻了解以下主要电路。主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成 通用变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成。它的功能是将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。网络的作用，是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。当电源电压为三相380V时，整流器件的最大反向电压一般为1200;-;1600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。 滤波电路 逆变器的负载属感性负载的异步电动机，无论异步电动机处于电动或发电状态，在直流滤波电路和异步电动机之间，总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲。同时，三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。为了减小直流电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。 通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组，以得到所需的耐压值和容量。另外，因为电解电容器容量有较大的离散性，这将使它们随的电压不相等。因此，电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻，消除离散性的影响，因而电容的寿命则会严重制约变频器的寿命。 逆变电路 逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，所以逆变电路是变频器的核心电路之一，起着非常重要的作用。 常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件（GTR、IGBT、GTO等）组成的
1 变频器的工作原理 我们知道，交流电动机的同步转速表达式位： n＝60 f(1－s)/p (1) 式中n———异步电动机的转速； f———异步电动机的频率； s———电动机转差率； p———电动机极对数。 由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 2变频器控制方式 低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。 2.1U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 2.2电压空间矢量（SVPWM）控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 2.3矢量控制（VC）方式 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电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，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Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
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)
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
变频器调速基本原理 1、 变频器概述。 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。 它的主电路都采用交—直—交电路。JP6C-T9/J9 系列低压通用变频器工作电压为：380～690V ，功率为0.75～800kW ，工作频率为0～400Hz ；JP6C-YZ 系列中压通用变频器工作电压为：1140～2300V ，功率为37～1000kW ，工作频率为0～400Hz ；JCS 系列高压变频器工作电压为：3KV / 6KV / 10KV ，功率为280～20000kW ，工作频率为0～60Hz ； 2、变频原理。 从理论上我们可知，电机的转速N 与供电频率f 有以下关系： )1(*60s P f N -= 其中： p ——电机极数 S ——转差率 由式(1)可知，转速n 与频率f 成正比，如果不改变电动机的极数，只要改变频率f 即可改变电动机的转速，当频率f 在0～50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 3、 节能调速原理 一般使用的风机、水泵类它们额定风量、水量都超过实际需要，又因工艺的需要，往往运行中要改变风量、水量，而目前多数采用档板或阀门来调节的，虽然方法简单，但实质是人为增加阻力的办法。因此浪费大量电能，属不经济的调节方式。从流体力学原理可知，风机的风量、水泵的流量与电机转速及电机功率的关系如下：当风机转速下降时，电动机的功率迅速降低，例风量下降到80％，转速亦下降到80％时，则轴功率下降到额定的51％，若风量下降到50％，轴功率将下降到额定的13％，其节电潜力非常大，并有下述曲线、阴影部分表示采用变频器调速方式的节电效果，其节电可达30-40％效果十分明显。对不同使用频率时的节电率N%可查表。 上述原理也基本适用水泵，可见采用变频调速控制实现节电是有效的、惟 一的途径。变频调速特点是效率高，无附加转差损耗，调速范围大、精度高、无级的。容易实现协调控制和闭环控制，可利用原有异步电动机对旧设备进行技术改造，它既保留了原有电动机，具有改造简单，可靠、耐用，维护方便的优点，即能达到节电的显著效果，又能恒压力的工艺需求，还能减小机械磨损。因此，可
第一变频调速技术的发展及应用 近十年来，随着电力电子技术、微电子学、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电力传动领域正发生着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的革命。交流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，被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为当今节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。 一、我国变频调速技术的发展概况 在电气传动领域，人们关心的是如何合理地使用电动机以节约电能和有目的地控制机械的运转状态（位置、速度、解速度等），在实现电能-机械能之间的转换过程中达到优质、高产、低能的目的。近几年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术，是交流调速的基础和主干内容，其根本原因在于变频调速在节能和调速特性等方面优良的特性优于其他调速方式，当然，电力电子器件发展、计算机技术、自动控制技术的迅速发展也为它的实现提供了基础。 我国关于变频器的研究开始于20世纪60年代初期，当时典型的技术是交-交变频器供电的交流变频调速传动；继此之后80年代主体技术为电压或电流型六脉冲逆变器供电的交流变频调速传动；从90年代中期至今，随着电力电子器件、调速技术以及控制技术的发展，BJT（IGBT）PWM逆变器供电的交流变频调速传动空前发展，并得到广泛的应用。 目前国内变频调速方面主要的产品状况如下。 （1）在中、小功率变频调速中主要是IGBT的PWM逆变器供电的交流变频调速设备。产品应用的范围从单机到全生产线；控制方式从简单的U/f控制到高调速性能的矢量控制，但目前U/f控制占主体，矢量控制数量还较少。 （2）电流源型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。 （3）交-交变频器供电的交流变频调速设备。 二、国外变频调速技术的现状 当前国外交流变频调速技术高速发展，主要有以下几个特点： （1）近几年来不断涌现出SCR，GTO，IGBT，IGCT等高电压、大电流的大功率电力电子器件以及大功率器件的并联、串联技术的发展应用，使得高电压、大功率变频器产品的生产及应用得到很大的发展。 （2）矢量控制、磁链控制、直接转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16位、32位高速处理微处理器，数字信号处理器（DSP），精简指令集计算机（RISC）和高级专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，使得变频器朝高精度、多功能化方向发展。国外产品已实现控制全数字化、产品系列化、功能多样化，产品已进入很成熟的阶段。 （3）由于相关的基础工业和各种制造业的高速发展，已经使变频调速装置相关配套件的生产社会化、专业化，产品可靠性更高。 二、变频调速技术未来发展趋势 交流变频调速技术是强、弱电混合，机电一体化的综合性技术。它分为功率级和控制级两大部分。功率级部分是要解决高电压、大电流方面的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题；控制级部分是要解决数字化控制的硬、软件开发问题。鉴于这两方面，未来变频调速技术的发展方向主要有以下几点： （1）各种控制方法的深入研究与实现，进一步提高变频调速性能。 （2）进一步提高变频器的功率因数，降低网侧和负载侧的谐波，以减少对电网的污染和电动机的转矩脉冲。
变频器定义及工作原理概述 变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。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。 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代以后，电力电子器件经历了SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS 控制晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM－VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并获得了广泛应用。 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 VVVF：改变电压、改变频率 CVCF：恒电压、恒频率。各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均为400V/50Hz或200V/60Hz(50Hz)，等等。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电(DC)。 用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。 变频器的工作原理 我们知道，交流电动机的同步转速表达式位： n＝60 f(1－s)/p (1) 式中 n———异步电动机的转速； f———异步电动机的频率； s———电动机转差率； p———电动机极对数。 由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 变频器控制方式 低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。 1U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性
1、基本概念 （1）VVVF 改变电压、改变频率（Variable Voltage and Variable Frequency）的缩写。 （2）CVCF 恒电压、恒频率（Constant Voltage and Constant Frequency）的缩写。 各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均200V/60H z（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（A C），我们把实现这种转换的装置称为“变频器”（inverter）。 变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。 2. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？ r/min电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm。例如：4极电机60Hz 1,800 [r/min]，4极电机50Hz 1,500 [r/min]，电机的旋转速度同频率成比例。 本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业领域所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率。电机的极数是固定不变的。由于极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适合改变极对数来调节电机的速度。另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值