交流变频调速基本原理
一．异步电动机概述
1．异步电动机旋转原理
异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。
⑴磁场以n0转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子
电流
⑵通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力
⑶电磁力使转子绕组以转速n旋转，方向与磁场旋转方向相同
2．旋转磁场的产生
旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。这三个交变磁场应满足：
⑴在空间位置上互差2π/3 rad电度角。这一点，由定子三相绕
组的布置来保证
⑵在时间上互差2π/3 rad相位角（或1/3周期）。这一点，由通
入的三相交变电流来保证
3．电动机转速
产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此，转子的转速n必须低于定子磁场的转速n0，两者之差称为转差：
Δn＝n0－n
转差与定子磁场转速（常称为同步转速）之比，称为转差率：s＝Δn / n0
同步转速n0由下式决定：
n0＝60 f / p
式中，f为输入电流的频率，p为旋转磁场的极对数。
由此可得转子的转速
n＝60 f（1－s）/ p
二．异步电动机调速
由转速n＝60 f（1－s）/ p可知异步电动机调速有以下几方法：
1．改变磁极对数p （变极调速）
定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。所以，要改变p，必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。
通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。
变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、
效率高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；其缺点是有极调速，且极数有限，因而只适用于不需平滑调速的场合。2．改变转差率s （变转差率调速）
以改变转差率为目的调速方法有：定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。
⑴定子调压调速
当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率s增大，转速减小，从而达到速度调节的目；同理，定子电压升高，转速增加。
调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时，机械特性较硬，调速范围较宽，缺点是低速时，转差功率损耗较大，功率因素低，电流大，效率低。调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，比较适合于风机泵类特性的负载。
分体机上的室内风机就是利用定子电压调速的方法进行调速的，其调速电路如下图。
根据风机速度的反馈信号，控制晶闸管SCR导通的相角，从而控制风机定子的输入电压，以控制风机的风速。
前面讲在空间位置上互差2π/3 rad电度角的三相绕组通以在时间上互差2π/3 rad相位角（或1/3周期）三相交变电流可产生旋转磁场，同样，在空间位置上互差π/2 rad电度角的两相绕组通以在时间上互差π/2 rad相位角（或1/2周期）两相交变电
流也可产生旋转磁场。下图中，电容C的作用就是把一相电流移相，以产生两相在时间上互差π/2 rad相位角（或1/2周期）交变电流，在空间位置上互差π/2 rad电度角的两相绕组是由风机的内部结构来保证的。
⑵转子变电阻调速
当定子电压一定时，电机主磁通不变，若减小定子电阻，则转子电流增大，转子受到的电磁力增大，转差率减小，转速降低；同理增大定子电阻，转速增加。
转子变电阻调速的优点是设备和线路简单，投资不高，但其机械特性较软，调速范围受到一定限制，且低速时转差功率损耗较大，效率低，经济效益差。目前，转子变电阻调速只在一些调速要求不高的场合采用。
⑶电磁转差离合器调速
异步电动机电磁转差离合器调速系统以恒定转速运转的异
步电动机为原动机，通过改变电磁转差离合器的励磁电流进行速度调节。
电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成，二者之间没有机械的联系，均可自由旋转。离合器的电枢与异步电动机转子轴相连并以恒速旋转，磁极与工作机械相连。
电磁转差离合器的工作原理是：如果磁极内励磁电流为零，电枢与磁极间没有任何电磁联系，磁极与工作机械静止不动，相当于负载被“脱离”；如果磁极内通入直流励磁电流，磁极即产生磁场，电枢由于被异步电动机拖动旋转，因而电枢与磁极间有相对运动而在电枢绕组中产生电流，并产生力矩，磁极将沿着电枢的运转方向而旋转，此时负载相当于被“合上”，调节磁极内通入的直流励磁电流，就可调节转速。
电磁转差离合器调速的优点是控制简单，运行可靠，能平滑调速，采用闭环控制后可扩大调速范围，运用于通风类或恒转矩
类负载；其缺点是低速时损耗大，效率低。
⑷串极调速
前面介绍的定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速均存在着转差功率损耗较大、效率低的问题，是很大的浪费。如何能够将消耗于转子电阻上的功率利用起来，同时又能提高调速性能？串极调速就是在这样的指导思想下提出来的。
串极调速的基本思想是将转子中的转差功率通过变换装置加以利用，以提高设备的效率。
串极调速的工作原理实际上是在转子回路中引入了一个与转子绕组感应电动势频率相同的可控的附加电动势，通过控制这个附加电动势的大小，来改变转子电流的大小，从而改变转速。见下图。
串极调速具有机械特性比较硬、调速平滑、损耗小、效率高等优点，便于向大容量发展，但它也存在着功率因素较低的缺点。3．改变频率f （变频调速）
当极对数p不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速。
异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便的实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直
流调速相比美。
三．异步电动机变频调速
1．变频器与逆变器、斩波器
变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电动机变频调速的控制装置。逆变器是将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置（DC－AC变换）。将固定直流电压变换成可调的直流电压的装置称为斩波器（DC－DC变换）。
2．变压变频调速（VVVF）
在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。
如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由
T M＝K TΦ M I 2COS? 2
(式中T M ：电磁转矩，Φ M ：主磁通，I 2 ：转子电流，COS? 2 ：转子回路功率因素，K T ：比例系数)，可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。
由于电机设计时，电机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电机铁心出现饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。
因此，在改变电机频率时，应对电机的电压进行协调控制，以维持电机磁通的恒定。
为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（Variable V oltage，简称VV）变频（Variable Frequency，简称VF）器，即VVVF。所以，通常也把这种变频器叫作VVVF装置或VVVF。
根据异步电动机的控制方式不同，变压变频调速可分为恒定压频比（V/F）控制变频调速、矢量控制（FOC）变频调速、直接转矩控制变频调速等。
3．变频器分类
⑴从变频器主电路的结构形式上可分为交－直－交变频器和交－交变频器。
交－直－交变频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直流电，再由逆变电路将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电。交－直－交变频器主电路结构如下图。
交－交变频器把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，中间不经过直流环节，又称为周波变换器。它的基本结构如下图所示。
常用的交－交变频器输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正、反向两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0。输出电压u0的幅值决定于各组整流装置的控制角α 输出电压u0的频率决定于两组整流装置的切换频率。如果控制角α ? ? ?σΓ5?/≠? ?0χ&??? 1(? ?τAη? ? ↑9???6?
对于三相负载，交－交变频器其他两相也各用一套反并联的可逆线路，输出平均电压相位依次相差120?。
交－交变频器由其控制方式决定了它的最高输出频率只能达到电源频率的1/3～1/2，不能高速运行，这是它的主要缺点。
但由于没有中间环节，不需换流，提高了变频效率，并能实现四象限运行，因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。
⑵从变频电源的性质上看，可分为电压型变频器和电流型变频器。
对交－直－交变频器，电压型变频器与电流型变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。
电压型变频器的主电路典型形式如下图。在电路中中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，使施加于负载上的电压值基本上不受负载的影响，而基本保持恒定，类似于电压源，因而称之为电压型变频器。
电压型变频器逆变输出的交流电压为矩形波或阶梯波，而电流的波形经过电动机负载滤波后接近于正弦波，但有较大的谐波分量。
由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电
功率，所以主要优点是运行几乎不受负载的功率因素或换流的影响；缺点是当负载出现短路或在变频器运行状态下投入负载，都易出现过电流，必须在极短的时间内施加保护措施。
电流型变频器与电压型变频器在主电路结构上基本相似，所不同的是电流型变频器的中间直流环节采用大电感滤波，见下图，直流电流波形比较平直，使施加于负载上的电流值稳定不变，基本不受负载的影响，其特性类似于电流源，所以称之为电流型变频器。
电流型变频器逆变输出的交流电流为矩形波或阶梯波，当负载为异步电动机时，电压波形接近于正弦波。
电流型变频器的整流部分一般采用相控整流，或直流斩波，通过改变直流电压来控制直流电流，构成可调的直流电源，达到控制输出的目的。
电流型变频器由于电流的可控性较好，可以限制因逆变装置
换流失败或负载短路等引起的过电流，保护的可靠性较高，所以多用于要求频繁加减速或四象限运行的场合。
一般的交－交变频器虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压型变频器。也有的交－交变频器用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，属于电流型变频器。
⑶交－直－交变频器根据VVVF调制技术不同，分为PAM 和PWM两种。
PAM是把VV和VF分开完成的，称为脉冲幅值调制（Pulse Amplitude Modulation）方式，简称PAM方式。
PAM调制方式又有两种：一种是调压采用可控整流，即把交流电整流为直流电的同时进行相控整流调压，调频采用三相六拍逆变器，这种方式结构简单，控制方便，但由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网端功率因素较低，而输出环节采用晶闸管组成的三相六拍逆变器，每周换相六次，输出的谐波较大。其基本结构见图a；另一种是采用不控整流、斩波调压，即整流环节采用二极管不控整流，只整流不调压，再单独设置PWM斩波器，用脉宽调压，调频仍采用三相六拍逆变器，这种方式虽然多了一个环节，但调压时输入功率因素不变，克服了上面那种方式中输入功率因数低的缺点。而其输出逆变环节未变，仍有谐波较大的问题。其基本结构见图b。
PWM是将VV与VF集中于逆变器一起来完成的，称为脉
冲宽度调制（Pulse Width Modulation）方式，简称PWM方式。
PWM调制方式采用不控整流，则输入功率因素不变，用PWM逆变同时进行调压和调频，则输出谐波可以减少。其基本结构见图c。
在VVVF调制技术发展的早期均采用PAM方式，这是由于当时的半导体器件是普通晶闸管等半控型器件，其开关频率不高，所以逆变器输出的交流电压波形只能是方波。而要使方波电压的有效值随输出频率的变化而改变，只能靠改变方波的幅值，即只能靠前面的环节改变中间直流电压的大小。随着全控型快速半导体开关器件BJT、IGBT、GTO等的发展，才逐渐发展为PWM 方式。由于PWM方式具有输入功率因数高、输出谐波少的优点，因此在中小功率的变频器中，几乎全部采用PWM方式，但由于大功率、高电压的全控型开关器件的价格还较昂贵，所以为降低成本，在数百千瓦以上的大功率变频器中，有时仍需要使用以普通晶闸管为开关器件的PAM方式。
四．变压变频协调控制
前面讲在进行电机调速时，为保持电动机的磁通恒定，需要对电机的电压与频率进行协调控制。那么应该怎样对电机的电压与频率进行协调控制呢？
对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。
基频，即基本频率f1，是变频器对电动机进行恒转矩控制和恒功率控制的分界线，应按电动机的额定电压（指额定输出电压，是变频器输出电压中的最大值，通常它总是和输入电压相等）进行设定，即在大多数情况下，额定输出电压就是变频器输出频率等于基本频率时的输出电压值，所以，基本频率又等于额定频率f N（即与电动机额定输出电压对应的频率）。
异步电动机变压变频调速时，通常在基频以下采用恒转矩调速，基频以上采用恒功率调速。
1．基频以下调速
在一定调速范围内维持磁通恒定，在相同的转矩相位角的条件下，如果能够控制电机的电流为恒定，即可控制电机的转矩为恒定，称为恒转矩控制，即电机在速度变化的动态过程中，具有输出恒定转矩的能力。
由于恒定U1 / f1控制能在一定调速范围内近似维持磁通恒定，因此恒定U1 / f1控制属于恒转矩控制。
严格地说，只有控制E g / f1恒定才能控制电机的转矩为恒定。
⑴恒定气隙磁通Φ M控制（恒定E g / f1控制）
根据异步电动机定子的感应电势
E g =4.44f1 N1 K N1 Φ M
（式中E g为气隙磁通在每相定子感应的电动势，f1为电源频率，
N1为定子每相绕组串联匝数，K N1为与绕组结构有关的常数，Φ M为每极气隙磁通），可知，要保持Φ M不变，当频率f1变化时，必须同时改变电动势E g的大小，使
E g / f1＝常值
即采用恒定电动势与频率比的控制方式。（恒定E g / f1控制）又，电机定子电压
U1＝E g+(r1 +j x1)I1
（式中U1为定子电压，r1为定子电阻，x1为定子漏磁电抗，I1为定子电流），如果在电压、频率协调控制中，适当地提高电压U1，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持E g / f1为恒值，则无论频率高低，每极磁通Φ M均为常值，就可实现恒定E g / f1控制。
恒定E g / f1控制的稳态性能优于下面讲的恒定U1 / f1控制，它正是恒定U1 / f1控制中补偿定子压降所追求的目标。
⑵恒定压频比控制（恒定U1 / f1控制）
根据上面的公式，在电动机正常运行时，由于电动机定子电阻r1和定子漏磁电抗x1的压降较小，可以忽略，则电机定子电压U1与定子感应电动E g近似相等，即
U1≈E g
则得
U1 / f1＝常值
这就是恒压频比的控制方式。（恒定U1 / f1控制）
由于电机的感应电势检测和控制比较困难，考虑到在电机正
常运转时电机的电压和电势近似相等，因此可以通过控制U1 / f1恒定，以保持气隙磁通基本恒定。
恒定U1 / f1控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使二者之比U1 / f1为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。
恒定U1 / f1控制的出发点是电动机的稳态数学模型，它的控制效果只有在稳态时才符合要求。在过渡过程中，电动机所产生的转矩需要按照电动机的动态数学模型进行分析计算。因此恒定U1 / f1控制的电动机系统难以满足动态性能的要求。在起动时，为了使系统能满足稳态运行的条件，频率的变化应尽可能缓慢，以避免电动机出现失速现象，即电动机转子的转速与旋转磁场的转速相差很大。滑差增大，造成电动机中流过很大的电流，电动机输出的转矩将减小。
恒定U1 / f1控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，突出优点是可以进行电机的开环速度控制。
恒定U1 / f1控制存在的主要问题是低速性能较差。这是由于低速时异步电动机定子电阻压降所占比重增大，已不能忽略，电机的电压和电势近似相等的条件已不满足，仍按U1 / f1恒定控制已不能保持电机磁通恒定。电机磁通的减小，电机电磁转矩的减小。因此，在低频运行的时候，要适当的加大U1 / f1的值，以补
偿定子压降。
若采用开环控制，则除了定子漏阻抗的影响外，变频器桥臂上下开关元件的互锁时间也是影响电机低速性能的重要原因。对电压型变频器，考虑到电力半导体器件的导通和关断均需一定时间，为防止上下元件在导通/关断切换时出现直通，造成短路而损坏，在控制导通时设置一段开关导通延迟时间。在开关导通延迟时间内，桥臂上下电力半导体器件均处于关断状态，因此又将开关导通延迟时间称为互锁时间。互锁时间的长短与电力半导体器件的种类有关。由于互锁时间的存在，变频器的输出电压将比控制电压低。在低频的时候，变频器的输出电压比较低，PWM 逆变脉冲的占空比比较小，这时互锁时间的影响就比较大，从而导致电机的低速性能降低。互锁时间造成的压降还会引起转矩脉动，在一定条件下将会引起转速、电流的振荡，严重时变频器不能运行。
对磁通进行闭环控制是改善U1 / f1恒定控制性能的十分有效的方法。采用磁通控制后，电机的电流波形的到明显改善，气隙磁通更加接近圆形。
⑶恒定转子磁通Φ r控制（恒定E r / f1控制）
如果把电压、频率协调控制中的电压U1进一步再提高一些，把转子漏抗上的压降也抵消掉，便的到恒定E r / f1控制，其机械特性是一条直线。显然，恒定E r / f1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调
速所要求的性能。
问题是，怎样控制变频器的电压和频率才能获得恒定E r / f1的呢？按照电动势与磁通的关系
E g =4.44f1 N1 K N1 Φ M
可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在上式中，气隙磁通E g的感应电动势对应于气隙磁通Φ M，那么，转子磁通的感应电动势E r就应该对应于转子磁通Φ r
E r =4.44f1 N1 K N1 Φ r
由此看见，只要能够按照转子磁通
Φ r＝恒值
进行控制，就可获得恒定E r / f1控制。这正是矢量控制系统所遵循的原则。
2．基频以上调速
当电机的电压随着频率的增加而升高时，若电机的电压已达到电机的额定电压，继续增加电压有可能破坏电机的绝缘。为此，在电机达到额定电压后，即使频率增加仍维持电机电压不变。这样，电机所能输出的功率由电机的额定电压和额定电流的乘积所决定，不随频率的变化而变化。具有恒功率特性。
在基频以上调速时，频率可以从基频往上增加，但电压却不能超过额定电压，此时，电机调速属于恒转矩调速。
电机在恒转矩调速时，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。
3．V/F控制与V/F曲线
⑴V/F控制
在恒定U1 / f1控制中，频率f1下降时，定子电阻压降在U1中所占比例增大，造成气隙磁通Φ M和转矩下降，采取适当提高U1 / f1的方法，来低偿定子电阻压降的增大，而保持Φ M＝恒值，最终使电动机的转矩得到补偿。这种方法称为转矩补偿，因为它是通过提高U1 / f1而得到的，故又称V/F控制或电压补偿。许多书中则直译为转矩提升（Torque boost）。
⑵基本V/F曲线
U1 / f1＝恒值时的V/F曲线称为基本V/F曲线（见下图中曲线a），它表明了没有补偿时的电压U1和频率f1之间的关系。它是进行V/F控制时的基准线。
⑶全补偿V/F曲线
不论f1为多大（在f1≤f N的范围内），通过补偿，都能保持Φ M＝恒值，称为完全补偿V/F曲线，简称全补偿V/F曲线（见下图中曲线b）。
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。
摘要 异步电动机采用变频调速技术，具有调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失的优点，因此，变频调速是一种性能优良的高效调速方式。 本文以MATLAB为仿真工具，介绍了Simulink中的仿真模块，研究了交流电机变频调速系统，分析了变频器的构成和工作原理，并据此对逆变电路进行了仿真设计。首先对调速系统仿真所需要的各种电力系统模块做了简要的介绍，说明了逆变器的工作原理，在此基础上用MATLAB/Simulink软件分别对各种电路模块进行了仿真设计，进而设计出了实际中广泛应用的交-直-交变频器的仿真模型，实现了对交流电机变频调速系统的仿真研究，在此基础上建立电机模型，进行矢量控制设计，以带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制的方法对异步电动机变频调速系统进行建模和仿真，并对仿真结果进行了分析,由仿真结果可以看出系统转速的动态响应快，稳态跟踪精度高，表明此建模方法是可行和有效的。 关键词：MATLAB/Simulink变频调速逆变器仿真
ABSTRACT With the application of frequency and speed conversion technology to synchronous motor, its speed can be wide-ranged adjusted. When it comes to adjusting speed, because of slip power unchanged, there is no additional energy lost. Thus it makes this technology a high-equality and efficient way to exchange the speed. This thesis, aiming at MATLAB as simulation tool, introduces Simulink simulation module and the AC motor speed control system as the subject of the research and analyzes the structure of the inverter and how it works. On this basis,a variety of inverter circuit simulation designs are conducted. First of all, this thesis makes a brief introduction about power system module power which needs power electronic simulation, the working principle of the inverter included. Based on the theory above, then MATLAB / Simulink software are used in the simulation designs about different kinds of circuit modules. Moreover the designs of the simulation model of widely-used cross - DC - AC inverter are conducted to achieve the goal of the simulation study of AC motor speed control system, carries the modelling and the simulation on asynchronous motor adjusting-speed system based on vector control with torque inner rim and flux linkage of closed loop，gives out the simulation and makes analyse to it．The simulation result of the model shows the speed of dynamic response and the accuracy of steady-state tracking，also confirmes that the modelling is feasible and effective． Key words：MATLAB/Simulink Frequency Control Inverter Simulation
论交流变频调速与直流调速 一：变频器的发展 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拖动系统中则基本上采用的直流电动机。 但是，众所周知，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。 而与直流电动机相比，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。但是，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。 目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础之上，并随着这些基础技术的发展而不断得到发展。
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)
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。
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，
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]
变频技术的发展趋势及 其应用 公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-
变频技术的发展趋势及其应用 0引言 在工业生产及国计民生中电机的使用十分广泛，电机的传动方式一般分为直流电机传动及交流电机传动。过去由于交流电机实现调速较困难或某些调速方式低效不够理想，因而长期以来在调速领域大多采用直流电机，而交流电动机的优点在调速领域中未能得到发挥。交流电动机的调速方式一般有以下三种。 1）变极调速是通过改变电动机定子绕组的接线方式以改变电机极数实现调速，这种调速方法是有级调速，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼电动机。 2）改变电机转差率调速其中有通过改变电机转子回路的电阻进行调速，此种调速方式效率不高，且不经济。其次是采用滑差调速电机进行调速，调速范围宽且能平滑调速，但这种调速装置结构复杂（一般由异步电机、滑差离合器和控制装置三部分组成），滑差调速电机是在主电机转速恒定不变的情况下调节励磁实现调速的，即便输出转速很低，而主电机仍运行在额定转速，因此耗电较多，另外励磁和滑差部分也有效率问题和消耗问题。较好的转差率调速方式是串级调速。3）变频调速通过改变电机定子的供电频率，以改变电机的同步转速达到调速的目的，其调速性能优越，调速范围宽，能实现无级调速。 目前我国生产现场所使用的交流电动机大多为非调速型，其耗能十分惊人。如采用变频调速，则可节约大量能源。这对提高经济效益具有十分重要的意义。 1变频调速技术的发展 上世纪50年代末，由于晶闸管（SCR）的研究成功，电力电子器件开始运用于工业生产，可控整流直流调速便成了调速系统中的主力军。但由于直流电机结构复
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。
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。
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
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)
交流变频调速基本原理 一．异步电动机概述 1．异步电动机旋转原理 异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。 ⑴磁场以n0转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子 电流 ⑵通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力 ⑶电磁力使转子绕组以转速n旋转，方向与磁场旋转方向相同 2．旋转磁场的产生 旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。这三个交变磁场应满足： ⑴在空间位置上互差2π/3 rad电度角。这一点，由定子三相绕 组的布置来保证
⑵在时间上互差2π/3 rad相位角（或1/3周期）。这一点，由通 入的三相交变电流来保证 3．电动机转速 产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此，转子的转速n必须低于定子磁场的转速n0，两者之差称为转差： Δn＝n0－n 转差与定子磁场转速（常称为同步转速）之比，称为转差率：s＝Δn / n0 同步转速n0由下式决定： n0＝60 f / p 式中，f为输入电流的频率，p为旋转磁场的极对数。 由此可得转子的转速 n＝60 f（1－s）/ p 二．异步电动机调速 由转速n＝60 f（1－s）/ p可知异步电动机调速有以下几方法： 1．改变磁极对数p （变极调速） 定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。所以，要改变p，必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。 通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。 变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、
效率高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；其缺点是有极调速，且极数有限，因而只适用于不需平滑调速的场合。2．改变转差率s （变转差率调速） 以改变转差率为目的调速方法有：定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。 ⑴定子调压调速 当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率s增大，转速减小，从而达到速度调节的目；同理，定子电压升高，转速增加。 调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时，机械特性较硬，调速范围较宽，缺点是低速时，转差功率损耗较大，功率因素低，电流大，效率低。调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，比较适合于风机泵类特性的负载。 分体机上的室内风机就是利用定子电压调速的方法进行调速的，其调速电路如下图。 根据风机速度的反馈信号，控制晶闸管SCR导通的相角，从而控制风机定子的输入电压，以控制风机的风速。 前面讲在空间位置上互差2π/3 rad电度角的三相绕组通以在时间上互差2π/3 rad相位角（或1/3周期）三相交变电流可产生旋转磁场，同样，在空间位置上互差π/2 rad电度角的两相绕组通以在时间上互差π/2 rad相位角（或1/2周期）两相交变电
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
我国变频调速技术 近10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，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、高功率因数和节间效果，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。 我国变频调速技术的发展概况 电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能-机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能（节约15%～20%或更多），改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速春传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。 近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。 我国电气传动产业始建于1954年当时第一批该专业范围内的学生从各大专院校毕业，同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，这就是后来天津电气传动设计研究所的前身。我国电气传动与变频调速技术的发展简使见表1。现在我国已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。 我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重。 目前国内主要的产品状况如下:
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