交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)解讀

1、湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目：專業(yè)班級(jí)：學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：完成日期：指導(dǎo)教師：評(píng)閱教師：2011 年 6 月湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文）誠(chéng)信承諾書(shū)本人慎重承諾和聲明：所撰寫(xiě)的交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下自主完成，文中所有引文或引用數(shù)據(jù)、圖表均已注 解說(shuō)明來(lái)源，本人愿意為由此引起的后果承擔(dān)責(zé)任。設(shè)計(jì)（論文） 的研究成果歸屬學(xué)校所有。學(xué)生（簽名）年月日湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)（論文）題目： 交流異步電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名 專業(yè) 班級(jí) 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)老師 職稱 教研室主任 一、基本任務(wù)及要求：主要設(shè)計(jì)完成可控硅交流調(diào)壓

2、調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要完成：（1）交流調(diào)壓調(diào)速的原理和調(diào)壓調(diào)速的靜、動(dòng)態(tài)性能分析；（2）系統(tǒng)組成與工作原理；（3）主電路與控制電路設(shè)計(jì)；（4）元器件選型及參數(shù)計(jì)算；（5）軟件設(shè)計(jì)；（6）系統(tǒng)應(yīng)用與調(diào)試說(shuō)明。、進(jìn)度安排及完成時(shí)間：（ 1）第一至第三周：查閱資料 , 撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告。（2）第四周至第五周：畢業(yè)實(shí)習(xí)。（3）第六周至第七周：交流調(diào)壓調(diào)速的原理和調(diào)壓調(diào)速的靜、動(dòng)態(tài)性能分析。（4）第八周至第九周：系統(tǒng)組成與工作原理；主電路與控制電路設(shè)計(jì)。（5）第十周至第十二周：元器件選型及參數(shù)計(jì)算；軟件設(shè)計(jì)；系統(tǒng)應(yīng)用與調(diào)試說(shuō)明。（6）第十三周至第十五周：撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。（7）第十六周：畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯

3、目錄 TOC o 1-5 h z 摘要 . IABSTRAC.T II HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 第 1 章緒論 . 1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 變頻調(diào)速技術(shù)簡(jiǎn)介 1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀 . 2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 變頻器技術(shù)

4、的發(fā)展趨勢(shì) . 2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 研究的目的與意義 3 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 本次設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 變頻器主電路方案的選定. 4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡(jiǎn)介 . 5 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 選用電動(dòng)機(jī)原始參數(shù) . 6 HYPERLINK l

5、bookmark28 o Current Document 第 2 章交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理及方法 . 7 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 三相異步電機(jī)工作的基本原理 7 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 異步電機(jī)的等效電路 . 7 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 . 9 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性. 9 HYPERLINK l bookmar

6、k38 o Current Document 異步電機(jī)變頻調(diào)速原理. 10 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 變頻調(diào)速的控制方式及選定 11 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 壓頻比恒定控制 . 11 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 其它控制方式 . 16 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 第 3 章變頻器主電路設(shè)計(jì) . 18 HYPERLINK l bookmark48 o Current D

7、ocument 主電路的工作原理 18 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 主電路各部分的設(shè)計(jì) . 18 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 變頻器主電路設(shè)計(jì)的基本工作原理 . 20 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 主電路參數(shù)計(jì)算 22 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document IGBT 及驅(qū)動(dòng)模塊介紹 . 22 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document IGBT

8、簡(jiǎn)介及驅(qū)動(dòng)要求 22 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document EXB840 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 24 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 采用 EXB840的 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 . 26 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 第 4 章 控制回路設(shè)計(jì) . 27 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 27 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document SPWM調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)

9、介 27 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document SPWM波生成芯片特點(diǎn)和引腳功能 29 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document SA4828 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 30 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 保護(hù)電路 32 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 過(guò)、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì) . 32 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì) . 34 HYPERLINK

10、 l bookmark80 o Current Document 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 34 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 第 5 章 變頻器軟件設(shè)計(jì) . 37 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 流程圖 37 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document SA4828 的編程 . 38 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 初始化寄存器編程 . 38 HYPERLINK l bookmark90 o Current

11、 Document 控制寄存器編程 . 40 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 第 6 章 系統(tǒng)應(yīng)用與調(diào)試說(shuō)明 . 49 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 交流電動(dòng)機(jī)模型與 MATLAB實(shí)現(xiàn) . 49 HYPERLINK l bookmark96 o Current Document 交流電動(dòng)機(jī)與交流調(diào)速系統(tǒng)介紹 49 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理 49 HYPERLINK l bookmark104 o Current

12、Document 交流電動(dòng)機(jī)模型在 Malab 中的實(shí)現(xiàn) 49 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)與 MATLAB實(shí) 現(xiàn) 53 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速原理 53 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速的閉環(huán)控制系統(tǒng) 54 HYPERLINK l bookmark112 o Current Document 基于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的 MATLAB實(shí) 現(xiàn) 54 HYPE

13、RLINK l bookmark114 o Current Document 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)與 MATLAB實(shí) 現(xiàn) 55 HYPERLINK l bookmark116 o Current Document 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)介紹 55 HYPERLINK l bookmark118 o Current Document 變頻調(diào)速控制方式 55 HYPERLINK l bookmark120 o Current Document 矢量控制變頻調(diào)速仿真 . 56結(jié)論 . 60參考文獻(xiàn) . 61致謝 . 62湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：近年來(lái), 交流

14、電機(jī)變頻調(diào)速及其相關(guān)技術(shù)的研究己成為現(xiàn)代電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè) 重要課題 , 并且隨著新的電力電子器件和微處理器的推出以及交流電機(jī)控制理論的發(fā) 展，交流變頻調(diào)速技術(shù)還將會(huì)取得巨大進(jìn)步。本文對(duì)變頻調(diào)速理論，逆變技術(shù)， SPW產(chǎn)M生原理進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一 種新型數(shù)字化三相 SPW變M頻調(diào)速系統(tǒng)，以 8051控制專用集成芯片 SA4828為控制核心， 采用IGBT作為主功率器件， 同時(shí)采用EXB840構(gòu)成IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，整流電路采用二極管， 可使功率因數(shù)接近 1，并且只用一級(jí)可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。本文在控制上采用 V f 恒控制，同時(shí)，軟件程序使得參數(shù)的輸入和變頻器運(yùn) 行方式

15、的改變極為方便，新型集成元件的采用也使得它的開(kāi)發(fā)周期短。另外，本文對(duì) SA4828三相 SPW波M發(fā)生器的使用和編程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，完成了整個(gè) 系統(tǒng)控制部分的軟硬件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵字: 變頻調(diào)速；正弦脈寬調(diào)制； V f 控制； SA4828波形發(fā)生器湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）AC INDUCTION MOTORSPEED-ADJUSTED SYSTEM DESIGNABSTRACT ： Recently, the research of variable frequency speed variation of AC motor and relevant technology has become

16、 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 V

17、oltage 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 E

18、XB840 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.I adopt the means of linear V f operation. At the same time, it is very convenient to input parameters or change the drive osp era

19、ting 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

20、hardware of the control part in system have been completed.Keywords: variable frequency speed contro，l Sine Pulse Width Modulation (SPWM)， operation; SA4828 Wave GeneratorII交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 1 章 緒論變頻調(diào)速技術(shù)簡(jiǎn)介變頻調(diào)速技術(shù)是一種以改變交流電動(dòng)機(jī)的供電頻率來(lái)達(dá)到交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速目的的 技術(shù)。大家都知道，目前，無(wú)論哪種機(jī)械調(diào)速，都是通過(guò)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從大的范圍來(lái) 分，電機(jī)有直流電機(jī)和交流電機(jī)。由于直流機(jī)調(diào)

21、速容易實(shí)現(xiàn)，性能好，因此過(guò)去生產(chǎn)機(jī) 械的調(diào)速多用直流電動(dòng)機(jī)。但直流機(jī)固有的缺點(diǎn)：由于采用直流電源，它的滑環(huán)和碳刷 要經(jīng)常拆換，故費(fèi)時(shí)費(fèi)工，成本高，給人們帶來(lái)太大的麻煩。因此人們希望，讓簡(jiǎn)單可 靠廉價(jià)的籠式交流電機(jī)也像直流電動(dòng)機(jī)那樣調(diào)速。這樣就出現(xiàn)了定子調(diào)速、變極調(diào)速、 滑差調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速等交流調(diào)速方式。當(dāng)然也出現(xiàn)了滑差電機(jī)、繞線 式電機(jī)、同步式交流電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了 變頻調(diào)速技術(shù)，它一出現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機(jī)調(diào)速方式，乃至直流 電機(jī)調(diào)速，而成為電氣傳動(dòng)的中樞 1 。變頻調(diào)速被認(rèn)為是一種理想的交流調(diào)速方法。 但如何得到一個(gè)單

22、獨(dú)向異步電動(dòng)機(jī)供 電的經(jīng)濟(jì)可靠的變頻電源，一直是交流變頻調(diào)速的主要課題。 20世紀(jì) 60年代中期，隨著 普通的晶閘管、小功率管的實(shí)用化，出現(xiàn)了靜止變頻裝置，它是將三相的工頻電源經(jīng)變 換后，得到頻率可調(diào)的交流電。這個(gè)時(shí)期的變頻裝置，多為分立元件，它體積大、造價(jià) 高，大多是為特定的控制對(duì)象而研制的，容量普遍偏小，控制方式也很不完善，調(diào)速后 電動(dòng)機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)性能還有待提高，特別是低速的性能不理想，因此僅用于紡織、磨床 等特定場(chǎng)合。20世紀(jì)70年代以后，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速 傳動(dòng)技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)步，開(kāi)始出現(xiàn)了通用變頻器。它功能豐富，可以適 用于不同的負(fù)載和

23、場(chǎng)合，特別是進(jìn)入 20世紀(jì) 90年代，隨著半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件 IGBT、矢量控 制技術(shù)的成熟，微機(jī)控制的變頻調(diào)速成為主流，調(diào)速后異步電動(dòng)機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)特性已經(jīng) 可以和直流調(diào)速相媲美。隨著變頻器的專用大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件、傳感器 的性能越來(lái)越高， 進(jìn)一步提高變頻器的性能和功能已成為可能。 現(xiàn)在的變頻器功能很多， 操作也很方便，其壽命和可靠性也較以前有了很大的進(jìn)步。1交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)所謂變頻就是利用電力電子器件 （ 如功率晶體管 GTR、絕緣柵雙極型晶體管 IGBT）將 50Hz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。 它分為直接變頻 （又稱交 -交變頻） ， 即把市電直接變成

24、比它頻率低的交流電， 大量用在大功率的交流調(diào)速中 ;間接變頻 （又稱 交-直- 交變頻） ，即先將市電整流成直流，再變換為要求頻率的交流。它又分為諧振變 頻和方波變頻。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅等寬和SPWM變頻。常用的方法有正弦波 （調(diào)制波）與三角波 （載波）比較的 SPWM法、磁場(chǎng)跟蹤式 SPWM法和等面積 SPWM法等。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的題目屬于間接變頻調(diào)速技術(shù)。它主要包括整流部分、逆變部分、控 制部分及保護(hù)部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相 SPWM逆變方式。變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)1.2.1 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)入 90 年代，通用變頻器以其優(yōu)異的控制性能，在調(diào)速領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟，并在工業(yè) 領(lǐng)

25、域及家電產(chǎn)品中得到迅速推廣。此外，變頻技術(shù)和變頻器制造己經(jīng)從一般意義的拖動(dòng) 技術(shù)中分離出來(lái)，成為世界各國(guó)在工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)電一體化領(lǐng)域中爭(zhēng)強(qiáng)占先的陣地，各 發(fā)達(dá)國(guó)家更是在該技術(shù)領(lǐng)域注入了極大的人力、物力、財(cái)力，使之目前己經(jīng)進(jìn)入了高新 技術(shù)行業(yè)。就變頻技術(shù)而言，目前日本、美國(guó)及法國(guó)、荷蘭、丹麥等國(guó)家可以說(shuō)是齊頭 并進(jìn)，不分伯仲。在這一領(lǐng)域的研制、生產(chǎn)方面， 220KW功率以上的變頻器基本被歐、 美等國(guó)家壟斷，如德國(guó)的西門(mén)子 （SIEMEN）、丹佛斯 （ DANFOSS，） 美國(guó)的 AB.OE公司、歐 洲的 ABB等。中小容量的變頻器 85%為日本產(chǎn)品和臺(tái)灣產(chǎn)品所占領(lǐng)， 如富士 （FUJI）, 三墾

26、 （ SAMCO ）、東芝 （TOSHIBA）、松下 （PANASONIC、） 三菱 （ MITSUBISHI） 、安川以及臺(tái)灣的 臺(tái)達(dá)。由于這些國(guó)家、地區(qū)的工業(yè)基礎(chǔ)好、制造業(yè)發(fā)達(dá)、開(kāi)發(fā)生產(chǎn)能力強(qiáng)，所以他們生 產(chǎn)的變頻器適應(yīng)范圍廣，生產(chǎn)己經(jīng)初具規(guī)模變頻器應(yīng)用普及率在85%以上。我國(guó)的變頻器深圳華為電氣 （ 現(xiàn)己經(jīng)改名安圣電氣 ） 、伴靈電氣、成都森蘭、大連普傳科技都是變頻 器研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，擁有雄厚的技術(shù)實(shí)力，相信不久的將來(lái)可以取代 國(guó)外品牌，創(chuàng)建我們自己的國(guó)產(chǎn)名牌。1.2.2 變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)在進(jìn)入21世紀(jì)的今天，電力電子器件的基片已從 Si （硅）變換為 SiC（碳化硅

27、） ,使 電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)；并制造出體積小、容量大的驅(qū)動(dòng) 裝置；永久磁鐵電動(dòng)機(jī)也正在開(kāi)發(fā)研制之中。隨著 IT 技術(shù)的迅速普及，以及人類思維理2交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)念的改變，變頻器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展迅速，未來(lái)主要朝以下幾個(gè)方面發(fā)展網(wǎng)絡(luò)智能化智能化的變頻器買來(lái)就可以用， 不必進(jìn)行那么多的設(shè)定， 而且可以進(jìn)行故障自診斷、 遙控診斷以及部件自動(dòng)置換，從而保證變頻器的長(zhǎng)壽命。利用互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變頻 器聯(lián)動(dòng)，甚至是以工廠為單位的變頻器綜合管理控制系統(tǒng)。專門(mén)化和一體化 變頻器的制造專門(mén)化，可以使變頻器在某一領(lǐng)域的性能更強(qiáng)，如風(fēng)機(jī)、水泵用變頻 器、電梯專用變頻器、起重機(jī)

28、械專用變頻器、張力控制專用變頻器等。除此以外，變頻 器有與電動(dòng)機(jī)一體化的趨勢(shì)，使變頻器成為電動(dòng)機(jī)的一部分，可以使體積更小，控制更 方便。環(huán)保無(wú)公害保護(hù)環(huán)境， 制造“綠色”產(chǎn)品是人類的新理念。 21世紀(jì)的電力拖動(dòng)裝置應(yīng)著重考慮： 節(jié)能，變頻器能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的低公害，使變頻器在使用過(guò)程中的噪聲、電源諧波對(duì)電網(wǎng) 的污染等問(wèn)題減少到最小程度。適應(yīng)新能源 現(xiàn)在以太陽(yáng)能和風(fēng)力為能源的燃料電池以其低廉的價(jià)格嶄露頭角，有后來(lái)居上之 勢(shì)。這些發(fā)電設(shè)備的最大特點(diǎn)是容量小而分散，將來(lái)的變頻器就要適應(yīng)這樣的新能源， 既要高效，又要低耗?，F(xiàn)在電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)以驚人的速度向 前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)也

29、隨之取得了日新月異的進(jìn)步。這種進(jìn)步集中體現(xiàn)在交流調(diào) 速裝置的大容量化，變頻器的高性能化和多功能化，結(jié)構(gòu)的小型化一些方面。研究的目的與意義在工業(yè)發(fā)展的初級(jí)階段，人們主要使用集中傳動(dòng)。作為動(dòng)力的鼠籠電動(dòng)機(jī)，是不需 要調(diào)速的。它只需要滿足各種生產(chǎn)條件對(duì)它提出的起動(dòng)和穩(wěn)速運(yùn)行的要求就可以，調(diào)速 的任務(wù)是由皮帶和齒輪來(lái)完成。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)生產(chǎn)的連續(xù)性和流程化的 要求愈來(lái)愈高，發(fā)展電機(jī)的調(diào)速技術(shù)已經(jīng)是勢(shì)在必行了。直流調(diào)速系統(tǒng)，由于其良好的 調(diào)速性能，很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)首位。但是由于直流電動(dòng)機(jī)本身有機(jī)械換向 器，給直流調(diào)速系統(tǒng)造成一些固有的、難于解決的問(wèn)題。隨著交流傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速的理論

30、問(wèn)題的突破和調(diào)速裝置（ 主要指變頻器 ）性能的完善，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能差的缺點(diǎn)已經(jīng)得到了克服，目前，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能 已經(jīng)可以和直流系統(tǒng)相媲美，甚至可以超過(guò)直流系統(tǒng)。由于交流調(diào)速不斷顯示其本身的交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)越性和巨大的社會(huì)效益，使變頻器具有越來(lái)越旺盛的生命力。各種性能優(yōu)越的新型電 力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，如既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO；具有良好功率轉(zhuǎn)換效率和適于在高頻大功率情況下工作的 MOSFE；T既有 MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電壓功 率小和驅(qū)動(dòng)線路簡(jiǎn)單， 又有雙極性功率晶體管導(dǎo)通飽和壓降小優(yōu)點(diǎn)的絕緣柵雙極性大功 率管 IGBT；以及內(nèi)部既有大功率開(kāi)關(guān)器件

31、， 又有各種驅(qū)動(dòng)電路和過(guò)壓、 過(guò)流等保護(hù)電路 的智能型功率模塊 IPM 等器件的應(yīng)用，不僅使交流調(diào)速系統(tǒng)控制裝置體積小，效率高， 而且還更容易實(shí)現(xiàn)各種功能復(fù)雜但在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單的控制方案， 更加充實(shí)和推動(dòng)了變頻器 理論的進(jìn)一步發(fā)展。能完成各種復(fù)雜信號(hào)和信息處理的集成芯片的出現(xiàn)， 如能產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)的專用 集成電路以及各種單片機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用的微處理器和接口芯片的大量問(wèn)世， 為高質(zhì)量 的控制創(chuàng)造了良好的條件。 建立在電機(jī)統(tǒng)一理論和機(jī)電一體化理論基礎(chǔ)上的各種先進(jìn)控 制方案，通過(guò)快速檢測(cè)電流實(shí)現(xiàn) PWM控制的變頻技術(shù)，通過(guò)直接控制轉(zhuǎn)矩來(lái)快速控制轉(zhuǎn) 速的轉(zhuǎn)速自調(diào)整技術(shù)，以及具有很強(qiáng)抗干擾能力的變結(jié)構(gòu)控制

32、系統(tǒng)等等，都極大地豐富 了電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的內(nèi)容?？傊?，交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，特別是變頻器傳動(dòng)本身固有的優(yōu)勢(shì)，必將使之應(yīng) 用于社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，以體現(xiàn)出不同的功能，達(dá)到不同的目的，收到相應(yīng)的效益。 因此，本論文通過(guò)對(duì)變頻器的研究，對(duì)于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)理論的應(yīng)用，有著實(shí)際的意 義和一定的應(yīng)用價(jià)值。本次設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介1.3.1 變頻器主電路方案的選定變頻器最早的形式是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組作為可變頻率電源，供給交流電動(dòng)機(jī)。隨著電 力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。靜止式變頻器從變 換環(huán)節(jié)分為兩大類：交 - 直- 交變頻器和交 - 交變頻器。1. 交 - 交型變頻器：它的功能是把一種

33、頻率的交流電直接變換成另一種頻率可調(diào)電 壓的交流電（轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同） ，又稱直接式變頻器。由于中間不經(jīng)過(guò)直流環(huán)節(jié)， 不需換流，故效率很高。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機(jī)等。但這種 控制方式?jīng)Q定了最高輸出頻率只能達(dá)到電源頻率的 1/3 1/2, 所以不能高速運(yùn)行。2.交-直-交型變頻器：交 -直-交變頻器是先把工頻交流通過(guò)整流器變成直流，然后 再直流變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱間接變頻器，交 -直- 交變頻器是目前廣泛應(yīng)用交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用變頻器。 它根據(jù)直流部分電流、 電壓的不同形式， 又可分為電壓型和電流型兩種： （1）電流型變頻器 電流型變頻器的特點(diǎn)是

34、中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)緩沖無(wú)功功率， 即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較大，故稱電流源型 變頻器。（2）電壓型變頻器 電壓型變頻器的特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容器作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)緩 沖無(wú)功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型 變頻器。由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動(dòng)機(jī)提供交流電功率， 所以其主要優(yōu)點(diǎn)是 運(yùn)行幾乎不受負(fù)載的功率因數(shù)或換流的影響， 它主要適用于中、 小容量的交流傳動(dòng)系統(tǒng)。 與之相比，電流型變頻器施加于負(fù)載上的電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源，它主 要應(yīng)用在大容量的電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)以及大容量風(fēng)機(jī)、

35、泵類節(jié)能調(diào)速中。由于交 -直-交型變頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器， 所以本次設(shè)計(jì)中選用此種間 接變頻器，在交 - 直- 交變頻器的設(shè)計(jì)中，雖然電流型變頻器可以彌補(bǔ)電壓型變頻器在再 生制動(dòng)時(shí)必須加入附加電阻的缺點(diǎn)， 并有著無(wú)須附加任何設(shè)備即可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的四象限 運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點(diǎn)，在本次設(shè)計(jì)中采用電壓型變 頻器。系統(tǒng)原理框圖及各部分簡(jiǎn)介本文設(shè)計(jì)的交直交變頻器由以下幾部分組成，如圖 1.1 所示圖 1.1 系統(tǒng)原理框圖交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)各組成部分簡(jiǎn)介： 供電電源：電源部分因變頻器輸出功率的大小不同而異，小功率的多用單相220V，中大功率的采用三相

36、380V 電源。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中采用中等容量的電動(dòng)機(jī)，所以采用三相 380V電源。整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動(dòng)的直流電，必須加以濾波。在本設(shè)計(jì)中采用 三相不可控整流。它可以使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近 1。濾波電路：因在本設(shè)計(jì)中采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的電容除了 起濾波作用外，還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾。逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。 在設(shè)計(jì)中采用三相橋逆變， 開(kāi)關(guān)器件選用全控型開(kāi)關(guān)管 IGBT。電流電壓檢測(cè)：一般在中間直流端采集信號(hào)，作為過(guò)壓，欠壓，過(guò)流保護(hù)信號(hào)。 控制電路：采用 8051 單片機(jī)和 SPWM波生成芯片 SA4828，控制電路

37、的主要功能是接 受各種設(shè)定信息和指令，根據(jù)這些指令和設(shè)定信息形成驅(qū)動(dòng)逆變器工作的信號(hào)。這些信 號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后去驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷。1.3.3 選用電動(dòng)機(jī)原始參數(shù)在這次設(shè)計(jì)中，采用中等容量的電動(dòng)機(jī)，具體數(shù)據(jù)如下：額定功率： PN 7.5KW ；額定電壓： UN 380V ；額定電流： IN 15.6A ；額定轉(zhuǎn)速： nN 1450r /min ；效 率： 86% ；功率因數(shù)： cos 0.85 ；過(guò)載系數(shù)： 2.2 ；電壓波動(dòng)： 10% ；極 對(duì) 數(shù)： P 2 。交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 2 章 交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理及方法三相異步電機(jī)工作的基本原理2.1.1 異步電機(jī)的等效電路異步

38、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子能量是通過(guò)電磁感應(yīng)而得來(lái)的。 定子和轉(zhuǎn)子之間在電路上沒(méi)有任 何聯(lián)系，其電路可用圖 2.1 來(lái)表示 3 。圖2.1 異步電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子圖圖 2.1 中：U 1 定子的相電壓；定子的相電流；r、 x 定子每相繞組的電阻和漏抗；E.2s、I2S、 X2S分別是轉(zhuǎn)子電路產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)、電流、漏電抗；E1 每相定子繞組反電動(dòng)勢(shì)，它是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而產(chǎn)生的。其有效值 可計(jì)算如下：2-1)E1 4.44 f1N1K N1 m交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)式中:E1氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值； f1定子頻率；N1定子每相繞組中串聯(lián)匝數(shù)；KN1基波繞組系數(shù)；m 極氣隙磁通。由電動(dòng)機(jī)的

39、基礎(chǔ)知識(shí)可知：轉(zhuǎn)子回路的頻率f2 sf1 ，與轉(zhuǎn)差率成正比，所以轉(zhuǎn)子回路中的各電量也都與轉(zhuǎn)差率成正比。為了方便定量分析定、 轉(zhuǎn)子之間的各種數(shù)量關(guān)系， 應(yīng)將定子、 轉(zhuǎn)子放在一個(gè)電路中。 由于定子、轉(zhuǎn)子回路的頻率、繞組、匝數(shù)不同，故必須進(jìn)行折算。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在 下列假定條件下：忽略空間和時(shí)間諧波，各繞組的自感和互感都是線性的；忽略磁飽和；忽略鐵損?？梢缘玫诫妱?dòng)機(jī)的 T形等效電路圖，由于交流異步電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱，所以現(xiàn)只取 A相 進(jìn)行計(jì)算分析。 A相的T形等效電路如圖 2.2 所示。圖 2.2 電動(dòng)機(jī)的 T形等效電路圖圖2.2 中：rm 勵(lì)磁電阻，是表征異步電動(dòng)機(jī)鐵心損耗的等效電阻；Xm 勵(lì)磁電抗

40、，是表征鐵心磁化能力的一個(gè)參數(shù)；I 0勵(lì)磁電流；1sRL機(jī)械負(fù)載的等效電阻， RLr2 在RL 上消耗的功率就相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)s 輸出的機(jī)械功率；I2 、 22 、 2等參數(shù)經(jīng)過(guò)折算后的轉(zhuǎn)子參數(shù)交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1.2 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩（1）電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式2-2)m 9550 m n式中 Pm的單位為 KW； n的單位是 r /min ；的單位是 N m。 （2）電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式Te CT M ,2 cos 2（2-3 ）式中 CT 轉(zhuǎn)矩常數(shù)； m 主磁通。（3）電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式 Te2 psU12 r2（2-4）2 f1( sr1 r2)2 s2 (x1 x2)2式

41、中 p 磁極對(duì)數(shù)；U1 電源的相電壓； f1電源頻率。2.1.3 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即 n f （T） ，它可 由（ 2-3 ）所決定的 T f （s）曲線變換而來(lái)。異步電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓、額定頻率下， 由電動(dòng)機(jī)本身固有的參數(shù)所決定的 n f （T） 曲線，叫做電動(dòng)機(jī)的自然機(jī)械特性。圖 2.3 異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)只要確定曲線上的幾個(gè)特殊點(diǎn)，就能畫(huà)出電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。理想空載點(diǎn)圖2.3中的E點(diǎn)，在這點(diǎn)上，電動(dòng)機(jī)以同步轉(zhuǎn)速 n0運(yùn)行（ s 0），其電磁轉(zhuǎn)矩 T=0。起動(dòng)點(diǎn)圖2.3中的S點(diǎn)，在起動(dòng)點(diǎn)上，電動(dòng)

42、機(jī)已接通電源， 但尚未起動(dòng)。對(duì)應(yīng)這一點(diǎn)的轉(zhuǎn)速 n 0（ 1），電磁轉(zhuǎn)矩稱起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 st ，起動(dòng)是帶負(fù)載的能力一般用起動(dòng)倍數(shù)來(lái)表示， 即 K st Tst T 。式中 , TN 為額定轉(zhuǎn)矩。臨界點(diǎn) 臨界點(diǎn)是一個(gè)非常重要的點(diǎn)，它是機(jī)械特性穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的分界點(diǎn)。電sK 表示。 TK 、sK 根據(jù)式（ 23）用求極值的辦法求出，動(dòng)機(jī)運(yùn)行在點(diǎn)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為臨界轉(zhuǎn)矩 TK ，它表示了電動(dòng)機(jī)所有能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩， 此時(shí)的轉(zhuǎn)差率叫臨界轉(zhuǎn)差率，用 即：由 dT ds 0，可得：sKr2r2r12 (x1 x2)2 x1 x223pU1224）23pU12TK4 f1r1 r12 (x1 x2)2 4 f

43、1(x1 x2 )25）26）電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，需要有一定的過(guò)載能力，一般用 m 表示，即TKm TN普通電動(dòng)機(jī)的 m 2.0 2.2之間，而對(duì)某些特殊用電動(dòng)機(jī)，其過(guò)負(fù)載能力可以更 高一些。上述分析說(shuō)明： K 的大小影響著電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力， K 越小，為了保證過(guò)載能力 不變，電動(dòng)機(jī)所帶的負(fù)載就越小。由 nK n0（1 sK ） 知： sK 越小， nK 越大，機(jī)械特性就 越硬。因此在調(diào)速過(guò)程中， K 、sK 的變化規(guī)律常常是關(guān)注的重點(diǎn)。特別是研究變頻后 的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性， K 、sK 就顯得尤其重要。變頻后的機(jī)械特性將會(huì)在下一小節(jié)中介 紹。2.1.4 異步電機(jī)變頻調(diào)速原理交流異步電動(dòng)機(jī)是電氣傳

44、動(dòng)中使用最為廣泛的電動(dòng)機(jī)類型。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)異步電 動(dòng)機(jī)的使用容量約占拖動(dòng)總?cè)萘康陌顺梢陨?，因此了解異步電?dòng)機(jī)的調(diào)速原理十分重 要。交流異步電動(dòng)機(jī)是電氣傳動(dòng)中使用最為廣泛的電動(dòng)機(jī)類型。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)異步電 動(dòng)機(jī)的使用容量約占拖動(dòng)總?cè)萘康陌顺梢陨希虼肆私猱惒诫妱?dòng)機(jī)的調(diào)速原理十分重10交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)交流調(diào)速是通過(guò)改變電定子繞組的供電的頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的的， 但定子繞組上 接入三相交流電時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn) 生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。使電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)起來(lái)。電機(jī)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用 n0 表示：60

45、f（2-7 ）n0p式中： f 為三相交流電源頻率， 一般是 50Hz； p為磁極對(duì)數(shù)。 當(dāng) p =1是， n0 =3000r min； p =2 時(shí)， n0 =1500r min。2-8)由上式可知磁極對(duì)數(shù) p越多，轉(zhuǎn)速 n0就越慢，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速 n比磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速 n0要 慢一點(diǎn)，所以稱為異步電動(dòng)機(jī)，這個(gè)差別用轉(zhuǎn)差率 s 表示：s n0 n 100%n0在加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間， n =0，這時(shí) s=1；啟動(dòng)后的極端情況 n=n0，則 s=0， 即 s在 01 之間變化，一般異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下的 s=1%6%。綜合（2-7）和（2-8） 式可以得出：n n0(1 s)60 f(1

46、s)p2-9)由式（2-9 ）可以看出，對(duì)于成品電機(jī)，其極對(duì)數(shù) p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率 s的變化不大，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n與電源頻率 f 成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī)的同步 轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的目的。變頻調(diào)速的控制方式及選定2.2.1 壓頻比恒定控制V f 比恒定控制是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中最基本的控制方式。它是在改變變頻器輸 出電壓頻率的同時(shí)改變輸出電壓的幅值，以維護(hù)電機(jī)磁通基本恒定，從而在較寬的調(diào)速 范圍內(nèi)，使電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)不下降。 V f 控制是目前通用變頻器中廣泛采用的 控制方式。三相交流異步電動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中鐵心磁通接近飽和狀態(tài)， 從而使鐵心材料得到充 分的利用

47、。在變頻調(diào)速的過(guò)程中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電源的頻率發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的阻抗將隨11交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)之變化，從而引起勵(lì)磁電流的變化，使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)勵(lì)磁不足或勵(lì)磁過(guò)強(qiáng)。在勵(lì)磁不足時(shí) 電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低，而勵(lì)磁過(guò)強(qiáng)時(shí)又會(huì)使鐵心中的磁通處于飽和狀態(tài)，是電動(dòng)機(jī) 中流過(guò)很大的勵(lì)磁電流，增加電動(dòng)機(jī)的功率損耗，降低電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)。因此 在改變頻率進(jìn)行調(diào)速時(shí)，必須采取措施保持磁通恒定為額定值。由電機(jī)理論知道，電機(jī)定子的感應(yīng)電勢(shì)有效值是：則mE14.44 f1K N1N1E1 4.44 f1N1K N1 m 即 m E1 f12-10)2-11)其中CT 與電動(dòng)機(jī)有關(guān)的常數(shù)；另外，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

48、:e CT m 2cos 2cos 2 轉(zhuǎn)子每相電路功率因數(shù)；2 轉(zhuǎn)子電壓與電流的相位差；e電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。由式(2-10) 推斷，若 E1不變，當(dāng)定子電源頻率 f1增加，將引起氣隙磁通 m 減小； 而由式 (2-11) 可知， m減小又引起電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 e減小，這就出現(xiàn)了頻率增加，而 負(fù)載能力下降的情況。在 E1不變時(shí)，而定子電源頻率 f1 減小，又將引起 m 增加, m增 加將導(dǎo)致磁路飽和，勵(lì)磁電流升高，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞 電動(dòng)機(jī)。由以上情況可知 : 變頻調(diào)速時(shí)，必須使氣隙磁通不變。因此，在調(diào)節(jié)頻率的同 時(shí)，必須對(duì)定子電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，但控制方式隨運(yùn)行頻率在基頻

49、以下和基頻以上而不基頻以下調(diào)速由式(2-10) 可知，要保持 m不變，當(dāng)頻率 f1從額定值 fN 向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降 低 E1 , 使E1 f1 =常值只要保持 E1 f 為常數(shù)，就可以達(dá)到維持磁通恒定的目的。因此這種控制又稱為恒 磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。根據(jù)電機(jī)端電壓和感應(yīng)電勢(shì)的關(guān)系式：U1 E1 (r1 jx1)I1(2-12)式中: U1- 定子相電壓； r1 -定子電阻；12交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)x1- 定子阻抗；I1 -定子電流。當(dāng)電機(jī)在額定運(yùn)行情況下，電機(jī)定子電阻和漏阻抗的壓降較小， 近似相等，所以保持 V =f 常數(shù)即可。U1和 E1可以看成由于 V f 比

50、恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當(dāng)頻率較低時(shí)， U1 與 E1都變小，定 子漏阻抗壓降 （ 主要是定子電阻壓降 ）不能再忽略。這種情況下，可以人為地適當(dāng)提高定 子電壓以補(bǔ)償電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。圖 2.4 電動(dòng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性變頻后的機(jī)械特性如圖 2.4 所示。從圖 2.4 中可以看出，當(dāng)電動(dòng)機(jī)向低于額定轉(zhuǎn)速 n0方向調(diào)速時(shí) ,曲線近似平行地下 降，減速后的電動(dòng)機(jī)仍然保持原來(lái)較硬的機(jī)械特性；但是臨界轉(zhuǎn)矩卻隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的 下降而逐漸減小，這就是造成了電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力的下降。臨界轉(zhuǎn)矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動(dòng)機(jī)定子的磁通量m 保持恒定，調(diào)速時(shí)就要求感應(yīng)電動(dòng)

51、勢(shì) E1 與電源頻率 f1的比值不變，為了使控制容易實(shí)現(xiàn)， 采用電源電 壓U E1來(lái)近似代替，這是以忽略定子阻抗壓降作為代價(jià)， 當(dāng)然存在一定的誤差。 顯然， 被忽略的定子阻抗壓降在電壓 U 中所占的比例大小決定了它的影響。 當(dāng) f1 的數(shù)值相對(duì)較 高時(shí)，定子阻抗壓降在電壓 U 中所占的比例相對(duì)較小， U E1所產(chǎn)生的誤差較少；當(dāng) f1 的數(shù)值較低時(shí)， 定子阻抗壓降在電壓 U 中所占的比例下降， 而定子阻抗的壓降并不按同 比例下井，使得定子阻抗壓降在電壓 U 中的比例增大，已經(jīng)不能再滿足 U E1 。此時(shí)如 果仍以U 代替 E1，將帶來(lái)很大的誤差。 因?yàn)槎ㄗ幼杩箟航邓嫉谋壤龃螅?使得實(shí)際上

52、產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E1減小， E1 f 的比值減小， 造成磁通量 m減小，因而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的 臨界轉(zhuǎn)矩的下降。變頻后機(jī)械特性的降低將是電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力減弱， 影響交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的使13交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)用。一種簡(jiǎn)單的解決方法就是所示的 V f 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法。V f轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法的原理是：針對(duì)頻率 f降低時(shí)，電源電壓U成比例地降低引起的 U 的下降過(guò)低，采用適當(dāng)?shù)奶岣唠妷?U 的方法來(lái)保持磁通量 m恒定，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩回升， 因此，有些變頻器說(shuō)明書(shū)又稱它為轉(zhuǎn)矩提升( Torque Boost )。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)膲侯l比控制特性示于圖 2.5 中的 b 線，無(wú)補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為 a 線。定子

53、降壓補(bǔ)償只能補(bǔ)償于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性， 而對(duì)向高于額定轉(zhuǎn)速方 向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性不能補(bǔ)償。圖 2.5 壓頻比控制特性曲線補(bǔ)償后的機(jī)械特性曲線如圖2.6 所示。在基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從額定頻率 fN 向上增高，但是電壓卻不能超出額定14交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓UN ，由式（ 2-10 ）可知，這將迫使磁通與頻率成反比例降低。這種調(diào)速方式下， 轉(zhuǎn)子升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。變頻后的機(jī)械特性如圖 2.7 所示。fnf1f2T2T1 TnT圖 2.7 電動(dòng)機(jī)高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性當(dāng)電動(dòng)機(jī)向高于額定轉(zhuǎn)速 n0 方向調(diào)速時(shí)，曲線不僅臨界轉(zhuǎn)矩下降，

54、而且曲線工作段 的斜率開(kāi)始增大，使得機(jī)械特性變軟。造成這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)頻率 f1 升高時(shí)，電源電壓不可能相應(yīng)升高。這是因?yàn)殡?動(dòng)機(jī)繞組的絕緣強(qiáng)度限制了電源電壓不能超過(guò)電動(dòng)機(jī)的額定電壓，所以，磁通量m將隨著頻率 f1 的升高反比例下降。 磁通量的下將使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降， 造成電動(dòng)機(jī)的機(jī)械 特性變軟。以上調(diào)速方式相應(yīng)的特性曲線如圖 2.8 所示。)注：圖中曲線 1在低頻時(shí)沒(méi)有定子降壓補(bǔ)償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線圖中曲線 2在低頻時(shí)有定子降壓補(bǔ)償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線15交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)Vf 比恒定控制存在的主要問(wèn)題是低速性能差。 其原因一方面是低速時(shí)定子的電壓 和電勢(shì)近似相等條件已

55、不能滿足，所以仍按 V f 比恒定控制就不能保持電機(jī)磁通恒定， 而電機(jī)磁通的減小勢(shì)必會(huì)造成電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小。 另一方面原因是低速時(shí)逆變器橋臂 上、下開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間相對(duì)較短，電壓下降，而且它們的互鎖時(shí)間也造成了電壓降 低，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在一定條件下這將會(huì)引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致變 頻器不能運(yùn)行。2.2.2 其它控制方式1. 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速轉(zhuǎn)差率控制方式是 V f 控制的一種改進(jìn)， 這種控制需要由安裝在電動(dòng)機(jī)上的速度傳 感器檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出時(shí)轉(zhuǎn)差率，而變頻器的輸 出頻率則有電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率之和決定。 它是解決 V f 控制靜態(tài)

56、性能較差 的一種有效方法。雖然這種方法可以提高調(diào)速精度，但是它需要使用速度傳感器來(lái)求取 轉(zhuǎn)差角頻率，還要針對(duì)具體電機(jī)的機(jī)械特性調(diào)整控制參數(shù)，因而此方法的通用性較差。2. 矢量控制變頻調(diào)速矢量控制變頻調(diào)速的做法是： 將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流 Ia 、Ib 、 Ic 通過(guò)三相兩相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流 1、 1 ，再通過(guò)按轉(zhuǎn) 子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流 m1 、 t1（ m1相當(dāng)于直流電 動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流； t1 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成比例的電樞電流） ，然后仿效直流電動(dòng)機(jī)的控制方 法，求得直流電動(dòng)機(jī)控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控

57、制。在高 性能的異步電機(jī)控制系統(tǒng)中多采用交叉閉環(huán)控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目 的，主要是為了提高變頻調(diào)速的動(dòng)態(tài)性能。雖然這一理論的提出是交流傳動(dòng)理論上的一 個(gè)飛躍，但是由于它既要確定轉(zhuǎn)子的磁鏈，又要進(jìn)行坐標(biāo)變換，還要考慮轉(zhuǎn)子參數(shù)變動(dòng) 帶來(lái)的影響，所以系統(tǒng)非常復(fù)雜。矢量控制變頻器通常應(yīng)用于軋鋼、造紙?jiān)O(shè)備等對(duì)動(dòng)態(tài) 性能要求較高的場(chǎng)合。直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速1985 年，德國(guó)魯爾大學(xué)的 DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該 技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用在電力機(jī)車牽

58、引的 大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控 制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)化成等效直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量 旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化16交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型日前市場(chǎng)銷售的通用變頻器的控制多半為 別是在風(fēng)機(jī)，泵及土木機(jī)械等方面應(yīng)用較多， 機(jī)的開(kāi)環(huán)速度控制。VVff比恒定控制，它的應(yīng)用比較廣泛，特比恒定控制的突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行電從以上的分析可看出，V f 控制常用于速度精度要求不十分嚴(yán)格或負(fù)載變動(dòng)較小的Vf控制是轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制，無(wú)需速度傳感器，控制電路簡(jiǎn)單，負(fù)載可以

59、是通場(chǎng)合。由于用標(biāo)準(zhǔn)異步電機(jī)，所以這種控制方法通用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。由此，在本設(shè)計(jì)中采用V f 控制17主電路和控制電路，其中主電路通常采用交（ 整流，濾波 ） ，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交這也是變頻器常用的格式 4 。交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 3 章 變頻器主電路設(shè)計(jì)主電路的工作原理變頻調(diào)速實(shí)際上是向交流異步電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)頻率可控的電源。 能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的 裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成： 直-交方式，先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娏麟姡孀儯?。在本設(shè)計(jì)中采用圖 3.1 的主電路，3.1.1 主電路各部分的設(shè)計(jì)交直電路設(shè)計(jì)選用整流管 VD1

60、VD6 組成三相整流橋，對(duì)三相交流電進(jìn)行全波整流。整流后的電 壓為Ud =1.35 U L =1.35 380V=513V。濾波電容 CF 濾除整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓平穩(wěn)。 當(dāng)變頻器通電時(shí)，濾波電容 CF 的充電電流很大，過(guò)大的沖擊電流可能會(huì)損壞三相18交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)整流橋中的二極管，為了保護(hù)二極管，在電路中串入限流電阻RL ，從而使電容 CF 的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當(dāng) CF 充電到一定程度，使 SL 閉合，將限流電阻短路。在許多下新型的變頻器中， SL 已有晶閘管替代。電源指示燈 HL 除了指示電源通電外，還作為濾波電容放電通路和指示。由于濾波 電容