大功率交流电机变频调速技术的研究
[收稿日期] 2009-01-05
[作者简介] 李崇坚(1952-),男,广西合浦县人,冶金自动化研究设计院总工程师,教授级高级工程师,主要从事电力电子及电气传动研究;
E -mail:licj@ariti m e .com
大功率交流电机变频调速技术的研究
李崇坚
(冶金自动化研究设计院,北京100071)
[摘要] 论述了我国大功率交交(AC -AC )变频调速技术的研究和国产化装备的研制工程,丰富并完善了大
功率交流调速理论,形成了自主创新的核心技术,解决了大功率交流调速装备的多项关键技术,推动国产交流调速装备步入国际先进行列,立足工程,取得显著的经济效益和社会效益;并介绍了我国第一套7.5MVA 三电平I GCT 交直交(AC -DC -AC )变频调速系统的研制,该变频器结构紧凑、性能良好、运行可靠,达到国际先进水平。
[关键词] 大功率交流电机;交流调速;交交变频;交直交变频
[中图分类号] T M32 [文献标识码] A [文章编号] 1009-1742(2009)05-0031-06
1 前言
交流电机变频调速是电力电子及电气传动学科
的高新技术,大功率交流电机变频调速是国家重大技术装备的关键设备,也是当前节能减排的重点推广技术。交流电机变频调速不仅具有直流调速同样优越的调速性能,还有单机不受限制、体积小、重量轻、转动惯量小、动态响应好、维护简单、节约能源等许多优于直流传动的特点。该技术一出现就受到国内外电工行业的极大关注。随着电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的发展,大功率交流电机变频调速得到长足的发展,并在国民经济各领域广泛应用。例如在国防与交通领域,大功率交流变频调速是大型舰船电力推进、高速机车牵引、磁悬浮列车的核心设备。在能源工业中,采用交流调速来驱动矿井提升机,西气东输、南水北调的油、气、水输送大型压缩机。尤其是交流变频调速可以节能30%以上,成为当前节能减排,国家十大节能工程电机系统节能的重点推广技术。随着钢铁行业飞速发展,传统的直流电机调速已不能满足轧钢机向大型化、高速化发展,采用交流调速取代直流调速已成为趋势。
大功率交流调速技术复杂,装备容量大,涉及电力电子、自动控制和电机等多个学科领域,该技术被少数国外大公司垄断,国家重点工程和重大装备中的大型交流调速系统长期依赖进口。为此,国家把大功率交流调速装备国产化列为重大技术装备攻关项目。
2 大功率交流调速系统的组成和技术难点
大功率交流电机变频调速系统由交流变频电机、电力电子变频器、调速控制系统三大部分组成。2.1 交流变频电机
交流电机分异步电机和同步电机,由于同步电机具有功率因数高、变频容量小、动态性能好等显著优点,国际上2000k W 以上大功率变频调速多趋向于同步电机。
但是国内外学术界对同步电机调速理论的研究不多,变频同步电机的运行机理不清楚,特别是电机变频状态的阻尼绕组理论模糊,一些学者提出同步电机只设半阻尼,甚至不设阻尼绕组。同时我国钢铁厂从国外引进的装备多次出现电机阻尼绕组烧坏事故,变频同步电机调速理论有待于深入研究。
2.2 电力电子变频器
大功率电力电子变频器面临的主要问题是大功率、高电压、大电流、高效率和高可靠性,而变频器技术主要取决于电力电子器件的发展。目前,兆瓦级大功率变频器主要器件是晶闸管、场控器件绝缘栅双极晶体管I G BT、集成门极换向晶闸管I GCT。通过器件或者变频器串联可以提高输出电压,采用并联可以扩大电流,从而提高系统的输出功率。按照变换过程中有无中间直流环节,可以把变频器分为交交变频和交直交变频调速系统。
电力电子变频器产生的谐波、无功冲击会对电网产生污染公害,谐波治理是近年来“绿色电能”的重要课题。谐波问题是所有变频器的共同问题,尤其在大功率变频调速系统中更为突出。谐波会污染电网,殃及同一电网上的其他用电设备,甚至影响电力系统的正常运行;谐波还会干扰通讯和控制系统,严重时会使通讯中断,系统瘫痪。因此,大功率变频器的谐波与无功的计算,工程设计与谐波治理就成为该技术推广应用的难题。
2.3 调速控制系统
交流电机磁场定向控制理论于20世纪70年代出现,随后又提出交流电机直接转矩控制,这些调速理论的完善和实用化使交流电机调速系统的技术性能大大提高,达到并超过了直流调速的水平。但国内高校和研究所对变频调速的研究多针对异步电机,同步电机磁场定向控制被少数大公司垄断,各公司控制方法不同,可借鉴的参考材料稀少,大功率同步电机调速理论在国内还是空白。
特别是由10多台上万千瓦大型电机协调传动的热连轧机传动要求高精度、高动态响应指标,一直是国际电气传动界很难攀登的高难度台阶,该技术只有西门子、东芝、GE几家国外大公司掌握。
此外,交流调速传动产生的谐波转矩会引起机械振动。特别是大型轧机扭振严重影响产品质量,还会造成断轴的重大设备事故。
3 交交变频调速技术的研究
交交变频调速系统如图1所示,由3组反并联晶闸管可逆桥式变频器组成,它沿续晶闸管变流器的电网自然换流原理,具有过载能力强、效率高、输出波形好等优点,对于大功率低速运转的轧钢机和矿井提升机传动,交交变频调速占主流。冶金自动化研究院在国家科技攻关和自然科学基金的支持下,在交流调速理论与工程关键技术上取得创新
。
图1 交交变频调速系统
F i g.1 AC-AC var i a ble speed syste m
3.1 深入研究了阻尼绕组理论,解决了电机绕组烧
毁的难题,带动国产变频同步电机研制成功
针对国际上变频同步电机阻尼绕组存在的模糊认识,深入研究了同步电机阻尼绕组理论,提出同步电机磁场定向控制存在动态过程磁链与转矩控制不解耦的缺陷,阻尼绕组可以抵消动态过程的电枢反应,改善磁链与转矩解耦控制特性,加快电流响应,维持磁链恒定,抑制负载角振荡,提高了同步电机的过载能力。阻尼绕组对高动态性能要求的轧机传动起重要作用。
特别是针对国外引进电机多次出现电机阻尼绕组烧坏事故,指出其设计存在着严重的缺陷。通过理论分析和仿真计算,得出在突加负载动态过程的横轴阻尼电流等于定子电流的结论,在轧钢瞬间,阻尼电流高达上万安培,而引进的电机没有提供这一电流的通路,强大的电流只能穿过铁心、转轴,烧坏电机。据此提出了电机设计的改进方案,为阻尼电流设计了合理通路,解决了同步电机阻尼绕组容易烧毁的难题,使国产变频同步电机研制成功。该理论和设计已运用于国内电机厂变频同步电机的制造。
3.2 提出阻尼磁链定向控制理论与方法,完善了同
步电机磁场定向控制理论
针对同步电机磁场定向控制存在着定子磁链、气隙磁链、转子磁链等不同定向控制方式。发现同步电机阻尼磁链比其它磁链抗扰动性更强,并易于观测,指出动态的同步电机阻尼磁链相当于异步电机的转子磁链,并提出动态异步稳态同步的概念,揭示了同步电机与异步电机控制的内在联系[1]。从异步电机控制出发,提出阻尼磁链定向控制原理,研制了阻尼磁链定向控制系统,提出不要模拟器的工
程调试方法,使国产交流调速系统工程调试成功,这些理论丰富并完善了交流同步电机调速理论。3.3 建立了交流调速仿真平台和工程设计方法,解
决了变频器对电网的污染问题
在国家攀登计划、国家自然科学基金支持下,针对交流电机、电力电子变频器及矢量控制系统模型中存在的非线性、周期性拓扑结构变化等难题,建立了交交变频同步电机调速系统的仿真平台。将瞬时功率理论引入到交交变频同步电机矢量控制系统中,对大型热连轧机主传动交流调速系统在不同运行参数、不同工况和电网条件下的特性进行了全面分析研究,得出无功功率随轧机运行参数变化的规律。从电机、调速系统和电网一体化分析出发,研究调速系统控制策略,系统静态和动态行为与伴随而来的无功功率吞吐及谐波生成的内在规律。计算了热连轧100多个不同钢种、不同轧制工艺,总结出多套交交变频对电网无功冲击及谐波的变化规律,解决了多套交交变频对电网无功冲击及谐波计算与治理的难题。同时,在大量工程实践基础上,总结经验、理论创新,建立了自主知识产权的交流变频调速工程设计方法。
3.4 采用现代控制理论研制成功负荷观测器,解决
了传动机电振动问题[2]
深入研究了交流调速机电振动理论,与常见的躲避机电共振频率被动方法不同,运用现代控制理论构造出机电振动模型及抗负荷扰动观测器,通过控制电气传动系统来抑制机电振动,从而解决了轧机传动机电扭振问题。申报了发明专利,在理论研究和工程实践的基础上,出版了学术专著《轧机传动交流调速机电振动控制》。
3.5 研制了全数字控制系统,使交流调速达到高精
度、高动态响应
紧跟数字控制取代模拟控制的发展趋势,采取自主研发与引进相结合,采用先进的计算机硬件模板,自主开发调速系统的工程应用软件,自主完成工程设计与工程调试,形成自主知识产权的工程控制软件。使调速系统达到热连轧机传动要求的高精度、高动态响应的技术性能指标。
3.6 研制成功大功率交交变频装置,并形成规模产
业
研制了国产大功率电力电子器件,攻克了大电流硅片闭管扩散纵向参数的控制;高d i/d t与高d v/d t的协调;大面积烧结技术和全压接技术;高电压表面保护技术;大直径器件高温存储及长期存储等技术难关,研制成功直径100mm的KP3500A/ 4000V高电压大功率晶闸管。采用国产晶闸管研制成功具有国际先进水平的大功率高电压交交变频功率装置,满足了大型交流电机变频调速传动的要求。
图2为国产第一套热连轧机传动交流调速系统。采用576支国产晶闸管研制了8台万千瓦级大功率变频器,驱动8台5000k W大功率变频同步电机。国产交交变频调速系统在静态调速精度、动态速度响应、动态速降当量等技术性能指标达到了国际先进水平。该项目2000年在攀钢热连轧厂投入生产。替代进口节约工程投资2877万元,提高产量50
%,当年新增效益1.17亿元[3]。
图2 国产第一套热连轧机传动交流调速系统
F i g.2 The f i rst do m esti c hot str i p m ill dr i ve
AC var i a ble speed syste m
2001年交交变频技术被推广到煤炭行业,在激烈的市场竞争中战胜ABB、西门子等国外大公司,承接了国内最大的矿井提升机传动工程,攻克了双机拖动、系统冗余、高安全性等难题,研制成功国产第一套6000k W大型矿井提升机交流调速系统(见图3),在淮南煤矿投入运行,实现当年提煤507×104t,年获益达10亿元,该项成果填补了国产矿井提升机大功率交流调速装备的空白[4]。
在此基础上,将交交变频技术进一步产业化并大规模推广应用,已向包钢、攀钢、武钢、鞍钢、淮北矿等30多家企业推广2000k W以上变频调速系统达270套,总装机容量超过2000MW。交交变频国产装备的大规模推广应用,促使我国大型轧机传动交流化超过90%,提高能效30%,大大推动了我国钢铁、煤炭行业装备的技术进步和节能降耗。
2000年以前,我国轧机传动从国外引进交交变频77套,国产仅11套,主要树立样板,国外引进占主导。而2000—2005年,国产化装备已成熟并占领市场,我国轧机传动交交变频共239套,其中国外引
图3 国产第一套矿井提升机交流调速系统
F i g.3 The f i rst do m esti c m i n e ho ist
AC var i a ble speed system
进74套,国内制造165套,占69%。目前国产最大功率变频器为25000k W,驱动12000k W的同步电机。
正是这一代表国家自主创新的交交变频技术与外国公司竞争,全面扭转了大功率交交变频传动装备长期依赖进口的局面。标志着我国在大功率交流调速理论研究、装备制造、工程设计与调试技术方面跻身于世界先进行列。
4 新型电力电子器件交直交变频调速技术的研究
20世纪80年代以来,大功率可关断晶闸管GT O、场控器件绝缘栅双极晶体管I G BT、集成门极换向晶闸管I GCT相继问世,开始了一个以自关断电力电子器件为核心的新时代。与传统的晶闸管器件相比,采用自关断电力电子器件的电气传动装置具有节约原材料,变换器装置结构简单、体积小、重量轻、功率因数高、谐波污染小等显著优点。在大功率交流调速领域,采用I GCT/I G BT新型器件的大功率变频器已成为趋势。
由于晶闸管交交变频调速存在着输出频率低、电网功率因数低的缺点,对于高速运转的冷连轧机、高速机车牵引、大型油气输送等大型传动系统,交交变频调速显然存在局限。因此,具有输入功率因数高、输出频率高、无需无功补偿等特点的交直交变频调速开始广泛应用于高速、高性能的传动领域。基于I GCT的大功率三电平二极管中点箝位变频器是目前高性能、大功率、高压变频调速系统的主要类型。
冶金自动化研究院科研团队紧紧把握电力电子技术的发展方向,在国家“八六三”计划的支持下,开展大功率I GCT三电平高压变频调速技术的研究。
图4为大功率I GCT交直交变频器的电路原理图。由整流功率单元、逆变功率单元、斩波制动功率单元和变频器控制系统等部分组成。变频器的额定容量为7.5MVA,额定输出电压3800V,额定输出电流1200A,输出频率0～300Hz
。
图4 7.5M VA I GCT变频器电路原理图
F i g.4 The c i rcu it d i a gram of the
7.5M VA I GCT converter
4.1 建立了I GCT仿真模型,深入研究了I GCT的
开关特性,提出I GCT应用的设计方法
变频器首次采用了4000A/4500V高压大功率I GCT器件,通过对I GCT元件的开关特性进行深入研究,建立了能够应用于大功率三电平变频器系统的I GCT元件的功能模型,通过对I GCT元件的开关特性进行深入的仿真研究,为I GCT大功率变频器系统的设计奠定了基础。
4.2 在I GCT三电平电路拓扑和箝位电路方面取
得创新
三电平电路拓扑和箝位电路是大功率I GCT变频器的研究重点,国际上该研究的理论模糊、方案各异。针对这一难题,对I GCT三电平变频器拓扑结构、箝位电路结构、特别是I GCT的保护进行了深入研究,成功设计了I GCT三电平变频器电路结构。4.3 研究了三电平脉宽调制(P WM)控制技术
在理论分析和仿真计算的基础上,对三电平P WM控制技术进行了深入的研究,确定了以S VP2 WM作为I GCT大容量变频器的控制算法,优化矢量发送方式以最大程度地减少主开关器件的动作次数,解决了三电平电压空间矢量P WM调制算法在大功率I GCT变频器应用中出现的最小脉宽处理、死区补偿和分段同步调制3个关键技术。
4.4 研制成功独特的水冷变频器模块结构
运用计算机辅助设计技术对变频器功率模块结
构和水冷系统进行了研究,设计出一种独特的结构紧凑、功率密度高、具有自主知识产权的功率模块结构。该模块采用了层叠母线技术,减小了线路杂散电感;设计了新颖的水路结构,较好地解决了水系统的密封问题;采用方便产品制造和用户维护的模块化结构设计,研究了一整套独特的模块压装技术。使I GCT变频器的体积大大缩小,是国外引进GT O 变频器的一半,其功率密度比达到国际先进水平。
4.5 研制成功基于V M E(vers a m odule eurocard)
总线的多CPU全数字控制系统
本系统研制了基于VME总线的多CP U全数字控制系统。采用DSP微机控制系统产生逆变控制的P WM脉冲,该脉冲信号由光纤传递到I GCT功率模块,实现了控制系统与高压功率柜之间信息传递和安全隔离。系统针对不同的故障等级,设计了完善的硬件保护电路和软件保护程序,各种故障信息可以显示在人机操作界面上,方便检查和排除系统故障。VME系统通过现场总线和高压开关、水冷系统等其他部分实时通信。
4.6 研究并掌握了I GCT大功率变频器工程试验
技术
在吸取国内外大功率高压变频器试验技术方面的经验后,对I GCT大功率变频器工程试验理论和方法进行了深入研究,并参照国内外标准建立了一整套变频器试验标准。该试验方法包括I GCT功率器件试验方法、I GCT功率模块试验方法、控制系统功能测试试验方法、变频器系统高压空载试验方法、负载大电流试验方法、电机负载试验方法和测量方法等。
在所研制的I GCT功率模块关断能力试验中,当直流母线电压为2500V时,最大I GCT关断电流达到了3080A。变频器在电感负载下三电平状态下运行,直流母线电压为5000V时,逆变器输出线电流峰值达到2500A,输出功率达到10MVA。试验结果表明,所研制的I GCT高压大功率变频器已达到了国际先进水平。
7.5MVA大功率I GCT三电平交直交变频器系统于2007年在试验现场安装调试并投入运行。图5为国产第一套7.5MVA I GCT交直交变频器在试验现场的情况,图6为该变频器带实际负载运行的电压和电流波形。试验结果表明变频器设计合理,各项技术性能指标能够达到设计要求,系统安全可靠地运行,满足科研试验线变频供电的要求[5]
。
图5 国产第一套7.5M VA I GCT
交直交变频器
F i g.5 The f i rst do m esti c7.5M VA I GCT
AC-DC-AC
converter
图6 交直交变频器现场运行波形
F i g.6 The output waveform of the7.5M VA I GCT
AC-DC-AC converter
7.5MVA大功率三电平I GCT交直交变频器是国内自主研制的第一套大容量I GCT变频器,也是目前国内自主研制的容量最大的I GCT变频器。此套变频器的研制成功标志着我国在I GCT高压变频器研制的理论、设计、制造和试验技术取得了重大突破,为我国大功率高性能变频器国产化奠定了坚实的基础。
5 结语
大功率交流电机变频调速是大型机械传动的关键设备,在国民经济中是特别重大装备的核心部件。广泛应用于冶金轧钢、矿山提升、机车牵引、船舶推进、油气输送和风机水泵节能等领域。
大功率交流电机变频调速技术涉及到电力电子、电机、计算机、自动控制等多个学科,是跨学科交叉的高新技术。其中电力电子技术是核心,电力电子技术特别是电力电子器件的发展引领大功率交流
调速的发展。
在国家科技攻关项目的支持下,我国大功率交流调速技术研究经过20多年的艰苦努力已取得长足的进步,特别是以晶闸管器件为核心的国产交交变频调速系统的研制成功,并形成产业化,全面扭转了大功率交交变频传动装备长期依赖进口的局面,自主创新的国产交交变频在钢铁和煤炭行业的重大装备中广泛推广应用,使我国在大功率交流调速理论研究、装备制造、工程设计与调试方面进入世界先进行列。
随着大功率电力电子器件的发展,采用I GCT, I G BT等新型电力电子器件的大功率变频器已成为趋势。冷轧机、机车牵引、电机节能等重大装备需要高速运转、电网污染小的大功率交直交变频器。我国已研制成功7.5MVA大功率I GCT交直交变频调速系统,目前正在研制15MW更大功率的交直交变频器。
大功率电力电子变频器追求高效率、高功率密度、高可靠性,对电网和电机的低谐波、低污染。随着新型电力电子器件的发展和应用,大功率交流调速技术与装备将不断更新进步。电力电子学科的理论、方法、工程实践将在材料、电路、装备、应用等多个领域面临着挑战。然而大功率交流调速产业的发展必须依托我国电力电子产业链的形成。国产交交变频调速之所以取得长足的进步,正是依托了中国多年积累的晶闸管技术基础和产业。发展以I GCT, I G BT等新型电力电子器件为核心的大功率变频器必须要以我们国家自己的器件为基础。因此,我国的电力电子产业要以电力电子器件为核心,以国产装置来牵动国产器件的发展,以采用国产电力电子装置的装备和系统来推动和扩大国产大功率交流调速产业的发展[6]。
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Research on the vari a ble speed technology of l arge
power alternati n g current motor
Li Chongjian
(A uto m ation R esea rch and D esign Institu te of M etallu rgical Industry,B eijing100071,China)
[Abstract] I n this paper,the devel opment status of the do mestic large power AC mot or variable frequency s peed regulati on technol ogy is intr oduced.The domestic large power AC drivers fed by cycl oconverters have been greatly devel oped,and s ome innovati on on the theory and engineering technique has been realized.They have been app lied t o r olling m ill,m ine winder and s o on,and re markable econom ic and s ocial benefit has been achieved. The devel opment of the first domestic7.5MVA I GCT AC-DC(direct current)-AC converter is als o intr oduced. This converter has excellent perfor mance and reliable operati on,and it has been used in tracti on.
[Key words] large power AC mot or;cycl oconverter;AC2DC2AC converter;I GCT
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。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。
基于PLC的交流电机变频调速系统
目录 1 绪论 (1) 1.1课题的背景 (1) 1.1.1 电机的起源和发展............................. 错误！未定义书签。 1.1.2 变频调速技术的发展和应用..................... 错误！未定义书签。 1.2本文设计的主要内容............................... 错误！未定义书签。 2 变频调速系统的方案确定 (4) 2.1变频调速系统 (4) 2.1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理 (4) 2.1.2 变频调速原理 (4) 2.1.3 变频调速的基本控制方式 (5) 2.2系统的控制要求 (6) 2.3方案的确定 (6) 2.3.1 电动机的选择 (6) 2.3.2 开环控制的选择 (7) 2.3.3 变频器的选择 (7) 4 变频调速系统的硬件设计 (8) 4.1S7-200PLC (8) 4.2M ICRO M ASTER420变频器 (8) 4.3外部电路设计 (9) 4.3.1 变频开环调速 (9) 4.3.2 数字量方式多段速控制 (11) 4.3.3 PLC、触摸屏及变频器通信控制 (12) 5 变频调速系统的软件设计 (14) 5.1编程软件的介绍 (14)
5.2变频调速系统程序设计 (15) 6 触摸屏的设计 (23) 6.1触摸屏的介绍 (23) 6.2MT500系列触摸屏 (25) 6.3触摸屏的设计过程 (26) 6.3.1 计算机和触摸屏的通信 (26) 6.3.2 窗口界面的设计 (27) 6.3.3 触摸屏工程的下载 (31) 7 PLC系统的抗干扰设计 (33) 7.1 变频器的干扰源 (33) 7.2干扰信号的传播方式 (33) 7.3 主要抗干扰措施 (34) 7.3.1 电源抗干扰措施 (34) 7.3.2 硬件滤波及软件抗干扰措施 (34) 7.3.3 接地抗干扰措施 (34) 结论 (36) 致谢 ................................................ 错误！未定义书签。参考文献 .. (37)
基于MATLAB交流电机变频调速系统仿真
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
交流异步电动机变频调速系统设计样本
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)
变频调速的基本原理
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
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。
三相异步电动机变频调速
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]
(交流电机变频调速系统设计)
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。
交流异步电动机变频调速系统
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。
变频调速的基本原理
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、
交流异步电动机变频调速系统设计
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)
交流变频调速电机原理
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
7、交流电动机调速及变频原理
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
变频器调速工作原理
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
交流电动机变频调速
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。
第六章 交流异步电动机变压变频调速系统精讲
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11 ωU 、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(1 0s 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）
交流电机变频调速实验
交流电机变频调速实验 一、实验室名称：西门子实验室 二、实验项目名称：交流电机变频调速实验 三、实验原理 交流伺服系统的基本构成 变频调速的要点：电流形成转矩,频率控制转速 实现变频调速的关键是如何获得一个单独向感应电动机供电的经济可靠的变频电源。目前在变频调速系统中广泛采用的是静止变频装置。它是利用大功率半导体器件，先将50Hz的工频电源经整流器整流成直流，然后再经逆变器转换成频率与电压均可调节的变频电压输出给受控感应电动机。这种系统称为交-直-交变频系统。 交流电动机变频调速机械特性
变频调速平滑性好，效率高，机械特性硬调速范围广，只要控制端电压随频率变化的规律，可以适应不同负载特性的要求。是感应电动机尤为笼型感应电动机调速的发展方向。 四、实验目的 1．了解交流电机变频调速系统原理及组成。 2．了解交流电机变频调速系统时的机械特性。 五、实验内容 1．测定交流电机变频调速系统的机械特性。 2．测定交流电机变频调速系统的控制特性。 六、实验器材（设备、元器件） 1．S7－1200PLC 2．交流电动机-直流发电机-测速发电机组 3．主控制屏 4．滑动变阻器 5．变频器 6．手持式转速计 七、实验讲解 （一）实验前准备工作： 1.检查西门子实验室第二排（S7－1200PLC）的PLC是否运行（如正常运行，PLC 的绿灯会亮）。如果没有运行，则实验台面板左下方的空气开关。 2.合上第三排（带变频器的）实验台的空气开关和触摸屏开关。 3.触摸屏初次使用时，先点击“停止”按钮，再点击“启动”。 （二）实验观察 4.负载不调节。先在“开环控制”下观察电机在不同输入转速下的运行特性。进行五组以上不同转速的调速试验，作好数据观测记录。（作好转速、电压、电流等参数记录） 5.在某一给定转速下，调节滑线变阻器滑动触头（建议从轻载侧向负载侧调节）。观察转速、电流、电压参数的变化情况。 6.然后切换到“闭环控制”方式下（点击“开环控制”按钮，切换到“闭环控制”模式。按开环负载调节下相同的调节规律改变负载，观察引入电流闭环反馈控制后的转速变化特性，与开环模式下的转速变化进行对比和分析。 7.闭环情况下，负载从轻载区移向重载区时，根据转速表显示转速，比较设定转速，进而改变触摸屏上“比例系数”值（若转速补偿过多，减小比例系数）。 实验结束后，关闭触摸屏，拉下空气开关，将滑动变阻器滑块移动到右端。 八、实验数据及结果分析： 1.画出控制特性曲线。