1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 三相异步电动机通用变频器控制算法 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 变频调速在当今社会， 随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展变化，变频调速技术也有了飞速的发展。技术已经涉及电 力、电子、拖动、电工、信息与控制等多个学科领域。 通过对变频调速的原理分析，通用变频器的了解，熟悉变频控制的机理，取得理论基础。而 变频调速系统的关键，就是要设计一个合理的变频器，而它的核心就是变频调速系统的数字控制算法。 所以通过 PWM（ pulse width modulation
2、）变频器的主电路，介绍 SPWM 的基本的相关知识，再通过规则采样法，从而得到变频调速的控制算法。 最后所设计的变频器的数字控制器包括信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能。 关键词 ： 三相异 步电动机；变频调速； SPWM - 2 - Abstract Frequency control in todays society, with the power electronics technology, computer technology and automatic control technology changes, frequency
3、conversion technology with rapid development.Technology has been involved in electricity, electronics, drag, electrical, information and control, and other disciplines By the principle of frequency control, general understanding of the inverter, are familiar with frequency control mechanism, to obta
4、in the theoretical basis.The critical frequency control system is to design a reasonable frequency, but its core is the frequency control system of the digital control algorithm.Therefore, the main circuit by PWM（ pulse width modulation） inverter, SPWM introduce the basic knowledge, and through regu
5、lar sampling method, resulting in Frequency Control Algorithm Finally, the designed digital controller includes the drive signal detection, filtering, shaping, core algorithms in real time and the driver signal generation, system monitoring, protection and other functions Key words: Three-phase asyn
6、chronous motor； Frequency； SPWM - 3 - 目 录 1 引言 .1 1.1 研究背景和意义 .1 1.2 国内外研究现状 .1 1.3 主要研究内容 .2 2 三相异步电动机的变频调速分析 .3 2.1 异步电动机的调速 .3 2.2 通用变频器的调速原理 .3 2.3 三相异步电动机的变频调速原理 .4 2.4 变压变频调速的基本控制方式 .5 3 三相正弦波逆变器基本原理 .8 3.1 异步电动机电压 -频率协调控制时的机械特性 .8 3.1.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 .8 3.1.2 基频以下电压 -频率协调控制时的机械特性 .9 3.
7、2 正弦波脉宽调制技术（ SPWM） .10 3.2.1PWM 的调制原理 .10 3.2.2 SPWM 控制方式 . 11 3.2.3PWM 控制电路 .13 3.2.4PWM 调制方法 .14 3.2.5 PWM 逆变器主电路及输出波形 .15 4 总结 .19 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .19 - 1 - 1 引言 1.1 研究背景和意义 现代的交流调速一般是指变频调速系统。除变频调速以外的其他简单的调速方案，如变极调速、定子调压调速、转子串电阻调速、电磁转差离合器调速等，虽然仍在特定场合有一定的应用，但由于它们的稳定性、可靠性和效率等方面存在的问题，使用受到了限制，所
8、以终将会被变频 调速所取代。 变频调速技术涉及电力、电子、拖动、电工、信息与控制等多个学科领域。随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展变化，变频调速技术也有了飞速的发展。交流变频调速传动克服了直流电机的缺点，发挥了交流电动机本身固有的优点 (结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等 )，并且很好地解决了交流电机调速性能先天不足的问题 1。交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。变频调速技术为节能降耗、 改善控制性能、提高产品的质量有着至关重要的帮助，为此也具备了重大的意
9、义。 1.2 国内外研究现状 交流电机变频调速器已经成为现代电机调速的主要设备。由于他具有重量轻、体积小、转矩大、精度高、可靠性高、操作简便等诸多有点，所以在各种产业、行业都已经得到普遍的应用。随着能源等问题的日显突出，节约理念变的尤为重要，相信这项技能将会在经济发展中发挥更大的作用。 在世界范围内， IGBT、 IGCT 等功率器件的制造商已经或者正在整合。而在国内，变频器的核心器件还是依赖于进口。 技术发展方面，就通用变频器来讲，其发展趋向于 高性能、控制性能优化、模块化、产品专业化等。总体来说，就是尽可能的追求可靠性、高转矩、高精度、低谐波等 2。 - 2 - 1.3 主要研究内容 掌握
10、 三相异步电机变频调速的 核心控制算法 。 变频调速系统的关键，就是要设计一个合理的变频器，而它的核心就是变频调速系统的数字控制算法。变频器的数字控制器包括信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能。变频器数字控制系统的硬件部分，包括 CPU、接口电路及外围设备，其中 CPU 是系统的控制核心，它通过内部控制程序，对从输入接口输入的数据进行处理 ，完成控制计算等工作，通过输出接口电路向外围发出各种控制信号，外围设备除了检测元件和执行机构，还包括各种操作、显示以及通信设备。 - 3 - 2 三相异步电动机的变频调速分析 2.1 异步电动机的调速 在基于稳
11、态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等效电路来分析异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类 3。 所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。 三相交流电动机定子绕组中的 i相交流电在定子隙圆周上产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速称同步转速，记为 n，实际电动机转速 n要低于同步转速，故一般称这样的三相交流电动机为三相异步电动机 4。 三相异步电动机的的几种常用调速方法有变频调速、变极调速、
12、串电阻调速、串级调速、变压调速等等，各有各的特点和各自的适用场合。 2.2 通用变频器的调速原理 自上世纪 80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度控制领域中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用 。变频技术具有调速性能好、功率因数高、可实现软启动等优点，这些优点使变频器在实际应用中具有显著的节能效果。变频调速是目前交流电动机最理想、最节能的调速方案 3。 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。我们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
13、、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器 ，逆变部分为 IGBT三相桥式逆变器，且输出为 PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率 6。 - 4 - 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的，当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用 N表示： N=60f/p (2-1) 式中： f为三相
14、交流电源频率，一般为 50Hz： P为磁极对数。当 p=1时，N=3000rlmin： P=2时， N=1500r min。 由式 (2-1)可知磁极对数 P越多 j转速 N就会越慢。转子的实际转速 n比磁场的同步转速 Y要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率 S表示： S=(nl 11) n1 100% (2-2) 在加上电源转子尚未转动瞬间， n=O，这时 s=1：启动后的极端情况 n=N，则s=O， 即 S在 0 l之间变化。一般异步电机在额定负载下的 s=i 6。综合式 (2-1)和式 (2-2)可以得出 n=60f（ 1-S) p (2-3) 由式 (2-3)可以看出，对于成品
15、电机，其磁极对数 P已经确定，转差率 S变化不大，则电机的转速 n与电源频率 f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调 节 7。 2.3 三相异步电动机的变频调速原理 异步电动机由于结构简单，价格低廉，无需经常性维护。运行可靠等一系列优点，在交流传动领域内得到了最广泛的应用。 变频凋速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。随着电力子技术的飞速发展，变频调速互相交流异步电动机的应用越来越广泛。它已在诼步替代其它各种调速电动机，而变频调
16、速 i相异步电动机因其结构简单、- 5 - 制造方便、易于维护、性能良好、运行可靠等优点而在 T业领域得到广泛应用。 由上述（ 2-3）式可得。异步电动机变频调速的控制方式基本有以下二种： 一 、电源频率低于工频范围调节，电源的工频频率在我国为 50Hz。电机定子绕组内的感应电动势为 E=4.44flK1N1 (2-4) 式中 fl 定子绕组中感应电动势的频率，与电源频率 f相等， Hz K1 电机定子绕组的绕组系数，其值取决于绕组结构， K11 N1 电机定子绕组每相串联的线圈匝数 电机每极磁通 定子电压 U，与定子绕组感应电动势 E的关系为 U1=El+I1Z1 (2-5) 式中 Z 定子
17、绕组每组阻抗 I1 定子绕组相电流 若忽略定子压降 I1Z1,则 U1 E=4 44f1K1N1 (2-6)把该式整理成 U1=4 44f1K1N1 (2-7) K=4 44K1N1 (2-8) 则 =U1/Kf1 (2-9) 电动机的电磁转矩 M与 (U1/f1)2成正比，若下调频率 f1同时也下调 U1，使 (U1/f1)比值保持恒量，则磁通由不变，肉此转矩也保持常值，此时电动机拖动负载的能力不发生改变，这种控制方式称为恒磁通调压调频调速，也叫恒转矩调速 8。 2.4 变压变频调速的基本控制方式 在进行电机调速时， 经常需要 考虑 到 的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定
18、值不变。如果磁通太弱，没有 能够 充分利用电机的铁心，那就 是一种浪费；如果过分 增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流， 产生不良影响， 严重时 还 会因绕组过热而损坏电 动 机。 对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿， m 保持不变是很容易做到的。 在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费 一些事了 。 - 6 - 定子每相电动势 mWS1g 44.4 kNfE （ 2-10） 式中： Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为 V； f1 定子频率，单位为 Hz； Ns 定子每相绕组串联匝数； Kw 基波绕组系
19、数； m 每极气隙磁通量，单位为 Wb。 基频以下调速 由式（ 2-10）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通 m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。 由式（ 2-10）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使： 1gfE 常值 (2-11) 即采用恒值电动势频率比的控制方式。 恒压频比的控制方式 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得 1fUS 常值，这是恒压频比的控制方式。 但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。 带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图 2-1 中的 b 线，无补偿的控制特性则为 a 线。
