三相异步电机VF调速Word格式.docx
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直流调速系统，由于其良好的调速性能，很长的时期内在调速领域内占据首位。
但是由于直流电动机本身有机械换向器，给直流调速系统造成一些固有的、难于解决的问题。
随着交流传动电动机调速的理论问题的突破和调速装置（主要指变频器）性能的完善，交流电动机调速系统的性能差的缺点已经得到了克服，目前，交流调速系统的性能已经可以和直流系统相媲美，甚至可以超过直流系统。
由于交流调速不断显示其本身的优越性和巨大的社会效益，使变频器具有越来越旺盛的生命力。
各种性能优越的新型电力半导体器件的出现，如既能控制导通又能控制关断的门极可关断晶闸管GTO具有良好功率转换效率和适于在高频大功率情况下工作的MOSFET既有MOS管栅极驱动电压功率小和驱动线路简单，又有双极性功率晶体管导通饱和压降小优点的绝缘栅双极性大功率管IGBT;
以及内部既有大
功率开关器件，又有各种驱动电路和过压、过流等保护电路的智能型功率模块IPM等器件的应用，不仅使交流调速系统控制装置体积小，效率高，而且还更容易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案，更加充实和推动了变频器理论的进一步发展。
能完成各种复杂信号和信息处理的集成芯片的出现，如能产生脉宽调制信号的专用集成电路以及各种单片机和计算机系统用的微处理器和接口芯片的大量问世，为高质量的控制创造了良好的条件。
建立在电机统一理论和机电一体化理论基础上的各种先进控制方案，通过快速检测电流实现PW控制的变频技术，通过直接控制转矩来快速控制转速的转速自调整技术，以及具有很强抗干扰能力的变结构控制系统等等，都极大地丰富了电机调速领域的内容。
交流异步电机的V/f比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。
它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。
V/f控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。
因此，研究异步电机的V/F调速，有着一定的实际意义和应用价值。
1.3本课题的主要工作
V/f比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式，常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。
由于V/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电机，所以这种控制方法通用性强、经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。
本课题的主要工作：
（1）根据毕业设计任务设计书中的给定条件及要求，确定总体方案：
V/F控制方式的SPW变频调速；
（2）熟悉交流异步电机的特点，工作原理及调速方法，介绍交流异步电机变频调速的几种方式，分析V/F调速方式的原理和特点；
（3）对采用SPW技术实现V/F控制的交流异步电机变频调速进行研究；
（4）借助MATLAB建立系统模型、仿真，并对仿真结果进行分析；
1.4本章小结
本章内容简单介绍了电动机在工农业生产、国防、科技、日常生活等各个方面的作用，简述了直流调速系统和交流调速系统各自的特点，分析了交流调速系统将代替直流调速系统的趋势，简单介绍了本课题的研究意义和论文的主要工作。
第2章交流异步电动机简介
2.1异步电动机的特点
异步电动机（asynchronousmotor）又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电动机。
异步电动机按照转子结构分为两种形式：
有鼠笼式、绕线式异步电动机。
作电动机运行的异步电机。
因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。
异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。
在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60%多。
异步电动机的转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力
系统；
与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。
以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。
异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。
它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。
其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率（见异步电机），因而调速性
能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。
此外，异步电动机运行时，从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。
因此，在大功率、低转速场合（如拖动球磨机、压缩机等）不如用同步电动机合理。
2.2异步电动机的分类
异步电动机的种类很多，从不同的角度有不同的分类法。
按定子相数分有单相异步电动机、三相异步电动机；
按转子绕组形式，一般可分为绕线式和鼠笼式两种类型。
鼠笼式异步电动机中，又有单鼠笼、双鼠笼和深槽式之分；
按电机尺寸或功率，分为大型、中型、小型和小功率电机；
按电机的防护形式分为开启式、防护式、封闭式。
2.3异步电动机的用途
异步电机主要用作电动机，其功率范围从几瓦到上万千瓦，是国民经济各行业和人们日常生活中应用最广泛的电动机，为多种机械设备和家用电器提供动力。
例如机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等，大都采用三相异步电动机拖动；
电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器中则广泛使用单相异步电动机。
异步电机也可作为发电机，用于风力发电厂和小型水电站等。
2.4异步电动机的发展和发展趋势
1985年大部分地区迅速推广了全封闭自冷式鼠笼型三相异步电动机y系列及其派生系列产品，其功率范围为0.55〜250kw,机座中心高为80〜315。
通过引进消化美国西屋公司和瑞士bbc公司的技术，自行研发的y系列6kv、220〜2800kw中型高压三相异步电动机，采用新颖的箱式结构，是目前国内中型高压电机的主导产品，以后又随着我国电网电压由6kv升高到10kv，又研发了10kv系列中小型高压异步电动机。
1996年以电科所为首组织有关厂家完成了y2系列的开发，功率范围为0.12〜315kw,机座中心高为63〜355。
该系列产品显著降低了空载噪声，有效抑制了负载噪声。
2003年电科所组织有关厂家又完整地建立了全系列采用冷轧硅钢片的y3系列，其能耗达到国标gb18163－2002中能耗限定值的规定，同时也达到欧洲eff2效率标准，并且主要性能指标达到国际同类产品的先进水平。
1992年美国能源部发布了新的能源法规，提出了高效率三相异步电动机的效率标准，并规定从1997年10月24日开始，凡制造和进口一般用途电动机效率必须符合这一标准。
以后又更进一步提出超高效率电机。
1999年欧洲电机和电力电子制造商协会制定了eff1、eff2、eff3三个等级的效率标准，并决定到2003年削减50％低于eff3标准水平的电机生产，2006年以后不再生产。
我国也于2002年8月正式实施《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评定值》的国标（gb18163-2002）。
因此借着节能的规划和“以冷代热”的法令，应该大力推广y3新系列，使之成为我国低压三相异步电动机的主导产品，且新一轮的派生系列产品也应在y3新系列上展开。
计算机控制技术和现代控制理论应用与交流调速系统后为其发展创造了更加有利的条件。
使交流调速系统成为当前发展和研究的重点。
采用微机控制后用软件实现矢量控制算法。
使硬件电路规范化。
从而降低了成本，提高了可靠性。
而且还有可能进一步实现更复杂的动力。
交流传动正逐步取代支流传动而成为机电传动的主流。
2.5三相异步电机工作的基本原理
2.5.1异步电动机的等效电路
异步电动机的转子能量是通过电磁感应而得来的。
定子和转子之间在电路上
没有任何联系，其电路可用图2.1来表示。
图2.1异步电动机的定、转子图
图2.1中：
Ui――定子的相电压;
11――定子的相电流；
「1、X]
定子每相绕组的电阻和漏抗；
E2S、I2S、X2S分别是转子电路产生的电动势、电流、漏电抗；
E1――每相定子绕组反电动势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的。
其有效值可计算如下：
（2-1）
sf1，与转差率成正比，所
Ei二4.44仏NiKni%m
式中：
E1—气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值;
f1—定子频率；
N1—定子每相绕组中串联匝数；
KN1—基波绕组系数；
①
m—极气隙磁通。
由电动机的基础知识可知：
转子回路的频率以转子回路中的各电量也都与转差率成正比。
为了方便定量分析定、转子之间的各种数量关系，应将定子、转子放在一个电路中。
由于定子、转子回路的频率、绕组、匝数不同，故必须进行折算。
根据电机学原理，在下列假定条件下：
a.忽略空间和时间谐波，各绕组的自感和互感都是线性的；
b.忽略磁饱和；
c.忽略铁损。
可以得到电动机的T形等效电路图，由于交流异步电动机三相对称，所以现
只取A相进行计算分析。
A相的T形等效电路如图2.2所示
图2.2电动机的T形等效电路图
图2.2中：
rm――励磁电阻，是表征异步电动机铁心损耗的等效电阻；
Xm——励磁电抗，是表征铁心磁化能力的一个参数；
I。
——励磁电流；
RL――机械负载的等效电阻，在Rl=,口「2在Rl上消耗的功率就相当
s
于异步电动机输出的机械功率；
I2、E；
、r；
、X2等参数――经过折算后的转子参数。
2.5.2异步电动机的转矩
（1）电磁转矩的表达式
丁_Pm_9550几
。
n（2-2）
式中?
m的单位为KVyn的单位是r/min;
丁的单位是V・M
（2）电磁转矩的物理表达式
（2-3）
（2-4）
-e=Ct」m-2COS'
2
式中Ct——转矩常数;
主磁通。
（3）电磁转矩的参数表达式
2psUid
■e=2二fi[（sr「d）2s2（x「X2）2]
式中p——磁极对数;
U1——电源的相电压;
f1——电源频率。
2.5.3异步电动机的机械特性
机械特性是指电动机在运行时，其转速与电磁转矩之间的关系，即门=f（T）,它可由（2-3）所决定的T二f（s）曲线变换而来。
异步电动机工作在额定电压、额定频率下，由电动机本身固有的参数所决定的n=f仃）曲线，叫做电动机的自然机械特性。
只要确定曲线上的几个特殊点，就能画出电动机的机械特性。
1.理想空载点
图2.3中的E点，在这点上，电动机以同步转速n0运行（s=0），其电磁转矩
T=0。
2.起动点
图2.3中的S点，在起动点上，电动机已接通电源，但尚未起动。
对应这一点的转速n二0（s=1），电磁转矩称起动转矩-st，起动是带负载的能力一般用起动倍数来表示，即Kst=TstT。
式中，Tn为额定转矩。
3.临界点
临界点K是一个非常重要的点，它是机械特性稳定运行区和非稳定区的分界点。
电动机运行在K点时，电磁转矩为临界转矩Tk，它表示了电动机所有能产
生的最大转矩，此时的转差率叫临界转差率，用Sk表示。
Tk、Sk根据式（2-3）
用求极值的办法求出，即：
由dTds=0,可得:
（2—4）
.r12'
（x1x2）2xix2
3pU；
3pU；
Tk=<
22壬—
4兀血+屮1+（Xi+x2）]4fi（x^x2）（2_5）
电动机正常运行时，需要有一定的过载能力，一般用'
m表示，即
飞二二（2-6）
Tn
普通电动机的'
-m=2.0〜2.2之间，而对某些特殊用电动机，其过负载能力可以更咼一些。
上述分析说明：
一k的大小影响着电动机的过载能力，-K越小，为了保证过载能力不变，电动机所带的负载就越小。
由nK=no（1-sK）知：
s<
越小，nK越大，机械特性就越硬。
因此在调速过程中，-k、Sk的变化规律常常是关注的重点。
特别是研究变频后的电动机机械特性，一K、sK就显得尤其重要。
变频后的机械特性将会在下一小节中介绍。
2.6异步电动机的调速方法：
（1）绕线式电动机转子串电阻调速方法
绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。
串入的电阻越大，电动机的转速越低。
此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。
属有级调速，机械特性较软。
（2）变极对数调速方法
这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。
（3）定子调压调速方法
当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。
由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。
为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。
为了扩大稳定运行范围，当调速在2:
1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。
调压调速的主要装置是一个能提供电
压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。
晶闸管调压方式为最佳。
调压调速一般适用于100KW以下的生产机
械。
（4）串级调速方法
串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。
大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。
根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。
（5）变频调速方法
变频调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。
变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。
本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。
2.7本章小结本章介绍了交流异步电动机的特点、分类、用途、发展趋势等基本情况，着重介绍了异步电机的工作原理以及调速方法，为后文中研究异步电机变频调速做个铺垫。
第3章异步电机的变频调速原理及控制方式的选定
3.1变频调速原理
交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。
根据统计，我国
异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速
原理十分重要。
交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。
使电动机转起来。
电机磁场转速称为同步转速，用n0表示：
60f
n0二
p（3-1）
f为三相交流电源频率，一般是50Hzp为磁极对数。
当p=1是，n0=3000r/min；
p=2时，n0=1500r/min。
由上式可知磁极对数p越多，转速n。
就越慢，转子的实际转速n比磁场的同步转速n。
要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率s表示：
n0
100%
（3-2）
在加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1;
启动后的极端情况n=n°
，则s=0,即s在0〜1之间变化，一般异步电动机在额定负载下的s=1%-6%综合（3-1）和（3-2）式可以得出：
由式（3-3）可以看出，对于成品电机，其极对数p已经确定，转差率s的变化不大，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。
3.2变频调速的控制方式及选定
3.2.1V/f比恒定控制
V/f比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。
它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。
V/f控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。
三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态，从而使铁心材料
得到充分的利用。
在变频调速的过程中，当电动机电源的频率发生变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强。
在励磁不足时电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时又会使铁心中的磁
通处于饱和状态，是电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的功率损耗，降低电动机的效率和功率因数。
因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定为额定值。
由电机理论知道，电机定子的感应电势有效值是：
E!
=4.44f1N1KN^/:
m
（3-4）
则：
＞mE1即:
•:
窃二旦
4.44f1KN1N1f1
另外，电机的电磁转矩为：
（3-5）
-e=Ct、'
"
m.2C0Sj2
其中Ct—与电动机有关的常数；
Cos"
2—转子每相电路功率因数；
「2—转子电压与电流的相位差；
一e—电机的电磁转矩。
由式（3-4）推断，若巳不变，当定子电源频率人增加，将引起气隙磁通叮需减小；
而由式（3-5）可知，叮」m减小又引起电动机电磁转矩-e减小，这就出现了频率增加，而负载能力下降的情况。
在E1不变时，而定子电源频率f1减小，又将引起叮J增加，“m增加将导致磁路饱和，励磁电流升高，从而导致电动机发热，严重时会因绕组过热而损坏电动机。
由以上情况可知：
变频调速时，必须使气隙磁通不变。
因此，在调节频率的同时，必须对定子电压进行协调控制，但控制方
式随运行频率在基频以下和基频以上而不同。
1.基频以下调速
由式（3-4）可知，要保持：
•：
窃不变，当频率fi从额定值fN向下调节时，必须同时降低Ei,使
Ei/fi=常值
只要保持Ei/fi为常数，就可以达到维持磁通恒定的目的。
因此这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。
根据电机端电压和感应电势的关系式：
Ui-定子相电压;
「定子电阻;
xi-定子阻抗;
li-定子电流。
当电机在额定运行情况下，电机定子电阻和漏阻抗的压降较小，Ui和Ei可
以看成近似相等，所以保持V/f=常数即可。
由于V/f比恒定调速是从基频向下调速，所以当频率较低时，―与Ei都变小，定子漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）不能再忽略。
这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。
变频后的机械特性如图3.i所示。
图3.i电动机低于额定转速方向调速时的机械特性
从图3.i中可以看出，当电动机向低于额定转速no方向调速时，曲线近似平行地下降，减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性；
但是临界转矩却随着电动机转速的下降而逐渐减小，这就是造成了电动机负载能力的下降。
临界转矩下降的原因可以如下解释：
为了使电动机定子的磁通量Gm保持恒
定，调速时就要求感应电动势Ei与电源频率fi的比值不变，为了使控制容易实现，采用电源电压U~Ei来近似代替，这是以忽略定子阻抗压降作为代价，当然存在一定的误差。
显然，被忽略的定子阻抗压降在电压U中所占的比例大小决定了它的影响。
当fi的数值相对较高时，定子阻抗压降在电压U中所占的比例相对较小，U〜Ei所产生的误差较少；
当fi的数值较低时，定子阻抗压降在电压U中所占的比例下降，而定子阻抗的压降并不按同比例下井，使得定子阻抗压降在电压U中的比例增大，已经不能再满足U〜Ei。
此时如果仍以U代替Ei,将带来很大的误差。
因为定子阻抗压降所占的比例增大，使得实际上产生的感应电动势Ei减小，Ei/fi的比值减小，造成磁通量「m减小，因而导致电动机的临界转矩的下降。
变频后机械特性的降低将是电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用。
一种简单的解决方法就是
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