第一篇：三相異步電動機變頻調(diào)速的特點

三相異步電動機變頻調(diào)速的特點?

1)從基速向下調(diào)速，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式;從基速向上調(diào)速，為恒功率調(diào)速方式。

2)調(diào)速范圍大。

3)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好。

4)運行時轉(zhuǎn)差率小，效率高。

5)頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，為無級調(diào)速。

第二篇：基于DSP的三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計

CopyRight ?2008 Library of SouthWest Petroleum University 單位代碼： 10615 西南 石 油 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文

論文題目： 基于 DSP 的三相異步電動機 變頻調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計 研究生姓名 ： 羅 輝

導(dǎo)師姓名 ： 胡 澤（教授）

學(xué)科專業(yè)： 測試計量技術(shù)及儀器 研究方向： 智能化儀器及計算機測控 2008 年 4 月 28 日

CopyRight ?2008 Library of SouthWest Petroleum University CopyRight ?2008 Library of SouthWest Petroleum University I 摘要

電機節(jié)能問題一直是廣大學(xué)者研究的熱點，在電機節(jié)能技術(shù)中最受矚目的是 變頻調(diào)速技術(shù)。本文研究一種基于數(shù)字信號處理器（DSP）的三相異步電動機變頻 調(diào)速系統(tǒng)。

論文首先闡述三相異步電動機的脈寬調(diào)制技術(shù)和矢量控制原理。脈寬調(diào)制技 術(shù)中重點分析正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）和電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)

（SVPWM）的基本原理和控制算法。矢量控制思想是將異步電機模擬成直流電機，通過坐標(biāo)變換，將定子電流矢量分解為按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個直流分量，實現(xiàn)磁 通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。論文用Matlab/Simulink 軟件對三相異步電動機矢量控制系 統(tǒng)進行仿真研究，并在此基礎(chǔ)上對矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)進行硬件和軟件設(shè)計。在硬件設(shè)計方面，系統(tǒng)以TI 公司的TMS320LF2407A DSP 芯片為控制電路核 心，以三菱公司智能功率模塊（IPM）PM25RSB-120 為主電路核心，對三相交流 整流濾波電路、IPM 驅(qū)動和保護電路、相電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、顯示電 路以及DSP 與PC 機通信電路等模塊進行設(shè)計。在軟件設(shè)計方面，本文用匯編語 言編寫基于TMS320LF2407A DSP 的三相異步電動機矢量控制程序，整個矢量控 制程序由主程序和中斷服務(wù)子程序組成。最后構(gòu)建三相異步電動機變頻調(diào)速實驗 裝置，在該裝置上進行變頻調(diào)速實驗研究。

實驗結(jié)果表明用SVPWM 技術(shù)和矢量控制技術(shù)可以成功實現(xiàn)三相異步電動機 變頻調(diào)速功能。采用矢量控制技術(shù)后，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高，動態(tài)調(diào)節(jié)時間短、超調(diào) 量小、抗擾能力強。該變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計為今后開發(fā)更高性能的變頻調(diào) 速系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。

關(guān)鍵詞：三相異步電動機 數(shù)字信號處理器 智能功率模塊 矢量控制 電壓空間矢量脈寬調(diào)制

CopyRight ?2008 Library of SouthWest Petroleum University II Abstract The topic of Energy saving on motor system has always being researched by scholars, and the variable frequency variable speed technology has been paid the focus attention among the researches.The variable frequency variable speed system of three-phase asynchronous motor based on DSP has been researched in this paper.First of all, the pulse width modulation technology and the vector control principle for three-phase asynchronous motor were analyzed in the paper.The basic principles and control methods of SPWM & SVPWM were mainly analyzed.By transforming coordinate, the stator current is decomposing two DC parts which orientated as the rotator magnetic field and controlled respectively.So magnetic flux and torque are decoupled, and the asynchronous motor was controlled as a DC motor.Then, the vector control simulation system were analyzed by using Matlab/Simulink, and the hardware and software of the system were designed based on the simulation.In hardware, the TMS320LF2407A DSP of TI and PM25RSB-120 of MITSUBISHI were taken as the key controller of the system.At the same time, the paper has analyzed the three-phase AC-DC circuit, the filter circuit, the drive circuit and the protection circuit of the IPM,the current and the speed measurement circuit,the display circuit,the communication circuit between DSP and PC and so on.In software, a set of assembly language for main program and interrupt subprograms were established based on TMS320LF2407A.At the last, the experimental device which was made according to the design of variable frequency variable speed system has been established,and the experiments were carried on.The experimental results show that the vector control and SVPWM technology used in the system is successful.And the whole system run well with high accuracy of steady-state, quick dynamic response, small overshoots and strong anti-interference capability by using vector control technology.It offers helps for high performance motor control systems which would be studied aftertime.Keywords: Three-phase Asynchronous Motor Digital Signal Processor Intelligent Power Module Vector Control Space Vector Pulse Width Modulation CopyRight ?2008 Library of SouthWest Petroleum University III 目錄

摘 要................................................................................................................................................I Abstract................................................................................................................................................II 1 緒論................................................................................................................................................1 1.1 前言.......................................................................................................................................1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀....................................................................................................................1 1.3 研究背景和研究內(nèi)容............................................................................................................3 2 三相異步電動機的脈寬調(diào)制和矢量控制技術(shù).............................................................................5 2.1 變頻調(diào)速的基本控制方式....................................................................................................5 2.2 脈寬調(diào)制技術(shù)........................................................................................................................6 2.2.1 正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù).............................................................................6 2.2.2 電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)..............................................................8 2.3 矢量控制技術(shù)......................................................................................................................11 2.3.1 矢量控制原理...........................................................................................................11 2.3.2 坐標(biāo)變換及變換矩陣...............................................................................................12 三相異步電動機矢量控制系統(tǒng)Simulink 仿真..........................................................................14 3.1 磁鏈觀測模型的建立..........................................................................................................14 3.2 矢量控制系統(tǒng)的Simulink 仿真模型.................................................................................16 3.3 矢量控制系統(tǒng)的Simulink 仿真結(jié)果.................................................................................20 4 基于DSP 的三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計.............................................................24 4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計概述..............................................................................................................24 4.2 系統(tǒng)主電路設(shè)計..................................................................................................................25 4.2.1 整流濾波電路設(shè)計...................................................................................................25 4.2.2 逆變電路設(shè)計...........................................................................................................26 4.2.2.1 智能功率模塊的選擇....................................................................................26 4.2.2.2 逆變電路設(shè)計................................................................................................29 4.2.2.3 泵升電路設(shè)計................................................................................................30 4.3 系統(tǒng)控制電路設(shè)計..............................................................................................................30 4.3.1 TMS320LF2407A DSP 芯片簡介.............................................................................30 4.3.2 TMS320LF2407A 核心電路設(shè)計.............................................................................33 4.3.3 基于核心電路的外部擴展電路設(shè)計.......................................................................34 4.3.3.1 轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計........................................................................................34 4.3.3.2 電流檢測電路設(shè)計........................................................................................35 4.3.3.3 顯示電路設(shè)計................................................................................................36 CopyRight ?2008 Library of SouthWest Petroleum University IV 4.3.3.4 串行通信電路設(shè)計........................................................................................37 4.3.3.5 故障綜合入口電路設(shè)計................................................................................38 5 基于DSP 的三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計.............................................................39 5.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計概述..............................................................................................................39 5.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)中主要模塊的DSP 軟件實現(xiàn)....................................................................42 5.2.1 轉(zhuǎn)子磁鏈位置計算...................................................................................................42 5.2.2 坐標(biāo)變換...................................................................................................................44 5.2.3 轉(zhuǎn)速和電流采樣參數(shù)規(guī)格化處理...........................................................................45 5.2.4 數(shù)字PI 調(diào)節(jié)器.........................................................................................................46 5.2.5 電壓空間矢量脈寬調(diào)制波形生成...........................................................................48 6 調(diào)試結(jié)果及分析..........................................................................................................................52 6.1 系統(tǒng)調(diào)試.............................................................................................................................52 6.2 實驗結(jié)果分析......................................................................................................................56 7 結(jié)論..............................................................................................................................................59 謝 辭............................................................................................................................................60 參考獻............................................................................................................................................61

文攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文.............................................................................................64 附錄A TMS320LF2407A 核心電路原理圖..................................................................................65

附錄B 基于DSP 核心電路的外部擴展電路原理圖....................................................................67 附錄C 三相異步電動機矢量控制變頻調(diào)速源程序.....................................................................69 CopyRight ?2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大學(xué)2008 屆碩士學(xué)位論文 1 1 緒論

1.1 前言

交流變頻調(diào)速技術(shù)是集電力電子、自動控制、微電子、電機學(xué)等技術(shù)之大成 的一項高技術(shù)。它以其優(yōu)異的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果和在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域的 廣泛應(yīng)用而被國內(nèi)外公認(rèn)為是世界上應(yīng)用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動方 案，代表著電氣傳動的發(fā)展方向。它為提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源、降低消耗和提 高企業(yè)經(jīng)濟效益提供了重要的新手段[1]。

在電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及自動控制技術(shù)迅速發(fā)展的今天，電氣傳動 技術(shù)正面臨著一場歷史性的革命[4]。經(jīng)過了二十多年的發(fā)展，近代交流傳動逐漸成 為電氣傳動的主流。目前交流拖動系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括三個方面，一是一般 性能的節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)和按工藝要求調(diào)速系統(tǒng)，如一般的風(fēng)機、水泵系統(tǒng)；二是高 性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，如精密機床拖動系統(tǒng)和火炮伺服系統(tǒng)；三是特 大容量和極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速系統(tǒng)，直流電機由于換向能力的限制不適宜這些調(diào) 速場合，如厚板軋機、礦井卷揚機和高速離心機等系統(tǒng)都以采用交流調(diào)速為宜[1]。變頻調(diào)速研究是當(dāng)前電氣傳動研究中最為活躍、最有實際應(yīng)用價值的工作。變頻器產(chǎn)業(yè)的潛力非常巨大，它包括所有與變頻器技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，如電力電子 器件的生產(chǎn)、驅(qū)動保護集成電路的制造、電氣傳動技術(shù)、系統(tǒng)控制技術(shù)和工業(yè)現(xiàn) 場應(yīng)用技術(shù)等[7]。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，交流調(diào)速在國內(nèi)外發(fā)展十分迅速，打破了過去直流拖動在調(diào)速領(lǐng)域

中的統(tǒng)治地位。交流拖動已進入了與直流拖動相媲美、相競爭、相抗衡的時代，并有取而代之的趨勢，這是現(xiàn)代電力拖動技術(shù)發(fā)展的主要特征[1]，其主要原因有電 力電子技術(shù)的不斷發(fā)展、電機控制理論和控制策略的不斷完善以及全數(shù)字化高性 能微處理器技術(shù)的不斷更新等。

（1）電力電子技術(shù)的革新為變頻調(diào)速技術(shù)提供了發(fā)展平臺

由于交流電機的諸多優(yōu)點，其調(diào)速系統(tǒng)早就得到了人們的關(guān)注，早期的交流 電機調(diào)速方法，如繞線式異步電機的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、鼠籠式異步電機的變極調(diào) 速、定子繞組串電抗器調(diào)速等方式都存在效率低、不經(jīng)濟等缺點。交流變頻調(diào)速 的優(yōu)越性早在 20 世紀(jì) 20 年代就已被人們所認(rèn)識，但受到元器件的限制，當(dāng)時 只能用閘流管構(gòu)成逆變器，由于投資大，效率低，體積大而未能推廣[8]。20 世紀(jì) 50 年代中期，晶閘管的研制成功，開創(chuàng)了電力電子技術(shù)發(fā)展的新時代。晶閘管具 CopyRight ?2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計 有體積小、重量輕、響應(yīng)快、管壓低等優(yōu)點[3]，從而使得交流電機調(diào)速技術(shù)有了飛 躍發(fā)展，出現(xiàn)了交流異步電機調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)。

到 20 世紀(jì) 70 年代出現(xiàn)了變頻調(diào)速技術(shù)，變頻調(diào)速具有高效率、高精度和

寬范圍等特點，是目前運用最廣泛且最具有發(fā)展前途的調(diào)速方式。交流電機變頻

調(diào)速系統(tǒng)的種類也很多，從早期提出的電壓源型變頻調(diào)速開始，相繼發(fā)展了電流 源型、脈寬調(diào)制型等各種變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。目前變頻調(diào)速的主要方案有脈寬調(diào)

制（Pulse Width Modulation，簡稱PWM）變頻調(diào)速、矢量控制（Field Oriented Control，簡稱FOC）變頻調(diào)速和直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，簡稱DTC）變頻調(diào) 速等。這些變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴于大功率半導(dǎo)體器件的制造水平。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）以及MOS 控制晶閘管（MCT）等具有 自關(guān)斷能力的全控型功率元件的發(fā)展，變頻裝置的快速性、可靠性及經(jīng)濟性得到 不斷提高，變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能也得到不斷完善。

（2）控制理論和控制策略的完善為變頻調(diào)速技術(shù)提升了發(fā)展空間

現(xiàn)代化的電機控制系統(tǒng)的核心技術(shù)是如何控制功率開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)，控制 方式依據(jù)控制理論的不同而不同[9]。交流調(diào)速中采用的SPWM(正弦波PWM)、SVPWM(電壓空間矢量PWM)以及矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等技術(shù)，其最終目的 都是產(chǎn)生一系列幅值不同脈寬不同的脈沖列來控制電機的運行[10]。

在交流電機變頻調(diào)速中應(yīng)用最為廣泛的是PWM 控制。可以說 PWM 控制是

交流調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，任何控制算法的最終實現(xiàn)幾乎都是以各種PWM 控制方 式來完成的，尤其是微處理器應(yīng)用于PWM 技術(shù)并使之?dāng)?shù)字化以后，花樣更是不斷 翻新。從最初追求的正弦電壓波形，到正弦電流波形，再到圓形磁場；從效率最 優(yōu)，到轉(zhuǎn)矩脈動最小，再到消除噪音等，PWM 控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng) 新和完善的過程。世紀(jì)70 年代西德的F.Blasschke 等人首先提出矢量控制理論，其目的是把 定子電流中勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨立開來，進行分別控制,通過 坐標(biāo)變換重建異步電機的數(shù)學(xué)模型，可以使得異步電機等效于直流電機，從而像 控制直流電機那樣進行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制[20]。

1985 年德國魯爾大學(xué)Depenbrock 教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論。與矢量控 制不同的是，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，而是簡單 地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并與給定值比較得出偏差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。

近年來,智能控制研究很活躍。典型的如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和基于專家

系統(tǒng)的控制。由于智能控制無需對象的精確數(shù)學(xué)模型并具有較強的魯棒性,因而許 多學(xué)者將智能控制方法引入到電機控制系統(tǒng)的研究中[25]。比較成熟的是模糊控制, 它具有不依賴被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，能克服非線性因素的影響，對調(diào)節(jié)對象 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大學(xué)2008 屆碩士學(xué)位論文 的參數(shù)變化具有較強的魯棒性等優(yōu)點。模糊控制已在交、直流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系 統(tǒng)中取得了滿意的效果。它的典型應(yīng)用有：用于電機速度控制的模糊控制器；模 糊邏輯在電機模型及參數(shù)辨識中的應(yīng)用；基于模糊邏輯的異步電動機效率優(yōu)化控 制；基于模糊邏輯的智能逆變器的研究等。近年來已有一些文獻探討將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 或?qū)＜蚁到y(tǒng)引入到異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中。

有專家預(yù)測，智能控制將在今后的電機控制領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。

（3）數(shù)字化高性能微處理器的應(yīng)用為變頻調(diào)速技術(shù)提高了發(fā)展速度

隨著計算機技術(shù)和電力電子器件制造技術(shù)的不斷發(fā)展，新型電路變換器的不

斷出現(xiàn)，現(xiàn)代控制理論向交流調(diào)速領(lǐng)域的不斷滲透，特別是微型計算機及大規(guī)模

集成電路的發(fā)展，交流電機調(diào)速技術(shù)正向高頻化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。單片機在交流調(diào)速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。例如由Intel 公司開發(fā)生產(chǎn) 的MCS-96 系列的8×196KB、8×196KC、8×196MC 等型號的單片機，在通用開環(huán) 交流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用較多[5]。

由于交流電機控制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益復(fù)雜，控制系 統(tǒng)的軟件化對 CPU 芯片提出了更高的要求，為了實現(xiàn)高性能的交流調(diào)速，要進 行矢量的坐標(biāo)變換、磁通矢量的在線計算和外環(huán)控制的在線實時調(diào)節(jié)等，都需要 存儲多種數(shù)據(jù)和快速實時處理大量信息。因此，DSP 芯片在高性能交流調(diào)速系統(tǒng) 中找到大展身手的舞臺[6]，如TI 公司的TMS320LF2407A 和 TMS320C2812 就是 兩塊用于電機控制的高性能DSP 芯片。

由于高性能微處理器的應(yīng)用，各種總線也在電機控制領(lǐng)域內(nèi)扮演了相當(dāng)重要 的角色。STD 總線、工業(yè) PC 總線、現(xiàn)場總線以及CAN 總線等在交流調(diào)速系統(tǒng) 的自動化應(yīng)用領(lǐng)域起到了重要的作用。可以預(yù)見，隨著計算機芯片容量的增加和 運算速度的加快，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能將得到很大的提高。

從總體上看我國電氣傳動的技術(shù)水平較國際先進水平差距10～15 年，就目前 而言，盡管變頻調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)在國內(nèi)比較活躍，但是市場上的絕大部分產(chǎn)品還 是被國外產(chǎn)品所占據(jù)[11]。1.3 研究背景和研究內(nèi)容（1）研究背景

隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的不斷提高，環(huán)保和能源問題日趨成為

人們爭論的主題。充分有效地利用能源已成為緊迫的問題，為了尋求高效可用的 能源，各個國家都投入了大量人力財力，進行不懈的努力。就目前而言，電能是 全世界消耗最多的能源之一，同時也是浪費最多的能源之一，為解決能源問題必 須先從電能著手，其中有代表性的就是電機的節(jié)能。

電機是一種將電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備，它的用途非常廣泛，在現(xiàn)代社會生 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計 活中隨處可見電機的身影，在發(fā)達(dá)國家中生產(chǎn)的總電能有一半以上是用于電機的 能量轉(zhuǎn)換，這些電機傳動系統(tǒng)當(dāng)中，80%左右的是交流異步電機[1]。在國內(nèi)，電機 的總裝機容量已達(dá)4 億千瓦，年耗電量達(dá)6000 億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的80%。并且使用中的電機絕大部分是中小型異步電機，加之設(shè)備的陳舊，管理、控制技 術(shù)跟不上，所浪費的電能甚多。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價格的影響，我國能源利用效率比發(fā)達(dá)國家低很多。為此，國家十五計劃中，在電機系統(tǒng)節(jié)能 方面投入的資金高達(dá)500 億元左右[12][13]。

在石油石化行業(yè)，石油鉆井中的鉆機，生產(chǎn)現(xiàn)場的抽油機、風(fēng)機、水泵、輸 油泵和泥漿泵等電機的運行都要消耗大量的電能，如何充分合理地利用電能顯得 非常重要。而采用變頻調(diào)速技術(shù)后，節(jié)能效果非常明顯。新疆克拉瑪依油田多處 輸油泵采用了變頻調(diào)速裝置，如采油三廠在輸油泵上應(yīng)用一臺變頻器，運行后效 果良好，經(jīng)儀表測試，采用變頻調(diào)速后，有功節(jié)電為65.73%，無功節(jié)電為78.79%，功率因數(shù)達(dá)到0.99。據(jù)實際運行統(tǒng)計，變頻調(diào)速輸油節(jié)電率為46.83%，316 天后 可收回全部投資。湖南岳陽長嶺煉油廠催化劑廠微球裝置高壓泵采用100kVA 變頻 器后，輸出功率由18.6kW 降至7.2kW，節(jié)電61.3%。廣東茂名石化將變頻器大量 應(yīng)用到生產(chǎn)過程中，減輕了工人的勞動強度并大量節(jié)約了電能，如糖醛生產(chǎn)線原

有12 臺泵，每天耗電8000kW.h，將其中9 臺采用變頻調(diào)速后，每天耗電只有 4000kW.h[14]。

由此可見，在我國，異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)有巨大的市場潛能，本課題的研 究也具有很強的現(xiàn)實意義。（2）研究內(nèi)容

本文完成三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計，具體包括以下內(nèi)容： 1）依據(jù)三相異步電動機脈寬調(diào)制與矢量控制原理，設(shè)計轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)矢 量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖。

2）用Matlab/Simulink 軟件對三相異步電動機矢量控制系統(tǒng)進行仿真研究。3）以TMS320LF2407A DSP 芯片為控制核心，對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行硬件設(shè)計。硬件設(shè)計主要包括：○1 三相交流整流濾波電路設(shè)計；○2 以智能功率模塊（IPM）PM25RSB-120 為核心的逆變電路設(shè)計；○3 泵升電路設(shè)計；○4 轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計； ○5 電流檢測電路設(shè)計；○6 顯示電路設(shè)計○7 DSP 與PC 機串行通信電路設(shè)計。4）用TMS320LF2407A 匯編語言編寫矢量控制變頻調(diào)速軟件。軟件內(nèi)容主要

包括：○1 光電編碼轉(zhuǎn)速檢測；○2 相電流檢測；○3 坐標(biāo)變換；○4 轉(zhuǎn)子磁鏈位置計算； ○5 電流、速度PI 調(diào)節(jié)；○6 電壓空間矢量SVPWM 波形生成。5）構(gòu)建變頻調(diào)速實驗裝置，對實驗裝置進行硬件和軟件調(diào)試。6）在實驗裝置上進行變頻調(diào)速實驗研究。

CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大學(xué)2008 屆碩士學(xué)位論文 2 三相異步電動機的脈寬調(diào)制和矢量控制技術(shù)

依據(jù)交流異步電動機工作原理，從定子側(cè)輸入的電磁功率m P 可以分成兩部分，一部分mech m P =(1? s)P 是拖動負(fù)載的有效功率，稱為機械功率；另外一部分s m P = sP 為傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率成正比[1]。異步電機轉(zhuǎn)速公式為：(1)(1)60 0 1 s n s p n = f ? = ?（2.1）

式（2.1）中，n 為異步電機轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速； 0 n 為同步轉(zhuǎn)速； 1 f 為異步電機定 子側(cè)輸入電源頻率； p 為異步電機極對數(shù)； s 為異步電機轉(zhuǎn)差率。

由式（2.1）可知，對異步電動機采用變頻調(diào)速可以使電動機的轉(zhuǎn)差功率保持 不變。變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種轉(zhuǎn)差功率不變的調(diào)速系統(tǒng)，因此它的調(diào)速范圍寬，在 高速和低速時效率都很高，采用較好的技術(shù)措施后能夠?qū)崿F(xiàn)高的動態(tài)性能。2.1 變頻調(diào)速的基本控制方式

在電動機調(diào)速時，常需考慮的一個重要因素就是希望保持電動機中每極磁通

量m Φ 為額定值不變。在交流異步電機中，磁通由定子和轉(zhuǎn)子磁動勢合成產(chǎn)生，三 相異步電動機定子每相電動勢的有效值是： 1 m E 4.44 f N k Φ g s Ns =（2.2）

式（2.2）中，g E 為氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢有效值； 1 f 為定子電源

頻率； s N 為定子繞組串聯(lián)匝數(shù)； Ns k 為定子基波繞組系數(shù)； m Φ 為每極氣隙磁通量。由式（2.2）可知，只要控制好g E 和1 f，就可以達(dá)到控制磁通m Φ 的目的。由

此可知，變頻系統(tǒng)實際上是變壓變頻（Variable Voltage Variable Frequency）系統(tǒng)的 簡稱，在改變電源頻率的同時，必須也要相應(yīng)地改變電源電壓。由于電機定子電 壓不能超過額定電壓，所以需要考慮基頻（額定頻率）以上和基頻以下兩種情況。（1）基頻以下調(diào)速

由（2.2）式可知，要保持m Φ 不變，當(dāng)頻率1 f 從額定值N f1 向下調(diào)節(jié)時，必須 同時降低g E，使得1 E f g 為常數(shù)，即采用電動勢頻率比為恒值的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的。當(dāng)電動勢值較高時，可以忽略定子繞組 的漏磁阻抗壓降，從而認(rèn)為定子相電壓s g U ≈ E，則可得1 U f s 為常數(shù)，這就是恒 壓頻比(即V/F)的控制方式。

然而在低頻時，s U 和g E 都較小，定子漏磁阻抗壓降所占的份量就比較明顯，不能忽略。這時，可以人為地把電壓s U 抬高一些，以便近似地補償定子壓降。帶 定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性如圖2.1 中的b 線所示，無補償?shù)目刂铺匦詣t CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計 6 為a 線所示。

mN Φ m Φ

圖2.1 恒壓頻比控制特性圖 2.2 異步電機變頻調(diào)速的控制特性

（2）基頻以上調(diào)速

在基頻以上調(diào)速時，頻率應(yīng)該從N f1 向上升高，但是定子電壓s U 卻不能超過額 定電壓UsN，最多只能保持s sN U =U，這將迫使磁通與頻率成比例地降低，相當(dāng)于 直流電動機弱磁升速的情況。

把基頻以下和基頻以上的兩種情況的控制特性畫在一起，如圖2.2 所示。如果 電動機在不同轉(zhuǎn)速時所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值，即都能在允許溫升下長 期運行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定 時轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”性質(zhì)。

從整體結(jié)構(gòu)上來看，電力電子變壓變頻器可以分成直—交、交—直—交和交

—交變頻器三大類型。其中，交—交變頻器由于輸入功率因數(shù)低、諧波電流含量 大、頻譜復(fù)雜等原因，主要應(yīng)用在大容量、低轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)中。交—直—交變 頻器在各種調(diào)速場合中應(yīng)用較為廣泛。

2.2 脈寬調(diào)制技術(shù)

脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）是變頻調(diào)速技術(shù)的核心技術(shù)之一，在各種應(yīng)用場合仍 占主導(dǎo)地位。由于PWM 可以同時實現(xiàn)變壓變頻的特點，所以在交流傳動乃至其 它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在應(yīng)用比較成熟的PWM 控制技術(shù)大致可以 分為正弦波PWM 法（SPWM）、消除指定次數(shù)諧波的PWM 法（SHEPWM）、電 流滯環(huán)跟蹤PWM 法（CHBPWM）和電壓空間矢量（也稱磁鏈追蹤）PWM 法（SVPWM）等四種。下面具體來介紹SPWM 技術(shù)和SVPWM 技術(shù)的基本原理。2.2.1 正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)

SPWM 法在傳統(tǒng)的交流變壓變頻脈寬調(diào)制技術(shù)得到了很好的應(yīng)用。它以正弦 波來調(diào)制等腰三角波，正弦波作為調(diào)制波，三角波為載波，從而獲得一系列等幅 不等寬的PWM 矩形波。按照面積等效原理[3]，這樣的PWM 波與期望的正弦波等 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University

西南石油大學(xué)2008 屆碩士學(xué)位論文 效。SPWM 控制技術(shù)有單極性控制和雙極性控制兩種方式。

在圖2.3 所示的單相橋式PWM 逆變電路中，四個全控型電力電子器件

VT1~VT4 的控制信號由PWM 控制器產(chǎn)生。在模擬電子電路中，PWM 控制器采 用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和比較器來實現(xiàn)上述SPWM 控制。在數(shù)字控制電 路中，PWM 控制器由硬件和軟件實現(xiàn)，通過“自然采樣法”和“規(guī)則采樣法” 等 采樣方式，控制電力電子器件的通斷時間，就可以方便地實現(xiàn)各種PWM 控制。圖2.3 單相橋式PWM 逆變電路

圖 2.4 為單相橋式PWM 逆變器的雙極性SPWM 波形，其中r u 為調(diào)制信號，c u 為載波信號。在調(diào)制信號與載波信號的交點處控制電力電子開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，使 得負(fù)載兩端的電壓uo在±Ud兩種狀態(tài)之間變化，通斷時間變化則脈沖寬度也隨之 變化，改變調(diào)制波的頻率，則負(fù)載兩端的電壓PWM 波形的頻率也跟著變化。圖2.4 單相橋式PWM 逆變器的雙極性SPWM 波形

三相橋式電路的SPWM 控制原理和單相電路是一樣的，它主要是從電源角 度出發(fā)，追求一個頻率和電壓可調(diào)、三相對稱的正弦波供電電源，但是在諧波抑 制和電源電壓利用率方面都不太理想。

電流滯環(huán)跟蹤PWM 法可使電動機的電壓數(shù)學(xué)模型改成電流模型，可使控制簡 單，動態(tài)響應(yīng)加快，還可以防止逆變器過電流，使交流電機獲得三相正弦電流，CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計 從而得到比電壓控制更好的調(diào)速性能[1]。

2.2.2 電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)

由于交流電機需要輸入三相正弦電流的最終目的是為了在電動機空間形成圓 形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。如果將逆變器和電動機看成一個整體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場的方式來控制逆變器的工作，則控制效果會更好。而磁鏈 的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以這種控制方法又叫做電壓空 間矢量法，即SVPWM 法[2]。SVPWM 方法有較高的直流電壓利用率以及較少的諧 波等優(yōu)點，下面具體講述SVPWM 的基本原理。

交流電動機繞組的空間位置如圖2.5所示，將電壓定義為空間矢量A0 u、B0 u 和

C0 u。定子電壓空間矢量A0 u、B0 u 和C0 u 的方向始終處于各相繞組的軸線上，而大 小則隨時間按正弦規(guī)律脈動，時間相位互相錯開的角度也是120°，因此由三相定

子電壓空間矢量相加合成的空間矢量S u（S A0 B0 C0 u = u + u + u）是一個旋轉(zhuǎn)的空間 矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的3/2 倍，旋轉(zhuǎn)的速度為電源角頻率1 ω。1 ω 2 d U 2 d U O' O 圖2.5 電壓空間矢量 圖2.6 三相電壓型逆變電路

電機轉(zhuǎn)速不是很低時，可近似忽略定子電阻壓降，則電壓空間矢量可表示為：)2(1 1 1 1(1)π ω ω ω ωψ ωψ ψ ψ + = = = = j t m j t m j t m S j e e dt d e dt u d（2.3）

式（2.3）中，m ψ 為磁鏈?zhǔn)噶喀?的幅值，該式表明，當(dāng)磁鏈幅值一定時，電壓 空間矢量的大小與供電電源的頻率成正比，其方向與磁鏈?zhǔn)噶空弧Ｋ裕姍C 旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題可以轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運動軌跡來求取。

圖2.6 是一個典型的三相電壓型逆變電路。利用該逆變電路的開關(guān)狀態(tài)的順

序組合以及開關(guān)時間的調(diào)整，以保證電壓空間矢量圓形運行軌跡為目標(biāo)，就可以 產(chǎn)生諧波較少且直流電源電壓利用較高的輸出。該圖中的VT1~VT6 是6 個功率開 關(guān)管，a、b、c 分別代表3 個橋臂的開關(guān)狀態(tài)。規(guī)定當(dāng)上橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時（為了保護功率器件，此時下橋臂開關(guān)管必然處于“關(guān)”狀態(tài)）開關(guān)狀態(tài)為1，當(dāng) 下橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時開關(guān)狀態(tài)為0。三個橋臂只有“1”或“0”兩種狀態(tài)，因此a、b、c 形成000、001、010、011、100、101、110、111 共8 種開關(guān)模式。CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大學(xué)2008 屆碩士學(xué)位論文 其中000和111開關(guān)模式使得逆變器輸出電壓為零，故稱這兩種開關(guān)模式為零狀態(tài)。可以推導(dǎo)出，三相逆變器輸出的相電壓矢量T A B C [U U U ] 與開關(guān)狀態(tài)矢量 [a b c]T的關(guān)系為： ? ? ? ? ?

? ? ? ?

? ???? ? ?

? ?

? ? ? ? ? ? ? ? = ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? c b a U U U U d C B A 1 1 2 1 2 1 2 1 1 3 1（2.4）

式（2.4）中，d U 為直流側(cè)電源電壓。

表2.1 列出了8 種開關(guān)狀態(tài)與電壓及電壓矢量的關(guān)系，用表中的八組相電壓 矢量相加計算S u，則可以分別求出其電壓矢量S u 的幅值與相位角。表 2.1 開關(guān)狀態(tài)與電壓及電壓矢量關(guān)系對應(yīng)表 a b c A U B U C U AB U BC U CA U α U β U 矢量 符號

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 000 0 1 0 0 d U 3 2d U 3 1 d U 0d U 3 2 0 d Ud U 3 1 d U 3 2d U d U 0d U 3 2 d U 3 d U 3 1d U 3 2 0 180 U 0 0 1d U 3 1 d U 3 2 0d U 6 1d U 3 2 d U 3 1 d Ud U 2 1 300 U 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 111 0 表2.1 中八個矢量就稱為基本電壓空間矢量，依據(jù)其相位角的特點依次命名

為000 0、0 U、60 U、120 U、180 U、240 U、300 U 和111 0。其中000 0 和111 0 稱為零矢量。

圖2.7 給出了八個基本電壓空間矢量的大小和位置，六個非零矢量組成一個正六 邊形，兩個零矢量坐落在正六邊形的中心。為了討論方便，可以把逆變器的一個

工作周期用六個非零矢量劃分成6 個區(qū)域，稱為扇區(qū)（Sector），在圖2.7 中用1~6 來表示，每個扇區(qū)對應(yīng)的時間都是π 3。

表2.1 中的線電壓和相電壓都是在圖2.5 中所示的三相ABC 坐標(biāo)系中所得到 的，在DSP中進行程序計算時，為了計算方便，需要將其轉(zhuǎn)換到Oαβ 兩相直角坐 標(biāo)系中。依據(jù)在每個坐標(biāo)系下電動機的總功率不變的轉(zhuǎn)換原則，將三相ABC 坐標(biāo) CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計 系中的相電壓轉(zhuǎn)換到Oαβ 直角坐標(biāo)系中去，其轉(zhuǎn)換結(jié)果見表2.1中的α U 和β U 項。α β(110)60 U(100)0 U(010)120 U(011)180 U(001)240 U(101)300 U 圖2.7 基本電壓空間矢量圖

由式（2.3）可知電壓空間矢量的方向與磁鏈?zhǔn)噶空唬刂沛湀A的切線方 向，如圖2.8 所示，這是希望得到的理想圓形磁場磁鏈?zhǔn)噶亢碗妷嚎臻g矢量。而 如果逆變器在一個周期內(nèi)只輸出圖2.7 中所示八個基本電壓空間矢量時，顯然定 子磁鏈?zhǔn)噶縎 ψ 的矢端的運動軌跡是一個正六邊形，電機定子的旋轉(zhuǎn)磁場就是一個 正六邊形磁場而不是希望的圓形磁場。為了得到圓形磁場，一種方法就是用正多 邊形磁場去逼近圓形磁場，顯然正多邊形的邊數(shù)越多近似程度就越好。

由于通過增加電力電子器件的數(shù)量來增加開關(guān)狀態(tài)的做法不可取，所以非零

電壓空間矢量的數(shù)量還是只有六個。想獲得盡可能多的多邊形旋轉(zhuǎn)磁場就必須有 更多逆變器開關(guān)狀態(tài)，可以通過非零電壓空間矢量的線性組合來得到更多的開關(guān)

狀態(tài)。圖2.9 中，1 U 和2 U 代表相鄰的兩個基本電壓空間矢量，S U 是輸出的參考 相電壓矢量，其幅值代表相電壓的幅值，其旋轉(zhuǎn)的角速度1 ω 就是輸出正弦電壓的 角頻率。S U 可由1 U 和2 U 的線性組合來表示，它等于1 0 t T 倍1 U 和2 0 t T 倍2 U 的矢

量和，其中1 t 和2 t 分別是1 U 和2 U 矢量作用的時間，0 T 是一個換相周期。S ψ 1 ω S u S u S u S u o 1 u 2 u 600 θ S u 1 0 u T t 2 0 2 u T t cosθ S u sinθ S u 圖2.8 旋轉(zhuǎn)磁場和電壓空間矢量的運動軌跡 圖2.9 電壓空間矢量的線性組合 按照這種方式，在下一個0 T 期間，仍然用1 U 和2 U 的線性組合，但是作用時間 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大學(xué)2008 屆碩士學(xué)位論文 11 改為' 1t 和' 2 t，但是它們必須保證新合成的電壓空間矢量' S U 和原來的電壓空間矢量

S U 的幅值相等。如此下去，在每一個扇區(qū)的每一個0 T 期間內(nèi)，都改變相鄰基本矢 量作用的時間，當(dāng)0 T 取到足夠小時，電壓空間矢量的軌跡就是一個近似圓形的正 多邊形，定子磁鏈?zhǔn)噶渴付塑壽E也就是一個近似的圓形了。

這樣，就可以用電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)來控制三相異步電機的運行，采 用SVPWM 控制時，逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，這比一般的 SPWM 逆變器輸出電壓提高了15%[2]。

2.3 矢量控制技術(shù)

基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑 調(diào)速，但是遇到動態(tài)性能要求高的場合就不能滿足技術(shù)指標(biāo)了。異步電機是一個 多變量（多輸入多輸出）系統(tǒng)，而電壓、電流、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又互相都 有影響，所以是強耦合的多變量系統(tǒng)，要簡化其數(shù)學(xué)模型須從簡化磁鏈關(guān)系入手。直流電機的主磁通基本上唯一地由勵磁繞組的勵磁電流決定，這是直流電機 的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。如果能將交流電機的物理模型（見 圖2.10）等效地變換成類似直流電機的模式，分析和控制就可以大大簡化。2.3.1 矢量控制原理

任意多相繞組通以多相平衡的電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場[1]。交流電機三相對稱 的靜止繞組 A、B、C 通以三相平衡的正弦電流時，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn) 磁動勢FS，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速ω

1（即電流的角頻率）順著 A-B-C 的相序旋轉(zhuǎn)，如圖2.10 中的a 圖所示。圖2.10 的b 圖中繪出了兩相靜止繞組α 和 β，它們在空間互差90°，通以時間上互差90°的兩相平衡交流電流，也產(chǎn)生旋 轉(zhuǎn)磁動勢FS。當(dāng)圖a 和圖b 的兩個旋轉(zhuǎn)磁動勢大小和轉(zhuǎn)速都相等時，即認(rèn)為圖b 的兩相繞組與圖a 的三相繞組等效。o A B

C FS a i c i b i 1 ω o FS α β α i β i 1 ω d q O sm i st i a)b)c)FS 1 ω

圖2.10 等效的交流電動機繞組和直流電動機繞組物理模型圖 a)三相交流繞組 b)兩相交流繞組 c)兩相旋轉(zhuǎn)繞組（旋轉(zhuǎn)的直流繞組）CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計 圖2.10 的c 圖中有兩個匝數(shù)相等且互相垂直的繞組 d 和q，其中分別通以直

流電流 ism 和ist，產(chǎn)生合成磁動勢FS，其位置相對于繞組來說是固定的。如果讓 包含兩個繞組在內(nèi)的整個鐵心以同步轉(zhuǎn)速ω 1 旋轉(zhuǎn)，則磁動勢FS 自然也隨之旋轉(zhuǎn)起

來，成為旋轉(zhuǎn)磁動勢。把這個旋轉(zhuǎn)磁動勢的大小和轉(zhuǎn)速也控制成與圖a 和圖b 中 的磁動勢一樣，那么這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效 了。當(dāng)觀察者也站到鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時，在觀察者看來d 和q 就是兩個通 以直流而相互垂直的靜止繞組。如果控制磁通的位置在d 軸上，就和直流電機物 理模型沒有本質(zhì)上的區(qū)別了，繞組d 相當(dāng)于勵磁繞組，繞組q 相當(dāng)于電樞繞組。矢量控制也叫磁場定向控制，在磁場定向坐標(biāo)系上，將電流矢量分解成產(chǎn)生

磁通的勵磁電流分量ism 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量ist，并使兩分量互相垂直，彼 此獨立，然后分別進行調(diào)節(jié)。這樣，交流電動機的控制，從原理和特性上就與直 流電動機相似了，這就是矢量控制的核心思想。2.3.2 坐標(biāo)變換及變換矩陣

矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實現(xiàn)仍然是落實到對定子

電流（交流量）的控制上。由于在定子側(cè)的各物理量（電壓、電流、電動勢、磁 動勢）都是交流量，其空間矢量在空間上以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)、控制和計算均 不方便。因此，需借助于坐標(biāo)變換，使各物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)系，站在同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系上觀察，電動機上的各空間矢量都變成了靜止矢量，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上空間矢量就都變成了直流量。可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式，找到轉(zhuǎn)矩 和被控矢量的各分量之間的關(guān)系，實時地計算出轉(zhuǎn)矩控制所需的被控矢量的各分 量值（直流給定量）。按這些給定量實時控制，就能達(dá)到直流電動機的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的、虛構(gòu)的，因此，還必須再經(jīng)過坐

標(biāo)的逆變換過程，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到靜止坐標(biāo)系，把上述直流給定量變換成實際 的交流給定量，在三相定子坐標(biāo)系上對交流量進行控制，使其實際值等于給定值。矢量控制中所用的坐標(biāo)系有兩種，一種是靜止坐標(biāo)系，一種是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。下面具體來講述矢量控制中的坐標(biāo)變換。（1）Clarke（3/2）變換

Clarke 變換是三相靜止繞組A、B、C 和兩相靜止繞組α、β 之間的變換，或 稱三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC 和兩相靜止坐標(biāo)系oαβ 之間的變換，簡稱 3/2 變換。設(shè)三相繞組軸線設(shè)定如圖2.11 示，A 相繞組軸線與α 相繞組軸線重合，都是

靜止坐標(biāo)系。它們分別對應(yīng)的交流電流為a i、b i、c i 和α i、β i。采用磁動勢分布和

功率不變的絕對變換，三相交流電流在空間產(chǎn)生的磁動勢與兩相交流電流產(chǎn)生的 磁動勢相等，都為FS。采用正交變換矩陣，則其正變換公式為： CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大學(xué)2008 屆碩士學(xué)位論文 13 ? ? ? ? ????

? ?

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? ? ? ? ? ? ? ? ? = ?? ? ?? ? C B A β 2 3 2

0 3 2 1 2 1 1 3 2 i i i i iα（2.5）

其逆變換(Clarke-1，也稱2/3變換)公式為： ?? ? ??

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? ? ? ? ? ? ?

?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = ?

? ? ? ? ?

? ? ? ? ? β α i i i i i C B A 2 3 2 2 3 2 1 1 0 3 2（2.6）

（2）Park（2s/2r）變換

由兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換稱為Park 變換。oαβ 為靜止坐標(biāo) 系，odq 為以任意角速度1 ω 旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。oαβ 靜止坐標(biāo)系變換為odq 旋轉(zhuǎn)坐

標(biāo)系時，坐標(biāo)軸的設(shè)定如圖2.12 所示，圖中? 為α 軸與d 軸之間的夾角。d、q 繞 組在空間垂直放置，且分別加上直流id 和iq，并讓odq 坐標(biāo)以同步轉(zhuǎn)速1 ω 旋轉(zhuǎn)，則其產(chǎn)生的磁動勢與oαβ 坐標(biāo)系下的磁動勢等效。d 軸和α 軸的夾角? 是一個變 量，隨負(fù)載、轉(zhuǎn)速等變化而變化，在不同的時刻有不同的值。600 600 α β α i a i β i c i b i ? 1 ω α β α i β i d i q i ? cos? d i sin? d i

sin? q i cos? q i

圖2.11 三相靜止繞組 圖2.12 兩相靜止繞組

與兩相靜止繞組的坐標(biāo)關(guān)系 和兩相旋轉(zhuǎn)繞組的坐標(biāo)關(guān)系 Park 變換可以寫成矩陣形式，其公式如下： ?? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?

= ?? ? ?? ? β α q d sin cos cos sin i i i i ? ? ? ?

（2.7）

Park逆變換（Park-1，也稱2r/2s 變換）的公式如下： ?? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?

= ?? ?

?? ? β q α sin cos cos sin i i i i d ? ? ? ?（2.8）

電壓和磁鏈的Clarke 和Park 變換矩陣也和電流（磁動勢）的旋轉(zhuǎn)變換矩陣一 樣。經(jīng)過坐標(biāo)變換后，三相異步電動機的數(shù)學(xué)模型就可以大大簡化，為實現(xiàn)電動 機的精確矢量控制提供了條件。

CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計 3 三相異步電動機矢量控制系統(tǒng)Simulink 仿真

通過上一章對三相異步電動機矢量控制調(diào)速原理的分析，可以建立一個完整 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3.1 所示，圖中為一個 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)。ASR ATR AΨR 2r/2s park ?1 * st i * sβ i 2/3 * sA i * sm i clarke?1 M FBS * sα i *

sB i * sC i ω ω* ω +T-PI PI 三相 逆變橋

M，T M，T a,b,c VDC smref i stref i smref v stref v s ref v α s ref v β st i sm i sα i sβ i cm θ a i b i ref n

park α ,β α ,β

n n 圖5.1 DSP 實現(xiàn)異步電機矢量控制結(jié)構(gòu)框圖

在圖 5.1 中，通過電流傳感器測量IPM 輸出的定子電流a i 和b i，經(jīng)過DSP 的

A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量，并利用()c a b i = ? i + i 計算出c i。經(jīng)過Clarke 變換和 Park 變換后，三相電流a i、b i 和c i 變成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流分量sm i 和st i，sm i 和st i 作為電流環(huán)的負(fù)反饋量。通過2048 線的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器測量電動機的機 械轉(zhuǎn)角位移并將其轉(zhuǎn)換成電動機轉(zhuǎn)速n。利用轉(zhuǎn)子磁鏈位置計算模塊算出轉(zhuǎn)子磁鏈 位置，用于參與Park 變換和Park 逆變換的計算。給定轉(zhuǎn)速ref n 與轉(zhuǎn)速反饋量n 的 偏差經(jīng)過速度PI 調(diào)節(jié)器，其輸出作為用于轉(zhuǎn)矩控制的電流T 軸參考分量stref i。stref i 和smref i 與其反饋量st i 和sm i 的偏差經(jīng)過電流PI 調(diào)節(jié)器后，分別輸出OMT 坐標(biāo)系下 的相電壓分量stref v 和smref v，stref v 和smref v 再通過Park逆變換轉(zhuǎn)換成oαβ 坐標(biāo)系下的

定子相電壓矢量分量s ref v α 和s ref v β。當(dāng)定子相電壓矢量分量s ref v α、s ref v β 和其所在的

扇區(qū)號已知時，就可以利用2.2.2 節(jié)所講述的電壓空間矢量SVPWM 原理來產(chǎn)生 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計

PWM 信號去控制逆變器的運行。

圖5.2 矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)主程序流程圖

本設(shè)計中，主程序模塊主要包括系統(tǒng)初始化和 DSP 與PC 機通信兩部分。其 中初始化部分包括系統(tǒng)配置初始化、中斷初始化、各個矢量控制算法模塊的初始 化、各個控制寄存器置初值、運算過程中使用的各個變量分配地址和設(shè)置相應(yīng)的 初值等。主程序完成的工作相對較少，其程序流程圖如圖5.2 所示，當(dāng)開啟定時

器中斷后，主程序就負(fù)責(zé)循環(huán)讀取PC 機傳送過來的轉(zhuǎn)速（或頻率）和磁通給定量，在循環(huán)的過程中等待中斷。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，程序禁止PWM 口輸出SVPWM 波，同時將故障情況通過串口傳送給PC 機顯示出來。

TMS320LF2407A DSP 除了可以通過硬件中斷源來引發(fā)中斷，還可以通過軟件 來實現(xiàn)中斷。中斷可分為不可屏蔽中斷和可屏蔽中斷，對于不可屏蔽中斷，一旦 有中斷請求，CPU 立即響應(yīng)。中斷子程序的多數(shù)中斷都是可屏蔽中斷[2]。TMS320LF2407A DSP 的可屏蔽中斷結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它采用CPU 中斷和外設(shè) CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大學(xué)2008 屆碩士學(xué)位論文

中斷兩級中斷結(jié)構(gòu)。它有6 個CPU 中斷源（INT1~INT6），這些CPU 中斷源作為 頂層中斷，還有38 個外設(shè)中斷源，它們作為底層中斷。實際上外設(shè)中斷才是真正 的中斷源，它們必須通過頂層中斷向CPU 發(fā)出中斷申請，即通過6 個CPU 中斷來 擴展38 個外設(shè)中斷，幾個外設(shè)中斷共用一個CPU 中斷作為中斷入口。當(dāng)這幾個 外設(shè)中的某幾個中斷源同時產(chǎn)生中斷申請時，它們中優(yōu)先級最高的獲得CPU 中斷 的響應(yīng)，硬件自動地轉(zhuǎn)向這個CPU 中斷入口地址（中斷向量地址），同時將這個

第三篇：異步電動機調(diào)速論文

摘要：通過遠(yuǎn)端計算機控制變頻器來使電動機變頻調(diào)速

Abstract：through Remote terminal to control the inverter to change the frequency control of motor speed

關(guān)鍵詞：電動機，變頻器，變頻調(diào)速，遠(yuǎn)程控制

Key words:motor,inverter,frequency control，remote contorl

目前交流異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床風(fēng)機，泵類，電梯，空調(diào)等一系列民用，工用設(shè)備的電力源和動力源，并起到了節(jié)能省電，提高設(shè)備自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善生活水平的良好效果。三相異步電動的原理

右圖是電動機的基本結(jié)構(gòu):

三相異步電動機的兩個最基本組成部分分為定子（固定部分）和轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)部分）。其中電動機之所以能夠轉(zhuǎn)動，很重要的原因是因為電機在通三相交流電的時候，定子上會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)地磁場。當(dāng)磁場與導(dǎo)體發(fā)生相對運動的時候，鼠籠式導(dǎo)體切割磁力線而在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。感應(yīng)電流又使導(dǎo)體受到一個電磁力的作用，于是導(dǎo)體就沿磁鐵的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動起來，這就是電動機的基本原理，且旋轉(zhuǎn)的磁場和閉合的轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)速不同，這也是異步的含義。如何讓電動機反轉(zhuǎn)：

閉合的轉(zhuǎn)子是跟著磁場旋轉(zhuǎn)地方向運動的，要使電動機反轉(zhuǎn)，可以改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向。旋轉(zhuǎn)磁場的方向是由定子中三相繞組中電流相序決定的，若想改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向，只要改變通入定子繞組的電流相序，即將三根電源線中的任意兩根對調(diào)即可。這時，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也跟著改變，這時，電動機就處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)。另外，電動機的轉(zhuǎn)速n=

60f，其中f表示輸入的三相電的頻率，p表示電動機的p極數(shù)。所以我們可以通過控制頻率來達(dá)到控制電動機轉(zhuǎn)速的目的。

變頻器的原理：

下圖為交-直-交變頻器的簡易主電路，它先把從電網(wǎng)上接進來的頻率和電壓都固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率，電壓都可連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。

在圖中的整流部分是由二極管構(gòu)成的橋式電路，他的輸出電壓的平均值Ud不變，如果要是Ud連續(xù)并且可調(diào)，則可使用晶閘管代替二極管來控制起關(guān)斷。整流之后，是濾波，濾波電路可分為電容濾波和電感濾波。如果用電容濾波就構(gòu)成電壓源變頻器，如果是電感濾波則構(gòu)成電流濾波器。

當(dāng)然，想要控制電動機，逆變出來的電壓才是控制的關(guān)鍵。通過改變開關(guān)的狀態(tài)，可以逆變出不同頻率和電壓的交流電，從而控制電動機的變頻調(diào)速。

變頻調(diào)速原理：

在異步電動機調(diào)速時，總希望保持主磁通φm為額定值，有異步電動機定子每相電動勢有效值Es?4.44f1N1KΦm可知，如果略去定子阻抗下降，有 Us?Es?4.44f1N1KΦm

(1)有上式可知，若定子端電壓不變，隨著f1升高，φm將減小，如果在電流相同的情況下，φm減小會導(dǎo)致電動機輸出轉(zhuǎn)矩下降，嚴(yán)重時會是電動機堵轉(zhuǎn)。因此，在變頻器調(diào)速過程中應(yīng)該同時改變定子電壓和頻率，以保持磁通不變。實驗所用的是通用變頻器，是變壓變頻（VVVF）裝置。調(diào)節(jié)頻率的時候電動機的電壓也會變化。電動機額定電壓對應(yīng)的是基頻，在基頻下進行調(diào)速時，電壓與頻率滿足電動機的V/F曲線，有恒轉(zhuǎn)矩和恒定壓比調(diào)速，如圖1。但是在基頻以上是，由于電壓將不會再上升，屬于恒功率調(diào)速，如下圖。

電機變頻遠(yuǎn)程控制：

在自動化的工業(yè)生產(chǎn)中，變頻控制往往與計算機遠(yuǎn)程控制相聯(lián)系在一起，從而實現(xiàn)電機的遠(yuǎn)程變頻控制。對三相異步電動機的遠(yuǎn)程變頻控制有2種方案：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。

在控制理論中，定義能夠自動追蹤，將輸出信號的一部分反饋回輸入端，進行自動有差調(diào)節(jié)的控叫做閉環(huán)控制；輸出與輸入無反饋關(guān)系，即不能進行自動調(diào)整的控制方式叫做開環(huán)控制。

在開環(huán)控制中，通過計算機的串行口發(fā)出指令，經(jīng)過D/A（數(shù)字信號模擬信號轉(zhuǎn)換器）信號轉(zhuǎn)換，將計算機的指令送入變頻器，從而控制電機。在閉環(huán)控制中，通過計算機的串行口發(fā)出指令，經(jīng)過D/A 信號轉(zhuǎn)換，將計算機的指令送入變頻器，帶動電機，同時利用速度傳感器將電機的轉(zhuǎn)速通過A/D（模擬信號數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換，反饋給輸入端，計算機將電機的實際運行轉(zhuǎn)速與發(fā)出指令應(yīng)達(dá)到的轉(zhuǎn)速相比較，實現(xiàn)有差調(diào)節(jié)，從而達(dá)到電機轉(zhuǎn)速的精確控制。

在電機的變頻遠(yuǎn)程控制中，無論是采用開環(huán)控制還是采用閉環(huán)控制，都存在利用計算機的串口發(fā)送數(shù)據(jù)的問題。發(fā)送數(shù)據(jù)時可以握手，也可以沒有握手，握手可以是硬件握手，也可以是軟件握手。如果不使用握手，則接收器必須能在發(fā)送器發(fā)送下一個數(shù)據(jù)之前讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)30 6。接收器可以緩沖接收到的字符，在該字符被讀取之前將它保存在一個特殊的地址里。通常，這可能只保留單個字符。如果在下一個字符到來時，這個緩存沒有被清空，則緩存內(nèi)以前的任何字符都會被覆蓋，下圖顯示了這樣的一個例子。

在這個例子里，接收器成功地讀取了緩沖區(qū)的2個字符，但是當(dāng)?shù)? 個字符來到的時候它還沒有讀取第3個字符，這樣第4 個字符就覆蓋了第3個字符。如果發(fā)生這種情況則必須采取一定的握手措施，在接收器讀取數(shù)據(jù)之前讓發(fā)送器停止發(fā)送數(shù)據(jù)。硬件握手由發(fā)送器向接收器詢問是否準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。如果接收緩存是空的，則接收器通知發(fā)送器可以發(fā)送。數(shù)據(jù)一旦到達(dá)接收緩存，接收器立即通知發(fā)送器停止發(fā)送，直到緩存中的數(shù)據(jù)被取走。用于這一目的幾個硬件信號包括：

(1）CTS 清除發(fā)送（CLEAR TO SEND）；(2)RTS 準(zhǔn)備接收（TEADY TO SEND）；

(3)DTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好（DATA TERMINAL READY）；(4)DSR數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好（DATA SET READY）。

軟件握手使用特定的控制字符。即DC-1~ DC-4控制字符。

結(jié)語：

交流變頻調(diào)速具有系統(tǒng)體積小，重量輕、控制精度高、保護功能完善、工作安全可靠、操作過程簡單，通用性強，使傳動控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的性能，同時節(jié)能效果明顯，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益顯著。尤其當(dāng)與計算機通信相配合時，使得變頻控制更加安全可靠，易于操作（由于計算機控制程序具有良好的人機交互功能），變頻技術(shù)必將在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮巨大的作用，讓工業(yè)自動化程度得到更大的提高

參考文獻：

[1]張劍杰，王樹林.三相異步電動機變頻調(diào)速的實現(xiàn) 2004.01 [2]肖朋生.張文.王建輝.變頻器及其控制技術(shù) 機械工業(yè)出版社 2008.2

第四篇：關(guān)于三相異步電動機調(diào)速與制動問題的研究

網(wǎng)絡(luò)高等教育

專

科

生

畢

業(yè)

大

作

業(yè)

題

目：關(guān)于三相異步電動機調(diào)速與制動問題的研究

學(xué)習(xí)中心： 浙江電大奧鵬學(xué)習(xí)中心

層 次： 高中起點專科 專 業(yè)： 電力系統(tǒng)自動化技術(shù)

年 級： 2010年秋 季 學(xué) 號： 201011852184 學(xué) 生： 胡天飛 指導(dǎo)教師： 王 凱

完成日期： 2012年08月30日

大連理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)高等教育畢業(yè)大作業(yè)模板

內(nèi)容摘要

目前，電力拖動是各行業(yè)生產(chǎn)機械的主要拖動形式；因此，三相異步電動機已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)和日常生活等領(lǐng)域。隨著生產(chǎn)機械的不斷更新和發(fā)展，對電動機的調(diào)速性能與制動問題要求越來越高。三相異步電動機由于三相異步電動機因其成本低，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高和維護少等優(yōu)點在各種工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，但其調(diào)速性能和制動性能都不如直流電動機，因此如何改進異步電動機的調(diào)速性能和制動問題，以提高調(diào)速性能和制動問題，就顯得特別重要。本篇文章通過對鼠籠式三相異步電動機工作過程的分析，著重討論了三相異步電動機 的調(diào)速和制動性能，介紹了三相異步電動機常用的調(diào)速和制動方法。

關(guān)鍵詞：三相異步電動機；調(diào)速；制動

I

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目 錄

內(nèi)容摘要...........................................................................................................................I 引 言..............................................................1 第1章 三相異步電動機工作原理.......................................2 第2章 三相異步電動機的調(diào)速方法.....................................4 2.1繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速..................錯誤！未定義書簽。2.2液力耦合器調(diào)速..............................錯誤！未定義書簽。2.3變極對數(shù)調(diào)速................................錯誤！未定義書簽。2.4串級凋速....................................錯誤！未定義書簽。2.5電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速..........................錯誤！未定義書簽。2.6改變定子電壓調(diào)速............................錯誤！未定義書簽。2.7變頻調(diào)速....................................錯誤！未定義書簽。第3章 三相異步電動機的制動方法.....................................5 3.l 反接制動.....................................................5 3.2發(fā)電機制動..................................錯誤！未定義書簽。3.3能耗制動....................................錯誤！未定義書簽。第4章 結(jié)語........................................錯誤！未定義書簽。

II

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引

言

三相異步電機主要用作電動機，拖動各種生產(chǎn)機械。三相異步電動機的調(diào)速方法有變極調(diào)速，變頻調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。其中變轉(zhuǎn)差串調(diào)速包括繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速、串級調(diào)速和降壓調(diào)速。三相異步電動機有三種削動狀態(tài)：能耗制動、反接制動(電源兩相反接和倒拉反轉(zhuǎn))和回饋這三種制動狀態(tài)的機械特性曲線、能量轉(zhuǎn)換關(guān)系及用途．特點等均與直流電動機制動狀態(tài)。本文主要針對變頻調(diào)速及能耗制動作出了詳細(xì)研究。

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第1章 三相異步電動機工作原理

當(dāng)電動機的三相定子繞組（各相差120度電角度），通入三相對稱交流電后，將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流（轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路），載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn)生電磁力，從而在電機轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，并且電機旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。當(dāng)導(dǎo)體在磁場內(nèi)切割磁力線時，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，“感應(yīng)電機”的名稱由此而來。感應(yīng)電流和磁場的聯(lián)合作用向電機轉(zhuǎn)子施加驅(qū)動力。我們讓閉合線圈ABCD在磁場B內(nèi)圍繞軸xy旋轉(zhuǎn)。如果沿順時針方向轉(zhuǎn)動磁場，閉合線圈經(jīng)受可變磁通量，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該電動勢會產(chǎn)生感應(yīng)電流(法拉第定律)。根據(jù)楞次定律，電流的方向為:感應(yīng)電流產(chǎn)生的效果總是要阻礙引起感應(yīng)電流的原因。因此，每個導(dǎo)體承受相對于感應(yīng)磁場的運動方向相反的洛侖茲力F。確定侮個導(dǎo)體力F方向的一個簡單的方法是采用右手三手指定則(磁場對電流作用將拇指置于感應(yīng)磁場的方向，食指為力的方向。將中指置于感應(yīng)電流的方向。這樣一來，閉合線圈承受一定的轉(zhuǎn)矩，從而沿與感應(yīng)子磁場相同方向旋轉(zhuǎn)，該磁場稱為旋轉(zhuǎn)磁場。閉合線圈旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的電動轉(zhuǎn)矩平衡了負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生:三組繞組問彼此相差120度，每一組繞組都由三相交流電源中的一相供電.繞組與具有相同電相位移的交流電流相互交叉，每組產(chǎn)生一個交流正弦波磁場。此磁場總是沿相同的軸，當(dāng)繞組的電流位于峰值時，磁場也位于峰值。每組繞組產(chǎn)生的磁場是兩個磁場以相反方向旋轉(zhuǎn)的結(jié)果，這兩個磁場值都是恒定的，相當(dāng)于峰值磁場的一半。此磁場.在供電期內(nèi)完成旋轉(zhuǎn)。其速度取決于電源頻率(f)和磁極對數(shù)(P)。這稱作“同步轉(zhuǎn)速”轉(zhuǎn)差率只有當(dāng)閉合線圈有感應(yīng)電流時，才存在驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩由閉合線圈的電流確定，且只有當(dāng)環(huán)內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時才存在。因此，閉合線圈和旋轉(zhuǎn)磁場之間必須有速度差。因而，遵照上述原理工作的電機被稱作“異步電機”。同步轉(zhuǎn)速(ns)和閉合線圈速度(n)之問的差值稱作“轉(zhuǎn)差”，用同步轉(zhuǎn)速的百分比表示。運行過程中，轉(zhuǎn)子電流頻率為電源頻率乘以轉(zhuǎn)差率。當(dāng)電動機起動時，轉(zhuǎn)子電流頻率處于最大值，等于定子電流頻率。轉(zhuǎn)子電流頻率隨著電機轉(zhuǎn)速的增加而逐步降低。處于恒穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)差率與電機負(fù)載有關(guān)系。它受電源電壓的影響，如果負(fù)載較低，則轉(zhuǎn)差率較小，如果電機供電電壓低于額定值，則轉(zhuǎn)差率增大。同步轉(zhuǎn)速 三相異步電動機的同步轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，與定子的對數(shù)成反比。

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實際上，即使電壓.正確無誤，如果供電頻率高于異步電機的額定頻率，一也未必能夠提高電機轉(zhuǎn)速。必須首先確定其機械和電氣容量。由于存在轉(zhuǎn)差率，帶負(fù)載的異步電機的轉(zhuǎn)速稍稍低于表格中給出的同步轉(zhuǎn)速。改變電動機的旋轉(zhuǎn)方向,改變電源的相序即可實現(xiàn),即交換通入到電機的三相電壓接到電機端子中任意兩相就行.完整論文加QQ:1479352057

第2章 三相異步電動機的調(diào)速方法

在電力拖動調(diào)速系統(tǒng)中，特別是在寬調(diào)速和快速可逆拖動系統(tǒng)中，多采用直流電動機拖動，其原因是直流電動機具有良好的調(diào)速性能。但是，直流電動機存在價格高、維護困難、需要專門的直流電源等一系列缺點。相比之下，交流電動機具有價格低、遠(yuǎn)行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，因此在各個應(yīng)用領(lǐng)域都希望盡可能采用交流電動機拖動。近年來，由于電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，使得交流調(diào)速技術(shù)II益成熟，交流調(diào)運裝置的容量不斷擴大，性能不斷提高，使得交流調(diào)速已顯示出逐步取代直流調(diào)速的趨勢。下面就三相異步電動機的幾種調(diào)速方法做了一一介紹。

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第3章 三相異步電動機的制動方法

和直流電動機一樣，異步電動機在拖動生產(chǎn)機械時也有制動要求，如起重機把重物下降時，電氣機車下坡時就需要制動。所謂制動是指電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反。具體來說，異步電動機的制動方法主要有以下三種方法。

3.l 反接制動

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參考文獻

[1]何秀偉.電機測試技術(shù).北京:機械工業(yè)出版社，1988 [2]崔淑梅，鄭萍，朱春波.多功能實用電機測試線路.微電機，1995(4)[3]姚立海，姚立敏，黃進.基于DAQ的電機測試系統(tǒng).電測與儀表，1997(4)[4]陳伯時編，電力拖動自動控制系統(tǒng)，北京，機械工業(yè)出版社，[5]滿木李編，電機原理及驅(qū)動，北京，潔華出版社，1997.2000.6

第五篇：淺談三相異步電動機調(diào)速與制動問1

淺談三相異步電動機調(diào)速與制動問題

【摘要】：當(dāng)前,三相異步電動機由于其成本低,結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠性高和維護方便等優(yōu)點，在各種工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。但其調(diào)速性能和制動性能都不能和直流電動機相比，因此如何改進異步電動機的調(diào)速性能和制動問題，以提高調(diào)速性能和制動問題，就顯得特別重要。本文主要對三相異步電動機調(diào)速與制動方法作了簡單介紹，并針對不同場合適用的電機做出了說明。【關(guān)鍵詞】：調(diào)速 旋轉(zhuǎn)磁場 反接制動 一、三相異步電動機調(diào)速

60f1根據(jù)三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式：n= n1(1-s)=p(1-s)，可得交流電動機的三種調(diào)速的方法：（1）改變供電頻率f1；（2）改變電動機的磁極對數(shù)p;（3）改變轉(zhuǎn)差率s。從調(diào)速的本質(zhì)來看,不同的調(diào)速方式無非是改變交流電動機的同步轉(zhuǎn)速n1或不改變同步轉(zhuǎn)速n1兩種

具體來講,三相異步電動機的調(diào)速主要有以下幾種方法:

（一）改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法有：改變轉(zhuǎn)子回路電阻調(diào)速，改變電源電壓調(diào)速等。1.改變轉(zhuǎn)子回路電阻

改變繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子電路（在轉(zhuǎn)子回路中接入一變阻器），使電動機的轉(zhuǎn)差率加大，電動機在較低的轉(zhuǎn)速下運行。接入的電阻越大，電動機的轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，損耗較大，屬于有級調(diào)速，調(diào)速范圍有限，機械特性較軟。主要應(yīng)用于小型電動機調(diào)速中（例如起重機的提升設(shè)備）。2.改變定子電壓調(diào)速方法

當(dāng)異步電動機定子與轉(zhuǎn)子回路的參數(shù)為恒定時，在一定的轉(zhuǎn)差率下，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與加在其定子繞組上電壓的平方（即輸入電壓）成正比，因此，改變電動機的

定子電壓就可改變其機械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電動機在一定輸出轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。由于電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動機難以應(yīng)用。為了擴大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動機，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。調(diào)壓調(diào)速的特點是：調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實現(xiàn)自動控制；調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)一般適用于100KW以下的生產(chǎn)機械。目前，已成功地大量使用在電梯、卷揚機械與化纖機械等工業(yè)裝置中。

（二）、變極調(diào)速方法

這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接線方式來改變籠型電動機定子極對數(shù)達(dá)到調(diào)速目的。變極調(diào)速的異步電動機一般采用鼠籠式轉(zhuǎn)子，因為鼠籠式轉(zhuǎn)子的極對數(shù)能自動地隨著定子極對數(shù)的改變而改變使定、轉(zhuǎn)子磁場的極對數(shù)總是相等而產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩。若為繞線型轉(zhuǎn)子，則定子極對數(shù)改變時，轉(zhuǎn)子繞組必須相應(yīng)地改變接法以得到與定子相同的極對數(shù)，所以很不方便。

變極調(diào)速的特點如下：具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好；無轉(zhuǎn)差損耗，效率高；接線簡單、控制方便、價格低；但屬于有級調(diào)速，級差較大。本方法適用于自動化程度要求不高，不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械，如金屬切削機床、升降機、風(fēng)機等

（三）、變頻調(diào)速方法

變頻調(diào)速是用改變電動機定子電源的頻率f，從而改變電動機同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。其調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是變頻器，變頻器可分成交流-直流-交流變頻器和交流-交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交-直-交變頻器。

交-直-交變頻器通過改變脈沖的寬度可以控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值，通過改變調(diào)制周期可以控制其輸出頻率，從而同時實現(xiàn)變壓和變頻。其特點：效率高沒有附加損耗；應(yīng)用范圍較廣，可用于籠型異步電動機；調(diào)速范圍大，精度高；造價高，維護檢修困難。

從調(diào)速范圍、平滑性以及調(diào)速過程中電動機的性能等方面來看，變頻調(diào)速很優(yōu)越，可以和直流電動機調(diào)速相媲美但要使頻率和端電壓同時可調(diào)，但需要一套專門的變頻裝置，使投入的設(shè)備增多，成本增大。此外還有其他的調(diào)速的方法:

（四）、串級調(diào)速方法

串級調(diào)速是指繞線式電動機轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電阻來改變電動機的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電阻所吸收，再利用產(chǎn)生附加的裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。本方法主要適合于風(fēng)機、水泵及軋鋼機、礦井提升機擠壓機等。二、三相異步電動機的制動

所謂制動是指電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反。和直流電動機一樣，異步電動機在拖動生產(chǎn)機械時也有制動要求，如起重機把重物下降時，電氣機車下坡時就需要制動。具體來說，異步電動機的制動方法主要有以下三種方法：

（一）、反接制動

反接制動就是指異步電動機作電磁制動狀態(tài)運行時的制動，由于這時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相反，故稱為反接制動。實現(xiàn)反接制動可用下述兩種方法： 1.正轉(zhuǎn)反接制動。

設(shè)電動機帶反抗性負(fù)載運行于電動狀態(tài)，為迅速停車或反轉(zhuǎn)，將電動機的定子兩相反接，并同時在繞線式電動機轉(zhuǎn)子回路接入電阻，由于定子相序改變，使旋轉(zhuǎn)磁場方向與電機的運動方向相反，此時電動機的轉(zhuǎn)子電流I2和Tem都與電動狀態(tài)時相反，即電機轉(zhuǎn)矩變負(fù)，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩共同作用，使電機轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速降至零時，立即切除電源。從而實現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。2.倒拉反接制動

當(dāng)電動機帶位能性負(fù)載用兩相反接時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，但電磁轉(zhuǎn)矩Tem和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的共同作用下，使電動機減速，直至轉(zhuǎn)速為零。在Tem和TL的作用下，電動機反向起動并加速。隨轉(zhuǎn)子反向加速，電磁轉(zhuǎn)矩仍為負(fù)，但絕對值減小，直到轉(zhuǎn)速達(dá)

-n1時，Tem=0。

定子兩相反接制動，無論負(fù)載性質(zhì)如何，都是指兩相反接開始到轉(zhuǎn)速為零這個過程。兩相反接制動的優(yōu)點是制動效果好，缺點是能耗大，制動準(zhǔn)確度差，如要停車，還須由控制線路及時切除電源。這種制動適用于要求迅速停車并迅速反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械。

（二）、回饋制動

當(dāng)電機做電動機運行時，如果由于外來因素，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于其旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速（即同步轉(zhuǎn)速），則電機進入回饋制動狀態(tài)（亦稱發(fā)電機制動）。例如前述的起重機放下重物時，如果仍按電動機狀態(tài)運行，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向和定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相同，則在電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和重物的重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩雙重作用下，重物以越來越快的速度下降，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由于重力的作用超過同步轉(zhuǎn)速電機就進入發(fā)電機制動狀態(tài)運行，電磁轉(zhuǎn)矩方向開始轉(zhuǎn)變，一直到電磁轉(zhuǎn)矩與重力轉(zhuǎn)矩平衡時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及重物下降速度才穩(wěn)定不變，使重物恒速下降。

（三）、能耗制動

將正在運行中的異步電動機的定子繞組從電網(wǎng)斷開，而接到而接到一個直流電源上，由直流電流勵磁而在氣隙中建立一個靜止磁場。于是從正在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上來看此磁場將是向后旋轉(zhuǎn)的，因此由它在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的感應(yīng)電流所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向應(yīng)為向后轉(zhuǎn)，即對轉(zhuǎn)子起制動作用。這時轉(zhuǎn)子的動能全部消耗于轉(zhuǎn)子的銅耗和鐵耗中，故稱為能耗制動。

三、結(jié)束語

異步電動機的調(diào)速有很多方法，其中常用的是變極調(diào)速（籠型電動機）和在轉(zhuǎn)子回路中串入電阻調(diào)速（繞線型電動機），當(dāng)然，變頻調(diào)速的優(yōu)勢將隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展也必將得到廣泛的應(yīng)用。【參考文獻】：

[1]: 周希章(編者)《電動機的起動制動和調(diào)速》機械工業(yè)出版社;第2版 [2]: 李發(fā)海、王巖 《 電機與拖動基礎(chǔ)》 清華大學(xué)出版社，2006 年

[3]: 顧繩谷 《 電機與拖動基礎(chǔ)》 機械工業(yè)出版社，2006 年

[4]:方偉 樊曉華 《三相電動機調(diào)速與制動問題的研究》 科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2009第6期

【作者簡介】 王春山（1974----），男，四川省達(dá)縣人，長期從事《電機與變壓器》、《電機與電機控制》等課程教學(xué)與研究。