《自动控制元件及线路》课程实习报告异步电动机变频调速系统1.4.1 系统原理框图及各部分简介本文设计的交直交变频器由以下几部分组成，如图1.1所示。

图1.1 系统原理框图系统各组成部分简介：供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220V，中大功率的采用三相380V电源。

因为本设计中采用中等容量的电动机，所以采用三相380V电源。

整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。

在本设计中采用三相不可控整流。

它可以使电网的功率因数接近1。

滤波电路：因在本设计中采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。

逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。

在设计中采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。

电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。

控制电路：采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。

这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。

1.4.2 变频器主电路方案的选定变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。

随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。

静止式变频器从变换环节分为两大类：交-直-交变频器和交-交变频器。

1.交-交型变频器：它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。

由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。

因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。

但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3～1/2,所以不能高速运行。

2.交-直-交型变频器：交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。

它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种：（1）电流型变频器电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。

（2）电压型变频器电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。

由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。

与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。

由于交-直-交型变频器是目前广泛应用的通用变频器，所以本次设计中选用此种间接变频器，在交-直-交变频器的设计中，虽然电流型变频器可以弥补电压型变频器在再生制动时必须加入附加电阻的缺点，并有着无须附加任何设备即可以实现负载的四象限运行的优点，但是考虑到电压型变频器的通用性及其优点，在本次设计中采用电压型变频器。

2交流异步电动机变频调速原理及方法2.1 三相异步电机工作的基本原理2.1.1 异步电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[3]。

图2.1异步电动机的定、转子图图2.1中：其有效值可计算如下：11114.44N m E f N K =Φ （2-1）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2.1.4 异步电机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。

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0n 表示：p fn 600= （2-7）式中：f 为三相交流电源频率，一般是50Hz ；p 为磁极对数。

当p =1是，0n =3000r ／min ；p =2时，0n =1500r ／min 。

由上式可知磁极对数p 越多，转速0n 就越慢，转子的实际转速n 比磁场的同步转速0n 要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率s 表示： %10000⨯-=n n n s （2-8）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 =0n ，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（2-7）和（2-8）式可以得出：060(1)(1)f s n n s p -=-= （2-9） 由式（2-9）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变频器主电路设计3.1 主电路的工作原理变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。

能实现这个功能的装置称为变频器。

变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。

在本设计中采用图3.1的主电路，这也是变频器常用的格式。

图3.1 电压型交直交变频调速主电路3.1.1 主电路各部分的设计1.交直电路设计选用整流管61VD VD 组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。

整流后的电压为d U =1.35L U =1.35×380V=513V。

滤波电容F C 滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。

当变频器通电时，滤波电容F C 的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管，为了保护二极管，在电路中串入限流电阻L R ，从而使电容F C 的充电电流限制在允许的范围内。

当F C 充电到一定程度，使L S 闭合，将限流电阻短路。

在许多下新型的变频器中，L S 已有晶闸管替代。

电源指示灯HL 除了指示电源通电外，还作为滤波电容放电通路和指示。

由于滤波电容的容量较大，放电时间比较长（数分钟），几百伏的电压会威胁人员安全。

因此维修时，要等指示灯熄灭后进行。

B R 为制动电阻，在变频器的交流调速中，电动机的减速是通过降低变频器的输出频率而实现的，在电动机减速过程中，当变频器的输出频率下降过快时，电动机将处于发电制动状态，拖动系统的动能要回馈到直流电路中，使直流电路电压（称泵升电压）不断上升，导致变频器本省过电压保护动作，切断变频器的输出。

为了避免出现这一现象，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，B R 和B V 的作用就是消耗掉这部分能量。

如图3.1所示，当直流中间电路上电压上升到一定值，制动三极管B V 导通，将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。

2.直交电路设计选用逆变开关管61V V -组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的交流电，逆变管在这里选用IGBT 。

续流二极管127VD VD -的作用是：当逆变开关管由导通变为截止时，虽然电压突然变为零，但是由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二极管提供通道，维持电流在线圈中流动。

另外，当电动机制动时，续流二极管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。

电阻0601R R -，电容0601C C -，二极管0601VD VD -组成缓冲电路，来保护逆变管。

由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流c I 和集电极与发射极间的电压ce V 的冲击，因此要通过缓冲电路进行缓解。

当逆变管关断时，ce V 迅速上升，c I 迅速降低，过高增长的电压对逆变管造成危害，所以通过在逆变管两端并联电容（0601C C -）来减小电压增长率。

当逆变管开通时，ce V 迅速下降，c I 迅速升高，并联在逆变管两端的电容由于电压降低，将通过逆变管放电，这将加速电流c I 的增长率，造成IGBT 的损坏。

所以增加电阻0601R R -，限制电容的放电电流。

可是当逆变管关断时，该电阻又会阻止电容的充电，为了解决这个矛盾，在电阻两端并联二极管（0601VD VD -），使电容充电时避开电阻，通过二极管充电。

放电时，通过电阻放电，实现缓冲功能。

这种缓冲电路的缺点是增加了损耗，所以适用于中小功率变频器。

因本次设计所选用的电动机为中容量型，在此选用此种缓冲电路。

3.1.2 变频器主电路设计的基本工作原理1.整流电路整流电路是把交流电变换为直流电的电路。

本设计中采用了三相桥式不控整流电路，主要优点是电路简单，功率因数接近于1，由于整流电路原理比较简单，设计中不再做详细的介绍。

2.逆变的基本工作原理将直流电转换为交流电的过程称为逆变。

完成逆变功能的装置叫做逆变器，它是变频器的主要组成部分，电压性逆变器的工作原理如下：（2）三相逆变电路三相逆变电路的原理图见图3.3所示。

图3-3中，1S ～6S 组成了桥式逆变电路，这6个开关交替地接通、关断就可以在 输出端得到一个相位互相差2π/3的三相交流电压。

当1S 、4S 闭合时，V U u -为正；3S 、2S 闭合时，V U u -为负。

用同样的方法得：当3S 、6S 同时闭合和5S 、4S 同时闭合，得到W V u -,5S ,2S 同时闭合和1S 、6S 同时闭合，得到U W u -。

为了使三相交流电V U u -、W V u -、U W u -在相位上依次相差2π/3；各开关的接通、关断需符合一定的规律，其规律在图3.3b 中已标明。

根据该规律可得V U u -、W V u -、U W u -波形如图下图所示。

结构图 开关的通断规律波形图观察6个开关的位置及波形图可以发现以下两点：①各桥臂上的开关始终处于交替打开、关断的状态如1S 、2S 。

②各相的开关顺序以各相的“首端”为准，互差2π/3电角度。

如3S 比1S 滞后2π/3，5S 比3S 滞后2π/3。

上述分析说明，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅值可通过D U 的大小来调节。

3.2 主电路参数计算根据前面所给出的原始参数，主电路各部分的计算如下[6]：1.整流二极管的参数计算m I （峰值电流）2N I =2×15.6=22.06Ad I （有效值）= /2m I 二极管额定电流值e I =（1.5～2）Id/1.57=14.91A ～19.88A额定电压值e U =（2～3）m U =（2～3）×2×380=1074.64V ～1611.96V2.滤波电容系统采用三相不控整流，经滤波后d U =1.1×2×380=591.05V 。