交流调速系统的设计

交流调速系统的设计学校：专业名称：姓名：班级：学号：目录一、交流调速系统的设计1、交流调速的现状………………………………………………（ 3 ）2、用单片机控制的交流调速…………………………………（ 6 ）3、系统设计的参数……………………………………………（ 13 ）4、用单片机控制的电机交流调速系统设计……………………（14 ） 4.1、调速系统总体方案设计…………………………………………..（ 15 ）4.2、系统主回路的设计以及参数计算…………………………………（ 16 ）5、体会…………………………………………………………..（ 18 ）文摘单片机控制的变频调速系统设计思想是用转差频率进行控制。

通过改变程序来达到控制转速的目的。

由于设计中电动机功率不大，所以整流器采用不可控电路，电容器滤波；逆变器采用电力晶体管三相逆变器。

系统的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，HEF4752大规模集成电路，保护电路，Intel系列单片机，Intel8253定时/记数器，Intel8255可编程接口芯片，Intel8279通用键盘/显示器，I/O接口芯片，CD4527比例分频器和测速发电机等组成。

回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运行的可靠性有了保障。

1 交流调速的现状随着电力电子技术，计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代，变频调速技术得到了飞速的发展。

据资料显示，现在有90%以上的动力来源来自电动机。

我国生产的电能60%用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分，所以要对电动机的调速有足够的重视。

我们都知道，动力和运动是可以相互转化的，从这个意义上说电动机也是最常见的运动源，对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。

因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。

实际上国外已将电动机的控制改名为运动控制。

对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类。

简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。

这类控制可以通过继电器，可编程器件和开关元件来实现。

复杂控制是指对电动机的转速，转角，转距，电压，电流等物理量进行控制。

而且有时往往需要非常精确的控制。

以前，对电动机的简单控制的应用较多，但是，随着现代化步伐的前进，人民对自动化的需求也越来越高。

使电动机的复杂控制逐渐成为主流，其应用领域极为广泛。

在军事和雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的控制等。

工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，绕线机，泵和压缩机，轧机主传动等设备的控制。

计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，绘图仪，打印机，复印机等的控制；音像设备和家用电器中的录音机，数码相机，洗衣机，冰箱空调，电扇等的控制，我们统统称其为电动机的控制。

交流调速控制作为对电动机控制的一种手段。

作用相当明显，这里就不再多做介绍，就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下：（1）已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。

并解决了交流调速的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。

（2）可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。

（3）可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。

除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点，又使整个系统得到更好的动态性能。

采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度可以达到0.002%。

根据异步电动机的转速表达式 n=(1-s)60f/p=n0。

可知，当极对P 不变时，均匀的改变定子供电的频率f ，则可以连续的改变异步电动机的同步转速n 0。

达到平滑调节电动机实际运行转速n 的目的。

这种调速方法称为变频调速。

变频调速具有很好的调速性能，应用相当广泛，是交流调速的主流。

保持V 1 /F 1=常数的恒压频比控制方式 在忽略定子阻抗压降后可得到V 1/F 1=C 1Φm ，式中C 1=4.44Kn 1N 1为常数，因此，在变频时要维持磁通恒定，只要使V 1 与F 1成比例的改变即可。

此时，由公式n 0=(1-s)60 f 1/p 得，所以，带负载时转速降落Δn 为Δn=sn0=60f 1s/p,将异步电动机的转矩公式 T=3PU 12R ¹2/{2SF 1П[（R 1+R ¹2/S ）2+（X 1+X ¹2）2]}近似处理后得2'1112(3/2)(/)/T P U F SF R S π=∝，可以导出'2122113/2R TSF PU F π=，由此可见，当11/U F 为恒值时，对于同一转矩1T ，1sF 是基本不变的。

也就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本是批心平行上下移动的，频率降低，转速下降， T 太小将限制调速系统的带负载能力，所以在低频时，采用定子压降补偿法来适当的提高电压1U ，以增强带负载的能力。

从而达到比较满意的效果。

保持max T =常数的恒磁通控制方式 对于11/U F =常数的控制方式，无法保证最大的转距。

对于要求调速范围的的恒转距负载，则希望在整个调速范围内max T 不变，即使保持m Φ恒定。

可采用11/E F =常数的恒磁通控制方式。

保持max T =常数，此时，机械特性曲线形状不变，不同定子频率下的机械特性曲线平行，且最大转距保持不变，但由于异步电动机的感应电动势1E 不好测量和控制，所以在实际应用中，采用电压补偿的方法来达到维持最大转距的目的。

考虑到低频空载时，由于电阻压降减小，应减少补偿量，否则将使电动机中m Φ增大，导致磁路过饱和而带来的问题，故U 与1F 的曲线是折线。

保持d P =常数的恒功率控制方式 变频调速时，在定子频率大于额定频率的情况下，若仍按照上述方法进行控制，则定子电压要高于额定电压，这是不允许的。

所以当在频率超过额定频率时，往往使定子电压不再升高，而保持1U 为额定电压不变，这样一来，气隙磁通就就会小于额定磁通，从而导致转距减少，保持d P =常数时的恒功率控制方式所要求的电压与频率的协调关系。

可知，2m T =，忽略1R 时；211()m U T C F =。

额定转距21121m U T C F λ=（式中λ为过载倍数），对于恒功率调速，有1111n n T F T F =1=，=常数的条件，即可达到恒功率调速。

恒电流控制方式 在变频调速时，保持异步电动机的定子电流1I 为恒值，称为恒流控制方式。

1I 的恒定是通过PI 调节器的电流闭环调节作用来实现的。

恒流变频调速与恒磁通变频调速的机械特性基本一样。

都属于恒转距调速，在变频调速时，最大转距m T 是不变的，由于恒流控制限制了1I ，所以恒流时的最大转距m T 要比恒磁通时小得多，使过载能力降低。

因此，这种控制方式只适用于负载不大的场合。

2 用单片机控制的交流调速微处理器（单片机）取代模拟电路作为电动机的控制器，具有如下特点： （1）使电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路更复杂，采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。

（2）可以实现较为复杂的控制 微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元。

因此，有能力实现复杂的控制。

（3）灵活性和适应性 微处理器的控制方式是有软件来实现的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。

( 4 ) 无零点漂移，控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题，无论被控量是大还是小，都可以保证足够的控制精度。

（5）可以提供人机界面，多机连网工作。

用工业控制计算机可谓功能强大，它有极高的速度，很强的运算能力和接口功能，方便的软件功能，但是由于成本高，体积过大，所以只用于大型的控制系统，可编程控制器则恰好相反，它只能完成逻辑判断，定时，记数和简单的运算，由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。

在民用生产中，通常用介于工控机和可编程控制器之间的单片机作为微处理器。

本次设计就是用单片机作为电动机的控制器。

在设计中用单片机作为电动机的核心控制元件来取代模拟电路，就可以将传统的调速方案中的一些缺点避免，达到提高控制精度的目的。

在本次设计中所用到的控制方式是用转差频率闭环控制。

转速开环恒压频比调速系统虽然结构简单，异步电动机在不同的频率下都能够获得较硬的机械特性曲线，但是不能保证必要的调速精度；而且在动态过程中由于不能保持所需要的转距，动态性能也很差，它只能用于对调速系统的动静态性能要求都不高的场合。

如果异步电动机能像直流电动机一样，用控制电枢电流的方法来控制转距，那么就能够得到和支流电动机一样的动静态性能。

转差频率控制是一种解决异步电动机电磁转距控制问题的方法，采用这种控制方案的调速系统，可以获得与直流电动机恒磁通调速相似的性能。

转差频率控制的基本概念，原理由式2''2'2212'22'21111211233/[(/)()]p p m e l l N I R N U R S P T W S W R R S W L L ===Ω+++ 可以得出异步电动机的机械特性方程式 '2112'222'21121123()()()e p l l U SW R T N W SR R S W L L =+++ 令式中 1s W SW =，它是转差频率。

又由式 11114.44g N m U E F N K ==Φ 即：111111 4.442g n m E F N K U W W πΦ== 所以： '22'22'21212()()e m m s l l WR T K SR R W L L =Φ+++ 式中 22211114.4433()22n m p p n N K K N N N K π== 由于异步电动机机械特性曲线上有一最大值，当转差频率小于临界转差频率（对应于电磁转距最大的转差率）时，电动机运行在稳定工作区，电动机的电流比较小；当转差率大于临界转差率时，电动机进入不稳定工作区，电动机的电流增大，转距减小。

所以在调速过程中要使电动机的转差频率小于临界转差率。

也就是说，异步电动机稳定工作时的转差率很小，从而 1s W SW =也很小，可以认为 '12SR R ， ''122()l l L L R + ，所以e T 可近似写成2'2/e m m s T K W R =Φ。

此式表明，在转差频率s W 很小的范围内，只要能够保持气隙磁通 m Φ不变，异步电动机的转距就近似与转差频率成正比，这就是说，在异步电动机中控制s W ，就能和直流电动机中控制电流一样，能够达到控制转距的目的。