三相异步电机变频调试方案

电力电子与电机拖动综合课程设计
题目：小功率三相异步电机
变频调速系统的设计
专业： 10自动化（2）
学号： ************* 姓名：
完成日期： 2013-6-22 指导教师：***
教研室主任签字：年月日
目录
1. 引言 (3)
2.系统概述 (4)
2.1 调速方案论证 (4)
一、调压调速 (4)
二、变极数调 (4)
三、变频调速 (4)
2.2 交流低压交直交通用变频器系统框图与分析 (5)
3. 单元电路设计与分析 (5)
3.1.1整流电路模块 (5)
3.1.2IPM电路模块 (6)
3.1.3IPM隔离驱动模块 (6)
3.1.4输出滤波模块 (7)
3.1.5电压检测模块 (7)
3.2 系统软件设计 (8)
3.2.1A/D采样子程序 (9)
3.2.2数据处理算法 (9)
3.2.3SVPWM算法 (9)
3.2.4PID调节算法 (10)
3.2.5频率检测算法 (11)
3.3 实验结果 (11)
3.3.1测量波形 (11)
3.3.2测试数据 (11)
4. 结束语 (13)
4.1 心得 (13)
4.2 元件清单 (13)
4.3 主电路 (14)
4.4 控制电路 (15)
4.5 参考文献： (16)
1.引言
近几十年来随着电力电子、微电子技术和现代控制理论的发展，中小功率电机在工农业生产工厂生产中及我们日常生活中有着广泛的应用。

电机的种类很多，按结构和工作原理可划分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。

按转子的结构划分笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

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。

各国的以电为动力的机械中，约有90%左右为异步电动机，其中小型异步电动机约占70%以上。

在电力系统的总负荷中，异步电动机的用电量占相当大的比重。

在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60%多。

介于应用面广，本论文主要讨论鼠笼型小功率三相异步电机YSL450 2-10的变频调速。

变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。

变频器把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。

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。

变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n =60 f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。

变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。

变频调速技术已深入我们生活的每个角落，变频调速系统的控制方式包括V/F、矢量控制(VC)、直接转矩控制(DTC)等。

V/F控制主要应用在低成本、性能要求较低的场合;而矢量控制的引入，则开始了变频调速系统在高性能场合的应用。

随着半导体技术的飞速发展，MCU的处理能力愈加强大，处理速度不断提升，变频调速系统完全有能力处理复杂的任务，实现复杂的观测、控制算法，传动性能也因此达到前所未有的高度。

而现在变频驱动主要使用PWM合成驱动方式，这要求其控制器有很强的PWM生成能力。

2.系统概述
2.1 调速方案论证
一、调压调速
优点：
可以将调速过程中产生的转差能量加以回馈利用。

效率高；
装置容量与调速范围成正比，适用于70%～95%的调速。

缺点：
功率因素较低，有谐波干扰，正常运行时无制动转矩，适用于单象限运行的负载。

二、变极数调
优点：
无附加差基损耗，效率高；
控制电路简单，易维修，价格低；
与定子调压或电磁转差离合器配合可得到效率较高的平滑调速。

缺点：
有级调速，不能实现无级平滑的调速。

且由于受到电机结构和制造工艺的限制，通常只能实现2～3种极对数的有级调速，调速范围相当有限。

三、变频调速
它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（V/F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、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。

优点：
无附加转差损耗，效率高，调速范围宽；
对于低负载运行时间较多，或起停运行较频繁的场合，可以达到节电和保护电机的目的。

缺点：
技术较复杂，价格较高。

根据上面的优缺点比较综合论证，本设计采用的是变频调速的方法。

由于异步电机是依靠定子的磁场旋转的方法使转子产生感应电流，感应电流切割定子产生的磁场从来运作的。

通过实验表明，电机的转速是跟频率和极对数有关的,即
n=60f（1-s）/p
n为转速 f为供电频率 s为转差率 p为极对数
设计中自行设计了一简单用AVR控制器作为主控，以AC-DC-AC的整流逆变过程的变频器，来达到电机三相电压频率的变化及电压的跟随。

使系统达到驱动异步电机使转速可调及转矩可调的目的。

改变频率使得电机的速度平滑性稳定性很高和变速级数能做到连续变化
2.2 交流低压交直交通用变频器系统框图与分析
图1（系统框图）
变频调速基本原理
（1）整流滤波模块：对电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的
直流电压。

（2）三相桥式逆变器模块：把直流电压变换成交流电。

其中功率级采用智能型IPM 功率模块，具有电路简单、可靠性高等特点
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。

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。

（3）控制电路模块：检测输出电压、电流信号后，按照一定的控制算法和控制策略产生SPWM控制信号，去控制IPM开关管的通断从而保持输出电压稳定，同时通过SPI 接口完成对输入电压信号、电流信号的程控调理。

捕获单元完成对输出信号的测频。

3.单元电路设计与分析
3.1单元电路设计
变频器由整流环节、滤波器、全控器件IGBT组成的逆变电路组成，实现交直交的逆变过程通过为控制器改变V1-V6的导通频率和导通相序达到调节频率它的的硬件电路主要包含6个模块：整流电路模块、IPM电路模块、IPM隔离驱动模块、输出滤波模块、电压检测模块和PM25RSB-120数字信号处理模块。

3.1.1整流电路模块
采用二极管不可控整流电路以提高网侧电压功率因数，整流所得直流电压用大电容稳压为逆变器提供直流电压，该电路由6只整流二极管和吸收负载感性无功的直流稳压电容组成。

整流电路原理图如图2所示。