三相异步电机交流变频调速系统设计实验.docx
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三相异步电机交流变频调速系统设计实验
三相异步电机交流变频调速系统设计
实验指导书
仇国庆编写
重庆邮电大学自动化学院
测控技术实验中心
2010/11/2
三相异步电机交流变频调速系统设计
实验指导书
一、实验目的：
1.了解三相异步电机调速的方法；
2.熟悉交流变频器的使用；
3.掌握三相异步电机交流变频调速系统设计。
4.交流异步电动机机械特性及变频调速特性测试
二、控制系统设计要求
系统设计要求能够实现三相异步电动机的如下状态的控制：
正转；反转；停止；点动；加速；减速。
图1控制系统硬件结构图
三、基本知识：
1.异步电动机调速系统种类很多，常见的有：
（1）降电压调速；
（2）电磁转差离合器调速
（3）绕线转子异步电机转子串电阻调速
（4）绕线转子异步电机串级调速
（5）变极对数调速
（6）变频调速等等。
2.三相交流异步电动机
2.1异步电动机旋转原理
异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。
⑴磁场以
转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子电流
⑵通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力
⑶电磁力使转子绕组以转速
旋转，方向与磁场旋转方向相同
2.2旋转磁场的产生
旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。
这三个交变磁场应满足：
1空间位置上互差
电度角。
由定子三相绕组的布置来保证
⑵在时间上互差
相位角（或1/3周期）。
由通入的三相交变电流来保证。
2.3电动机转速
产生转子电流的必要条件：
是转子绕组切割定子磁场的磁力线。
因此，转子的转速
必须低于定子磁场的转速
。
两者之差称为转差：
转差与定子磁场转速（常称为同步转速）之比，称为转差率：
同步转速
由下式决定：
上式中，
为输入电流的频率，
为旋转磁场的极对数。
由此可得转子的转速：
3.异步电动机调速
由转速
可知异步电动机调速有以下几方法：
（1）改变磁极对数p（变极调速）
定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。
所以，要改变
，必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。
通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。
变极调速的主要优点:
是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速.
其缺点:
是有极调速，且极数有限，因而只适用于不需平滑调速的场合。
（2）改变转差率s（变转差率调速）
以改变转差率为目的调速方法有：
定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。
下面是改变转差率为目的调速方法的具体内容：
①定子调压调速
当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率s增大，转速减小，从而达到速度调节的目；同理，定子电压升高，转速增加。
调压调速的优点：
是调速平滑，采用闭环系统时，机械特性较硬，调速范围较宽，缺点是低速时，转差功率损耗较大，功率因素低，电流大，效率低。
调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，比较适合于风机泵类特性的负载。
②转子变电阻调速
当定子电压一定时，电机主磁通不变，若减小定子电阻，则转子电流增大，转子受到的电磁力增大，转差率减小，转速降低；同理增大定子电阻，转速增加。
转子变电阻调速的优点：
是设备和线路简单，投资不高，但其机械特性较软，调速范围受到一定限制，且低速时转差功率损耗较大，效率低，经济效益差。
目前，转子变电阻调速只在一些调速要求不高的场合采用。
③电磁转差离合器调速
异步电动机电磁转差离合器调速系统以恒定转速运转的异步电动机为原动机，通过改变电磁转差离合器的励磁电流进行速度调节。
电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成，二者之间没有机械的联系，均可自由旋转。
离合器的电枢与异步电动机转子轴相连并以恒速旋转，磁极与工作机械相连。
电磁转差离合器的工作原理是：
如果磁极内励磁电流为零，电枢与磁极间没有任何电磁联系，磁极与工作机械静止不动，相当于负载被“脱离”；如果磁极内通入直流励磁电流，磁极即产生磁场，电枢由于被异步电动机拖动旋转，因而电枢与磁极间有相对运动而在电枢绕组中产生电流，并产生力矩，磁极将沿着电枢的运转方向而旋转，此时负载相当于被“合上”，调节磁极内通入的直流励磁电流，就可调节转速。
电磁转差离合器调速的优点：
是控制简单，运行可靠，能平滑调速，采用闭环控制后可扩大调速范围，运用于通风类或恒转矩类负载；其缺点是低速时损耗大，效率低。
④串极调速
串极调速的基本思想是将转子中的转差功率通过变换装置加以利用，以提高设备的效率。
串极调速的工作原理实际上是在转子回路中引入了一个与转子绕组感应电动势频率相同的可控的附加电动势，通过控制这个附加电动势的大小，来改变转子电流的大小，从而改变转速。
串极调速具有机械特性比较硬、调速平滑、损耗小、效率高等优点，便于向大容量发展，但它也存在着功率因素较低的缺点。
⑤改变频率f（变频调速）
当极对数p不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速。
异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便的实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相比美。
对于异步电动机的调速系统，变频调速应列为重点的研究对象，改变频率调速，优点多，调速特性良好。
3交流变频调速原理
3.1异步电动机变频调速
有关概念：
变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。
逆变器是将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置（DC－AC变换）。
将固定直流电压变换成可调的直流电压的装置称为斩波器（DC－DC变换）。
逆变器的概念
通常，把将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路，把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。
与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。
现代逆变技术是研究逆变电路理论和应用的一门科学技术。
它是建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调制（ＰＷＭ）技术等学科基础之上的一门实用技术。
它主要包括半导体功率集成器件及其应用、逆变电路和逆变控制技术３大部分。
变频器定义：
是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电动机变频调速的控制装置。
变频调速单元的构成及其功能
变频调速单元是变频器对电机进行调速的过程。
由变频器连接电机根据不同参数的设定进行电机频率的调节来实现电机转速的调节。
变频器主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成：
图2所示
图2变频器的基本组成
按控制方式可分为U/F控制、转差频率控制、矢量控制。
上述的U/F控制方式和转差率控制方式的控制思想都建立的异步电动机的静态数学模型上，因此，动态性能指标不高，对于动态性能比较高的可采用矢量控制变频器。
采用矢量控制的目的：
主要是为了提高变频器的动态性能。
根据交流电动机的动态数学模型、利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加于控制，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。
变频器外部接线图如：
图3交流变频器调速控制示意图
变频器分类
⑴.从变频器主电路的结构形式上可分为：
交－直－交变频器、交－交变频器。
交－直－交变频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直流电，再由逆变电路将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电。
交－交变频器把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，中间不经过直流环节，又称为周波变换器。
交－交变频器输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。
正、反向两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0。
输出电压u0的幅值决定于各组整流装置的控制角，输出电压u0的频率决定于两组整流装置的切换频率。
如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，要的到正弦波输出，就在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。
对于三相负载，交－交变频器其他两相也各用一套反并联的可逆线路，输出平均电压相位依次相差
交－交变频器由其控制方式决定了它的最高输出频率只能达到电源频率的1/2—1/3，不能高速运行，这是它的主要缺点。
但由于没有中间环节，不需换流，提搞了变频效率，并能实现四象限运行，因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。
⑵.从变频电源的性质上看，可分为电压型变频器和电流型变频器。
对交－直－交变频器，电压型变频器与电流型变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。
调速系统的优化要求：
变压变频协调控制
前面讲在进行电机调速时，为保持电动机的磁通恒定，需要对电机的电压与频率进行协调控制。
那么应该怎样对电机的电压与频率进行协调控制呢？
因此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。
基频定义：
即基本频率
，是变频器对电动机进行恒转矩控制和恒功率控制的分界线，应按电动机的额定电压（指额定输出电压，是变频器输出电压中的最大值，通常它总是和输入电压相等）进行设定，即在大多数情况下，额定输出电压就是变频器输出频率等于基本频率时的输出电压值，所以，基本频率又等于额定频率
（即与电动机额定输出电压对应的频率）。
基频以下调速亦为恒转矩控制
恒转矩控制的定义：
在一定调速范围内维持磁通恒定，在相同的转矩相位角的条件下，如果能够控制电机的电流为恒定，即可控制电机的转矩为恒定，称为恒转矩控制，即电机在速度变化的动态过程中，具有输出恒定转矩的能力。
由于恒定
控制能在一定调速范围内近似维持磁通恒定，因此恒定
控制属于恒转矩控制。
严格地说，只有控制
恒定才能控制电机的转矩为恒定。
⑴恒定气隙磁通M控制（恒定
控制）
根据异步电动机定子的感应电势
可知，要保持
不变，当频率
变化时，必须同时改变电动势
的大小，使
＝常值。
即采用恒定电动势与频率比的控制方式。
（恒定
控制）
（2）电机定子电压
表达式为:
上式中U1为定子电压，r1为定子电阻，x1为定子漏磁电抗，I1为定子电流。
恒定控制的条件：
如果在电压、频率协调控制中，适当地提高电压U1，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持
为恒值，则无论频率高低，每极磁通M均为常值，就可实现恒定
控制。
恒定
控制的稳态性能优于下面讲的恒定
控制，它正是恒定
控制中补偿定子压降所追求的目标。
恒定压频比控制的实现（恒定
控制）
根据上面的公式，在电动机正常运行时，由于电动机定子电阻r1和定子漏磁电抗x1的压降较小，可以忽略，则电机定子电压U1与定子感应电动Eg近似相等，即
则得：
＝常值
这就是恒压频比的控制方式。
（恒定
控制）
由于电机的感应电势检测和控制比较困难，考虑到在电机正常运转时电机的电压和电势近似相等，因此可以通过控制
恒定，以保持气隙磁通基本恒定。
恒定
控制的具体问题的研究和讨论：
恒定
控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使二者之比
为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。
恒定
控制在启动时的不良现象：
恒定
控制的是电动机的稳态数学模型，它的控制效果只有在稳态时才符合要求。
在过渡过程中，电动机所产生的转矩需要按照电动机的动态数学模型进行分析计算。
因此恒定
控制的电动机系统难以满足动态性能的要求。
在起动时，为了使系统能满足稳态运行的条件，频率的变化应尽可能缓慢，以避免电动机出现失速现象，即电动机转子的转速与旋转磁场的转速相差很大。
滑差增大，造成电动机中流过很大的电流，电动机输出的转矩将减小。
恒定
控制的优点和缺点：
优点：
恒定
控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，突出优点是可以进行电机的开环速度控制。
缺点：
恒定
控制存在的主要问题是低速性能较差
此控制缺点的分析和改善的方法：
。
缺点的分析:
这是由于低速时异步电动机定子电阻压降所占比重增大，已不能忽略，电机的电压和电势近似相等的条件已不满足，仍按
恒定控制已不能保持电机磁通恒定。
电机磁通的减小，电机电磁转矩的减小。
因此，在低频运行的时候，要适当的加大
的值，以补偿定子压降。
改善的方法:
若采用开环控制，则除了定子漏阻抗的影响外，变频器桥臂上下开关元件的互锁时间也是影响电机低速性能的重要原因。
对电压型变频器，考虑到电力半导体器件的导通和关断均需一定时间，为防止上下元件在导通/关断切换时出现直通，造成短路而损坏，在控制导通时设置一段开关导通延迟时间。
在开关导通延迟时间内，桥臂上下电力半导体器件均处于关断状态，因此又将开关导通延迟时间称为互锁时间。
互锁时间的长短与电力半导体器件的种类有关。
由于互锁时间的存在，变频器的输出电压将比控制电压低。
在低频的时候，变频器的输出电压比较低，PWM逆变脉冲的占空比比较小，这时互锁时间的影响就比较大，从而导致电机的低速性能降低。
互锁时间造成的压降还会引起转矩脉动，在一定条件下将会引起转速、电流的振荡，严重时变频器不能运行。
对磁通进行闭环控制是改善
恒定控制性能的十分有效的方法。
采用磁通控制后，电机的电流波形的到明显改善，气隙磁通更加接近圆形。
⑶恒定转子磁通控制
（恒定
控制）
如果把电压、频率协调控制中的电压U1进一步再提高一些，把转子漏抗上的压降也抵消掉，便的到恒定
控制，其机械特性是一条直线。
显然，恒定
控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。
这正是高性能交流变频调速所要求的性能。
按照电动势与磁通的关系
可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。
在上式中，气隙磁通Eg的感应电动势对应于气隙磁通M，那么，转子磁通的感应电动势Er就应该对应于转子磁通r。
由此看见，只要能够按照转子磁通:
r＝恒值;
进行控制，就可获得恒定
控制。
这正是矢量控制系统所遵循的原则。
§.基频以上调速亦为恒转矩调速
（1）调速过程：
当电机的电压随着频率的增加而升高时，若电机的电压已达到电机的额定电压，继续增加电压有可能破坏电机的绝缘。
为此，在电机达到额定电压后，即使频率增加仍维持电机电压不变。
这样，电机所能输出的功率由电机的额定电压和额定电流的乘积所决定，不随频率的变化而变化。
具有恒功率特性。
在基频以上调速时，频率可以从基频往上增加，但电压却不能超过额定电压，此时，电机调速属于恒转矩调速。
电机在恒转矩调速时，磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。
（2）V/F控制与V/F曲线
①V/F控制
在恒定
控制中，频率f1下降时，定子电阻压降在U1中所占比例增大，造成气隙磁通M和转矩下降，采取适当提高
的方法，来低偿定子电阻压降的增大，而保持M＝恒值，最终使电动机的转矩得到补偿。
这种方法称为转矩补偿，因为它是通过提高
而得到的，故又称V/F控制或电压补偿。
、
②基本V/F曲线
＝恒值时的V/F曲线称为基本V/F曲线。
它表明了没有补偿时的电压U1和频率f1之间的关系。
它是进行V/F控制时的基准线。
异步电动机变压变频调速时，通常在基频以下采用恒转矩调速，基频以上采用恒功率调速。
图表说明问题：
如下图：
我们很明白的看到在异步电动机变频调速中U（电压）与M（磁通）与频率的关系：
基频上与基频下-分别为：
恒功率调速、恒转矩调速。
③全补偿V/F曲线
不论f1为多大（在f1≤fN的范围内），通过补偿，都能保持M＝恒值，称为完全补偿V/F曲线，简称全补偿V/F曲线。
异步电动机变频调速控制特性
全补偿V/F曲线与电动机的参数有关，而电动机的型号规格很多，其全补偿V/F曲线各不相同，即使是同一型号、同一规格的电动机，应用场合的不同，其全补偿V/F曲线各不相同。
这是因为转矩补偿的实质是用提高电压的方法来补偿定子阻抗压降的。
而定子阻抗压降的大小是和定子电流I1的大小有关的，定子电流的大小又与负载有关。
因此，电动机的负载大小不同，所需的补偿电压（从而全补偿V/F曲线）也不一样。
在实际生产中，有的用户认为，补偿小可能会带不动负载，补偿大了没问题，故而在设定V/F曲线时“宁小毋大”，或在设定V/F曲线时，只根据最重负载的要求来设定，则在轻载或空载时，就会出现补偿过分。
补偿过分，说明电压U1提升过多，使电动势Eg在U1中的比例相对减小，则定子电流I1增加。
但电动机的负载与转速均未变，故定子电流I1增大，励磁电流I0必增大，其结果是磁通M增加。
磁通增加，将使铁心达到饱和，M的波形将逐渐地由正弦波变成平顶波，而励磁电流I0则为尖顶波。
补偿越过分，铁心的饱和程度越深，I0的峰值也越高，甚至引起变频器因过电流而跳闸。
交流变频调速的基本方案
异步电动机在变频调速时的机械特性
我们针对基频以下的采用恒压频比带定子降压补偿的控制方式，基本是上保证磁通在各级转速上都为恒值，来讨论此控制方式下的稳态机械特性。
我们先来了解一下恒压恒频的机械特性。
根据异步电动机的电磁转矩公式：
得出来异步电动机的机械特性：
（在恒压恒频），如下图：
恒压恒频时的异步电动机的机械特性
在电压-频率协调控制中，恒压频比控制时变频调速机械特性：
如下图：
如图：
恒压频比控制时变频调速机械特性
对于系统的的设计方面的简述：
简单的步骤：
1、确定系统是不是需要变频调速
2、弄清运行要求:
确定调速方案
3、选择变频器的型号，规格，
另外：
对影响系统的投资水平的其他设备元件做出选择，对系统的操作方式做出具体描述。
对于系统控制功能的设计，还要考虑到电路的抗干扰问题，使系统的稳定性增强。
实验内容
交流异步电动机机械特性及变频调速特性测试
一．实验目的和意义
测试出机械特性稳定形，掌握变频调速的性能。
二．实验原理方案
根据本实验描述的是转矩
的关系，而
T=CφI，而
由实验一得到
三．实验设备和仪表
伺服电动机，直流电动机（一台），直流发电机（一台），直流测速发电机（一台），万用表（一台），电阻箱（一台）
四．实验接线
五．实验步骤
1．检查装备电路，打开直流发电机和电动机的接线口，将电阻箱接到直流发电机电压输出端。
2．开启电源，打开交流调频开关，使电机正常运转起来。
3．调节调频开关，频率调到50Hz，调节电阻箱使发电机分别接入电阻R=120，240，600和∞Ω，并分别测出和记录此时直流发电机的输出电压及测速发电机的输出电压。
4．调节调频开关，把频率分别调到40，30，20Hz，再重复步骤3。
记录数据。
5．调节调频开关，把频率分别调到45Hz。
调节电阻箱使发电机分别接入电阻R=120，300，600和∞Ω，并分别测出和记录此时直流发电机的输出电压及测速发电机的输出电压。
六.实验结果与数据处理
变频调速特性如图：
七.结论、问题讨论
通过此次实验了解掌握了交流异步电动机机械特性及变频调速特性，了解到转矩T与N成反比，知道了可以通过改变频率改变转速，频率f与转速N成正比。
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