基于单片机控制的交流调速系统(3)

1.3 交流调速的特点

电气传动从总体上分为调速和不调速两大类。按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流和交流两大类，直流电动机在19世纪先后诞生，但当时的电气传动系统是不调速系统，随着社会化大生产的不断发展，生产技术越来越复杂，对生产工艺的要求也越来越高，这就要求生产机械能够在工作速度，快速启动和制动，正反转等方面具有较好的运行性能。从而推动了电动机的调速不断向前发展，自从1834年直流电动机出现以后，直流电动机作为调速电动机的代表，在工业中得到了广泛的应用。它的优点主要在于调速范围广，静差小，稳定性能好以及具有良好的动态性能，晶闸管变流装置的应用使直流拖动发展到了一个很高的水平，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中相当长时间内几乎都采用直流拖动系统。尽管如此，直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向问题和在恶劣环境下的不适应问题，同时，制造大容量，高转速以及高电压直流电动机也十分困难，这就限制了直流传动系统的进一步发展。

交流电动机在1885年出现后，由于一直没有理想的调速方案，只被应

用于恒速拖动系统，从本世纪30年代起，不少国家才开始提出各种交流调速的原始方案，晶闸管的出现使交流电动调速的发展出现了一个质的飞跃，

介绍了基于单片机调速系统的设计

使得半导体变流技术的交流调速得以实现，国际上在60 年代后期解决了交流电动机调速方案中的关键问题，70年代开始就实现了产品的高压，大容量，小型化，且已经逐渐取代了大部分传统的直流电动机的应用领域。交流调速系统发展迅速的很大一部分原因在于交流电动机本身的优点：没有电刷和换向器，结构简单，寿命长。近年以来大功率半导体器件，大规模集成电路，电子计算机技术的发展，加上交流电动机本身的优越特性，为交流调速提供了广泛的应用前景。目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围，较高的稳态精度，较快的动态响应，较高的工作效率以及可以在四象限运行等优越性能，其动态性能均可与直流电动机拖动系统相比美。

交流调速系统与直流调速系统相比较，具有如下特点：

1. 容量大 这是电动机本身的容量所决定的。直流电动机的单机容

量能达到12—14MW，而交流电动机的容量却远远的高与此数值。

2. 转速高，而且耐压 直流电动机受到换向器的限制，最高电压只

能达到1000多伏，而交流电动机容量可达到6—10KV，甚至更高。一般直流电动机最高转速只能达到3000转/min左右，而交流电动机则可以高达每分钟几万转。这使得交流电动机的调速系统具有耐高压，转速高的特点。

3. 交流电动机本身的体积，重量，价格比同等容量的直流电动机要

小，且交流电动机结构简单，坚固耐用，经济可靠，惯性小成了交流调速系统的一大优点。

4. 交流电动机的调速装置环境适应性广。直流电动机由于结构复杂，换向器工作要求高，使用中受到很多限制，如工厂里的酸洗车间，由于腐蚀严重，使用直流电动机每周都要检查碳刷，维修起来比较困难，而交流电动机却可以用在十分恶劣的环境下不至于损坏。

5. 由于高性能，高精度，新型调速系统的出现和不断发展，交流拖动

系统已达到同直流拖动系统一样的性能指标，越来越广泛的应用于 国民经济的各个生产领域。

6. 交流调速装置能显著的节能。工业上大量使用的风机，水泵，压缩机类负载都是靠交流电动机拖动的，这类装置的用电量占工业用电量的

50%，以往都不对电动机调速，而仅采用挡板，节流阀来控制风量或流量。

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大量的电能被白白的浪费掉，如果采用交流电动机调速系统来改变风量或流量的话，效率就会大大的提高，从各方面来看，改造恒速交流电动机为交流调速电动机，有着可观的能源效益。

交流电动机因其结构简单，运行可靠，价格低廉，维修方便，故而应

用面很广，几乎所有的调速传动都采用交流电动机。尽管从1930年开始，人们就致力于交流调速系统的研究，然而主要局限于利用开关设备来切换主回路达到控制电动机启动，制动和有级调速的目的。变极对调速，电抗或自藕降压启动以及绕线式异步电动机转子回路串电阻的有级调速都还处于开发的阶段。交流调速缓慢的主要原因是决定电动机转速调节主要因素的交流电源频率的改变和电动机的转距控制都是非常困难的，使交流调速的稳定性，可靠性，经济性以及效率均不能满足生产要求 。后来发展起来的调压，调频控制只控制了电动机的气隙磁通，而不能调节转距。转差频率控制在一定程度上能控制电动机的转距。

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第2章 交流调速系统的硬件设计

2. 1 转差频率控制原理：

当稳态气隙磁通恒定时．异步电机的机械特性参数表达式为：

(2-1)

当实际转差错误！未找到引用源。额定空载转速错误！未找到引用源。相比很小时（错误！未找到引用源。），错误！未找到引用源。,可以从式中约去，这样式(2-1)可以简化为：

其中

(2-2)

从式(2-2)中可得，当转差频率错误！未找到引用源。较小且磁通错误！未找到引用源。恒定时，电机的电磁转矩T与错误！未找到引用源。成正比。这时只要控制转差频率错误！未找到引用源。就能控制转矩T，从而实现对转速的控制。

若要使转差频率错误！未找到引用源。较小，只要有提供异步电动机的实际转速反馈即可实现。若要保持错误！未找到引用源。为恒值，即保持励磁电流错误！未找到引用源。恒定，而励磁电流错误！未找到引用源。与定子电流

错误！未找到引用源。有如下关系，

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（2-3）

因此若，错误！未找到引用源。按照上述规律变化，则错误！未找到引用源。恒定，即错误！未找到引用源。恒定。转差频率控制策略是：利用测速环节得到转速错误！未找到引用源。与转速给定错误！未找到引用源。、比较，限制输出频率错误！未找到引用源。，使转差率错误！未找到引用源。 (即错误！未找到引用源。)不太大；控制定子电流错误！未找到引用源。，使得励磁电流错误！未找到引用源。保持恒定；这时控制错误！未找到引用源。实现调速。系统原理图如图2-l所示。

图2-l 转差频率控制变频调速系统原理图

从图2-1可知．系统由速度调节器、电流调节器、函数发生器、加法器，整流与逆变电路，PWM控制电路，异步电动机及测量电路等组成，其中异步电动机由SPWM控制逆变器供电。转速调节器ASR的输出是转差频率给定值错误！未找到引用源。,表转矩给定。函数发生器输入转差频率产生错误！未找到引用源。。信号，并控制定子电流。以保持错误！未找到引用源。为恒值；加法器对转差频率和转速信号求和得到变频器的输出频率。从而实现三相异步电机变频调速。

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2. 2 系统设计的参数

对一台三相异步电动机调速系统进行设计。异步电动机的参数：

PN 2.2KW，nN 1440r/min,US 380V, 接法，IN 4.8A

采用转差频率控制方法，由单片机组成核心。调速范围（2.2—51HZ），无级调速，静差率S 5%。根据对象参数，完成各功能单元的结构设计，参数计算。

2.3 用单片机控制的电机交流调速系统设计

2.3.1调速系统总体方案设计

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