变频调速课程设计

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1、电气传动综合课程设计题目：三相异步电动机变频调速及其仿真姓名学院信息与电气工程学院专业电气工程及其自动化年级2011学号指导教师2014年11月课程设计要求：1. 本课程设计作为电气传动综合课程设计的 报告，占总成绩的50%。后进行课程设计实验答辩， 占总成绩的50%。2. 本课程设计的题目学生自选，且不能重复，若 发现，取消本门课程成绩。3. 内容要求包括：（1）PLC变频及其相关；（2）变频器及其相关；（3）直流交流电机调速、控制及其相关。通过相关电气传动知识，实现某种系统，诸如“恒 压供水系统”，“门机变频控制系统”，“石油勘探机控制 系统”等现实用途工作系统，弄清系统软硬件构成，工 作

2、原理及其过程，完善至报告中。4. 培养目标，根据设计课题的技术指标和给定条 件，能独立而正确地进行方案论证和设计计算，要求 概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；要求掌 握直流交流调速系统的设计内容、方法、步骤；学会 查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件 和参数；学会绘制有关电气系统原理图和编制元器件 明细表；学会编写设计说明书；通过对所设计的系统 进行仿真实验，掌握系统仿真的方法。5. 参考资料：电机与拖动基础，自动控制 原理，电力电子技术，电气控制与可编程控 制器，电力系统分析等。附：字数要求3000字以上，配上相关数据图表 示意图等。标题框架格式已经固定不得修改，正文字体要求

3、宋体，四号。纸质版打印装订好后于11月23日前交至逸夫实验楼417室，逾期不候。题目名称：三相异步电动机变频调速及其仿真课程设计内容:(1)系统实现目标及原理:由于变频运行下三相异步电动机调速系统具有节能的重要优点，已在国内 外工业生产和日常生活许多领域得到越来越广泛地应用。目前在变频调速 系统中，随着电力电子技术及变频调速技术的迅速发展，交流调速技术日新 月异，新的控制策略不断涌现，这也使得交流调速开始全面取代直流调速。 在交流调速技术中，交流变频调速以其优异的调速性能，高效节能和广泛 的应用范围等特点而被国内外人为是最有前途的调速方式。随着生产技术的不管发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来

4、。由于换向 器的存在，使直流电动机的维护的工作量加大，单机容量，最高转速以及 使用环境都受到限制。人们转向结构简单，运行可靠，便于维护，价格低 廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足要求生产要求。于是， 从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而发展缓慢， 在相当长的时间内，直流调速一直以性能优良领先于交流调速。60年代以 后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流 调速性能可以与直流调速媲美。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速 的时代。交流变频的发展情况，基本上可归纳为以下几个方面：1. 大容量和特大容量上，填补了直流调速传动的空白。2.

5、新型全控型开关器件的迅速发之前按，提高了变频器的性能指标。3. 可靠性发面得到了提高，能满足某些长期不能停机或对可靠性有特 殊要求部门的需要。MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、 数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境， 主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB 是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称，和 Mathematical Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软 件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函 数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语

6、言的程序等， 主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号 检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程 中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN 等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等 软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加 入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以 将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用， 此外许多的MATLA图爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接 进行下载就

7、可以用。MATLAB 特点：此高级语言可用于技术计算此开发环境可对代码、文件和数据进行管理交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以 及数值积分等二维和三维图形函数可用于可视化数据各种工具可用于构建自定义的图形用户界面各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言（如 C、C+、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成1.1电机概述电机作为一种机电能量转换装置，在电力工业各类工矿企业，农 业国防，交通运输，日常生活各方面都占有重要地位。随着科学技术 的发展和社会化大生产的需要，三相基本的电机形

8、式：百流电机，感 应电机，同步电机在工业生产和日常生活中获得了广泛的应用。异步 电动机的转速根据负载的要求，人为的或自动的进行调节，称为调速。 但出于不同的使用目的，往往对电动机的速度提出不同的要求，如电 动车辆，电梯，机床等要求有良好的速度调节性能；调速也是风机， 水泵类负载节能运行的需要。一般笼型异步电动机的转速略低于同步 转速，且在负载变化时变化不大，是一种接近于恒速的驱动装置，其 本身的调速性能不佳。因此电动机的调速控制一直是电气专家学者 致力于解决的问题。近年来，直流调速，交流变频调速随着技术的进 步，性能在不断改善。直流电动机具有优良的调速性能，但它有一个根本的缺点，就 是有机械式

9、的整流器一一整流子和电刷，因此它的维护工作量较大； 而且由于机械式整流器的限制，制造大功率高电压的直流电机比较困 难。由于这些原因，限制了百流可调速拖动系统的使用范围。我们知道，交流异步电动机的转速n与定子旋转磁场的速度n0、 转子的转差率s有以下关系：式中f 1电源效率，Hz，p 电动机极 对数；改变电源的频率，电动机可以调速。变频调速既适用于同步电 动机，又适用异步电动机，是一种高效率的调速方案。1.2变频器概述变频器是异步电动机调速系统中的关键设备。变频器是利用电力 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一百一交方式（VVVF变频或矢

10、量 控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成百流电源，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。7变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电. 然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变 频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调. 用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于 交流电机的调速中.变频调速技

11、术是现代电力传动技术重要发展的方 向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向 成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平 稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传 统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于 冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水空调等领域。1.3三相异步电动机变频调速原理及其种类三相异步电动机的调速开始于上世纪50年代末。在电气传动领 域中，原来只用于恒速传动的交流电动机实现了调速控制，以取代制 造复杂，价格昂贵，维护麻烦的直流电动机。以后，随着电力电子技 术和微型计算机的发展，再加上现代控制理论向电

12、气传动领域的渗 透，使得交流调速技术得到了迅速发展，其设备容量不断扩大，性能 指标及可靠性不断提高，高性能交流调速系统应用的比例逐年上升， 在各工业部门中，使得交流调速系统逐步取代直流调速系统，以达到 节能，缩小体积、降低成本的日的。根据三相异步电动机的转速公式为n = 6。T = 1( m1 pu 2 (1 - s ) = n Q-s)P式中f 1为异步电动机的定子电压供电频率；p为异步电动机的极 对数；s为异步电动机的转差率。所以调节三相异步电动机的转速有三种方案。异步电动机的变压 变频调速系统一般简称变频调速系统，由于调速时转差功率不变，在 各种异步电动机调速系统中效率最高，同时性能最好

13、，是交流调速系 统的主要研究和发展方向。1.3.1变频调速原理及其机械特性改变异步电动机定子绕组供电电源的频率f 1，可以改变同步转 速n，从而改变转速。如果频率f 1连续可调，则可平滑的调节转速， 此为变频调速原理。1三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压 为U产 E1 = 4.44 f 1 Nk0 式中E1为气隙磁通在定子每相中的感应电动势f 1为定子电源频 率；N1为定子每相绕组匝数；km为基波绕组系数，虬为每极气隙磁 通量。如果改变频率f 1，且保持定子电源电压U 1不变，则气隙每极磁 通8将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电 t m流，严重时会因绕组

14、过热而损坏电机，这是不允许的。因此，降低电 源频率f 1时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通虬的日的。对此，需要考虑基频（额定频率）以下的调速和基频以上调速两种情 况。1.3.2.基频以下变频调速为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率f 1时，保持f;为常数，使气每极磁通4m为常数应使电压和频率按比例的配合调节。这srr 。+ * 2s )时，电动机的电磁转f 1七+(X + x2上式对s求导，即空=0 ds有最大转矩和临界转差率为1 m p1 + X2f 11) r1 + r12 +(% + xsm ：2 ：r12+(X1 + X2由上式可知：当=常数时，在f 1较高时，即殊减少的不多；

15、当f 1较接近额定频率时，rw S+X2），随着f 的降低低时，S + X2）较小；r 相对变大，则随着f 的降低，Tm就减小了。显然，当f 1降低时，最大转矩Tm不等于常数。保持=常数，降低频率调速时的机械特征如图1所示。这相当于他励直流电机的降压调 速。图1变频调速的机械特性（a）基频以下调速（U =常数）（b）基频以上调速（u 1 =常数）1.3.3 .基频以上变频调速在基频以上变频调速时，也按比例身高电源电压时不允许的， 只能保持电压为un不变，频率f 1越高，磁通em越低，是一种降低磁 通升速的方法，这相当于它励电动机弱磁调速。保持Un =常数，升高频率时，电动机的电磁转矩为f r 。 m. pU 122112 S 1 sm1 pU 12上式求dT=o，得最大转矩和临界转差率为 dsT 1miPU 12忧 1m 2 2兀 f 1S+履 f 1rrSm = +2-因此，频率越高时，T越小，s也越小。保持U为常数，升高 频率调速时的机械特性如图1（b）所示。”2三相异步电动机变频调速仿真模型2.1问题提出