現在流行的異步電動機的調速方法可分為兩種：變頻調速和變壓調速，其中異步電動機的變頻調速應用較多，它的調速方法可分為兩種：變頻變壓調速和矢量控制法，前者的控制方法相對簡單，有二十多年的發展經驗。因此應用的比較多，目前市場上出售的變頻器多數都是采用這種控制方法。
關鍵詞: 交流調速系統, 異步電動機, PWM技術.....
目錄
摘 要 1
前言 3
1.1 設計的目的和意義 3
1.2變頻器調速運行的節能原理 3
第二章 變頻器 4
2.1變頻器選型： 4
2.2變頻器控制原理圖設計： 4
2.3變頻器控制櫃設計 6
2.4變頻器接線規範 7
2.5變頻器的運行和相關參數的設置 8
2.6 常見故障分析 8
第三章 交流調速系統概述 10
3.1 交流調速系統的特點 10
第四章變頻電動機的特點 14
4.1電磁設計 14
4.2結構設計 14
第五章 變頻電機主要特點和變頻電機的構造原理 15
5.1 變頻專用電動機具有如下特點： 15
5.2變頻電機的構造原理 15
第六章 交流異步電動機 16
6.1交流異步電動機變頻調速基本原理 16
6.2 變頻變壓（VVVF）調速時電動機的機械特性 18
6.3變壓變頻運行時機械特性分折 19
第七章 PWM技術原理 24
7.1 正弦波脈寬調制(SPWM） 25
7.2單極性SPWM法 ..................................................................................................................26
結論 31
致 謝 32
參 考 文 獻 33
前言
1.1 設計的目的和意義
近年來，隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發展，交流傳動與控制技術成為目前發展最為迅速的技術之壹，電氣傳動技術面臨著壹場歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數字控制技術取代模擬控制技術已成為發展趨勢。電機交流變頻調速技術是當今節電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環境、推動技術進步的壹種主要手段。變頻調速以其優異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數和節電效果，廣泛的適用範圍及其它許多優點而被國內外公認為最有發展前途的調速方式。深入了解交流傳動與控制技術的走向，具有十分積極的意義．
1.2變頻器調速運行的節能原理
實現變頻調速的裝置稱為變頻器。變頻器壹般由整流器、濾波器、驅動電路、保護電路以及控制器（MCU／DSP）等部分組成。首先將單相或三相交流電源通過整流器並經電容濾波後，形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得壹定形狀的矩形脈沖波形。在這裏，通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時進行輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調速對U／f協調控制的要求。PWM的優點是能消除或抑制低次諧波，使負載電機在近正弦波的交變電壓下運行，轉矩脈沖小，調速範圍寬。
采用PWM控制方式的電機轉速受到上限轉速的限制。如對壓縮機來講，壹般不超過7000r／rain。而采用PAM控制方式的壓縮機轉速可提高1．5倍左右，這樣大大提高了快速增速和減速能力。同時，由於PAM在調整電壓時具有對電流波形的整形作用，因而可以獲得比PWM更高的效率。此外，在抗幹擾方面也有著PWM無法比擬的優越性，可抑制高次諧波的生成，減小對電網的汙染。采用該控制方式的變頻調速技術後，電機定子電流下降64％ ，電源頻率降低30％ ，出膠壓力降低57％ 。由電機理論可知，異步電機的轉速可表示為：n=60?f 8（1—8）／p
第二章 變頻器
變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另壹頻率的電能控制裝置。我們現在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然後再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路壹般由整流、中間直流環節、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。
2.1變頻器選型：
變頻器選型時要確定以下幾點：
1) 采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。
2) 變頻器的負載類型；如葉片泵或容積泵等，特別註意負載的性能曲線，性能曲線決定了應用時的方式方法。
3) 變頻器與負載的匹配問題；
I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。
II. 電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。對於特殊的負載如深水泵等則需要參考電機性能參數，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。
III.轉矩匹配；這種情況在恒轉矩負載或有減速裝置時有可能發生。
4) 在使用變頻器驅動高速電機時，由於高速電機的電抗小，高次諧波增加導致輸出電流值增大。因此用於高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大於普通電機的選型。
5) 變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大壹檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。
6) 對於壹些特殊的應用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大壹擋。
2.2變頻器控制原理圖設計：
1) 首先確認變頻器的安裝環境；
I.工作溫度。變頻器內部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產品壹般要求為0～55℃，但為了保證工作安全、可靠，使用時應考慮留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，變頻器壹般應安裝在箱體上部，並嚴格遵守產品說明書中的安裝要求，絕對不允許把發熱元件或易發熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。
II. 環境溫度。溫度太高且溫度變化較大時，變頻器內部易出現結露現象，其絕緣性能就會大大降低，甚至可能引發短路事故。必要時，必須在箱中增加幹燥劑和加熱器。在水處理間，壹般水汽都比較重，如果溫度變化大的話，這個問題會比較突出。
III.腐蝕性氣體。使用環境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會加速塑料器件的老化，降低絕緣性能。
IV. 振動和沖擊。裝有變頻器的控制櫃受到機械振動和沖擊時，會引起電氣接觸不良。淮安熱電就出現這樣的問題。這時除了提高控制櫃的機械強度、遠離振動源和沖擊源外，還應使用抗震橡皮墊固定控制櫃外和內電磁開關之類產生振動的元器件。設備運行壹段時間後，應對其進行檢查和維護。
V. 電磁波幹擾。變頻器在工作中由於整流和變頻，周圍產生了很多的幹擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有壹定的幹擾。因此，櫃內儀表和電子系統，應該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對儀表的幹擾。所有的元器件均應可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應接地。如果處理不好電磁幹擾，往往會使整個系統無法工作，導致控制單元失靈或損壞。
2) 變頻器和電機的距離確定電纜和布線方法；
I.變頻器和電機的距離應該盡量的短。這樣減小了電纜的對地電容，減少幹擾的發射源。
II. 控制電纜選用屏蔽電纜，動力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機全部用穿線管屏蔽。
III.電機電纜應獨立於其它電纜走線，其最小距離為500mm。同時應避免電機電纜與其它電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產生的電磁幹擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應盡可能使它們按90度角交叉。與變頻器有關的模擬量信號線與主回路線分開走線，即使在控制櫃中也要如此。
IV. 與變頻器有關的模擬信號線最好選用屏蔽雙絞線，動力電纜選用屏蔽的三芯電纜（其規格要比普通電機的電纜大檔）或遵從變頻器的用戶手冊。
3) 變頻器控制原理圖；
I.主回路：電抗器的作用是防止變頻器產生的高次諧波通過電源的輸入回路返回到電網從而影響其他的受電設備，需要根據變頻器的容量大小來決定是否需要加電抗器；濾波器是安裝在變頻器的輸出端，減少變頻器輸出的高次諧波，當變頻器到電機的距離較遠時，應該安裝濾波器。雖然變頻器本身有各種保護功能，但缺相保護卻並不完美，斷路器在主回路中起到過載，缺相等保護，選型時可按照變頻器的容量進行選擇。可以用變頻器本身的過載保護代替熱繼電器。
II. 控制回路：具有工頻變頻的手動切換，以便在變頻出現故障時可以手動切工頻運行，因輸出端不能加電壓，固工頻和變頻要有互鎖。
4) 變頻器的接地；
變頻器正確接地是提高系統穩定性，抑制噪聲能力的重要手段。變頻器的接地端子的接地電阻越小越好，接地導線的截面不小於4mm，長度不超過5m。變頻器的接地應和動力設備的接地點分開，不能***地。信號線的屏蔽層壹端接到變頻器的接地端，另壹端浮空。變頻器與控制櫃之間電氣相通。
2.3變頻器控制櫃設計
變頻器應該安裝在控制櫃內部，控制櫃在設計時要註意以下問題
1) 散熱問題：變頻器的發熱是由內部的損耗產生的。在變頻器中各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正常可靠運行，必須對變頻器進行散熱我們通常采用風扇散熱；變頻器的內裝風扇可將變頻器的箱體內部散熱帶走，若風扇不能正常工作，應立即停止變頻器運行；大功率的變頻器還需要在控制櫃上加風扇，控制櫃的風道要設計合理，所有進風口要設置防塵網，排風通暢，避免在櫃中形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積；根據變頻器說明書的通風量來選擇匹配的風扇，風扇安裝要註意防震問題。
2) 電磁幹擾問題：
I.變頻器在工作中由於整流和變頻，周圍產生了很多的幹擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有壹定的幹擾，而且會產生高次諧波，這種高次諧波會通過供電回路進入整個供電網絡，從而影響其他儀表。如果變頻器的功率很大占整個系統25%以上，需要考慮控制電源的抗幹擾措施。
II.當系統中有高頻沖擊負載如電焊機、電鍍電源時，變頻器本身會因為幹擾而出現保護，則考慮整個系統的電源質量問題。
3) 防護問題需要註意以下幾點：
I.防水防結露：如果變頻器放在現場，需要註意變頻器櫃上方不的有管道法蘭或其他漏點，在變頻器附近不能有噴濺水流，總之現場櫃體防護等級要在IP43以上。
II. 防塵：所有進風口要設置防塵網阻隔絮狀雜物進入，防塵網應該設計為可拆卸式，以方便清理，維護。防塵網的網格根據現場的具體情況確定，防塵網四周與控制櫃的結合處要處理嚴密。
III.防腐蝕性氣體：在化工行業這種情況比較多見，此時可以將變頻櫃放在控制室中。
2.4變頻器接線規範
信號線與動力線必須分開走線：使用模擬量信號進行遠程控制變頻器時，為了減少模擬量受來自變頻器和其它設備的幹擾，請將控制變頻器的信號線與強電回路（主回路及順控回路）分開走線。距離應在30cm以上。即使在控制櫃內，同樣要保持這樣的接線規範。該信號與變頻器之間的控制回路線最長不得超過50m。
信號線與動力線必須分別放置在不同的金屬管道或者金屬軟管內部：連接PLC和變頻器的信號線如果不放置在金屬管道內，極易受到變頻器和外部設備的幹擾；同時由於變頻器無內置的電抗器，所以變頻器的輸入和輸出級動力線對外部會產生極強的幹擾，因此放置信號線的金屬管或金屬軟管壹直要延伸到變頻器的控制端子處，以保證信號線與動力線的徹底分開。
1) 模擬量控制信號線應使用雙股絞合屏蔽線，電線規格為0.75mm2。在接線時壹定要註意，電纜剝線要盡可能的短（5-7mm左右），同時對剝線以後的屏蔽層要用絕緣膠布包起來，以防止屏蔽線與其它設備接觸引入幹擾。
2) 為了提高接線的簡易性和可靠性，推薦信號線上使用壓線棒端子。
2.5變頻器的運行和相關參數的設置
變頻器的設定參數多，每個參數均有壹定的選擇範圍，使用中常常遇到因個別參數設置不當，導致變頻器不能正常工作的現象。
控制方式：即速度控制、轉距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式後，壹般要根據控制精度，需要進行靜態或動態辨識。
最低運行頻率：即電機運行的最小轉速，電機在低轉速下運行時，其散熱性能很差，電機長時間運行在低轉速下，會導致電機燒毀。而且低速時，其電纜中的電流也會增大，也會導致電纜發熱。
最高運行頻率：壹般的變頻器最大頻率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高頻率將使電機高速運轉，這對普通電機來說，其軸承不能長時間的超額定轉速運行，電機的轉子是否能承受這樣的離心力。
載波頻率：載波頻率設置的越高其高次諧波分量越大，這和電纜的長度，電機發熱，電纜發熱變頻器發熱等因素是密切相關的。
電機參數：變頻器在參數中設定電機的功率、電流、電壓、轉速、最大頻率，這些參數可以從電機銘牌中直接得到。
跳頻：在某個頻率點上，有可能會發生***振現象，特別在整個裝置比較高時；在控制壓縮機時，要避免壓縮機的喘振點。
2.6 常見故障分析
1) 過流故障：過流故障可分為加速、減速、恒速過電流。其可能是由於變頻器的加減速時間太短、負載發生突變、負荷分配不均，輸出短路等原因引起的。這時壹般可通過延長加減速時間、減少負荷的突變、外加能耗制動元件、進行負荷分配設計、對線路進行檢查。如果斷開負載變頻器還是過流故障，說明變頻器逆變電路已環，需要更換變頻器。
2) 過載故障：過載故障包括變頻過載和電機過載。其可能是加速時間太短，電網電壓太低、負載過重等原因引起的。壹般可通過延長加速時間、延長制動時間、檢查電網電壓等。負載過重，所選的電機和變頻器不能拖動該負載，也可能是由於機械潤滑不好引起。如前者則必須更換大功率的電機和變頻器；如後者則要對生產機械進行檢修。
3) 欠壓：說明變頻器電源輸入部分有問題，需檢查後才可以運行。
第三章 交流調速系統概述
3.1 交流調速系統的特點
對於可調速的電力拖動系統，工程上往往把它分為直流調速系統和交流調速系統兩類。這主要是根據采用什麽電流制型式的電動機來進行電能與機械能的轉換而劃分的，所謂交流調速系統，就是以交流電動機作為電能—機械能的轉換裝置，並對其進行控制以產生所需要的轉速。
縱觀電力拖動的發展過程，交、直流兩大調速系統壹直並存於各個工業領域，雖然由於各個時期科學技術的發展使得它們所處的地位有所不同，但它們始終是隨著工業技術的發展，特別是隨著電力電子元器件的發展而在相互競爭。在過去很長壹段時期，由於直流電動機的優良調速性能，在可逆、可調速與高精度、寬調速範圍的電力拖動技術領域中，幾乎都是采用直流調速系統。然而由於直流電動機其有機械式換向器這壹致命的弱點，致使直流電動機制造成本高、價格昂貴、維護麻煩、使用環境受到限制，其自身結構也約束了單臺電機的轉速，功率上限，從而給直流傳動的應用帶來了壹系列的限制。相對於直流電動機來說，交流電動機特別是鼠籠式異步電動機具有結構簡單，制造成本低，堅固耐用，運行可靠，維護方便，慣性小，動態響應好，以及易於向高壓、高速和大功率方向發展等優點。因此，近幾十年以來，不少國家都在致力於交流調速系統的研究，用沒有換向器的交流電動機實現調速來取代直流電動機，突破它的限制。
隨著電力電子器件，大規模集成電路和計算機控制技術的迅速發展，以及現代控制理論向交流電氣傳動領域的滲透，為交流調速系統的開發研究進壹步創造了有利的條件。諸如交流電動機的串級調速、各種類型的變頻調速，特別是矢量控制技術的應用，使得交流調速系統逐步具備了寬的調速範圍、較高的穩速精度、快速的動態響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能。現在從數百瓦的伺服系統到數百千瓦的特大功率高速傳動系統，從壹般要求的小範圍調速傳動到高精度、快響應、大範圍的調速傳動，從單機傳動到多機協調運轉，已幾乎都可采用交流調速傳動。交流調速傳動的客觀發展趨勢已表明，它完全可以和直流傳動相媲美、相抗衡，並有取代的趨勢。
3.2 交流調速常用的調速方案及其性能比較
由電機學知，交流異步電動機的轉速公式如下：
n= 60?1 (1-s) pn (1-1)
式中 Pn——電動機定子繞阻的磁極對數；
f1——電動機定子電壓供電頻率；
s ——電動機的轉差率。
從式（1-1）中可以看出，調節交流異步電動機的轉速有三大類方案。
（1）改變電動機的磁極對數
由異步電動機的同步轉速
no= 60?1 pn
可知，在供電電源頻率f1不變的條件下，通過改接定子繞組的連接方式來改變異步電動機定子繞組的磁極對數Pn，即可改變異步電動機的同步轉速n0，從而達到調速的目的。這種控制方式比較簡單，只要求電動機定子繞組有多個抽頭，然後通過觸點的通斷來改變電動機的磁極對數。采用這種控制方式，電動機轉速的變化是有級的，不是連續的，壹般最多只有三檔，適用於自動化程度不高，且只須有級調速的場合。
（2）變頻調速
從式（1—1）中可以看出，當異步電動機的磁極對數Pn壹定，轉差率s—定時，改變定子繞組的供電頻率f1可以達到調速目的，電動機轉速n基本上與電源的頻率f1成正比，因此，平滑地調節供電電源的頻率，就能平滑，無級地調節異步電動機的轉速。變頻調速調速範圍大，低速特性較硬，基頻f=50Hz以下，屬於恒轉矩調速方式，在基頻以上，屬於恒功率調速方式，與直流電動機的降壓和弱磁調速十分相似。且采用變頻起動更能顯著改善交流電動機的起動性能，大幅度降低電機的起動電流，增加起動轉矩。所以變頻調速是交流電動機的理想調速方案。
（3）變轉差率調速
改變轉差率調速的方法很多，常用的方案有：異步電動機定子調壓調速，電磁轉差離合器調速和繞線式異步電動機轉子回路串電阻調速，串級調速等。
定子調壓調速系統就是在恒定交流電源與交流電動機之間接入晶閘管作為交流電壓控制器，這種調壓調速系統僅適用於壹些屬短時與重復短時作深調速運行的負載。為了能得到好的調速精度與能穩定運行，壹般采用帶轉速負反饋的控制方式。所使用的電動機可以是繞線式異電動機或是有高轉差率的鼠籠式異步電動機。
電磁轉差離臺器調速系統，是由鼠籠式異步電動機、電磁轉差離合器以及控制裝置組合而成。鼠籠式電動機作為原動機以恒速帶動電磁離合器的電樞轉動，通過對電磁離合器勵磁電流的控制實現對其磁極的速度調節。這種系統壹般也采用轉速閉環控制。
繞線式異步電動機轉子回路串電阻調速就是通過改變轉子回路所串電阻來進行調速，這種調速方法簡單，但調速是有級的，串入較大附加電阻後，電動機的機械特性很軟，低速運行損耗大，穩定性差。
繞線式異步電動機串級調速系統就是在電動機的轉子回路中引入與轉子電勢同頻率的反向電勢Ef，只要改變這個附加的，同電動機轉子電壓同頻率的反向電勢Ef，就可以對繞線式異步電動機進行平滑調速。Ef越大，電動機轉速越低。
上述這些調速的***同特點是調速過程中沒有改變電動機的同步轉速n0，所以低速時，轉差率s較大。
在交流異步電動機中，從定子傳入轉子的電磁功率PM可以分成兩部分：壹部分P2=（1—s）PM是拖動負載的有效功率，另壹部分是轉差功率PS=sPM，與轉差率s成正比，它的去向是調速系統效率高低的標誌。就轉差功率的去向而言，交流異步電動機調速系統可以分為三種：
1）轉差功率消耗型
這種調速系統全部轉差功率都被消耗掉，用增加轉差功率的消耗來換取轉速的降低，轉差率s增大，轉差功率PS=sPM增大，以發熱形式消耗在轉子電路裏，使得系統效率也隨之降低。定子調壓調速、電磁轉差離合器調速及繞線式異步電動機轉子串電阻調速這三種方法屬於這壹類，這類調速系統存在著調速範圍愈寬，轉差功率PS愈大，系統效率愈低的問題，故不值得提倡。
2）轉差功率回饋型
這種調速系統的大部分轉差功率通過變流裝置回饋給電網或者加以利用，轉速越低回饋的功率越多，但是增設的裝置也要多消耗壹部分功率。繞線式異步電動機轉子串級調速即屬於這壹類，它將轉差功率通過整流和逆變作用，經變壓器回饋到交流電網，但沒有以發熱形式消耗能量，即使在低速時，串級調速系統的效率也是很高的。
3）轉差功率不變型
這種調速系統中，轉差功率仍舊消耗在轉子裏，但不論轉速高低，轉差功率基本不變。如變極對數調速，變頻調速即屬於這壹類，由於在調速過程中改變同步轉速n0，轉差率s是壹定的，故系統效率不會因調速而降低。在改變n0的兩種調速方案中，又因變極對數調速為有極調速，且極數很有限，調速範圍窄，所以，目前在交流調速方案中，變頻調速是最理想，最有前途的交流調速方案。
第四章變頻電動機的特點
4.1電磁設計
對普通異步電動機來說，再設計時主要考慮的性能參數是過載能力、啟動性能、效率和功率因數。而變頻電動機，由於臨界轉差率反比於電源頻率，可以在臨界轉差率接近1時直接啟動，因此，過載能力和啟動性能不在需要過多考慮，而要解決的關鍵問題是如何改善電動機對非正弦波電源的適應能力。方式壹般如下：