发布时间 : 星期五 文章基于单片机的交流调压调速系统设计更新完毕开始阅读033d627d1a37f111f0855b10
湖南科技大学本科生毕业设计（论文）
第一章 绪论
1.1 交流调速的发展状况
交流调速技术诞生1世纪，但由于其性能无法与直流调速技术相比，所以过去的直流调速系统一直在电气传动领域中占统治地位。直到20世纪50年代中期，晶闸管研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。由于体积小、价格低、坚固耐用、性能好等一系列的优点，半导体电力电子器件使电机调速用的各种变流装置迅速进入了实用阶段。随着电力电子技术的发展，使用采用半导体开关器件的交流调速系统得以实现。尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，现积小价格低坚固耐用性能良好等一代控制理论的应用，为现代交流调速技术的发展创造了有利条件，促进了各种类型的交流调速系统的飞速发展，如串极调速系统变频调速系统、无换相器电动机调速系统、以及矢量控制调速系统等。目前在电气传动领域中，现代交流调速技术已有取代直流调速技术的趋势。
1.2 现代交流调速技术的应用
异步电动机的转速(n)公式为：n=nZ(1-s)，其中nZ为电动机的同步速度，s为转差率，所以异步电动机调速方法可以分为调旋转磁场的同步速度nz和在同步速度不变条件下调转差率s两大类。运用到实际中的交流调速系统主要有：变级调速系统、串级调速系统、调压调速系统、变频调速系统。
(1)变级调速系统：调旋转磁场同步速度的最简单办法是变级调速通过电动机绕组的改接，使电机从一种级数变到另一种级数从而实现异步电动机的有级调速。
变级调速系统所需设备简单，价格低廉，工作也比较可靠，但它是有级调速一般为两种速度三速以上的变级电机绕组，结构复杂，应用较少，变级调速电动机的关键在于绕组设计以最少的线圈改接和引出头以达到最好的电机技术性能指标。
(2)串级调速系统：绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种经济高效的调速方法。
改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同电阻以获得不同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。这种方法简单方便，但调速是有级的不平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上效率低，自大功率电力电子器件问世后，采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送转差功率的任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统。转子回路中引入附加电势，不但可以改变转子回路的有功功率转差功率的大小，而且还可以调节转子电流的无功分量，即调节异步电动机的功
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率因数。
(3)调压调速系统：异步电动机电机转矩与输入电压基波的平方成正比，所以改变电机端电压(基波)可以改变异步电动机的机械特性以及它和负载特性的交点，从而实现调速。
异步电动机调压调速是一种比较简单的调速方法。在20世纪50年代以前，一般采用串饱和电抗器来进行调速，但近年来随着电力电子技术的发展，多采用双向晶闸管来实现交流调压，用双向晶闸管调压的方法有两种：一种是相控技术，一种是斩波调压，采用整周波斩波控制方法可能调速不够平滑，所以在异步电机的调压控制中多用相控技术。但是采用相控技术在输出电压波形中含有较大的谐波会引起附加损耗，产生转矩脉动。
(4)变频调速系统：变频调速具有高效率，宽调速范围和高精度等特点，是运用最广最有发展前途的调速方式交流。电机变频调速系统的种类很多，从60年代提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型脉宽调各种异步电机调速系统中效率最高性能最好的系统是变压变频调速系统，变压变频调速系统在调速时须同时调节定子电源的电压和频率，在这种情况下机械特性基本上平行移动 而转差功率不变，它是当前交流调速的主要方向。目前变频调速的主要方案有：交-交变频调速、交-直-交变频调速、同步电动机自控式变频调速系统、正弦波脉宽调制(SPWM)变频调速、矢量控制变频调速等。电子技术的发展和新调控制的变频电源，价格相对比较昂贵，并且输出的电压电流波形往往是非正弦的，含有各种谐波分量对电网产生污染这些谐波在电机中产生型电力电子器件的出现，使变频装置的快速性，可靠性及经济性不断提高。但是变频调速需要一套输出电压和频率能在较宽的范围内连续协的谐波磁场对气隙比较小的异步电动机来讲，往往会引起损耗增加，产生振动和噪声等许多不良的影响。所以对异步电动机在变频条件下的工作特性和谐波分量的深入分析、变频电源的选择及其控制策略的研究是异步电动机变频调速
1.3 现代交流调速技术的发展
随着新型自关断电力电子器件、智能功率集成电路的问世。现代控制理论的发展和计算机技术的应用，变频技术日新月异，新的控制策略不断涌现，使得现代交流调速技术得到迅猛发展。
(1)仿真技术在交流调速系统中的应用：近年来计算机仿真技术在各行各业得到了广泛的应用，特别是在进行复杂系统(如交流变频调速系统)的设计时，采取计算机仿真方法来分析和研究其性能是非常有效和必要的。传统的计算机仿真软件包用微分，方程和差分方程建模，其直观性、灵活性差、编程量大、操作不便。随着一些大型的高性能的计算机、仿真软件的出现，实现交流调速系统的实时仿真可以较容易地实现。如matlab
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软件已经能够在计算机中全过程地仿真交流调速系统的整个过程，matlab语言非常适合于交流调速领域内的仿真及研究，能够为某些问题的解决带来极大的方便并能显著提高工作效率。随着新型计算机仿真软件的出现，交流调速技术必将在成本控制、工作效率、实时监控等方面得到长足的进步。
(2)DSP等数字化控制系统：随着计算机技术的发展，人们对数字化信息的依赖程度越来越高，计算机网络和调速技术的完美结合是现代交流调速系统的发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合同时为了提高交流调速系统自身的性能必须使交流调速系统实现全数字化控制，单片机已经在交流调速系统中得到了广泛应用，随着交流电机的控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂，模糊控制、专家控制、智能控制、自适应控制等在交流电机的矢量控制或直接转矩控制中得到了应用，单片机由于自身的条件限制，已经无法满足日益复杂的控制方法。DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到了施展身手的舞台，将来更加集成化智能化的数字芯片必将越来越多地运用到交流调速系统当中，使得交流调速系统结构更加简单、功能更加强大、运行更加稳定。
新型电力电子器件的研制：现代交流调速技术中电力电子技术的应用主要受到以下几方面的限制：电力电子器件的性能、电力电子技术的控制策略、控制手段和电力变换器的结构。电力电子器件的价格，正是由于现代交流调速技术发展的要求，促使电力电子器件从不可控到可控，必然会产生越来越多新型的电力电子器件以适应系统的集成化、高频化、数字化、智能化等一系列要求。同时，由于电力电子器件的应用而带来的谐波对电网造成的污染也是研究的方向之一，这些谐波会使电机产生转矩脉冲，增加电机的附加损耗和电磁噪声也会使转矩出现周期性的波动，从而影响电机平稳运行和调速范围。随着电力电子变换器的日益普及，谐波和无功电流给电网带来电力公害，越来越值得重视。新型的电力电子器件必然会考虑到这些问题，尽量减少或者消除自身带来的问题，从而得到更好的利用除了上面提到的这些。交流调速技术的发展还受到控制策略、高频、大容量等方面的因素限制，这些方面都将是现代交流调速技术需要深入研究的热点问题.
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第二章 三相异步电动机交流调速
2.1 交流调速方案
由电机学已知，异步电动机的转速为n?60fp1?1?s? （2－1）
上述式中，f— 异步电动机定子电压供电频率，p— 异步电动机的磁极对数，s1— 异步电动机的转差率。
综上所述，可知调节交流电动机的转速有三种方案分别为变级调速、变频调速、调节转差能耗调速。 2.1.1 变级调速
变极调速变换异步电动机的绕组极数，从而改变其同步转速进行调速的方法称为变极调速。变极调速是通过外部的开关切换改变电机绕组的串并联关系实现的。只能实现有级调节（一般有两个速度），如电机由两极切换到四极，速度就会由大约3000转/分降到大约1500转/分。
变极调速一般是以两个速度为主，辅以阀门和挡板调节，比单纯使用阀门和挡板要好一些，但是仍然有节能潜力可挖。另外，由于结构复杂，变极电机的效率比常规的通用电机要稍低一些。通过改接定子绕组的连接方式来得到不同的极数和转速。这一方法适用与不需要平滑调速的场合。调速时低速的人为特性较硬、静差率较高、经济性较好。变极调速是改变异步电动机的同步转速n=60f1/P，故一般称变极调速的电动机为多速异步电动机，变极调速的优点是投资较少。 2.1.2 变频调速
通过改变定子绕组的供电频率f1的调速方法。当转差率s一定时，电动机转速n基本上正比f1，很明显，只要有输出频率可平滑调节的变预电源，就能平滑、无级地调节异步电动机的转速。变频调速主要用于笼型异步电动机，性能优异、调速范围大、平滑性高，变频时U按不同规律变化可实现恒转矩或恒功率调速，以适应不同负载的要求，低速时特性的静差率较高是异步电动机调速最优发展前途的一种方法。其缺点是必须有专用的变频电源，在恒转矩调速时，低段电动机的过载倍数大为下降，甚至不能带动负载。
2.1.3 变转差率调速
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