电机调速

对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。它们最大的不同之处主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的机械换向器——整流子。20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。

许多传统的由直流电机调速系统拖动的工业设备改由交流变额调速系统拖动，从而提高了系统的可靠性，减少了系统的维护费用。随着变频调速应用的日益广泛，相关技术的日益成熟，人们不仅对变频调速系统的精度要求越来越高，而且对控制的功能要求越来越多，对系统的智能化要求越来越高，对系统的抗扰能力要求越来越高，以满足生产的需求并适应不同的工作环境。

在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。交流变频调速的优异特性：调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静差率较高，相对稳定性好； 调速范围较大，精度高；起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维修简便，易于实现过程自动化；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

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矩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，而不能调节转矩。

本文主要内容是研究采用单片机STC89C51与MAX232芯片组成SPWM波实物发生电路，并结合MATLAB，通过软件编程控制电动机变频调速。

1.1 电机调速系统的发展历史

随着电力电子技术，计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代，变频调速技术得到了飞速的发展。我国生产的电能60%用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分，所以要对电动机的调速有足够的重视。我们都知道，动力和运动是可以相互转化的，从这个意义上说电动机也是最常见的运动源，对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。

对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可以通过继电器，可编程器件和开关元件来实现。复杂控制是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前，对电动机的简单控制的应用较多，但是，随着现代化步伐的前进，人们对自动化的需求也越来越高，使电动机的复杂控制逐渐成为

主流，其应用领域极为广泛。在军事和雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的控制等。工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，绕线机，泵和压缩机，轧机主传动等设备的控制。计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，绘图仪，打印机，复印机等的控制；音像设备和家用电器中的录音机，数码相机，洗衣机，冰箱空调，电扇等的控制，我们统统称其为电动机的控制。

功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如BJT（双极型晶体管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频化的PWM 技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。脉宽调制技术PWM （Pulse Width Modu- lation）就是利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。PWM技术可分为三大类：正弦PWM、优化PWM 及随机PWM。

随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器（Digital Signal Processor——DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit——ASIC）等。其中，

高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。

1.2 交流电机调速方式

三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s) 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有无换向电动机调速等。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。

（1） 变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：具有较硬的机械特性，稳定性良好； 无转差损耗，效率高； 接线简单、控制方便、价格低； 有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

（2） 变频调速方法 是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点：效率高，调速过程

中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

（3） 串级调速方法 是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70％－90％的生产机械上； 调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。

（4） 绕线式电动机转子串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。

（5） 定子调压调速方法 当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：调压调速线路简单，易实现自动控制； 调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。

（6） 电磁调速电动机调速方法 电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电

动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点：装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便； 调速平滑、无级调速； 对电网无谐影响； 速度不大、效率低。本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。

（7） 液力耦合器调速方法 液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力传输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速，其特点为：功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要； 结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低； 尺寸小，容量大；控制调节方便，容易实现自动控制。 本方法适用于风机、水泵的调速。

2 异步电动机的变频调速

2.1 异步电机变频调速原理

交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。

交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的

的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速，用表示：

（2-1）

式中，—三相交流电源频率，一般是50Hz；

—磁极对数。当=1是，=3000r／min；=2时，=1500r／min。

由上式可知磁极对数越多，转速就越慢，转子的实际转速比磁场的同步转速要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率表示：

（2-2）

在加上电源，转子尚未转动瞬间，=0，这时=1；启动后的极端情况=，则=0，即在0～1之间变化，一般异步电动机在额定负载下的 =1%～6%。综合（2-1）和（2-2）式可以得出：

（2-3）

由式（2-3）可以看出，对于成品电机，其极对数已经确定，转差率的变化不大，则电机的转速与电源频率成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。

2.2 变频调速的控制方式及选定

2.2.1 V/f比恒定控制

V/f比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。V/f控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。

三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态，从而使铁心材料得到充分的利用。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率发生变化时，电动机的阻抗将随

之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强。在励磁不足时电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于饱和状态，使电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的功率损耗，降低电动机的效率和功率因数。因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定为额定值。

由电机理论知道，电机定子的感应电势有效值是：

（2-4）

则 即

另外，电机的电磁转矩为:

（2-5）

式中，—与电动机有关的常数；

cos—转子每相电路功率因数；—转子电压与电流的相位差；—电机的电磁转矩。

由式(2-4)推断，若不变，当定子电源频率增加，将引起气隙磁通减小；而上可知，减小又引起电动机电磁转矩减小，这就出现了频率增加，而负载能力下降的情况。在不变时，而定子电源频率减小，又将引起增加,增加将导致磁路饱和，励磁电流升高，从而导致电动机发热，严重时会因绕组过热而损坏电动机。由以上情况可知:变频调速时，必须使气隙磁通不变。因此，在调节频率的同时，必须对定子电压进行协调控制，但控制方式随运行频率在基频以下和基频以上而不同。（1） 基频以下调速

要保持不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低,使/f =常值。只要保持/f为常数，就可以达到维持磁通恒定的目的。因此这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。

根据电机端电压和感应电势的关系式：

(2-6)

式中，—定子相电压；

—定子电阻； —定子阻抗；—定子电流。

当电机在额定运行情况下，电机定子电阻和漏阻抗的压降较小，和可以看成近似相等，所以保持V/f=常数即可。

由于V/f比恒定调速是从基频向下调速，所以当频率较低时，与 都变小，定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定

子电压以补偿电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。

变频后的机械特性如图2.1所示。

图2.1 电动机低于额定转速方向调速时的机械特性

从图2.1中可以看出，当电动机向低于额定转速方向调速时,曲线近似平行地下降，减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性；但是临界转矩却随着电动机转速的下降而逐渐减小，这就是造成了电动机负载能力的下降。

临界转矩下降的原因可以如下解释：为了使电动机定子的磁通量保持恒定，调速时就要求感应电动势与电源频率的比值不变，为了使控制容易实现，采用电源电压≈来近似代替，这是以忽略定子阻抗压降作为代价，当然存在一定的误差。显然，被忽略的定子阻抗压降在电压中所占的比例大小决定了它的影响。当的数值相对较高时，定子阻抗压降在电压中所占的比例相对较小，≈所产生的误差较少；当的数值较低时，定子阻抗压降在电压中所占的比例下降，而定子阻抗的压降并不按同比例下降，使得定子阻抗压降在电压中的比例增大，已经不能再满足≈。此时如果仍以代替，将带来很大的误差。因为定子阻抗压降所占的比例增大，使得实际上产生的感应电动势减小，/f的比值减小，造成磁通量减小，因而导致电动机的临界转矩的下降。

变频后机械特性的降低将使电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用。一种简单的解决方法就是所示的V/f转矩补偿法。

V/f转矩补偿法的原理是：针对频率降低时，电源电压成比例地降低引起的的下降过低，采用适当的提高电压的方法来保持磁通量恒定，使电动机转矩回升，因此，有些变频器说明书又称它为转矩提升（Torque Boost）。

带定子压降补偿的压频比控制特性示于图2.2中的b线，无补偿的控制特性则为a线。

定子降压补偿只能补偿于额定转速方向调速时的机械特性，而对向高于额定转速方向调速时的机械特性不能补偿。

图2.2 压频比控制特性曲线

补偿后的机械特性曲线如图2.3所示。

图2.3 补偿后的机械特性曲线

（2） 在基频以上调速

在基频以上调速时，频率可以从额定频率向上增高，但是电压却不能超出额定

电压，这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种调速方式下，转子升高时转矩降低，属于恒功率调速方式。变频后的机械特性如图2.4所示。

图2.4 电动机高于额定转速方向调速时的机械特性

当电动机向高于额定转速方向调速时，曲线不仅临界转矩下降，而且曲线工作段的斜率开始增大，使得机械特性变软。造成这种现象的原因是：当频率升高时，电源电压不可能相应升高。这是因为电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压，所以，磁通量将随着频率的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转矩下降，造成电动机的机械特性变软。以上调速方式相应的特性曲线如图2.5所示。

图2.5 整个频率调速的特性曲线

注：图中曲线1——在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主

磁通曲线

图中曲线2——在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁

通曲线

V/f比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定子的电压和电势近似相等条件已不能满足，所以仍按V/f比恒定控制就不能保持电机磁通恒定，而电机磁通的减小势必会造成电机的电磁转矩减小。另一方面原因是低速时逆变器桥臂上、下开关元件的导通时间相对较短，电压下降，而且它们的互锁时间也造成了电压降低，从而引起转矩脉动，在一定条件下这将会引起转速、电流的振荡，严重时会导致变频器不能运行。

2.2.2 其它控制方式

（1）转差频率控制变频调速

转差率控制方式是V/f控制的一种改进，这种控制需要由安装在电

动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出是转差率，而变频器的输出频率则由电动机实际转速与所需转差频率之和决定。它是解决V/f控制静态性能较差的一种有效方法。虽然这种方法可以提高调速精度，但是它需要使用速度传感器来求取转差角频率，还要针对具体电机的机械特性调整控制参数，因而此方法的通用

性较差。

（2）矢量控制变频调速

矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流、、通过三相——两相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流、，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流、（相当于直流电动机的励磁电流；相当于与转矩成比例的电枢电流），然后仿效直流电动机的控制方法，求得直流电动机控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。在高性能的异步电机控制系统中多采用交叉闭环控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。虽然这一理论的提出是交流传动理论上的一个飞跃，但是由于它既要确定转子的磁链，又要进行坐标变换，还要考虑转子参数变动带来的影响，所以系统非常复杂。矢量控制变频器通常应用于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的场合。（3）直接转矩控制变频调速

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

日前市场销售的通用变频器的控制多半为V/f比恒定控制，它的应用比较广泛，特别是在风机，泵及土木机械等方面应用较多，V/f比恒定控制的突出优点是可以进行电机的开环速度控制。

从以上的分析可看出，V/f控制常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。由于V/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电机，所以这种控制方法通用性强、经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方

式。由此，在本设计中采用V/f控制。（4）单片机控制的变频调速

微处理器（单片机）取代模拟电路作为电动机的控制器，具有如下特点：

①使电路更简单。模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路更复杂，采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。

②可以实现较为复杂的控制。微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元。因此，有能力实现复杂的控制。

③灵活性和适应性。微处理器的控制方式是由软件来实现的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。

④无零点漂移，控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题，无论被控量是大还是小，都可以保证足够的控制精度。

⑤可以提供人机界面，多机连网工作。

用工业控制计算机可谓功能强大，它有极高的速度，很强的运算能力和接口功能，方便的软件功能，但是由于成本高，体积过大，所以只用于大型的控制系统。可编程控制器则恰好相反，它只能完成逻辑判断、定时、记数和简单的运算，由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。在民用生产中，通常用介于工控机和可编程控制器之间的单片机作为微处理器。本次设计就是用单片机作为电动机的控制器。