
I
交流异步电动机变频调速设计
摘 要
现在流行的异步电动机的调速方法可分为两种:变频调速和变压调速,其中异步电动机的变频调速
应用较多,它的调速方法可分为两种:变频变压调速和矢量控制法,前者的控制方法相对简单,有二十
多年的发展经验。因此应用的比较多,目前市场上出售的变频器多数都是采用这种控制方法。本设计采
用恒压变频调速并在 MTALAB 运行环境下进行仿真设计并运行仿真模型得出结论。
关键词: 交流调速系统 异步电动机 PWM 技术 MATLAB

II
目录
摘 要 .........................................................................................................................................I
绪论...................................................................................................................................................1
1.设计的目的和意义.................................................................................................................1
1.1 变频器调速运行的节能原理..........................................................................................1
2.交流异步电动机.....................................................................................................................2
2.1 交流异步电动机变频调速基本原理..............................................................................2
2.2 变频变压(VVVF)调速时电动机的机械特性..........................................................4
2.2.1.比例控制方式 ............................................................................................................4
2.2.2.恒磁通控制方式 ........................................................................................................5
2.2.3.恒功率控制方式 ........................................................................................................5
2.3 变压变频运行时机械特性分折......................................................................................5
2.3.1.电压为额定值时改变频率的机械特性....................................................................7
2.3.2.频率为额定值时改变电压的机械特性....................................................................8
3. 变频技术简介和控制方法...................................................................................................9
3.1 变频调速技术简介 .........................................................................................................9
3.2 变频器工作原理及分类................................................................................................10
3.2.1 变频器的工作原理 .....................................................................................................10
3.2.2 交-交变频器和交-直-交变频器.................................................................................11
3.2.3 电压型与电流型交-直-交变频器 ..............................................................................13
3.3 交流调速的基本控制方法 ...........................................................................................18
3.4 脉冲宽度调制(PWM)技术 ......................................................................................22
3.4.1 PWM 控制技术的概述 ..............................................................................................22
3.4.2 SPWM 原理和指标 ....................................................................................................23
4. 异步电动机变频调速系统设计的仿真和实现 ................................................................25
4.1 MATLAB 的编程环境 ..................................................................................................25

III
4.1.1 系统仿真的应用 ........................................................................................................25
4.1.2 MATLAB 的简介 .......................................................................................................26
4.2 仿真结果 ........................................................................................................................31
5.结论.......................................................................................................................................32

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绪论
1.设计的目的和意义
近年来,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,交流传动与控
制技术成为目前发展最为迅速的技术之一,电气传动技术面临着一场历史革命,即交流调
速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频
调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主
要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能,高效率、高功率因数和节电效果,广泛
的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传
动与控制技术的走向,具有十分积极的意义。
1.1 变频器调速运行的节能原理
实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电
路以及控制器(MCU/DSP)等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容
滤波后,形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上,利用逆变器功率元件的通断控制,
使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里,通过改变矩形脉冲的宽度控制其
电压幅值;通过改变调制周期控制其输出频率,从而在逆变器上同时进行输出电压和频率
的控制,而满足变频调速对 U/f 协调控制的要求。PWM 的优点是能消除或抑制低次谐波,
使负载电机在近正弦波的交变电压下运行,转矩脉冲小,调速范围宽。
采用 PWM 控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲,一般不超过
7000r/rain。而采用 PAM 控制方式的压缩机转速可提高 1.5 倍左右,这样大大提高了快
速增速和减速能力。同时,由于 PAM 在调整电压时具有对电流波形的整形作用,因而可以
获得比 PWM 更高的效率。此外,在抗干扰方面也有着 PWM 无法比拟的优越性,可抑制高次

2
谐波的生成,减小对电网的污染。采用该控制方式的变频调速技术后,电机定子电流下降 64
% ,电源频率降低 30% ,出胶压力降低 57% 。由电机理论可知,异步电机的转速可表
示为:n=60·f 8(1—8)/p。
2.交流异步电动机
交流异步电动机广泛使用在电梯的电气控制系统中。实际上交流曳引电动机就是一台
交流鼠笼式异步电动机。由于交流电力传动技术以及其控制理论的发展与提高,同时,大
功率半导体器件(GTO、GTR 等)技术的日趋完善,以及 PLC、微电子、微处理器等技术在
电力拖动系统中得以充分地利用,使得结构简单、维护保养方便、价格低廉的交流异步电
动机在电梯的电力控制系统中又得以充分发挥其最大的效率。使用交流鼠笼式电动机变频
变压调速拖动系统的电梯(VVVF 交流调速电梯)在目前电梯的电气控制应用中具有领先地
位。
2.1 交流异步电动机变频调速基本原理
从电机及电力拖动中可知,三相交流异步电动机的机械特性可分成两种:①异步电动
机的固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压 UN 和额定频率 f
N
下,按规定的接线方
式接线,定子、转子及外接电阻均为 0 时,讨论转速 n 与电磁转矩 T
em
的关系:n=f(T
em
)
(见图 1)。②异步电动机的人为机械特性是指人为地改变电动机参数或电源参数而得的
机械特性。电动机参数又可分为三类:
1.异步电动机的结构参数
2.异步电动机的运行参数
3.异步电动机的输入参数 U
1
和 f
1
。