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基于单片机转差频率控制的交流调速系统设计

摘要

单片机控制的变频调速系统设计思想是用转差频率进行控制。通过改

变程序来达到控制转速的目的。由于设计中电动机功率不大，所以整流器

采用不可控电路，电容器滤波；逆变器采用电力晶体管三相逆变器。系统

的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，SA8282 大规模集成

电路，保护电路，AT89C51 单片机， 8255 可编程接口芯片，I/O 接口芯片，

测速发电机等组成。回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运行的可

靠性有了保障。

关键词:AT89C51 单片机；SA8282；转差频率；交流调速；三相异步电动机

前言

自上个世纪 90 年代以来，近代交流调速步入了以变频调速为主导的发展阶

段。其间，由于各种新型电力电子器件的支持，使变频调速在低压（380 V）、

中小容量（200 kW 以下）方面取得了较大的进展。但是面对高压（6～10 kV）

中大容量领域，由于电力电子器件自身规律的限制，变频调速在技术上遇到了

很大困难，无论是“高-低”“、高-低-高”以及“多电平串联”等方案，都在

实践中暴露出技术复杂、价格昂贵、效率降低、可靠性较差等缺点。从理论上

看，高压变频所面临的问题是违反电力电子器件客观规律的结果，因为目前几

乎所有的电力电子器件，其材料、工艺机理都决定了其属性是低压大电流的。

尽管如此，高压变频的势头仍有增无减，除了客观市场需求的拉动以外（诸

如高压中大容量的风机泵类节能），主要是“变频调速是唯一的最佳交流调速”

理论导向的结果。根据近代交流调速理论，交流调速被划分为变频、变极和变

转差率三种方案，在缺乏科学分析的条件下，认定变转差率调速是低效率的，

而变极调速又属于有级调速，因此惟有变频调速最佳。而变频调速方法与变转

差调速方法有本质不同，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调

速具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是交流电动

机的一种比较合理和理想的调速方法。”

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制理论的发展，交流调速技术也

有了日新月异的变化。可调速的高性能交流电力拖动系统在工业上的应用也越

来越广。进入 21 世纪交流调速技术也进入了现代交流调速技术时代，现代交流

调速技术也成为人类社会的重大技术进步之一。其发展速度之快、应用覆盖范

围之广都是前所未有的。而且应用实践表明，采用现代交流调速技术极大的提

高了传动系统的运行质量，同时，带来了巨大的经济和社会效益。

转子的实际转速 n 比磁场的同步转速 n1 要慢一点，所以称为异步电机，这

个差别用转差率 s 表示：

� �

100�

�

（1-2）

当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时 s=1；起动后的极端情况 n=

，

则 s=0，即 s 在 0～1 之间变化。一般异步电机在额定负载下的 s=（1～6）％。

综合式（1-1）和式（1-2）可以得出

� �

�

160

（1-3）

　　由式（1-3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数 p 已经确定，转差率 s

变化不大，则电机的转速 n 与电源频率 f 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。

1.2 交流调速的特点

对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速

系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的

转换而划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转

换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。

交流调速系统与直流调速系统相比较，具有如下特点：

1. 容量大这是电动机本身的容量所决定的。直流电动机的单机容量能

达到 12—14MW，而交流电动机的容量却远远的高与此数值。

2. 转速高，而且耐压直流电动机受到换向器的限制，最高电压只能达

到 1000 多伏，而交流电动机容量可达到 6—10KV，甚至更高。一般直流电动

机最高转速只能达到 3000 转/min 左右，而交流电动机则可以高达每分钟几万

转。这使得交流电动机的调速系统具有耐高压，转速高的特点。

3. 交流电动机本身的体积，重量，价格比同等容量的直流电动机要小，

且交流电动机结构简单，坚固耐用，经济可靠，惯性小成了交流调速系统的一

大优点。

4. 交流电动机的调速装置环境适应性广。直流电动机由于结构复杂，换向

器工作要求高，使用中受到很多限制，如工厂里的酸洗车间，由于腐蚀严重，

使用直流电动机每周都要检查碳刷，维修起来比较困难，而交流电动机却可以

用在十分恶劣的环境下不至于损坏。

5. 由于高性能，高精度，新型调速系统的出现和不断发展，交流拖动系统

已达到同直流拖动系统一样的性能指标，越来越广泛的应用于国民经济的各个

生产领域。

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