毕业设计（论文）-变频器对电动机调速控制.doc

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1、黄河科技学院论文：变频器对电动机调速控制院系专业学号姓名班级摘 要变频调速可以使用标准电机如不需维护的笼型电动机，可以连续调速，改变转速方向可通过电子回路改变相序实现。其优点是启动电流小，加减速度可调节，电机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全等，随着控制技术和电力电子技术的发展，变频调速技术的应用越来越广泛。由于PLC的功能强大、使用容易、可靠性高，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，在工控机上可开发出友好的人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能化”控制。电动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，

2、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高性能、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。利用组态软件实现变频器的参数设置，在现场进行电机的启动、停止及增减速等的操作。关键字：PLC；变频器；变频调速；组态软件第一章、概述1.1 交流调速的发展概况 交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就己被人们所认识，但受到器件的限制，未能推广。50年代初，中小型感应电动机多采用晶闸管调压调速；大中型绕线式感应电动机采用晶闸管静止型电气串级调速系统。70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好。交流变频调速

3、的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。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。它们最大的不同之出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向器-整流子。交流调速系统大致经历过以下几个阶段：1） 异步电动机调压调速系统：调压调速过去常用的方法是在定子回路中串入饱和电抗器，或在定子侧加自耗铜材料，体积小，控制方便。用晶闸管功率变换器来完成馈送任务，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调压器，通过控制触发脉冲的

4、相位角，便可控制加在负载上的电压大小，很快成为交流调压器的主要形式，但由于相位控制时，晶闸管导通后负载上获得的电压形不是电网提供的完整的工频电压波形，因此产生了成分复杂的谐波。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的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，但是调速是有级的、不平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上，效率低，自大功率器件问世后，人们采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送任务，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。由于晶闸

5、管的逆变角的可以平滑连续的改变，使得电动机转速也能平滑连续的调节。另外转差功率又可以通过逆变器回馈到交流电网，提高了效率。串级调速的缺点是功率因数较低，采用强迫换流、改进型三相四线逆变器、逆变器的不对称控制以及转子直流回路加斩波器控制等，可以提高功率因数。其中采用强迫换流方式可使用门极可关断晶闸管(GTO)构成，这样可以省去关断晶闸管用的储能电路，使逆变电路简单、体积小。1.2 变频器技术的发展趋势在进入21世纪的今天，电力电子器件的基片已从Si（硅）变换为SiC（碳化硅）,使电力电子新元件具有耐高压、低功耗、耐高温的优点；并制造出体积小、容量大的驱动装置；永久磁铁电动机也正在开发研制之中。随

6、着IT技术的迅速普及，以及人类思维理念的改变，变频器相关技术的发展迅速，未来主要朝以下几个方面发展：1.网络智能化智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。利用互联网可以实现多台变频器联动，甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。2.专门化和一体化变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。除此以外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以使体积更小，控制更方便。3.环保无公害保护环境，制造“绿色”

7、产品是人类的新理念。21世纪的电力拖动装置应着重考虑：节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。1.3 PLC技术的发展概况 可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(PersonalComp

8、uter)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。 PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。第二章 电动机变频调速系统2.1 变频器简介2.1.1 变频器的工作原理 变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的

9、交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。2.1.2 变频器的构成与功能结构：变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流

10、变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。 1. 整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块.2. 平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压(电流)，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。3. 控制电路现在变频调速器基本系用16位、32位单片机

11、或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式4 逆变电路逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120电角度的三相交流电压。 2.2变频器的控制方式转差频率控制转差频率控制

12、就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。直接转矩控制转矩控制的优越性在于 ，转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制

13、。恒转矩负载多数负载具有恒转矩特性，但在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，例如挤压机，搅拌机，传送带，厂内运输电车，吊车的平移机构，吊车的提升机构和提升机等。选型时可选V/f控制方式的变频器，但是最好采用具有恒转矩控制功能的变频器。由于被控对象的千差万别，性能指标要求的各不相同，变频器的选择及配置远不如上述所列几种。要做到熟练应用还应在工程实践中认真探索。变频器的控制方式代表着变频器的性能和水平，在工程应用中根据不同的负载及不同控制要求，合理选择变频器以达到资源的最佳配置，具有重要的意义。2.3 变压变频调速的基本控制方式在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量

14、 Fm 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机：励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿， Fm 保持不变是很容易做到的。对于交流异步电机：磁通 Fm 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。定子每相电动势 式中Eg气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；f1定子频率（Hz）；Ns定子每相绕组串联匝数；kNs基波绕组系数；Fm每极气隙磁通量（Wb）。由式可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通Fm 的目的，对此，需要考虑基频（额

15、定频率）以下和基频以上两种情况。2.3.1 基频以下调速由上式可知，要保持 Fm 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使 即采用恒电动势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得 这是恒压频比的控制方式。但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。如图1所示。 图1 恒压频

16、比控制特性曲线2.3.2 基频以上调速在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。如图2所示。 图2 异步电机变压频调速的控制特性曲线第三章 交流异步电动机变频

17、调速原理及方法3.1 三相异步电动机的基本原理三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场，转速的大小由电动机极数和电源频率而定。转子在磁场中相对定子有相对运动，切割磁杨，形成感应电动势。转子铜条是短路的，有感应电流产生。转子铜条有电流，在磁场中受到力的作用。转子就会旋转起来。第一：要有旋转磁场，第二：转子转动方向与旋转磁场方向相同，第三：转子转速必须小于同步转速，否则导体不会切割磁场，无感应电流产生，无转矩，电机就要停下来，停下后，速度减慢，由于有转速差，转子又开始转动，所以只要旋转磁场存在，转子总是落后同步转速在转动。 3.2 异步电动机变频调速原理交流异步电动机是电气传动中使用

18、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： （3-1）式中： 为三相交流电源频率，一般是50Hz； 为磁

19、极对数。当 =1是， =3000rmin； =2时， =1500rmin。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： （3-2）第四章 硬件与软件的选择4.1 硬件设计4.1.1 变频器的选择简单介绍：功率范围：0.2-1.5KW（单相200V FR-S520S系列）。0.4-3.7KW（三相400V FR-S540系列）。自动转矩提升,实现6Hz时150%转矩输出。数字式拨盘,设定简单快捷。柔性PWM,实现更低噪音运行。15段速,PID,4-20mA输入和漏源型转换等多功能。可提供RS-485通信功能的机型

20、FR-S5K-R,此机型更可通过电缆接FR-PU04面板。 1.表中所示的制动转矩是电机本身从60Hz起减速时的平均转矩(随电机的损耗而变)，不是连续再生转矩，如果从高于基频的情况下减速,制动转矩会低于这个平均值2.当电压不足，瞬时停电时，异叙显示和输出不动作，变频器自保护。根据运行状态负荷的大小等，再次通电时，过电流保护,再生过电压保护等有可能动作3.在运输时等等短时间内可以使用的温度。4.此功能仅适用有内置制冷风扇的型号。5.此功能仅适用带RS485功能的型号。6.此功能仅在Pr.60到Pr.63设定选择了外部热继电器后有效。7.此功能仅在Pr.40(启动时间接地出错检测选择)设定为1。4

21、.1.2 PLC的选择在实现异步电动机的变频调速的过程中，常常采用计算机或单片机，这就要求用户有较高的计算机技术水平。可编程控制器(PLC)是一种常用工业数控手段。PLC采用与继电器控制线路图非常接近的梯形图作为编程语言，它有继电器电路清晰直观的特点，容易开发，程序改变也十分容易，对用户的计算机水平几乎没有什么要求。在使用环境要求不太高的情况下，用PLC实现异步电动机的变频调速，不但技术上可行，而且成本低廉，也易于推广。FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。如图3.2.1所示。由于FX2n系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的

22、电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。三菱FX2N具有以下功能：模拟I/O，高速计数器。定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。对每一个FX2n主单元可配置总计达8个特殊功能模块。 内置式24V直流电源 24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。 快速断开端子块 因为采用了优良的可维护性快速断开端子块，即使接着电缆也可以更换单元。时钟功能和小时表功能 在所有的FX2NPLC中都有实时时钟标准。时间设置和比较指令易于操作。小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。 持续扫描功能

23、 为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。 输入滤波器调节功能 可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元中x000到x017）。 注解记录功能 元件注解可以记录在程序寄存器中。 在线程序编辑 在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。 RUN/STOP 开关 面板上运行/停止开关易于操作。 远程维护 远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据 密码保护 使用一个八位数字密码保护您的程序。4.2 软件设计4.2.1 创建监控画面建立画面：在工程浏览器左侧的“工程目录显示区”中选择“画面”选项，左右侧视图中双击“新建”图标，弹出新建画面对话框， 画面名称：风车监控画面对应文

24、件：pic00001.pic画面风格：覆盖式画面边框：粗边框画面位置：左边：0顶边：0显示宽度：800显示高度：600画面宽度：800画面高度：600标题杆：无效大小可变：无效在对话框中单机“确定”生成一幅名为“风扇监控中心”的画面。4.2.3 数据库数据库是“组态王”最核心的部分。数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。 在工程浏览器的左侧选择“数据词典”，在右侧双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框，在对话框中添加变量如下：变量名：转速变量类型IO整型变化灵敏度：0初始值：0最小值：0最大值：100最小原始值：0最大原始值：100转换方

25、式：线性连接设备：PLC寄存器：D0数据类型：SHORT采集频率：1000毫秒读写属性：只写用类似的方法建立其他属性的变量。4.2.4 画面命令语言命令语言有六种形式，其区别在于命令语言执行的时机或条件不同：1、 应用程序命令语言可以在程序启动时、关闭时或在程序运行期间周期执行。如果希望周期执行，还需要指定时间间隔。2、 热键命令语言被连接到设计者指定的热键上，软件运行期间，操作者随时按下热键都可以启动这段命令语言程序。3、 事件命令语言规定在事件发生、存在、消失时分别执行的程序。离散变量名或表达式都可以作为事件。4、 数据改变命令语言只连接到变量或变量的域。在变量或变量的域值变化到超出数据字

26、典中所定义的变化灵敏度时，它们就被触发执行一次。5、 自定义函数命令语言提供用户自定义函数功能。用户可以根据组态王的基本语法及提供的函数自己定义各种功能更强的函数，通过这些函数能够实现工程特殊的需要。6、 画面命令语言可以在画面显示时、隐含时或在画面存在期间定时执行画面民命令语言在定义画面的各种图素的动画连接时，可以进行命令语言的连接。在画面的任意位置单机鼠标右键，在弹出的下拉菜单中选择“画面属性”命令，在画面属性对话框中选择“命令语言”选项，弹出命令语言对话框，在对话框中输入命令语言如下：If(本站点Y0=1)If (Y1=1)本站点转动位置=本站点转动位置+本站点D0If(本站点转动位置=

27、360)本站点转动位置=0;If(本站点Y0=1)If (Y2=1)本站点转动位置=本站点转动位置-本站点D0If(本站点转动位置=0)本站点转动位置=1000;单击菜单中的“全部存”命令，再单击“切换到VIEW命令”进入系统运行从而达到监控现场的目的。在此同时，我们需要PLC写入程序来共同完成对电动机速度控制；PLC梯形图见图6： 图6 PLC梯形图总 结随着电力电子技术的不断发展完善，交流变频调速技术日益显现出优异的控制及调速性能，高效率、以维护等特点，加之他的价格不断下降，此次的变频调速实验可以说是基本中的基本，再次基础上要对变频器的应用熟练掌握。致 谢本次设计是在我们的指导老师的精心指

28、导和关心下完成的。我要感谢，非常感谢我的导师祝骅老师。感谢他在我们即将毕业前为我们彻底的对论文进行一次指导；在论文的写作和措辞等方面他也总会以“专业标准”严格要求你，从选题、定题开始，一直到最后论文的反复修改、润色，祝老师始终认真负责地给予我们深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。参考文献1 何超.交流变频调速技术.北京：北京航空航天出版社,2006.1-65.2 梁昊.最新变频器标准实施和设计.北京：电力出版社，2005.125-136.3 李发海，朱东起.电机学.第三版.北京：科学出版社，2001.326-395.4 王晓明.电动机的单片机控制.第二版.北京:北京航空航

29、天出版社，2007.157-1825 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2007.1-165.6 杜金城.电气变频调速设计技术.北京：中国电力出版社，2001.195-205.7 李敬梅.电力拖动控制与技术训练.第三版.北京：中国劳动社会保障出版社，2001.401-428.8 张毅刚.单片机原理和应用.北京:高等教育出版社，2007.10-115.9 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001.171-201.10 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1998.11 张兆东.新型高频变频调速系统的研究J.黑龙江纺织，2003,(03)12 周志敏，周纪海，纪爱华.变频调速系统设计及维护.北京：中国电力出版社，2007.1-83.第 16 页 共 17 页