激光設備控制技術教材——第一章第十一節(jié)講解

1、第十一節(jié)變頻調速系統(tǒng)、異步電動機變頻調速原理異步電動機按轉子的機構不同分為鼠籠式和繞線式兩類，按使用的電源相數(shù)不同分為單相、兩相和三相等幾種。變頻調速主要用于三相鼠籠式異步電動機。由電機學可知，三相交流電動機的同步轉速（即定子旋轉磁場轉速）no可表示為60 fn oP公式中f為定子供電的頻率，p為電動機的磁極對數(shù)。根據(jù)異步電動機的工作原理，異步電動機要產生轉矩，同步轉速n0與轉子轉速n必須有差別。這個轉速差（n0 - n）與同步轉速no的比值s稱為轉差率。s no - nn。異步電動機的轉速n的表達式為60 fn = n。（1 - s） -（1 - s）P異步電動機在額定狀態(tài)運行時，轉子轉速n

2、通常與n相差不大，因此額定轉差率 S般都很小，其范圍在 0.010.05之間。60 f如果將電源頻率調節(jié)為fx，則同步轉速n0x也隨之調節(jié)成n0x異步電動機變頻后的轉速 nx的表達式為nx60fx ()n 0x( 1 S ) U圖1-50所示。有圖可見，主電路包括四個組成部分：整流電路、中間電路、逆變電路和控9制電路。1-整流電路 2-中間電路3-逆變電路4-控制電路圖1-50變頻器的機構框圖1. 整流電路整流電路的功能是將交流電轉換為直流電。整流電路按使用的器件不同分為兩種類型： 不可控整流電路和可控整流電路。不可控整流電路使用的器件為功率二極管，按輸入交流電源的相數(shù)不同分為單相整流電路、三

3、相整流電路和多相整流電路。可控整流電路使用的器件為晶閘管。2. 中間電路雖然利用整流電路可以從電網的交流電源得到直流電壓或直流電流，但這種電壓或電流含有頻率為電源頻率六倍的紋波，如果將其直接提供給逆變電路，則逆變后的交流電壓、電流紋波很大。因此，必須對整流電路的輸出進行濾波，以減少電壓或電流的波動。這種電路稱為濾波電路。變頻器中通常采用大容量的電解電容對整流電路的輸出進行濾波。3. 逆變電路逆變電路將固定的直流電壓變換成可變電壓和頻率的交流電壓。以所確定的時間使6個開關器件導通、關斷就可以得到3相交流輸出。4. 控制電路變頻器的控制電路由主控制器、信號檢測電路、IGBT驅動電路、外部接口電路和

4、保護電路組成?？刂齐娐返淖饔糜校嚎刂普麟娐穼ń?，調節(jié)直流電壓；控制逆變頻率；信號 反饋與控制；實現(xiàn)保護機制。三、變頻器的外部鏈接端子變頻器的外部鏈接端子分為主電路端子和控制電路端子，圖1-51所示為東芝VF-S15變頻器的連接端子圖。軌諭電1AW(DCL) 汽(選件制動電Ptl器(選件PBMCCBBasFVL】抗干擾濾波翻雯回賂L7TTW/T3電機怦制電渾軸人a轉信號反*X：i：XFLA率段速信記1塞段速依號7公用端SW1 *6SINK SOURCtOUT速度封達信號 輸出VO PTCRS4&S( 1a電矗信珂4(020mA顒汗催嗒。訂UV 或書 I o - + 1OV)(取需0 t 4

5、) 2OmA/O 10V )#BWtA Ok I OkQ)l 或 WVIA-CCIft人電0-10V 圖1-51東芝VF-S15變頻器外部接線端子圖1. 主電路端子變頻器通過主電路端子與外部鏈接，主電路端子及其功能見表1-6。表1-6變頻器的主電路端子及其功能端子符號端子名稱功能說明R、S、T交流電源輸入端子連接三相交流電源U V、W變頻器輸出端子連接三相電動機PO、PA/+直流電抗器連接用端子改善功率因數(shù)和抗干擾PB PC外部制動電阻器連接用端子連接外部制動電阻PE變頻器接地端子變頻器外殼接地端子2. 控制端子變頻器通過控制端子與控制器連接，控制端子包括輸入端子、輸出端子、通信端子等,輸入端

6、子有正傳信號、反轉信號、多段速信號、模擬電壓信號、模擬電流信號等。輸出信號 主要有故障輸出、變頻器速度輸出等。變頻器的通訊端子一般是RS485通信總線，支持ProfiBus、Modbus、Can Open等工業(yè)控制總線協(xié)議。四、變頻器的主要功能參數(shù)1. 加減速時間變頻器啟動時，啟動頻率可以很低， 加速時間可以自行給定，這樣可以解決啟動電流大和機械沖擊的問題。 加速時間是指工作頻率從 0Hz上升至用戶基本頻率所需要的時間。一般變頻器都可以通過參數(shù)設置加速時間，用戶應該根據(jù)拖動系統(tǒng)的情況自行給定一個加速時 間。加速時間越長，啟動電流就越小，啟動也越平緩，但延長了拖動系統(tǒng)的過度過程，對于 一些頻繁啟

7、動的機械來說，會減低生產效率。變頻器減速時，在頻率下降的過程中，電動機處于再生制動狀態(tài)，如果拖動系統(tǒng)的慣性 大，頻率下降有很快，電動機將處于強烈的再生制動狀態(tài)，從而產生過電流和過電壓，使變頻器跳閘。為了避免這樣的情況發(fā)生，可以適當加長減速時間。2. 加減速模式不同的生產機械對加減速過程的要求是不同的。根據(jù)各種負載的特性， 變頻器給出了不同的加減速模式。常見的加減速模式有：線性模式、S曲線模式等。線性模式就是在加減速的過程中，頻率與時間成線性關系，如圖1-52所示。如有沒有圖1-52 線性加減速模式圖1-53 S曲線加減速模式S曲線加減速模式如圖 1-53所示，這種模式下加減速緩慢，中間階段為線

8、性加速，這 種加減速模式適用于帶式輸送機一類的負載。3. PID控制功能參數(shù)PID控制是閉環(huán)控制中的一種常見形式。反饋信號取自調速系統(tǒng)的輸出端，當輸出量偏 離給定值時，反饋信號成例地變化。在輸入端，給定信號與反饋信號比較，經過PID調節(jié),變頻器通過改變輸出頻率，迅速、準確地消除輸出誤差。PID控制功能中需要設置 P參數(shù)、I參數(shù)和D參數(shù)。4. 載波頻率變頻器的逆變spwM載波頻率越高，一個輸出正弦周期波內的脈沖個數(shù)越多，波形越接 近于實際正弦波，反之波形失真就越大。載波頻率如果設置不合適，會引起電動機鐵心的振 動而發(fā)出噪音，因此一般變頻器都可以由用戶在一定范圍內修改載波頻率的值。5. 啟動頻率啟

9、動頻率是指電動機開始啟動時的頻率，這個頻率可以從0Hz開始，但是對于慣性較大的負載，需要加大啟動轉矩，這時可以加大啟動頻率。一般變頻器都可以預置啟動頻率，一 旦設置，變頻器對于小于啟動頻率的運行頻率將不予理睬。設置啟動頻率的原則是， 在啟動電流不超過允許值的前提下， 拖動系統(tǒng)能夠順利啟動為 宜。五、變頻器的控制方式常用的變頻器控制方式主要有 U/f 控制和矢量控制兩種。1. U/f 控制對于感性負載，如果外電壓不變，磁通隨頻率而改變，頻率f下降，磁通0會增大，造成磁路飽和，勵磁電流增大，功率因數(shù)下降，鐵心和線圈過熱。為了避免這個問題，變頻 器在降頻的同時也要降壓，這就要求頻率和電壓協(xié)同工作。U

10、/f 控制方式認為設置一條 V/f 的對應曲線，使頻率變化的時候，電機磁通保持不變， 使變頻器不至于過電流。U/f 控制方式的缺點有：在低速時， 由于定子阻抗壓降隨負載轉矩變化， 當負載較重時可能補償不足， 當負載較 輕時又可能產生過補償， 造成磁路過飽和。 這兩種情況均可能引起變頻器過電流跳閘。 其次 電動機的轉差率隨負載的變化而波動， 電動機的實際轉速也隨之變化， 不適合對速度要求較 高的拖動系統(tǒng)。2. 矢量控制U/f 控制是開環(huán)控制而矢量控制是閉環(huán)控制。矢量控制是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量， 根據(jù)磁場定向原理分別對異步電 動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機

11、轉矩的目的?，F(xiàn)在一般變頻器都提供矢量控制功能，如果使用這種功能用戶需要設置以下參數(shù)： 在矢量控制功能中，選擇 “用”或者 “不用 ”。在使用矢量控制后還需輸入電動機的容量、極數(shù)、額定電流、額定電壓、額定功率等 參數(shù)。矢量控制方式動態(tài)響應快、低頻轉矩大、控制靈活的優(yōu)點，適用于要求高速響應的工 作機械以及高精度的場合。六、變頻器的控制總線 在現(xiàn)場總線廣泛應用之前，工業(yè)儀器儀表之間的通信主要通過模擬數(shù)據(jù)傳輸，比如0-10V的電壓信號和4-20mA的電流信號等，這種數(shù)據(jù)傳輸方式有以下的缺點：1 一對一結構，單向傳輸；2單一功能；3可靠性差，易受干擾；4.規(guī)范繁雜，有 0-10V, 0-5V, 4-20

12、mA等，各種規(guī)范之間又要由轉換設備進行信號轉 換?，F(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、 雙向傳輸、 多分支結構的通信網 絡。采用數(shù)字傳輸，將各種工業(yè)現(xiàn)場的控制器、儀器儀表、執(zhí)行器連接起來，進行控制信息 傳輸?shù)耐ㄐ啪W絡。常見的總線協(xié)議有以下幾種：1. ModbusModbus是工業(yè)上廣泛使用的通訊協(xié)議，有RTU ASCII和TCP三種協(xié)議，其物理層是RS232/485/422 和以太網。Modbus網絡有一臺主設備和最多247臺從設備組成。Modbus總線協(xié)議中僅主設備能初始化傳輸。 其它設備 （從設備） 根據(jù)主設備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應反應。 主設備查詢的格 式：設備地址、功能代碼

13、、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、CRC冗余校驗。從設備回應消息包括設備地址、功能代碼、返回的數(shù)據(jù)、CRC冗余校驗。2. ProifbusPROFIBUS是過程現(xiàn)場總線(Process Field Bus )的縮寫，于1989年正式成為現(xiàn)場總 線的國際標準。 它由三個兼容部分組成，即PROFIBU& DP PROFIBUS PA PROFIBUS-FMS。PROFIBUS-DP應用于現(xiàn)場級，它是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式 I/O之間的通訊。PROFIBUS-PA適用于過程自動化，可使傳感器和執(zhí)行器接在一根共用的總線上，應用于 本征安全領域。PROFIBUS-FMS用于車間級監(jiān)控網絡，用來

14、完成控制器和智能現(xiàn)場設備之間 的通信以及控制器之間的信息交換。變頻器使用PROFIBUS-D協(xié)議。3. Ca nOpe nCANopen是一種架構在CAN總線上的高層通訊協(xié)定，也是工業(yè)控制常用到的一種現(xiàn)場總 線。CAN是控制器局域網絡(Co ntroller Area Network)的簡稱，由德國 BOSC公司開發(fā)的，并成為國際標準(ISO11898)。是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。主要應用于汽車計算 機控制系統(tǒng)和嵌入式控制系統(tǒng)中。CANopen設備間的通訊可分為三種通訊模型：master/slave 模型、clie nt/server模型禾口 producer/consumer 模型七

15、、變頻調速電路的硬件組成變頻調速電路一般除變頻器外還有低壓斷路器、接觸器、電抗器、濾波器、制動電阻、 電動機、傳感器、變送器、PLC控制器等器件組成，如圖1-54所示。6341-斷路器2-接觸器3-電抗器4-輸入濾波器5-變頻器6-輸岀濾波器7-電動機圖1-54變頻調速電路的組成1.電抗器在變頻調速系統(tǒng)中為了防止電源側操作切換所引起的浪涌電壓和浪涌電流對變頻器的侵害，同時也為了減少變頻器所產生的諧波對電網的污染，變頻調速電路中一般采用電抗器 隔離輸入電源。交流輸入電抗器接于變頻器的交流輸入側， 交流輸入電抗器為三相結構， 有三相鐵心繞 三相線圈構成。 其載流量應滿足變頻器通過允許最大電流的要求， 電抗器的電感量通常以在 基波額定電流下電抗器的兩端電壓降來選取。使用電抗器可以減少變頻器的輸入電流諧波含量， 就地抑制諧波污染， 而且可以抑制電 源系統(tǒng)的瞬變干擾。2 濾波器 變頻器的輸入和輸出電流中都含有很多高次諧波成分， 這些高次諧波電流除了增加輸入側的 武功功率、 降低功率因數(shù)外， 頻率較高的諧波電流將以各種方式把自己的能力傳播出去， 干 擾其他設備的正常工作。 電源