基于PLC的三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

1、高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文基于PLC的三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計考生姓名：彭中建 準(zhǔn)考證號： 011811306047 專業(yè)層次： 本 科 院 （系）：機械與動力工程學(xué)院 指導(dǎo)教師：唐曉慶 職 稱： 講師 重慶科技學(xué)院二O一三年 七月 十五 日高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 基于PLC的三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計考生姓名： 彭中建 準(zhǔn)考證號： 011811306047 專業(yè)層次： 本 科 指導(dǎo)教師： 唐曉慶 院 （系）： 機械與動力工程學(xué)院 重慶科技學(xué)院二O一三年七 月 十五 日 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 中文摘要摘 要隨著科技的進步，電機的運用已經(jīng)深入到各行各業(yè)的各個

2、領(lǐng)域。而現(xiàn)今也是一個資源高度消耗造成能源匱乏的時代，在這個時候考慮如何讓其在高可靠性的同時又有效的節(jié)約能源耗費提高自身的效率，這不僅可以使企業(yè)的生產(chǎn)成本降低，而且對于社會的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。本文所討論的是利用PLC控制的三相異步電機變頻調(diào)速的基本原理與實現(xiàn)方法。三相異步電機一般的調(diào)速方法有：降壓調(diào)速，轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，變極調(diào)速，串極調(diào)速，變頻調(diào)速等。但是這些調(diào)速方法都有著各自的缺點，降壓調(diào)速的調(diào)速范圍很小，沒有多大的實用價值；轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速不利于空載或輕載調(diào)速，效率低，經(jīng)濟性差；變極調(diào)速調(diào)速的平滑性差；串極調(diào)速的控制設(shè)備復(fù)雜，成本高，控制困難。所以調(diào)速性能至少需從兩方面考慮。第一

3、，應(yīng)從節(jié)能和提高效率的角度考慮，應(yīng)將損耗在轉(zhuǎn)子附加電阻上的能量吸收，轉(zhuǎn)化成別的有用的能量或反饋到電網(wǎng)，以提高傳動系統(tǒng)的效率。第二，應(yīng)從高性能調(diào)速要求考慮，應(yīng)用控制理論，將其組成閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，滿足調(diào)速精度、動態(tài)響應(yīng)等各項指標(biāo)的要求。綜上所述，利用PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，是使三相異步電動機實現(xiàn)高性能高效率調(diào)速的有效辦法。通過改變定子繞組的供電頻率f來實現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s一定時，電動機的轉(zhuǎn)速n基本上正比于f。很明顯，只要有輸出頻率可以平滑調(diào)節(jié)的變頻電源，就能平滑的調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速，PLC，異步電機I重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 英文摘要The three-phas

4、e asynchronous motor variable frequency speed regulation system based on PLC designAbstractHuman being is seriously threatened by exhausting mineral fuel, such as coal and fossil oil. As a kind of new type of energy sources, solar energy has the advantages of unlimited reserves, existing everywhere,

5、using clean and economical .But it also has disadvantages ,such as low density,intermission,change of space distributing and so on. These make that the current series of solar energy equipment for the utilization of solar energy is not high. In order to keep the energy exchange part to plumb up the

6、solar beam,it must track the movement of solar. In this paper, the solar tracking system of the mechanical part and control system part are designed.Mechanical structure mainly includes the main spindle, stepping motors, gears and gear ring, and so on. When the sun's rays has a deviation, small

7、gear are rotated by stepper motor according to the control signal from MCU. And the large gear and main spindle is rotated by small gear in order to track to achieve the level direction. At the same time, another small gear is rotated by another stepper motor according to the control signal.And the

8、large gear and the solar panels are rotated by the small gear in order to track to achieve the vertical direction. Solar is tracked by the two stepper motors together. Control system mainly includes the sensors part, stepper motor, MCU system and the corresponding external circuit, and so on. Photoe

9、lectric detection system is used to track solar. Sensors use photosensitive resistance. The two same photosensitive resistances were placed in east and west direction of the bottom edge .When the two photosensitive resistances received different light at the same time, the signal from comparison cir

10、cuit is sent to MCU in order to rotate stepping motors.Keywords: Frequency control, PLC, asynchronous motorII重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 目錄目 錄中文摘要I英文摘要II1 緒 論11.1本課題的背景及意義11.2異步電機變頻調(diào)速的發(fā)展概況11.2.1電力電子技術(shù)的發(fā)展21.2.2變頻調(diào)速控制理論的發(fā)展22 PLC的運用和發(fā)展42.1PLC的歷史和發(fā)展42.2 PLC的特點與應(yīng)用42.2 PLC的工作原理53 三相異步電機及其數(shù)學(xué)模型63.1三相異步電機概述63.1.1基本

11、工作原理63.1.2基本結(jié)構(gòu)63.1.3旋轉(zhuǎn)磁場83.2三相異步電機轉(zhuǎn)矩特性與機械特性93.2.1電磁轉(zhuǎn)矩（簡稱轉(zhuǎn)矩）93.2.2機械特性曲線103.3異步電機原始數(shù)學(xué)模型114 變頻器及變頻調(diào)速原理134.1變頻器134.1.1變頻器的功能134.1.2變頻器的原理144.2變頻調(diào)速原理154.3 V/F控制原理165 變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計175.1變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計175.2變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計186 結(jié) 論21致 謝22參考文獻23IV重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 1 緒論1 緒 論1.1 本課題的背景及意義隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以及各種新型控制器件和先進控制方法在電機調(diào)

12、速系統(tǒng)中的應(yīng)用，三相異步電機控制精度得到極大提高。為了滿足高性能和節(jié)能環(huán)保的要求，三相異步電機以其特有的調(diào)速優(yōu)點，正逐步取代直流調(diào)速。電機的調(diào)速被廣泛的運用到我們的生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域中。例如：生活用品、工業(yè)生產(chǎn)、汽車、飛機、船舶、機床、制冷等等，所以他的運用范圍極其的廣泛。近年來，我國的冰柜年銷量達3000多萬臺，每臺都需要電機調(diào)速控制，可見電機調(diào)速應(yīng)用的市場非常的巨大。電機分為直流電機和交流電機兩大類。直流電機由于其便于控制和控制精度比較高的特點，在很長一段時間內(nèi)被廣泛應(yīng)用，被人們認為難以被其他電機所取代。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種新型控制器件和先進控制方法在電機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，是交

13、流電機的控制精度得到極大的提高。此外由于交流電機具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、高可靠性、運行方便可靠、環(huán)境適應(yīng)能力強、高速低轉(zhuǎn)矩時運轉(zhuǎn)效率高、低速時有高轉(zhuǎn)矩，以及有寬泛的速度控制范圍等優(yōu)點，過去直流電機占主導(dǎo)地位的調(diào)速傳動領(lǐng)域已逐漸被交流電機取代。另一方面，隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷提高，能源和環(huán)保問題日趨成為人們爭論的主題。充分有效的利用能源已成為緊迫問題。就目前而言，電能是人類運用最多的能源之一，同時也是浪費最多的能源之一，為解決能源問題，必須從電能問題著手。其中最具代表性的就是電機控制。在發(fā)達國家有一半以上的電能是用于電機的能量轉(zhuǎn)換，這些電機傳動系統(tǒng)中有90%是交流異步電機產(chǎn)生的。

14、而在我國，電機的年耗電量達6000多億千瓦時，占工業(yè)生產(chǎn)的80%以上。并且使用中的還是中小型異步電機，加之設(shè)備陳舊，管理、控制技術(shù)跟不上，所以造成了很多電能的浪費。因此電機的變頻調(diào)速越來越受到人們的重視，同時對變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)也提出了高效率、高可靠性、多功能、智能化、小型化、低成本等要求。由此可見，異步電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究具有重要意義。1.2異步電機變頻調(diào)速的發(fā)展概況 現(xiàn)代電力電子、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，以及控制理論的完善，各種工具的日漸成熟，尤其是專用集成電路近年來令人矚目的發(fā)展，促進了交流調(diào)速的不斷發(fā)展。目前交流電機變頻調(diào)速控制已經(jīng)成為一門集電機、電力電子、自動化、計算機控

15、制和數(shù)字仿真為一體的新興學(xué)科。1.2.1電力電子技術(shù)的發(fā)展電力電子器件是現(xiàn)代交流調(diào)速裝置的基礎(chǔ)，其發(fā)展直接決定和影響交流調(diào)速的發(fā)展。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)硅晶閘管SCR；60年代出現(xiàn)門級可關(guān)斷晶閘管GTO。70年代出現(xiàn)巨型晶體管GTR和功率場效應(yīng)晶體管MOSFET。80年代相繼出現(xiàn)絕緣柵雙極型晶體管IGBT和絕緣柵雙極型門控晶閘管IGBT。90年代出現(xiàn)智能功率模塊IPM。SCR開關(guān)器件輸出的電壓或電流含有大量的諧波，造成電機轉(zhuǎn)矩脈動大，嚴(yán)重影響了調(diào)速系統(tǒng)的性能。GTO是高壓大電流全控型功率器件，容量大，但關(guān)斷能耗大。GTR是電流驅(qū)動器件，通態(tài)壓降低，容量沒有GTO大，但功耗大，調(diào)制頻率不高，噪聲

16、大。MOSFET是電壓型驅(qū)動器件，開關(guān)頻率高，驅(qū)動頻率小，安全工作區(qū)大，但是耐壓不高。GBT集GTR和MOSFET的優(yōu)點于一體，是目前變頻調(diào)速系統(tǒng)和通用變頻器中使用最廣泛的主流功率器件之一。IPM是先進的混合集成功率器件，出高速低耗的IGBT和優(yōu)化的門級驅(qū)動及保護電路構(gòu)成，采用了有電流傳感器功能的IGBT，能連續(xù)監(jiān)控功率器件電流，從而實現(xiàn)高效的過電流保護，由于IPM集成了過熱保護電路和鎖定保護電路，系統(tǒng)可靠性得到進一步提高。1.2.2變頻調(diào)速控制理論的發(fā)展第一階段V/F控制早期變頻系統(tǒng)都是采用開環(huán)恒壓比（V/F=常數(shù)）的控制方式，其優(yōu)點是控制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、缺點是系統(tǒng)性能不高。具體來說，其

17、控制曲線會隨著負載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電壓利用率低，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。因此這種控制方式比較適合應(yīng)用在風(fēng)機、水泵調(diào)速場合。隨后發(fā)展的轉(zhuǎn)差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)雖然說基本上解決了異步電機平滑調(diào)速的問題，同時也基本上具備了直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)也不算復(fù)雜，已經(jīng)能夠滿足許多工業(yè)應(yīng)用的要求。然而，當(dāng)生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能提出更高的要求時，上述系統(tǒng)性能還是不及直流調(diào)速系統(tǒng)。原因在于其控制系統(tǒng)規(guī)律是從異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式推導(dǎo)出的平均值控制，在忽略了過渡過程的前提下做出較強的假設(shè)，這就使得設(shè)計結(jié)果與實際相差很大，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起

18、動及動態(tài)響應(yīng)方面的性能還不能滿足工業(yè)系統(tǒng)的需求。第二階段 矢量控制交流傳動理論在70年代獲得了突破性的發(fā)展。德國西門子公司的F.Blacksnake等提出的“感應(yīng)電動機磁場定向控制原理”和美國P.C.Dustman和A.A.Clark提出的“感應(yīng)電機定子電壓坐標(biāo)變換控制”奠定了矢量控制的基礎(chǔ)。這種理論的出發(fā)點是：考慮到交流電機的非線性、多變量、強耦合的時變系統(tǒng)，通過坐標(biāo)變換重建電動機模型即可等效為一臺直流電動機。氣候，隨著現(xiàn)代控制理論、微處理技術(shù)電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)進入了伺服控制的高精度領(lǐng)域，而且實現(xiàn)了無速度傳感器的矢量控制。然而矢量控制在實際系統(tǒng)中存在很多的問

19、題，即轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受機變化影響較大，以及在模擬直流電動機控制過程中所用的矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的復(fù)雜性，使得實際控制效果難以達到理論分析的結(jié)果，雖然傳動領(lǐng)域的專家們針對矢量控制上的缺陷做過許多的研究和探討，但是這方案的引入使得系統(tǒng)復(fù)雜化，控制的實時性和可靠性降低。第三階段 直接轉(zhuǎn)矩控制1985年德國魯爾大學(xué)Pembroke教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（DTC）。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，DTC摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡單的通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得的差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是空

20、間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系計算與控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助離散的兩點式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，一獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩方法優(yōu)點在于：直接在定子坐標(biāo)系上分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型、控制電動機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換和計算。大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。直接轉(zhuǎn)矩的缺點在于：由于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是直接進行轉(zhuǎn)矩的控制，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不可避免的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，降低調(diào)速性能，因此只能用于在對調(diào)速要求不高的場合。同時，直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的控制也較復(fù)雜，造價較高

21、。 進幾年，直接轉(zhuǎn)矩控制不斷得到完善和發(fā)展，特別是隨著各種智能控制理論的引入，又涌現(xiàn)了許多基于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，控制性能得到進一步的改善和提高。3重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 2 PLC的運用和發(fā)展2 PLC的運用和發(fā)展2.1PLC的歷史和發(fā)展世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制的。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器，人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。20世紀(jì)70年代中期，可編程控制器進入了實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)己全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了

22、飛躍。更高的運算速度、超小型的體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中己獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來不斷開發(fā)出許多功能模塊，如高速計數(shù)模塊、溫度控制模塊、遠程I/O模塊、通信和人機接口模塊等。這些帶CPU和存儲器的智能I/O模塊，既擴展了PLC功能，又使用靈活方便，擴大了PLC應(yīng)用范圍。加強PLC聯(lián)網(wǎng)通信的能力，是PLC技術(shù)進步的潮流。 2.2 PLC的特點與應(yīng)用PLC是一種專門為了在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作裝置。它采用一可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時

23、、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴展其功能的原則而設(shè)計。PLC是綜合繼電器接觸器控制的優(yōu)點及計算機靈活、方便的優(yōu)點而設(shè)計制造和發(fā)展的，這就使PLC具有許多其他控制器所無法相比的特點。1.可靠性高，抗干擾能力強。2.通用性強，使用方便。3.采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)組合靈活方便。4.編程語言簡單、易學(xué)，便于掌握。5.系統(tǒng)設(shè)計周期短。6.對生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強。7.安裝簡單、調(diào)試方便、維護工作量小目前，PLC在國內(nèi)己廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡

24、、交通、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類:(一) 開關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，又可用于多機群控及自動化流水線.(二) 數(shù)據(jù)處理PLC可以用于對直線運動或圓周運動的位置速度和加速度的控制。(三) 運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用開關(guān)量I/0模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。 (四) 過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算PLC

25、能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制，PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。(五) 控制網(wǎng)絡(luò)（通信） 隨著計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展，近年來工廠自動化通信聯(lián)網(wǎng)發(fā)展得很快，各個著名的PLC生產(chǎn)廠商推出了自己網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。2.2 PLC的工作原理 PLC的控制功能就是通過運行用戶程序來實現(xiàn)的。它是一種存儲程序的控制器，用戶根據(jù)某一對象的具體控制要求，編制好控制程序后，用編程器將程序鍵入到PLC的用戶程序存儲器中寄存。PLC掃描工作方式主要分三個階段：輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新。（一）輸入采樣 PLC在開始執(zhí)行程序之前，首先掃描輸入端子，按順序?qū)⑺休斎胄盘?，讀入到寄存輸入狀態(tài)的輸入映像寄

26、存器中，這個過程稱為輸入采樣。PLC在運行程序時，所需的輸入信號不是現(xiàn)時取輸入端子上的信息，而是取輸入映像寄存器中的信息。在本工作周期內(nèi)這個采樣結(jié)果的內(nèi)容不會改變，只有到下一個掃描周期輸入采樣階段才被刷新。（二）程序執(zhí)行 PLC完成了采樣工作后，按順序從0000號地址開始的程序進行掃描執(zhí)行，并分別從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中獲得所需的數(shù)據(jù)進行運算處理。再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映像寄存器中保存。但這個結(jié)果在全部程序未被執(zhí)行完畢之前不會送到輸出端子上。（三）輸出刷新 在執(zhí)行到END的命令時，即執(zhí)行完用戶所有的程序后，PLC將輸出映像寄存器中的內(nèi)容送到輸出鎖存器中

27、進行輸出，驅(qū)動用戶設(shè)備。13重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 3 三相異步電機及其數(shù)學(xué)模型3 三相異步電機及其數(shù)學(xué)模型3.1三相異步電機概述3.1.1基本工作原理如圖3-1所示是兩級三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理示意圖。其中N-S是一對磁極，在兩個磁極中間裝有一個能夠轉(zhuǎn)動的圓柱形鐵芯，在鐵芯的外圓槽內(nèi)嵌放有封閉的導(dǎo)條。設(shè)磁場一同步轉(zhuǎn)速n1順時針方向旋轉(zhuǎn)，于是轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與磁場之間產(chǎn)生相對運動，即相當(dāng)于磁場不動，而轉(zhuǎn)子導(dǎo)條以逆時針方向切割磁力線，此時在導(dǎo)條中產(chǎn)生如圖3-1所示方向的電動勢。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的兩端由端環(huán)聯(lián)通而形成閉合電路，因而在導(dǎo)條中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，其方向與導(dǎo)條中的感應(yīng)電動勢方向一致。載

28、流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在磁場中受到電磁力F的作用而形成電磁轉(zhuǎn)矩T，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子就沿旋轉(zhuǎn)的磁場的方向轉(zhuǎn)動起來了。圖3-1三相異步電機轉(zhuǎn)動原理圖用n表示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，用 n1 表示磁場的轉(zhuǎn)速（又稱同步轉(zhuǎn)速），則n總小于n1。否則，由于兩者之間沒有相對運動，就不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢及感應(yīng)電流，電磁轉(zhuǎn)矩也無法形成，這就是異步電動機名稱的由來。通常，把同步轉(zhuǎn)速n1 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的差與n1 的比值稱為異步電動機的轉(zhuǎn)差率，用s表示，即 3.1.2基本結(jié)構(gòu)（一）定子鐵芯 圖3-2三相異步電機結(jié)構(gòu)圖 定子鐵芯是異步電動機磁路的一部分，裝在機座里。為了降低定子鐵芯的渦流損耗和磁滯損耗，定子鐵芯由導(dǎo)磁性能較好、0.5mm

29、厚的硅鋼片疊壓而成，在硅鋼片的兩面涂有絕緣漆。定子鐵芯內(nèi)表面開有槽，槽內(nèi)放置定子繞組（也叫電樞繞組）。表3-1 三相異步電機定子的組成定子定子鐵心由厚度為0.5mm的，相互絕緣的硅鋼片疊成，硅鋼片內(nèi)圓上有均勻分布的槽，其作用是嵌放定子三相繞組AX、BY、CZ。定子繞組三組用漆包線繞制好的，對稱地嵌入定子鐵心槽內(nèi)的相同的線圈。這三相繞組可接成星形或三角形。機座機座用鑄鐵或鑄鋼制成，其作用是固定鐵心和繞組 （二）定子繞組定子繞組用來通入交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，有絕緣的銅線或鋁線繞成，嵌放在定子鐵芯的槽內(nèi)，放入半開口槽內(nèi)的成型線圈有高強度的漆包扁鋁線或扁銅線，或用玻璃絲包扁銅線繞成。開口槽亦放入成型線圈

30、，其絕緣通常用云母帶。 （三）轉(zhuǎn)子鐵芯是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉(zhuǎn)軸上，作用和定子鐵心相同，一方面作為電動機磁路的一部分，一方面用來安放轉(zhuǎn)子繞組。表3-2 三相異步電機轉(zhuǎn)子的組成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵心由厚度為0.5mm的，相互絕緣的硅鋼片疊成，硅鋼片外圓上有均勻分布的槽，其作用是嵌放轉(zhuǎn)子三相繞組。轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組有兩種形式： 鼠籠式 - 鼠籠式異步電動機。 繞線式 - 繞線式異步電動機。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸上加機械負載（四）轉(zhuǎn)子繞組異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組分為繞線形與籠形兩種，由此分為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機與籠形異步電動機。（五）其他部分其他部分包括端蓋、風(fēng)扇等。端蓋除了起防護作用外，在端蓋上還裝有軸承，用以支

31、撐轉(zhuǎn)子軸。3.1.3旋轉(zhuǎn)磁場（一）產(chǎn)生圖3-3表示最簡單的三相定子繞組AX、BY、CZ，它們在空間按互差1200的規(guī)律對稱排列。并接成星形與三相電源U、V、W相聯(lián)。則三相定子繞組便通過三相對稱電流：隨著電流在定子繞組中通過，在三相定子繞組中就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(圖3-3)。 圖 3-3三相異步電動機定子接線圖圖 3-4 旋轉(zhuǎn)磁場的形成 當(dāng)t=00時，AX繞組中無電流；為負，BY繞組中的電流從Y流入B1流出；為正，CZ繞組中的電流從C流入Z流出； 當(dāng) t=1200時，BY繞組中無電流；為正，AX繞組中的電流從A流入X流出；為負，CZ繞組中的電流從Z流入C流出；當(dāng)t=2400時，CZ繞組中無電流；為負

32、，AX繞組中的電流從X流入A流出；為正，BY繞組中的電流從B流入Y流出；由此可見，當(dāng)定子繞組中的電流變化一個周期時，合成磁場也按電流的相序方向在空間旋轉(zhuǎn)一周。隨著定子繞組中的三相電流不斷地作周期性變化，產(chǎn)生的合成磁場也不斷地旋，因此稱為旋轉(zhuǎn)磁場。（二）旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)磁場的方向是由三相繞組中電流相序決定的，若想改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向，只要改變通入定子繞組的電流相序，即將三根電源線中的任意兩根對調(diào)即可。這時，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也跟著改變。3.2三相異步電機轉(zhuǎn)矩特性與機械特性3.2.1電磁轉(zhuǎn)矩（簡稱轉(zhuǎn)矩）異步電動機的轉(zhuǎn)矩T是由旋轉(zhuǎn)磁場的每極磁通F與轉(zhuǎn)子電流I2相互作用而產(chǎn)生的。電磁轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)子繞組中

33、的電流I及旋轉(zhuǎn)磁場的強弱有關(guān)。經(jīng)理論證明，它們的關(guān)系是：其中：T為電磁轉(zhuǎn)矩；KT為與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；F為旋轉(zhuǎn)磁場每個極的磁通量 ；I2為轉(zhuǎn)子繞組電流的有效值；j2為轉(zhuǎn)子電流滯后于轉(zhuǎn)子電勢的相位角。若考慮電源電壓及電機的一些參數(shù)與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，則：（a） (b)由上式可知，轉(zhuǎn)矩T還與定子每相電壓U1的平方成比例，所以當(dāng)電源電壓有所變動時，對轉(zhuǎn)矩的影響很大。此外，轉(zhuǎn)矩T還受轉(zhuǎn)子電阻R2的影響。圖 3-5 三相異步電動機的機械特性曲線3.2.2機械特性曲線在一定的電源電壓U1和轉(zhuǎn)子電阻R2下，電動機的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率n之間的關(guān)系曲線T=f(s)或轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線n=f(T)，稱為電動機的機械

34、特性曲線，如圖3-5所示。在機械特性曲線上我們要討論三個轉(zhuǎn)矩：（一）額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩TN是異步電動機帶額定負載時，轉(zhuǎn)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩。式中P2是電動機軸上輸出的機械功率，其單位是瓦特，n的單位是轉(zhuǎn)/分，TN的單位是牛·米。當(dāng)忽略電動機本身機械摩擦轉(zhuǎn)矩T0時，阻轉(zhuǎn)矩近似為負載轉(zhuǎn)矩TL，電動機作等速旋轉(zhuǎn)時，電磁轉(zhuǎn)矩T必與阻轉(zhuǎn)矩TL相等，即T= TL。額定負載時，則有TN= TL。（二）最大轉(zhuǎn)矩Tm Tm又稱為臨界轉(zhuǎn)矩，是電動機可能產(chǎn)生的最大電磁轉(zhuǎn)矩。它反映了電動機的過載能力。最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率為Sm，此時的Sm叫做臨界轉(zhuǎn)差率，見圖3-6（a），最大轉(zhuǎn)矩Tm與額定轉(zhuǎn)矩TN之比稱為電動機的過載

35、系數(shù)l，即l= Tm/ TN（一般三相異步的過載系數(shù)在1.82.2之間。）在選用電動機時，必須考慮可能出現(xiàn)的最大負載轉(zhuǎn)矩，而后根據(jù)所選電動機的過載系數(shù)算出電動機的最大轉(zhuǎn)矩，它必須大于最大負載轉(zhuǎn)矩。否則，就是重選電動機。3.3異步電機原始數(shù)學(xué)模型異步電機原始數(shù)學(xué)模型可由一下四組方程表示：（一）電壓方程 三相定子繞組的電壓方程：三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程： 將以上電壓方程寫成矩陣式，并已微分算子p代替微分符號d/dt： （二）磁鏈方程由于每個繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對它的互感磁鏈之和，六個繞組的磁鏈可以表示為：（三）矩陣方程根據(jù)電機能量轉(zhuǎn)換原理，異步電機電磁轉(zhuǎn)矩表達式為：

36、（四）運動方程對于恒轉(zhuǎn)矩負載，機電系統(tǒng)的運動方程為：式中：，電磁轉(zhuǎn)矩，負載轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)動慣量；電動機極對數(shù)。由以上方程可知，異步電機的非線性強耦合主要表現(xiàn)在磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程中，既存在定子和轉(zhuǎn)子之間的耦合，也存在三相繞組間的交叉耦合。三相繞組在空間按120度分布，必然引起三相繞組間的耦合。由于定子和轉(zhuǎn)子間的相對運動，導(dǎo)致其夾角不斷變化，使互感矩陣為非線性。因此，異步電機三相原始數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜，不易求解。為了使三相異步電機具有可控性、客觀性，必須對其進行簡化，使其成為一個線性、解耦的系統(tǒng)。從對直流電機的分析中發(fā)現(xiàn)，如果將交流電機的物理模型等效的變換成類似的直流電機的模型，就可以大大簡化分析和控制問

37、題。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 4變頻器及變頻調(diào)速原理 4 變頻器及變頻調(diào)速原理4.1變頻器平時我們提到的變頻調(diào)速起主要功能就是提供電動機原動力（電能）的設(shè)備，即變頻器。提到變頻調(diào)速技術(shù)就不得不說變頻器，其是變頻調(diào)速過程中不可或缺的核心器件。4.1.1變頻器的功能變頻調(diào)速能夠應(yīng)用在大部分的電機拖動場合，由于它能提供精確的速度控制，因此可以方便地控制機械傳動的上升、下降和變速運行。變頻應(yīng)用不僅可以大大地提高工藝的高效性，而且可以比原來的定速運行電機更加節(jié)能。1.控制電機的啟動電流。 當(dāng)電機通過工頻直接啟動時，它將會產(chǎn)生7到8倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的電應(yīng)力并

38、產(chǎn)生熱量，從而降低電機的壽命。而變頻調(diào)速則可以在零速零電壓啟動。一旦頻率和電壓的關(guān)系建立，變頻器就可以按照V/F或矢量控制方式帶動負載進行工作。使用變頻調(diào)速能充分降低啟動電流，提高繞組承受力，用戶最直接的好處就是電機的維護成本將進一步降低、電機的壽命則相應(yīng)增加。2. 啟動時需要的功率更低。 電機功率與電流和電壓的乘積成正比, 那么通過工頻直接啟動的電機消耗的功率將大大高于變頻啟動所需要的功率。在一些工況下其配電系統(tǒng)已經(jīng)達到了最高極限，其直接工頻啟動電機所產(chǎn)生的電涌就會對同網(wǎng)上的其他用戶產(chǎn)生嚴(yán)重的影響, 從而將受到電網(wǎng)運行商的警告, 甚至罰款。如果采用變頻器進行電機起停, 就不會產(chǎn)生類似的問題。

39、 3.可調(diào)的運行速度。 運用變頻調(diào)速能優(yōu)化工藝過程，并能根據(jù)工藝過程迅速改變，還能通過遠控PLC或其他控制器來實現(xiàn)速度變化。4.受控的停止方式。 如同可控的加速一樣, 在變頻調(diào)速中, 停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以選擇(減速停車、自由停車、減速停車直流制動)，同樣它能減少對機械部件和電機的沖擊，從而使整個系統(tǒng)更加可靠，壽命也會相應(yīng)增加。5.節(jié)能 離心風(fēng)機或水泵采用變頻器后都能大幅度地降低能耗，這在十幾年的工程經(jīng)驗中已經(jīng)得到體現(xiàn)。由于最終的能耗是與電機的轉(zhuǎn)速成立方比，所以采用變頻后投資回報就更快。6. 減少機械傳動部件 由于目前矢量控制變頻器加上同步電機就能實現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)矩輸出, 從而

40、節(jié)省齒輪箱等機械傳動部件, 最終構(gòu)成直接變頻傳動系統(tǒng)。從而就能降低成本和空間, 提高穩(wěn)定性。4.1.2變頻器的原理 圖4-1 SPWM交直交變壓變頻原理圖 圖4-2 交直交通用變頻器系統(tǒng)框圖（一）主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它主要由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 1.整流器：最近大量使用的是二極管的變流

41、器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。 2.平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。 3.逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型PWM逆變器為例示出開關(guān)時間和電壓波形。 （二）控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提

42、供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。 1.運算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。 2.驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 圖4-3交直交變頻器主電路3.速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。 4.保護電路:檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了

43、防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。4.2變頻調(diào)速原理變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)速的目的。當(dāng)在定子繞組上接入三相交流電時，在定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生相對運動，使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機轉(zhuǎn)動起來。電機磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用n表示：式中：f三相交流電源頻率，一般為50Hz；p磁極對數(shù)。當(dāng)p=1時，N=3000r/min；p=2時，N=1500r/min?？梢姶艠O對數(shù)p越多，轉(zhuǎn)速N越慢。轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速n比磁場的同步轉(zhuǎn)速N要慢一點，所以稱為異步電機，這個差

44、別用轉(zhuǎn)差率s表示：當(dāng)加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動瞬間，n=0，這時s=1；起動后的極端情況n=N，則s=0，即s在01之間變化。一般異步電機在額定負載下的s=（16）%。綜合上式可以得出：由式可以看出，對于成品電機，其磁極對數(shù)p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率s變化不大，則電機的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉(zhuǎn)速，進而達到異步電機調(diào)速的目的。4.3 V/F控制原理由電機學(xué)理論，交流異步電機的定子繞組的感應(yīng)電動勢是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁力線的結(jié)果，起有效值計算如下：式中 K與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；磁通。而在電源一側(cè)，電源電壓的平衡方程式為：該式表示，加在電機繞組端的電源電壓，一部分產(chǎn)生感

45、應(yīng)電動勢，另一部分消耗在阻抗（線圈電阻和漏電感）上。其中定子電流分成兩部分：少部分用于建立主磁場磁通，大部分用于產(chǎn)生電磁力帶動機械負載。 當(dāng)交流異步電機進行變頻調(diào)速時，例如頻率下降，則由定子側(cè)的感應(yīng)電動勢方程可知降低；在電源電壓不變的情況下，根據(jù)電源電壓的平衡方程，定子電流將增加；的增加又使增加，達到一個新的平衡。理論上這種新的平衡對機械特性影響不大。但實際上，由于電機的磁通容量與電機鐵芯的大小有關(guān)，通常在設(shè)計時已達到最大容量。因此當(dāng)磁通量增加時，將產(chǎn)生磁飽和，造成實際磁通量增加不上去，產(chǎn)生電流波形畸變，消弱電磁力矩，影響機械特性。 17重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 5 變頻調(diào)速系

46、統(tǒng)總體設(shè)計5 變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計5.1變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計考慮因素：（一）額定電壓要滿足負載需要。變頻器與負載的額定電壓相等。（二）額定電流的選擇除滿足古仔正常工作時通過的電流外還需考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，其作用是為變頻器留有適當(dāng)?shù)倪^載能力。（三）控制方式需滿足負載正常工作特性。變頻器應(yīng)保證工作在正常運行狀態(tài)，避免過負荷運行保證其高效運行。三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)以可編程序控制器（PLC）作為核心的控制部件，通過PLC的模擬量輸出口實現(xiàn)變頻器的頻率設(shè)定；通過PLC輸出口對變頻器數(shù)字輸入口的控制，實現(xiàn)體統(tǒng)的正常運行。PLC控制電機變頻調(diào)速系統(tǒng)由S7-200型PLC、變頻器、電機及電機測速系統(tǒng)、上位機觸

47、摸屏等構(gòu)成。使用到的實驗設(shè)備具體有：S7-200 PLC一臺，上位機觸摸屏一個，擴展模塊一塊（EM235型模擬量4輸入1輸出），程序編程電纜線，模擬量輸入開關(guān)一套，PLC控制變頻調(diào)速實驗?zāi)K一個，400VA自偶變壓器一臺，可測速三相異步電機系統(tǒng)一套。PLC控制電機變頻調(diào)速實驗系統(tǒng)總圖如圖5-1所示。圖5-1 PLC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 控制回路接線：PLC輸出地址100.01接端子5，對應(yīng)的地址COM接端子3?？刂破鋯优c停止。PLC輸出地址100.02 接端子6，對應(yīng)的地址COM接端子3?？刂破湔D(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。PLC輸出地址100.03、100.03、100.05分別接7、8、9，控制其八段頻

48、率。圖5-2 控制回路接線圖5.2變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計S7-200PLC軟件設(shè)計方案總體設(shè)計原則是：（一）盡可能最大程度地滿足數(shù)控機床的使用原則目標(biāo)。（二）保證數(shù)控系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定、和可靠的運行。（三）在滿足使用要求的同時能優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計方案，是系統(tǒng)簡單、便于使用和后續(xù)進行日常維護。（四）在選擇硬件時考慮日后對產(chǎn)品更新升級和改進應(yīng)適當(dāng)留有一定的余量。系統(tǒng)以S7-200PLC 作為核心控制機器人，人機界面設(shè)計采用觸摸屏，實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程控制。觸摸屏的使用，避免使用大量的硬件設(shè)施降低了成本和由此而帶來的故障隱患。在本變頻調(diào)速系統(tǒng)中，上位機主要實現(xiàn)實時檢測系統(tǒng)的運行情況并具有控制電機啟動、低俗運行和停止的功能。使用觸摸屏后使得操作簡單，靈活方便，從而增加變頻調(diào)速系統(tǒng)功能的實用性。觸摸屏主要用于監(jiān)控設(shè)備運行的實時狀態(tài)信息，界面中間鍵可發(fā)出相應(yīng)的控制指令并實時與S7-200PLC進行數(shù)據(jù)交換，從而產(chǎn)生相應(yīng)的動作。I/O地址分配表：表5-1 I/O地址分配表輸入設(shè)備符號輸入地址輸出設(shè)備符號輸出地址正轉(zhuǎn)啟動反轉(zhuǎn)按鈕SB10.01正轉(zhuǎn)接觸器線圈KM