激光設(shè)備控制技術(shù)教材——第一章第十一節(jié)講解

1、第十一節(jié)變頻調(diào)速系統(tǒng)、異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子的機(jī)構(gòu)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(diào)速主要用于三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。由電機(jī)學(xué)可知，三相交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速（即定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，異步電動(dòng)機(jī)要產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，同步轉(zhuǎn)速n0與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n必須有差別。這個(gè)轉(zhuǎn)速差（n0 - n）與同步轉(zhuǎn)速no的比值s稱為轉(zhuǎn)差率。s no - nn。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為60 fn = n。（1 - s） -（1 - s）P異步電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n

2、通常與n°相差不大，因此額定轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)為fx，則同步轉(zhuǎn)速n0x也隨之調(diào)節(jié)成n0x異步電動(dòng)機(jī)變頻后的轉(zhuǎn)速 nx的表達(dá)式為nx60fx ()n 0x( 1 S ) U圖1-50所示。有圖可見，主電路包括四個(gè)組成部分：整流電路、中間電路、逆變電路和控制電路。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(jī)構(gòu)框圖1. 整流電路整流電路的功能是將交流電轉(zhuǎn)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

3、流電路、三相整流電路和多相整流電路?？煽卣麟娐肥褂玫钠骷榫чl管。2. 中間電路雖然利用整流電路可以從電網(wǎng)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(duì)整流電路的輸出進(jìn)行濾波，以減少電壓或電流的波動(dòng)。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(duì)整流電路的輸出進(jìn)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(shí)間使6個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)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(hào)檢測電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、外部

4、接口電路和保護(hù)電路組成。控制電路的作用有：控制整流電路導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)直流電壓；控制逆變頻率；信號(hào) 反饋與控制；實(shí)現(xiàn)保護(hù)機(jī)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。4軌諭電1AW(DCL) 汽(選件制動(dòng)電Ptl器(選件PBMCCBBasFVL】抗干擾濾波翻雯回賂L7TTW/T3電機(jī)怦制電渾軸人a轉(zhuǎn)信號(hào)反*X：i：XFLA率段速信記1塞段速依號(hào)7公用端SW1 *6SINK SOURCtOUT速度封達(dá)信號(hào) 輸出VO PTCRS4&S( 1a電矗信珂4(0>20mA顒汗催嗒。訂UV< 或書 I o

5、 - + 1OV)(取需0 t 4 ) 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(hào)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(dòng)機(jī)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(dòng)電阻器連接用端子連接外部制動(dòng)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

6、入端子、輸出端子、通信端子等,輸入端子有正傳信號(hào)、反轉(zhuǎn)信號(hào)、多段速信號(hào)、模擬電壓信號(hào)、模擬電流信號(hào)等。輸出信號(hào) 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(shí)間變頻器啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)頻率可以很低， 加速時(shí)間可以自行給定，這樣可以解決啟動(dòng)電流大和機(jī)械沖擊的問題。 加速時(shí)間是指工作頻率從 0Hz上升至用戶基本頻率所需要的時(shí)間。一般變頻器都可以通過參數(shù)設(shè)置加速時(shí)間，用戶應(yīng)該根據(jù)拖動(dòng)系統(tǒng)的情況自行給定一個(gè)加速時(shí) 間。加速時(shí)間越長，啟動(dòng)電流就越小，啟動(dòng)也越平緩，但延長了

7、拖動(dòng)系統(tǒng)的過度過程，對(duì)于 一些頻繁啟動(dòng)的機(jī)械來說，會(huì)減低生產(chǎn)效率。變頻器減速時(shí)，在頻率下降的過程中，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，如果拖動(dòng)系統(tǒng)的慣性 大，頻率下降有很快，電動(dòng)機(jī)將處于強(qiáng)烈的再生制動(dòng)狀態(tài)，從而產(chǎn)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(dāng)加長減速時(shí)間。2. 加減速模式不同的生產(chǎn)機(jī)械對(duì)加減速過程的要求是不同的。根據(jù)各種負(fù)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(shí)間成線性關(guān)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

8、，這種模式下加減速緩慢，中間階段為線性加速，這 種加減速模式適用于帶式輸送機(jī)一類的負(fù)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(hào)取自調(diào)速系統(tǒng)的輸出端，當(dāng)輸出量偏 離給定值時(shí)，反饋信號(hào)成例地變化。在輸入端，給定信號(hào)與反饋信號(hào)比較，經(jīng)過PID調(diào)節(jié),變頻器通過改變輸出頻率，迅速、準(zhǔn)確地消除輸出誤差。PID控制功能中需要設(shè)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(gè)輸出正弦周期波內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)越多，波形越接 近于實(shí)際正弦波，反之波形失真就越大。載波頻率如果設(shè)置不合適，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)鐵心的振 動(dòng)而發(fā)出噪音，因此一般變頻器都可以由用戶在一定范圍

9、內(nèi)修改載波頻率的值。5. 啟動(dòng)頻率啟動(dòng)頻率是指電動(dòng)機(jī)開始啟動(dòng)時(shí)的頻率，這個(gè)頻率可以從0Hz開始，但是對(duì)于慣性較大的負(fù)載，需要加大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這時(shí)可以加大啟動(dòng)頻率。一般變頻器都可以預(yù)置啟動(dòng)頻率，一 旦設(shè)置，變頻器對(duì)于小于啟動(dòng)頻率的運(yùn)行頻率將不予理睬。設(shè)置啟動(dòng)頻率的原則是， 在啟動(dòng)電流不超過允許值的前提下， 拖動(dòng)系統(tǒng)能夠順利啟動(dòng)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(duì)于感性負(fù)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(huì)增大，造成磁路飽和，勵(lì)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(gè)問題，變頻 器在降頻的同時(shí)也要

10、降壓，這就要求頻率和電壓協(xié)同工作。U/f 控制方式認(rèn)為設(shè)置一條 V/f 的對(duì)應(yīng)曲線，使頻率變化的時(shí)候，電機(jī)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(diǎn)有：在低速時(shí)， 由于定子阻抗壓降隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化， 當(dāng)負(fù)載較重時(shí)可能補(bǔ)償不足， 當(dāng)負(fù)載較 輕時(shí)又可能產(chǎn)生過補(bǔ)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率隨負(fù)載的變化而波動(dòng)， 電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速也隨之變化， 不適合對(duì)速度要求較 高的拖動(dòng)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(dòng)機(jī)定子電流矢量， 根據(jù)磁場定向原理分別對(duì)異步電 動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩

11、電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(shè)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(dòng)機(jī)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快、低頻轉(zhuǎn)矩大、控制靈活的優(yōu)點(diǎn)，適用于要求高速響應(yīng)的工 作機(jī)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(yīng)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(hào)和4-20mA的電流信號(hào)等，這種數(shù)據(jù)傳輸方式有以下的缺點(diǎn)：1 一對(duì)一結(jié)構(gòu)，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

12、 0-10V, 0-5V, 4-20mA等，各種規(guī)范之間又要由轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn) 換?，F(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、 雙向傳輸、 多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng) 絡(luò)。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(jìn)行控制信息 傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。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(wǎng)。Modbus網(wǎng)絡(luò)有一臺(tái)主設(shè)備和最多247臺(tái)從設(shè)備組成。Modbus總線協(xié)議中僅主設(shè)備能初始化傳輸。 其它設(shè)備 （從設(shè)備） 根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。 主

13、設(shè)備查詢的格 式：設(shè)備地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、CRC冗余校驗(yàn)。從設(shè)備回應(yīng)消息包括設(shè)備地址、功能代碼、返回的數(shù)據(jù)、CRC冗余校驗(yàn)。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(biāo)準(zhǔn)。 它由三個(gè)兼容部分組成，即PROFIBU& DP PROFIBUS PA PROFIBUS-FMS。PROFIBUS-DP應(yīng)用于現(xiàn)場級(jí)，它是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級(jí)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(dòng)化，可使傳感器和執(zhí)行器接在一根共用的總線上，應(yīng)用于 本征安全領(lǐng)域。PR

14、OFIBUS-FMS用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，用來完成控制器和智能現(xiàn)場設(shè)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(gòu)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(wǎng)絡(luò)(Co ntroller Area Network)的簡稱，由德國 BOSC公司開發(fā)的，并成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)。是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。主要應(yīng)用于汽車計(jì)算 機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式控制系統(tǒng)中。CANopen設(shè)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

15、 producer/consumer 模型七、變頻調(diào)速電路的硬件組成變頻調(diào)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(dòng)電阻、 電動(dòng)機(jī)、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(dòng)機(jī)圖1-54變頻調(diào)速電路的組成1.電抗器在變頻調(diào)速系統(tǒng)中為了防止電源側(cè)操作切換所引起的浪涌電壓和浪涌電流對(duì)變頻器的侵害，同時(shí)也為了減少變頻器所產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，變頻調(diào)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(cè)， 交流輸入電抗器為三相結(jié)構(gòu)， 有三相鐵心繞 三相線圈構(gòu)成。 其載流量應(yīng)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(cè)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(shè)備的正常工作。 電源