變頻器調(diào)速畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))

1、摘 要三相交流異步電動(dòng)機(jī)是工農(nóng)業(yè)中最重要的拖動(dòng)設(shè)備之一，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修容易而得到了廣泛的應(yīng)用，而隨著社會(huì)進(jìn)一步的發(fā)展，交流電機(jī)已經(jīng)不僅僅局限于簡(jiǎn)單的恒速控制，在更多的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，很多設(shè)備需要根據(jù)不同的工作環(huán)境，要調(diào)節(jié)到一個(gè)特定的轉(zhuǎn)速。從而對(duì)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的速度提出要求，希望能對(duì)電機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并能穩(wěn)定運(yùn)行。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。三相交流異步電動(dòng)機(jī)變頻技術(shù)有調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高；低速時(shí)，特性靜關(guān)率高，相對(duì)穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍大，精度高等特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。變頻器不但在傳統(tǒng)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且

2、幾乎已經(jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域，尤其在空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱等家電產(chǎn)品中的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)在惡劣的工作環(huán)境中對(duì)三相交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，引入PLC （Programmable Logic Controller, 可編程邏輯控制器）控制單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的智能控制，使得該調(diào)速系統(tǒng)性能更加優(yōu)越，滿足了現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的需要。本次設(shè)計(jì)就是基于PLC 的變頻器調(diào)速系統(tǒng)，將現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的PLC 和變頻器綜合起來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，加減速以及快速制動(dòng)等。關(guān)鍵詞：變頻器；PLC ；交流電機(jī)；調(diào)速ABSTRACTAC induction motor is one of the most impor

3、tant industrial and agricultural drag equipment. It has been widely used because of its simple structure and easy maintenance. With the further development of society, AC motor is not limited to simple constant speed control, in the more modern industrial production. Many devices need to be adjusted

4、 to a specific speed according to different working environments. For AC motor speed proposed requirements. The realization of operation speed regulation and stable operation.AC variable frequency technology is energy saving, a major means to improve the process to improve product quality and improv

5、e the environment, promoting technological progress. AC motor frequency conversion technology are speed smooth and good, high efficiency; low speed characteristics, static clearance rate high, relatively good stability , wide speed range, high precision advantages and characteristics. Variable-frequ

6、ency Drive has been widely used not only in traditional electric drive system, and almost has been extended to all areas of industrial production. Especially in air conditioners, washing machines, refrigerators and other appliances. In order to achieve the remote control in poor working conditions i

7、n the motor, the introduction of the PLC (Programmable Logic Controller control unit, realize the variable frequency speed regulation system of intelligent control, makes the speed regulation system performance more superior, meet the need of modern industrial production.The design is based on PLC,

8、frequency converter speed control system, PLC and frequency converter together to achieve the reversing of the motor, acceleration and deceleration, and rapid braking.Keywords: Variable-frequency Drive; PLC; AC motor ; speed control目錄1.緒論 .1 1.1. 本設(shè)計(jì)的背景. 1變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)狀 . . 3 1.2. 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容. 5 2.本設(shè)計(jì)方案的確

9、定.6 2.1. 變頻調(diào)速系統(tǒng). 6西門子MM420變頻器. 10 2.2.系統(tǒng)功能分析. 13 2.3. 設(shè)計(jì)方案的確定 . 14電動(dòng)機(jī)的選擇 . 15 3.變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì).16 3.1.變頻調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) . . 16 3.2. 變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) . 16MM420變頻器參數(shù)設(shè)定 . 17 4.變頻器調(diào)試系統(tǒng)安裝與調(diào)試 .19 4.1. 變頻器的安裝、布線及抗干擾. 19變頻器的故障分析及處理 . . 22 5.設(shè)計(jì)總結(jié) .23 6. 附錄 .24參考文獻(xiàn) .27浙江水利水電?？茖W(xué)校畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）1. 緒論1.1. 本設(shè)計(jì)的背景我國(guó)對(duì)交流變頻調(diào)速技術(shù)的研究起步較

10、晚，直到上個(gè)世紀(jì)90年代才有產(chǎn)品出現(xiàn)，而且采用的控制技術(shù)相對(duì)單一，主要以V/F控制方式為主，而且性能較低，無(wú)法滿足動(dòng)態(tài)性能要求和生產(chǎn)節(jié)能需求。但隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)變頻技術(shù)也日趨完善，各種復(fù)雜控制技術(shù)在變頻器技術(shù)中逐步應(yīng)用，使變頻器的性能不斷提高，而且應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。變頻器現(xiàn)不但在傳統(tǒng)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且?guī)缀跻呀?jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域，尤其在空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱等家電產(chǎn)品中的應(yīng)用。目前，變頻調(diào)速已被公認(rèn)為是最理想、最有發(fā)展前景的調(diào)速方式之一，采用變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的主要目的，一是為了滿足提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備自動(dòng)化程度、提高生活質(zhì)

11、量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。用戶根據(jù)自己的實(shí)際工藝要求和運(yùn)用場(chǎng)合選擇不同類型的變頻器。隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的日益發(fā)展，三相交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速已經(jīng)從繼電器控制時(shí)代發(fā)展到今天的由變頻器控制調(diào)速，且在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用，而在現(xiàn)在的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，最為常見的是PLC 控制，PLC 是可編程控制器的簡(jiǎn)稱，PLC 技術(shù)是在繼電接觸器控制和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。由于它可以通過(guò)軟件來(lái)改變控制過(guò)程，且編程較為簡(jiǎn)單，所以目前PLC 在工業(yè)控制中占據(jù)了主導(dǎo)地位，得到了非常廣泛的應(yīng)用。交流調(diào)速系統(tǒng)具備寬的調(diào)速范圍，高的穩(wěn)速范圍，高的穩(wěn)速精度，

12、快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)功率等特點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體器件的不斷進(jìn)步，尤其是新型可關(guān)斷器件，如BJT （雙極型晶體管）、MOSFET （金屬氧化硅場(chǎng)效應(yīng)管）、IGBT （絕緣柵雙極型晶體管）的實(shí)用化，使得開關(guān)高頻化的PWM 技術(shù)成為可能。目前功率半導(dǎo)體器件正向高壓、大功率、高頻化、集成化和智能化方向發(fā)展。典型的電力電子變頻裝置有電壓型交-直-交變頻器、電流型交-直-交變頻器和交-交變頻器三種。電流型交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲(chǔ)能元件，無(wú)功功率將由大電感來(lái)緩沖，它的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)（發(fā)電）狀態(tài)時(shí)，只需改變網(wǎng)側(cè)可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到直流側(cè)的再生電能方便地回饋到交流電

13、網(wǎng)，構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行能力，可用于頻繁加減速等對(duì)動(dòng)態(tài)性能有要求的單機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，在大容量風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中也有應(yīng)用。電壓型交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電容作儲(chǔ)能元件，無(wú)功功率將由大電容來(lái)緩沖。對(duì)于負(fù)載電動(dòng)機(jī)而言，電壓型變頻器相當(dāng)于一個(gè)交流電壓源，在不超過(guò)容量限度的情況下，可以驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。電壓型PWM 變頻器在中小功率電力傳動(dòng)系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位。但電壓型變頻器的缺點(diǎn)在于三相交流異步電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)（發(fā)電）狀態(tài)時(shí)，回饋到直流側(cè)的再生電能難以回饋給交流電網(wǎng)，要實(shí)現(xiàn)這部分能量的回饋，網(wǎng)側(cè)不能采用不可控的二極管整流器或一般的可控整流器，必須采用可逆變流器，如采用兩套可控整流器

14、反并聯(lián)、采用PWM 控制方式的自換相變流器（“斬控式整流器”或 “PWM 整流器”）。網(wǎng)側(cè)變流器采用PWM 控制的變頻器稱為“雙PWM 控制變頻器”，這種再生能量回饋式高性能變頻器具有直流輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸入電流（網(wǎng)側(cè)電流）波形基本為正弦，功率因數(shù)保持為1并且能量可以雙向流動(dòng)的特點(diǎn)，代表一個(gè)新的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向，但成本問題限制了它的發(fā)展速度。通常的交-交變頻器都有輸入諧波電流大、輸入功率因數(shù)低的缺點(diǎn)，只能用于低速（低頻）大容量調(diào)速傳動(dòng)。為此，矩陣式交-交變頻器應(yīng)運(yùn)而生。矩陣式交-交變頻器功率密度大，而且沒中間直流環(huán)節(jié)，省去了笨重而昂貴的儲(chǔ)能元件，為實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)為1、輸入電流為正弦和四象限運(yùn)行

15、開辟了新的途徑。隨著電壓型PWM 變頻器在高性能的交流傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用日趨廣泛，PWM 技術(shù)的研究越來(lái)越深入。PWM 利用功率半導(dǎo)體器件的高頻開通和關(guān)斷，把直流電壓變成按一定寬度規(guī)律變化的電壓脈沖序列，以實(shí)現(xiàn)變頻、變壓并有效地控制和消除諧波。PWM 技術(shù)可分為三大類：正弦PWM 、優(yōu)化PWM 及隨機(jī)PWM 。正弦PWM 包括以電壓、電流和磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM 方案。正弦PWM 一般隨著功率器件開關(guān)頻率的提高會(huì)得到很好的性能，因此在中小功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)中被廣泛采用。但對(duì)于大容量的電力變換裝置來(lái)說(shuō)，太高的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致大的開關(guān)損耗，而且大功率器件如GTO 的開關(guān)頻率目前還不能做得很高，在這種

16、情況下，優(yōu)化PWM 技術(shù)正好符合裝置的需要。特定諧波消除法（Selected Harmonic Elimination PWMSHEPWM ）【1】、效率最優(yōu)PWM 和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小PWM 都屬于優(yōu)化PWM 技術(shù)的范疇。普通PWM 變頻器的輸出電流中往往含有較大的和功率器件開關(guān)頻率相關(guān)的諧波成分，諧波電流引起的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩作用在三相交流異步電動(dòng)機(jī)上，會(huì)使三相交流異步電動(dòng)機(jī)定子產(chǎn)生振動(dòng)而發(fā)出電磁噪聲，其強(qiáng)度和頻率范圍取決于脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小和交變頻率。如果電磁噪聲處于人耳的敏感頻率范圍，將會(huì)使人的聽覺受到損害。一些幅度較大的中頻諧波電流還容易引起三相交流異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械共振，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。為解決以

17、上問題，一種方法是提高功率器件的開關(guān)頻率，但這種方法會(huì)使得開關(guān)損耗增加；另一種方法就是隨機(jī)地改變功率器件的導(dǎo)通位置和開關(guān)頻率，使變頻器輸出電壓的諧波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍內(nèi)，從而抑制某些幅值較大的諧波成分，以達(dá)到抑制電磁噪聲和機(jī)械共振的目的，這就是隨機(jī)PWM 技術(shù)【2,3】。目前，我國(guó)的能源消費(fèi)僅次于美國(guó)，位列世界第二，但國(guó)民生產(chǎn)總值卻不高，其中最重要的原因之一就是單位產(chǎn)值能耗太大。我國(guó)具有各類風(fēng)機(jī) 約780萬(wàn)臺(tái)，水泵4000萬(wàn)臺(tái)，空壓機(jī)560萬(wàn)臺(tái)，這些裝置又占去了電機(jī)耗電的一半以上。由于這些設(shè)備一般均釆用恒速驅(qū)動(dòng)，每年造成大量能源浪費(fèi)。國(guó)家在十 一五規(guī)劃中指出：堅(jiān)持開發(fā)節(jié)約并重、節(jié)約

18、優(yōu)先，按照減量化、再利用、資源化的原則，大力推進(jìn)節(jié)能節(jié)水節(jié)地節(jié)材，加強(qiáng)資源綜合利用，完善再生資源回收利用體系，全面推行清潔生產(chǎn)，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的節(jié)約型增長(zhǎng)方式。實(shí)行有利于資源節(jié)約的價(jià)格和財(cái)稅政策。強(qiáng)化節(jié)約意識(shí)，鼓勵(lì)生產(chǎn)和使用節(jié)能節(jié)水產(chǎn)品、節(jié)能環(huán)保型汽車，發(fā)展節(jié)能街地型建筑，形成健康文明、節(jié)約資源的消費(fèi)模式。我國(guó)對(duì)交流變頻調(diào)速技術(shù)的研究起步較晚，到上個(gè)世紀(jì)90年代才有產(chǎn)品出現(xiàn)，釆用的控制技術(shù)幾乎都還只是V/F控制，調(diào)速性能根本無(wú)法與國(guó)外產(chǎn)品相比。目前在中、低壓交流傳動(dòng)中，變頻器的使用越來(lái)越多，而我國(guó)在研究矢量控制系統(tǒng)所需的各種硬件條件已經(jīng)具備，如己出現(xiàn)的智能化功率器件 (IP

19、M,其電壓等級(jí)、開關(guān)頻率都有很大的提高；數(shù)字化控制元件也已出現(xiàn)單指令周期10ns 的高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP和幾乎能完成一個(gè)系統(tǒng)功能的專用集成電路。 變頻調(diào)速已成為電動(dòng)機(jī)調(diào)速的最新潮流，有其自身身的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，隨著交流變頻技術(shù)的日趨完善和推廣應(yīng)用，特別是在礦用大功率高壓設(shè)備中的絞車、 提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)等礦用設(shè)備上的應(yīng)用效果則更加明顯。對(duì)耗電大、 生產(chǎn)環(huán)境惡劣的煤炭行業(yè)推廣應(yīng)用變頻技術(shù)更具有現(xiàn)實(shí)意義【3】。1.2. 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容(1 根據(jù)控制要求選定變頻調(diào)速的控制方式；(2 設(shè)計(jì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件；(3 變頻器調(diào)試系統(tǒng)安裝與調(diào)試；本系統(tǒng)控制要求如圖1-1所示 圖1-1 系統(tǒng)

20、控制要求由圖1-1可知，本設(shè)計(jì)通過(guò)PLC 控制變頻器達(dá)到變頻調(diào)速的目的，從而實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、起停、加速、減速控制以及速度的調(diào)節(jié)。浙江水利水電?？茖W(xué)校畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）2. 本設(shè)計(jì)方案的確定2.1. 變頻調(diào)速系統(tǒng)（1）三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的種類繁多，但各類三相交流異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是相同的，它們都由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙。此外，還包括端蓋、軸承、接線盒、吊環(huán)等其他附件。具體如圖2-1所示。 圖2-1 三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖三相交流異步電動(dòng)機(jī)的定子是用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的，一般由外殼、定子鐵心、定子繞組等部分組成。三相交流異步電動(dòng)機(jī)

21、定子鐵心是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，由0.35mm 0.5mm 厚表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成。由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的，所以減少了由于交變磁通通過(guò)而引起的鐵心渦流損耗。鐵心內(nèi)圓有均勻分布的槽口，用來(lái)嵌放定子繞圈。定子繞組是三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電路部分，三相交流異步電動(dòng)機(jī)有三相繞組，通入三相對(duì)稱電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。三相繞組由三個(gè)彼此獨(dú)立的繞組組成，且每個(gè)繞組又由若干線圈連接而成。每個(gè)繞組即為一相，每個(gè)繞組在空間相差120°電角度。線圈由絕緣銅導(dǎo)線或絕緣鋁導(dǎo)線繞制。中、小型三相交流異步電動(dòng)機(jī)多采用圓漆包線，大、中型三相交流異步電動(dòng)機(jī)的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁

22、鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心槽內(nèi)。定子三相繞組的六個(gè)出線端都引至接線盒上，首端分別標(biāo)為U 1, V1, W1 ，末端分別標(biāo)為U 2, V2, W2 。這六個(gè)出線端在接線盒里可以接成星形或三角形，如圖2-2所示。7a . 星形連接 b . 三角形連接圖2-2 星形和三角形連接轉(zhuǎn)子鐵心是用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，一方面作為三相交流異步電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，一方面用來(lái)安放轉(zhuǎn)子繞組。 轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組一樣也是一個(gè)三相繞組，一般接成星形，三相引出線分別接到轉(zhuǎn)軸上的三個(gè)與轉(zhuǎn)軸絕緣的集電環(huán)上，通過(guò)電刷裝置與外電路相連，這就有可能在轉(zhuǎn)子電路中串接電阻或電動(dòng)勢(shì)以改

23、善三相交流異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。其他部分包括端蓋、風(fēng)扇等。端蓋除了起防護(hù)作用外，在端蓋上還裝有軸承，用以支撐轉(zhuǎn)子軸。風(fēng)扇則用來(lái)通風(fēng)冷卻三相交流異步電動(dòng)機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙，一般僅為0.2mm 1.5mm 。氣隙太大，三相交流異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)降低；氣隙太小，使裝配困難，運(yùn)行不可靠，高次諧波磁場(chǎng)增強(qiáng)，從而使附加損耗增加以及使啟動(dòng)性能變差。（2）三相異步交流電動(dòng)機(jī)的工作原理三相交流異步電動(dòng)機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎(chǔ)上的。當(dāng)磁極沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，磁極的磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，導(dǎo)條中就感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的方向由右手定則來(lái)確定。因

24、為運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，假如磁極不動(dòng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則導(dǎo)條中同樣也能感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)來(lái)。在電動(dòng)勢(shì)的作用下，閉合的導(dǎo)條中就產(chǎn)生電流。 該電流與旋轉(zhuǎn)磁極的磁場(chǎng)相互作用， 而使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受到電磁力，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進(jìn)而產(chǎn)生電8 磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。（3）三相交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理及方法三相交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速原理，可從三相交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程得出，轉(zhuǎn)速方程如式（2-1）n=60f1(1-s/p (2-1式2-1中：n ，三相交流異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速； f1，三相交流異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的供電頻率； p，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)；s ，為轉(zhuǎn)差率，表示定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速n

25、1與n 的關(guān)系。由式（2-1）知，影響三相交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有：三相交流異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù) p ，轉(zhuǎn)差率s 和電源頻率f 1 。對(duì)于給定的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，磁極對(duì)數(shù) p 一般是固定的；通常情況下，轉(zhuǎn)差率 s 對(duì)于特定負(fù)載來(lái)說(shuō)是基本不變的，并且其可以調(diào)節(jié)的范圍較小，加之轉(zhuǎn)差率 s不易被直接測(cè)量，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率來(lái)調(diào)速在工程上并未得到廣泛應(yīng)用。如果電源頻率可以改變，那么通過(guò)改變電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)三相交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法應(yīng)該是可行的，這就是所謂變頻調(diào)速。由電機(jī)學(xué)原理知，如忽略繞組間的互感、繞組的漏感及空間電磁諧波，三相交流異步電動(dòng)機(jī)的相等效穩(wěn)態(tài)電路如圖 2-3。 圖 2-3 三相交流異步電動(dòng)機(jī)的

26、相等效穩(wěn)態(tài)電路由戴維南定理，圖 2-3電壓平衡方程式為：U = E + I * r （2-2）式中:U-相電壓，E-定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，I-定子繞組的相電流，r-定子繞組電阻與轉(zhuǎn)子繞組電阻折算到定子側(cè)的電阻之和三相交流異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是定于繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁力線的結(jié)果， 其有效值計(jì)算如下：E = K * f *（2-3）9 式中：K-與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，f-電源頻率，-磁通量由式（2-2）知，加在電機(jī)繞組端的電源電壓，一部分產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，另一部分消耗在電阻 r （ 定子繞組電阻與轉(zhuǎn)子繞組電阻折算到定子側(cè)的電阻之和 ）上 。其中定子繞組的相電流 I 由兩部分構(gòu)成：21I

27、I I += （2-4）電機(jī)的定子電流有一小部分 用于建立磁場(chǎng)的主磁通，其余大部分 用于產(chǎn)生拖動(dòng)負(fù)載的電磁力。由式 （2-1）知，調(diào)整電源頻率f 時(shí)，可以調(diào)節(jié)速度n 。 當(dāng)電源頻率f 下降時(shí)，由式 （2-3）知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨之比例減小；在相電壓U 保持不變的情況下，由式（2-2）知，定子繞組的相電流I 相應(yīng)增大。在很多情況下，電機(jī)的負(fù)載是基本恒定的，因此用于產(chǎn)生電磁力的電流 是基本不變的，于是 將增大； 的增大將直接導(dǎo)致主磁通的增大。由式 （2-3），主磁通的增大，將引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)比例增大；由式（2-2），感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的增大將使定子電流I 減小。不難理解，通過(guò)這樣的負(fù)反饋，電機(jī)將最終穩(wěn)定在一個(gè)新

28、的工作點(diǎn)。這樣的控制方法看起來(lái)似乎沒有問題。但實(shí)際情況是主磁通容量上限與電機(jī)的鐵芯有關(guān)。電機(jī)的鐵芯受制于重量、體積、成本等因素的考慮，不可能做的很大。對(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是：當(dāng)電機(jī)處于額定工作狀態(tài)下時(shí)，主磁通接近容量上限。上述的變頻調(diào)速方法工作在額定頻率以下時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致鐵心磁飽和，引起電流波形畸變，有效力矩下降；嚴(yán)重時(shí)，將導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱過(guò)快，振動(dòng)和噪音加大；工作在額定頻率以上時(shí)，鐵心處于弱磁狀態(tài)，電磁力矩不足，電機(jī)的機(jī)械特性變軟（轉(zhuǎn)差率s 變大），帶載能力下降。結(jié)論：通過(guò)只調(diào)節(jié)電源頻率來(lái)調(diào)節(jié)速度的方法不可取。既然不可取的原因是因?yàn)殍F心磁飽和。那么在調(diào)節(jié)電源頻率的同時(shí)，磁通量就要保持恒

29、定。式（2-3）知： E/f (2-5在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度不是很低的情況下，由于電機(jī)的電阻r 很小，電機(jī)定子線圈上的阻抗壓降（I*r）可以忽略。由式（2-2）可以得到：U E(2-610于是上式可以表示為： U/f (2-7由式(2-7知，在調(diào)節(jié)電源頻率f 的同時(shí)同比例地調(diào)節(jié)電源電壓U 可保持磁通量基本恒定，達(dá)到了調(diào)節(jié)速度的目的，又不影響電機(jī)的帶載能力。這就是所謂的變頻變壓調(diào)速法：VVVF （V ariable Voltage Variable Frequency）控制法，也稱恒壓頻比（V/F）控制法。當(dāng)電源頻率較低時(shí)，因定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較小，忽略電機(jī)定子線圈上的阻抗壓降（I*r）時(shí)引入了較大的

30、誤差，直接表現(xiàn)就是電機(jī)的帶栽能力下降。實(shí)際應(yīng)用中，為了保持轉(zhuǎn)矩基本恒定，在低頻段，通常需要對(duì)V/F 曲線進(jìn)行補(bǔ)償。所以低頻段也稱恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。當(dāng)電源頻率高于一定頻率時(shí)，電機(jī)繞組相電壓并不能依據(jù)式（2-7）比例增加。主要原因是：相電壓受制于電機(jī)繞組的絕緣強(qiáng)度；相電壓受制于電源的利用率；相電壓受制于系統(tǒng)供電。實(shí)際中的做法是：當(dāng)電源頻率高于一定閾值時(shí)，相電壓保持不變。此區(qū)間相電流基本保持不變，即電機(jī)的輸入功率基本保持不變，所以該區(qū)間也稱恒功率區(qū)。（1）西門子MM420變頻器的組成如圖2-4所示。11 圖2-4 變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖從圖2-4中可以看出，主要組成部分包括一下幾個(gè)方面： 電路單元主電路單元包括整

31、流器和逆變器兩個(gè)主要功率變換單位，電網(wǎng)電壓由輸入端（L1，L2，L3）接入變頻器，經(jīng)整流器整流成直流電壓，然后由逆變器變成電壓和頻率可調(diào)的交流電壓，從輸出端（U ，V ，W ）輸出到三相交流異步電動(dòng)機(jī)。 驅(qū)動(dòng)控制單元驅(qū)動(dòng)控制單元主要作用是產(chǎn)生逆變器開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，受中央處理單元控制 中央處理器中央處理器用來(lái)處理各種外部控制信號(hào)、內(nèi)部檢測(cè)信號(hào)以及用戶對(duì)變頻器的參數(shù)設(shè)定信號(hào)等，然后對(duì)變頻器進(jìn)行控制，是變頻器的控制中心。 保護(hù)與報(bào)警單元主要通過(guò)對(duì)變頻器的電壓、電流、溫度等信號(hào)的檢測(cè)，出現(xiàn)異?；蚬收蠒r(shí)候，該單元將改變或關(guān)斷逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使變頻器停止工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的自我保護(hù)。 參數(shù)設(shè)定與監(jiān)視單

32、元該單元主要由操作面板組成，用于對(duì)變頻器的參數(shù)設(shè)定和監(jiān)視變頻器當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)(2 西門子MM420變頻器的基本原理變頻器可以分為四個(gè)部分，如圖2-5所示。通用變頻器由主電路和控制回路組成。給三相交流異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。主電路包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)（又稱平波回路）、逆變器。 圖2-5 變頻器簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖 整流器它的作用是把工頻電源變換成直流電源。 平波回路（中間直流環(huán)節(jié)）由于逆變器的負(fù)載為三相交流異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載。無(wú)論三相交流異步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)，起始功率因數(shù)總不會(huì)等于1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和三相交流異步電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無(wú)功功率的交換，這

33、種無(wú)功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件電容器或電感器來(lái)緩沖，所以中間直流環(huán)節(jié)實(shí)際上是中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。 逆變器與整流器的作用相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率。逆變器的結(jié)構(gòu)形式是利用6個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變器電路。通過(guò)有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的導(dǎo)通和斷開，可以得到任意頻率的三相交流輸出波形。 控制回路控制回路常由運(yùn)算電路，檢測(cè)電路，控制信號(hào)的輸入、輸出電路，驅(qū)動(dòng)電路和制動(dòng)電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開關(guān)控制，對(duì)整流器的電壓控制，以及完成各種保護(hù)功能?？刂品绞接心M控制或數(shù)字控制。（3）西門子MM420變頻器的開關(guān)器件該變頻器里開關(guān)器件主要為IGBT （絕緣柵雙

34、極晶體管），是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型復(fù)合型器件，它集MOSFET 和GTR 的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、通態(tài)壓降低、阻斷電壓高、承受電流大以及驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。（4） 西門子MM420變頻器的控制方式該變頻器的控制方式為U/F控制，U/F控制上面已經(jīng)有所介紹，該控制方式的變頻器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本較低，機(jī)械特性硬度較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速的要求。但是這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子阻抗壓降的影響較為明顯，使最大輸出轉(zhuǎn)矩減小，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。2.2. 系統(tǒng)功能分析本次設(shè)計(jì)就是基于PLC 的變頻器調(diào)速系統(tǒng)。將現(xiàn)在應(yīng)用最廣

35、泛的PLC 和變頻器綜合起來(lái)主要功能實(shí)現(xiàn)了變壓變頻調(diào)速。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，加減速以及快速制動(dòng)等。因此，該系統(tǒng)必須具備以下三個(gè)主體部分：控制運(yùn)算部分、執(zhí)行和反饋部分。控制運(yùn)算主要由PLC 和變頻器來(lái)完成；執(zhí)行元件為變頻器和電機(jī)；反饋部分主要為速度反饋。2.3. 設(shè)計(jì)方案的確定開環(huán)控制是最簡(jiǎn)單的一種控制方式，它所具有的特點(diǎn)是，控制量與被控制量之間只有前向通路而沒有反向通路。這種控制方式的特點(diǎn)是控制作用的傳遞具有單向性。由于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，成本低。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門均有采用。因此，本系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用的是西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-200系列小型PLC ，可用于代替繼電

36、器的簡(jiǎn)單控制場(chǎng)合，也可用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于它極強(qiáng)的的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其功能。S7-200的可靠性高，可以用梯形圖語(yǔ)句表功能塊圖三種語(yǔ)言來(lái)編程。它的指令豐富，指令功能強(qiáng)，易于掌握，操作方便，內(nèi)置有高速計(jì)數(shù)器、高速輸出、PID 控制器、RS-485通信/編程接口、PPI 通信協(xié)議、MPI 通信協(xié)議和自由端口模式通信功能，最大可以擴(kuò)展到248點(diǎn)數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O，最多有30多KB 的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。根據(jù)以上所述以及設(shè)計(jì)要求決定選用的具體型號(hào)是CPU224 AC/DC/RLY的S7-200的PLC 。正確選擇通用型變頻器對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行時(shí)至

37、關(guān)重要的，首先要明確使用通用變頻器的目的，按照生產(chǎn)機(jī)械的類型、調(diào)速范圍、速度響應(yīng)和控制精度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等要求，充分了解變頻器所驅(qū)動(dòng)負(fù)載特性，決定采用什么功能的通用變頻器構(gòu)成控制系統(tǒng)，然后決定選用哪種控制方式最合適。所選用的通用變頻器應(yīng)是既滿足生產(chǎn)工藝要求，又要在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上合理。若對(duì)通用變頻器選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用不當(dāng)，往往會(huì)使通用變頻器不能正常的運(yùn)行、達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，甚至引發(fā)設(shè)備故障，造成不必要的損失。另外，為了確保通用變頻器長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行，變頻器的地線的連接也是非常重要的。變頻器在調(diào)速系統(tǒng)中的優(yōu)點(diǎn)：1控制電機(jī)的啟動(dòng)電流；2降低電力線路的電壓波動(dòng)；3啟動(dòng)時(shí)需要的功率更低；4可控的加速功能；5可

38、調(diào)的運(yùn)行速度；6可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限；7受控的停止方式；8節(jié)能；9可逆運(yùn)行控制；10減少機(jī)械傳動(dòng)部件。在本系統(tǒng)中，選用了由西門子生產(chǎn)的通用變頻器MM420。變頻器MM420 具有良好的人機(jī)交互界面，其BOP 控制面板具體如下圖2-6所示。 圖2-6 BOP 控制面板和相關(guān)按鍵的作用在變頻電機(jī)中，電動(dòng)機(jī)類型選擇的原則是，在滿足工作機(jī)械對(duì)于拖動(dòng)系統(tǒng)要求的前提下，所選電動(dòng)機(jī)應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉。因此，在選用電動(dòng)機(jī)種類時(shí)，若機(jī)械工作對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)無(wú)過(guò)高要求，應(yīng)優(yōu)先選用三相交流異步電動(dòng)機(jī)。在三相交流異步電動(dòng)機(jī)中，籠型異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行最可靠，維護(hù)最方便，對(duì)起動(dòng)性能無(wú)過(guò)高要求的調(diào)速系

39、統(tǒng)，應(yīng)優(yōu)先考慮。在電機(jī)工作中起動(dòng)、制動(dòng)比較頻繁，為提高生產(chǎn)率，又要求電動(dòng)機(jī)具有較大的起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以縮短起動(dòng)制動(dòng)時(shí)間，同時(shí)還有一定的調(diào)速要求，所以本設(shè)計(jì)采用籠型異步電動(dòng)機(jī)，其參數(shù)為：型號(hào)：WDJ26；電壓：380V ；接法：三角形接法；轉(zhuǎn)速：1430r/min; 功率：40W 電流：0.2A ；頻率：50HZ ；絕緣等級(jí)：E 。3. 變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)3.1. 變頻調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)控制接線圖如圖3-1所示： 圖3-1 控制外部接線圖由圖3-1可知通過(guò)切斷開關(guān)的通斷來(lái)控制PLC 輸出點(diǎn)Q0.0、Q0.1、Q0.2的不同組合來(lái)控制變頻器的不同的頻率。3.2. 變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)變

40、頻調(diào)速系統(tǒng)PLC 程序見附錄。在 MM420變頻器通過(guò)數(shù)字量的輸入DIN1、DIN2、DIN3不同的組合方式可實(shí)現(xiàn)七種不同的輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)多段速的控制。變頻器的參數(shù)設(shè)置如表3-1所示。表3-1變頻器的參數(shù)設(shè)置一 如果所用的變頻器剛剛出廠的變頻器，則需對(duì)它進(jìn)行快速調(diào)試，試驗(yàn)中用到的變頻器都已經(jīng)完成了快速調(diào)試。表3-2變頻器的參數(shù)設(shè)置二序號(hào) 變頻器參數(shù)出廠值 設(shè)定值 功能說(shuō)明1 P0304 230 380 電動(dòng)機(jī)的額定電壓( 380V 2 P0305 3.25 0.35 電動(dòng)機(jī)的額定電流( 0.35A 3 P0307 0.75 0.06 電動(dòng)機(jī)的額定功率( 60W 4P031050.0050.

41、00 電動(dòng)機(jī)的額定頻率( 50Hz 5 P0311 0 1430 電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速6 P1000 2 1 用操作面板控制頻率的升降 7 P1080 0 0 電動(dòng)機(jī)的最小頻率( 0Hz 8 P1082 50 50.00 電動(dòng)機(jī)的最大頻率( 50Hz 9 P1120 10 10 斜坡上升時(shí)間( 10S 10 P1121 10 10 斜坡下降時(shí)間( 10S 11 P0700 2 2 選擇命令源（由端子排輸入） 12 P0701 1 10 正向點(diǎn)動(dòng) 13 P0702 12 11 反向點(diǎn)動(dòng)14 P1058 5.00 30 正向點(diǎn)動(dòng)頻率（30Hz ） 15 P1059 5.00 20 反向點(diǎn)動(dòng)頻率（20H

42、z ） 16 P1060 10.00 10 點(diǎn)動(dòng)斜坡上升時(shí)間（10S ） 17 P1061 10.00 5 點(diǎn)動(dòng)斜坡下降時(shí)間（5S ）注: （1）設(shè)置參數(shù)前先將變頻器參數(shù)復(fù)位為工廠的缺省設(shè)定值（2）設(shè)定P0003=2 允許訪問擴(kuò)展參數(shù)（3）設(shè)定電機(jī)參數(shù)時(shí)先設(shè)定P0010=1(快速調(diào)試, 電機(jī)參數(shù)設(shè)置完成設(shè)定P0010=0(準(zhǔn)備為了快速修改參數(shù)的數(shù)值，可以單獨(dú)修改顯示出的每個(gè)數(shù)字，操作步驟如下： 按（功能鍵），最右邊的一個(gè)數(shù)字閃爍。 按，修改這位數(shù)字的數(shù)值。 再按（功能鍵），相鄰的下一位數(shù)字閃爍。 執(zhí)行2至4步，直到顯示出所要求的數(shù)值。 按，退出參數(shù)數(shù)值的訪問級(jí)。4. 變頻器調(diào)試系統(tǒng)安裝與調(diào)試4

43、.1. 變頻器的安裝、布線及抗干擾（1）設(shè)置場(chǎng)所安裝變頻器的場(chǎng)所應(yīng)具備以下的條件： 無(wú)易燃、易爆、腐蝕性氣體和液體，粉塵少。 結(jié)構(gòu)房或電氣室應(yīng)濕氣少、無(wú)水浸。 應(yīng)具備通風(fēng)口或換氣裝置，以排出變頻器產(chǎn)生的熱量 應(yīng)與高次諧波和無(wú)線電干擾影響的裝置隔離 （2）使用環(huán)境 環(huán)境溫度。一般為040攝氏度或-1050攝氏度，注意通風(fēng) 環(huán)境濕度。周圍濕度應(yīng)為90%以下 振動(dòng)。安裝場(chǎng)所的振動(dòng)加速度應(yīng)限制在0.6g 以內(nèi)。 （3）安裝方式 應(yīng)該垂直安裝，不可倒置或平放安裝。 變頻器的安裝底板與背面須為耐溫材料。 安裝在柜內(nèi)時(shí)，一定要注意通風(fēng)散熱。（1）主電路的布線要注意的是變頻器的輸入端和輸出端不允許接錯(cuò)，如圖4

44、-1所示。 圖4-1 接線圖（2）控制電路布線要盡量遠(yuǎn)離主電路，至少在100mm 以上；盡量不和主電路交叉，如果交叉，應(yīng)采取垂直交叉的方式。（3）變頻器接地 應(yīng)將接地端子與大地相接。 變頻器和其他設(shè)備或多臺(tái)設(shè)備一起接地時(shí)，每臺(tái)設(shè)備應(yīng)分別與大地相接。 盡可能縮短接地線，接地電阻應(yīng)小于或等于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。（1）變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立，或在變頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器，切斷諧波電流（2）在變頻器輸入側(cè)與輸出側(cè)串接合適的電抗器或安裝諧波濾波器。 （3）電動(dòng)機(jī)與變頻器之間電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并與其他弱電信號(hào)在不同的電纜溝分別敷設(shè)，避免輻射干擾。（4）信號(hào)線采用屏蔽線（5）變頻器使用專用接地線，且用粗地線，鄰近其他電器設(shè)備的地線必須與變頻器配線分開，使用短線。4.2. 變頻器的保護(hù)功能及故障處理（1）過(guò)電流保護(hù)和失速防止功能主要指