基于PLC的三相异步电机变频调速系统的设计毕业论文(25页).doc

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1、-基于PLC的三相异步电机变频调速系统的设计毕业论文-第 19 页高等教育自学考试本科毕业论文基于PLC的三相异步电机变频调速系统的设计考生姓名：彭中建 准考证号： 011811306047 专业层次： 本 科 院 （系）：机械与动力工程学院 指导教师：唐晓庆 职 称： 讲师 重庆科技学院二O一三年 七月 十五 日高等教育自学考试本科毕业论文基于PLC的三相异步电机变频调速系统的设计考生姓名： 彭中建 准考证号： 011811306047 专业层次： 本 科 指导教师： 唐晓庆 院 （系）： 机械与动力工程学院 重庆科技学院二O一三年七 月 十五 日摘 要随着科技的进步，电机的运用已经深入到各

2、行各业的各个领域。而现今也是一个资源高度消耗造成能源匮乏的时代，在这个时候考虑如何让其在高可靠性的同时又有效的节约能源耗费提高自身的效率，这不仅可以使企业的生产成本降低，而且对于社会的可持续发展有着重要的意义。本文所讨论的是利用PLC控制的三相异步电机变频调速的基本原理与实现方法。三相异步电机一般的调速方法有：降压调速，转子回路串电阻调速，变极调速，串极调速，变频调速等。但是这些调速方法都有着各自的缺点，降压调速的调速范围很小，没有多大的实用价值；转子回路串电阻调速不利于空载或轻载调速，效率低，经济性差；变极调速调速的平滑性差；串极调速的控制设备复杂，成本高，控制困难。所以调速性能至少需从两方

3、面考虑。第一，应从节能和提高效率的角度考虑，应将损耗在转子附加电阻上的能量吸收，转化成别的有用的能量或反馈到电网，以提高传动系统的效率。第二，应从高性能调速要求考虑，应用控制理论，将其组成闭环调速控制系统，满足调速精度、动态响应等各项指标的要求。综上所述，利用PLC控制的变频调速系统，是使三相异步电动机实现高性能高效率调速的有效办法。通过改变定子绕组的供电频率f来实现，当转差率s一定时，电动机的转速n基本上正比于f。很明显，只要有输出频率可以平滑调节的变频电源，就能平滑的调节异步电动机的转速。关键词：变频调速，PLC，异步电机The three-phase asynchronous motor

4、 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,using clean and econ

5、omical .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 solar beam,it must t

6、rack 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 suns rays has a deviation, small gear are rotated by stepp

7、er 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 large gear and the solar

8、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. Photoelectric detection system

9、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 circuit is sent to MCU in or

10、der to rotate stepping motors.Keywords: Frequency control, PLC, asynchronous motor目 录中文摘要I英文摘要II1 绪 论11.1本课题的背景及意义11.2异步电机变频调速的发展概况11.2.1电力电子技术的发展21.2.2变频调速控制理论的发展22 PLC的运用和发展42.1PLC的历史和发展42.2 PLC的特点与应用42.2 PLC的工作原理53 三相异步电机及其数学模型63.1三相异步电机概述63.1.1基本工作原理63.1.2基本结构63.1.3旋转磁场83.2三相异步电机转矩特性与机械特性93.2.1电

11、磁转矩（简称转矩）93.2.2机械特性曲线103.3异步电机原始数学模型114 变频器及变频调速原理134.1变频器134.1.1变频器的功能134.1.2变频器的原理144.2变频调速原理154.3 V/F控制原理165 变频调速系统总体设计175.1变频调速系统硬件设计175.2变频调速系统软件设计186 结 论21致 谢22参考文献231 绪 论1.1 本课题的背景及意义随着电力电子技术的发展，以及各种新型控制器件和先进控制方法在电机调速系统中的应用，三相异步电机控制精度得到极大提高。为了满足高性能和节能环保的要求，三相异步电机以其特有的调速优点，正逐步取代直流调速。电机的调速被广泛的运

12、用到我们的生产、生活的各个领域中。例如：生活用品、工业生产、汽车、飞机、船舶、机床、制冷等等，所以他的运用范围极其的广泛。近年来，我国的冰柜年销量达3000多万台，每台都需要电机调速控制，可见电机调速应用的市场非常的巨大。电机分为直流电机和交流电机两大类。直流电机由于其便于控制和控制精度比较高的特点，在很长一段时间内被广泛应用，被人们认为难以被其他电机所取代。但随着电力电子技术的发展，各种新型控制器件和先进控制方法在电机调速系统中的应用，是交流电机的控制精度得到极大的提高。此外由于交流电机具有成本低廉、结构简单、高可靠性、运行方便可靠、环境适应能力强、高速低转矩时运转效率高、低速时有高转矩，以

13、及有宽泛的速度控制范围等优点，过去直流电机占主导地位的调速传动领域已逐渐被交流电机取代。另一方面，随着世界经济的不断发展，科学技术的不断提高，能源和环保问题日趋成为人们争论的主题。充分有效的利用能源已成为紧迫问题。就目前而言，电能是人类运用最多的能源之一，同时也是浪费最多的能源之一，为解决能源问题，必须从电能问题着手。其中最具代表性的就是电机控制。在发达国家有一半以上的电能是用于电机的能量转换，这些电机传动系统中有90%是交流异步电机产生的。而在我国，电机的年耗电量达6000多亿千瓦时，占工业生产的80%以上。并且使用中的还是中小型异步电机，加之设备陈旧，管理、控制技术跟不上，所以造成了很多电

14、能的浪费。因此电机的变频调速越来越受到人们的重视，同时对变频调速驱动系统也提出了高效率、高可靠性、多功能、智能化、小型化、低成本等要求。由此可见，异步电机的变频调速系统的研究具有重要意义。1.2异步电机变频调速的发展概况 现代电力电子、微电子技术和计算机技术的高速发展，以及控制理论的完善，各种工具的日渐成熟，尤其是专用集成电路近年来令人瞩目的发展，促进了交流调速的不断发展。目前交流电机变频调速控制已经成为一门集电机、电力电子、自动化、计算机控制和数字仿真为一体的新兴学科。1.2.1电力电子技术的发展电力电子器件是现代交流调速装置的基础，其发展直接决定和影响交流调速的发展。20世纪50年代出现硅

15、晶闸管SCR；60年代出现门级可关断晶闸管GTO。70年代出现巨型晶体管GTR和功率场效应晶体管MOSFET。80年代相继出现绝缘栅双极型晶体管IGBT和绝缘栅双极型门控晶闸管IGBT。90年代出现智能功率模块IPM。SCR开关器件输出的电压或电流含有大量的谐波，造成电机转矩脉动大，严重影响了调速系统的性能。GTO是高压大电流全控型功率器件，容量大，但关断能耗大。GTR是电流驱动器件，通态压降低，容量没有GTO大，但功耗大，调制频率不高，噪声大。MOSFET是电压型驱动器件，开关频率高，驱动频率小，安全工作区大，但是耐压不高。GBT集GTR和MOSFET的优点于一体，是目前变频调速系统和通用变

16、频器中使用最广泛的主流功率器件之一。IPM是先进的混合集成功率器件，出高速低耗的IGBT和优化的门级驱动及保护电路构成，采用了有电流传感器功能的IGBT，能连续监控功率器件电流，从而实现高效的过电流保护，由于IPM集成了过热保护电路和锁定保护电路，系统可靠性得到进一步提高。1.2.2变频调速控制理论的发展第一阶段V/F控制早期变频系统都是采用开环恒压比（V/F=常数）的控制方式，其优点是控制结构简单、成本较低、缺点是系统性能不高。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，电压利用率低，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差等。因此这种控制方式比较适合应用在风机

17、、水泵调速场合。随后发展的转差频率速度闭环控制系统虽然说基本上解决了异步电机平滑调速的问题，同时也基本上具备了直流电机双闭环控制系统的优点，结构也不算复杂，已经能够满足许多工业应用的要求。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高的要求时，上述系统性能还是不及直流调速系统。原因在于其控制系统规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式推导出的平均值控制，在忽略了过渡过程的前提下做出较强的假设，这就使得设计结果与实际相差很大，系统在稳定性、起动及动态响应方面的性能还不能满足工业系统的需求。第二阶段 矢量控制交流传动理论在70年代获得了突破性的发展。德国西门子公司的F.Blacksnake等提出

18、的“感应电动机磁场定向控制原理”和美国P.C.Dustman和A.A.Clark提出的“感应电机定子电压坐标变换控制”奠定了矢量控制的基础。这种理论的出发点是：考虑到交流电机的非线性、多变量、强耦合的时变系统，通过坐标变换重建电动机模型即可等效为一台直流电动机。气候，随着现代控制理论、微处理技术电力电子技术的不断发展与应用，矢量控制的交流调速系统进入了伺服控制的高精度领域，而且实现了无速度传感器的矢量控制。然而矢量控制在实际系统中存在很多的问题，即转子磁链难以准确观测，系统特性受机变化影响较大，以及在模拟直流电动机控制过程中所用的矢量旋转坐标变换的复杂性，使得实际控制效果难以达到理论分析的结果

19、，虽然传动领域的专家们针对矢量控制上的缺陷做过许多的研究和探讨，但是这方案的引入使得系统复杂化，控制的实时性和可靠性降低。第三阶段 直接转矩控制1985年德国鲁尔大学Pembroke教授首先提出直接转矩控制理论（DTC）。直接转矩控制与矢量控制不同，DTC摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单的通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得的差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制技术是空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节器产生脉宽调制（PWM）信号，直接对逆变器的开关状态进

20、行最佳控制，一获得转矩的高动态性能。直接转矩方法优点在于：直接在定子坐标系上分析交流电动机的数学模型、控制电动机的转矩和磁链，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩的缺点在于：由于直接转矩控制系统是直接进行转矩的控制，避开了旋转坐标变换，控制定子磁链而不是转子磁链，不可避免的产生转矩脉动，降低调速性能，因此只能用于在对调速要求不高的场合。同时，直接转矩系统的控制也较复杂，造价较高。 进几年，直接转矩控制不断得到完善和发展，特别是随着各种智能控制理论的引入，又涌现了许多基于模糊控制、神经网络控制的直接转矩控制系统，控制性能得到进一步

21、的改善和提高。2 PLC的运用和发展2.1PLC的历史和发展世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。20世纪70年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。20世纪70年代中期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术己全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中己获得了广泛的应用。近年来不断开发出许多功能模块

22、，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。2.2 PLC的特点与应用PLC是一种专门为了在工业环境下应用而设计的数字运算操作装置。它采用一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，控制各类型的机械或生产过程。PLC及有关的外围设备都应按照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。PLC是综合继电器接触器控制的优点及计

23、算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。1.可靠性高，抗干扰能力强。2.通用性强，使用方便。3.采用模块化结构，使系统组合灵活方便。4.编程语言简单、易学，便于掌握。5.系统设计周期短。6.对生产工艺改变适应性强。7.安装简单、调试方便、维护工作量小目前，PLC在国内己广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类:(一) 开关量的逻辑控制这是PLC最基本最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控及自动化流水

24、线.(二) 数据处理PLC可以用于对直线运动或圆周运动的位置速度和加速度的控制。(三) 运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/0模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。 (四) 过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制，PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。(五) 控制网络（通信） 随着计算机控制系统的发展，近年来工厂自动化通信联网发展得很快，各个著名的PLC生产厂商推出了自己网络系

25、统。2.2 PLC的工作原理 PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的。它是一种存储程序的控制器，用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序键入到PLC的用户程序存储器中寄存。PLC扫描工作方式主要分三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。（一）输入采样 PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样。PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输入端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。（二）程序执行

26、PLC完成了采样工作后，按顺序从0000号地址开始的程序进行扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。（三）输出刷新 在执行到END的命令时，即执行完用户所有的程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。3 三相异步电机及其数学模型3.1三相异步电机概述3.1.1基本工作原理如图3-1所示是两级三相异步电动机的转动原理示意图。其中N-S是一对磁极，在两个磁极中间装有一个能够转动的圆柱形铁芯，在铁芯的

27、外圆槽内嵌放有封闭的导条。设磁场一同步转速n1顺时针方向旋转，于是转子导条与磁场之间产生相对运动，即相当于磁场不动，而转子导条以逆时针方向切割磁力线，此时在导条中产生如图3-1所示方向的电动势。由于转子导条的两端由端环联通而形成闭合电路，因而在导条中产生了感应电流，其方向与导条中的感应电动势方向一致。载流的转子导条在磁场中受到电磁力F的作用而形成电磁转矩T，在此转矩的作用下，转子就沿旋转的磁场的方向转动起来了。图3-1三相异步电机转动原理图用n表示转子的转速，用 n1 表示磁场的转速（又称同步转速），则n总小于n1。否则，由于两者之间没有相对运动，就不会产生感应电动势及感应电流，电磁转矩也无法

28、形成，这就是异步电动机名称的由来。通常，把同步转速n1 与转子转速n的差与n1 的比值称为异步电动机的转差率，用s表示，即3.1.2基本结构（一）定子铁芯图3-2三相异步电机结构图 定子铁芯是异步电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁芯的涡流损耗和磁滞损耗，定子铁芯由导磁性能较好、0.5mm厚的硅钢片叠压而成，在硅钢片的两面涂有绝缘漆。定子铁芯内表面开有槽，槽内放置定子绕组（也叫电枢绕组）。表3-1 三相异步电机定子的组成定子定子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ。定子绕组三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入

29、定子铁心槽内的相同的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。机座机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组（二）定子绕组定子绕组用来通入交流电产生旋转磁场，有绝缘的铜线或铝线绕成，嵌放在定子铁芯的槽内，放入半开口槽内的成型线圈有高强度的漆包扁铝线或扁铜线，或用玻璃丝包扁铜线绕成。开口槽亦放入成型线圈，其绝缘通常用云母带。 （三）转子铁芯是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。表3-2 三相异步电机转子的组成转子转子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。转

30、子绕组转子绕组有两种形式： 鼠笼式 - 鼠笼式异步电动机。 绕线式 - 绕线式异步电动机。转轴转轴上加机械负载（四）转子绕组异步电动机的转子绕组分为绕线形与笼形两种，由此分为绕线转子异步电动机与笼形异步电动机。（五）其他部分其他部分包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支撑转子轴。3.1.3旋转磁场（一）产生图3-3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称排列。并接成星形与三相电源U、V、W相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图3-3)。 图 3-3三相异步电动机定子接

31、线图图 3-4 旋转磁场的形成当t=00时，AX绕组中无电流；为负，BY绕组中的电流从Y流入B1流出；为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出； 当 t=1200时，BY绕组中无电流；为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；当t=2400时，CZ绕组中无电流；为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出；由此可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。（二）旋转磁场的方向旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决

32、定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。3.2三相异步电机转矩特性与机械特性3.2.1电磁转矩（简称转矩）异步电动机的转矩T是由旋转磁场的每极磁通F与转子电流I2相互作用而产生的。电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。经理论证明，它们的关系是：其中：T为电磁转矩；KT为与电机结构有关的常数；F为旋转磁场每个极的磁通量 ；I2为转子绕组电流的有效值；j2为转子电流滞后于转子电势的相位角。若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，则：（a） (b)由上式可知，转矩T还与定子每相电压U1

33、的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。图 3-5 三相异步电动机的机械特性曲线3.2.2机械特性曲线在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，电动机的转矩T与转差率n之间的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线，如图3-5所示。在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩：（一）额定转矩 额定转矩TN是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。式中P2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n的单位是转/分，TN的单位是牛米。当忽略电动机本身机械摩擦转矩T0时，阻转矩近似为负载转矩TL，电动机作等速旋转时，电

34、磁转矩T必与阻转矩TL相等，即T= TL。额定负载时，则有TN= TL。（二）最大转矩Tm Tm又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。最大转矩的转差率为Sm，此时的Sm叫做临界转差率，见图3-6（a），最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为电动机的过载系数l，即l= Tm/ TN（一般三相异步的过载系数在1.82.2之间。）在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就是重选电动机。3.3异步电机原始数学模型异步电机原始数学模型可由一下四组方程表示：（一）电压方程 三相定子绕组的

35、电压方程：三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程：将以上电压方程写成矩阵式，并已微分算子p代替微分符号d/dt：（二）磁链方程由于每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，六个绕组的磁链可以表示为：（三）矩阵方程根据电机能量转换原理，异步电机电磁转矩表达式为：（四）运动方程对于恒转矩负载，机电系统的运动方程为：式中：，电磁转矩，负载转矩；转动惯量；电动机极对数。由以上方程可知，异步电机的非线性强耦合主要表现在磁链方程和转矩方程中，既存在定子和转子之间的耦合，也存在三相绕组间的交叉耦合。三相绕组在空间按120度分布，必然引起三相绕组间的耦合。由于定子和转子间的相对运动，导致其夹

36、角不断变化，使互感矩阵为非线性。因此，异步电机三相原始数学模型相当复杂，不易求解。为了使三相异步电机具有可控性、客观性，必须对其进行简化，使其成为一个线性、解耦的系统。从对直流电机的分析中发现，如果将交流电机的物理模型等效的变换成类似的直流电机的模型，就可以大大简化分析和控制问题。4 变频器及变频调速原理4.1变频器平时我们提到的变频调速起主要功能就是提供电动机原动力（电能）的设备，即变频器。提到变频调速技术就不得不说变频器，其是变频调速过程中不可或缺的核心器件。4.1.1变频器的功能变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合，由于它能提供精确的速度控制，因此可以方便地控制机械传动的上升、下降和变

37、速运行。变频应用不仅可以大大地提高工艺的高效性，而且可以比原来的定速运行电机更加节能。1.控制电机的启动电流。 当电机通过工频直接启动时，它将会产生7到8倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动。一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应增加。2. 启动时需要的功率更低。 电机功率与电流和电压的乘积成正比, 那么通过工频直接启动的电机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的

38、功率。在一些工况下其配电系统已经达到了最高极限，其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同网上的其他用户产生严重的影响, 从而将受到电网运行商的警告, 甚至罚款。如果采用变频器进行电机起停, 就不会产生类似的问题。 3.可调的运行速度。 运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过远控PLC或其他控制器来实现速度变化。4.受控的停止方式。 如同可控的加速一样, 在变频调速中, 停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择(减速停车、自由停车、减速停车直流制动)，同样它能减少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也会相应增加。5.节能 离心风机或水泵采用变频器后都能

39、大幅度地降低能耗，这在十几年的工程经验中已经得到体现。由于最终的能耗是与电机的转速成立方比，所以采用变频后投资回报就更快。6. 减少机械传动部件 由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出, 从而节省齿轮箱等机械传动部件, 最终构成直接变频传动系统。从而就能降低成本和空间, 提高稳定性。4.1.2变频器的原理图4-1 SPWM交直交变压变频原理图 图4-2 交直交通用变频器系统框图（一）主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流

40、回路滤波是电感。它主要由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 1.整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。 2.平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，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）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。 3.逆变器：同整流器相反，逆变器是将

41、直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。 （二）控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、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”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。 1.运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 2.驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 图4-3交直交变

42、频器主电路3.速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 4.保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。4.2变频调速原理变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用n表示：式中：f三相交流

43、电源频率，一般为50Hz；p磁极对数。当p=1时，N=3000r/min；p=2时，N=1500r/min。可见磁极对数p越多，转速N越慢。转子的实际转速n比磁场的同步转速N要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表示：当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=N，则s=0，即s在01之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（16）%。综合上式可以得出：由式可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。4.3 V/F控制原理由电机学理论

44、，交流异步电机的定子绕组的感应电动势是定子绕组切割旋转磁力线的结果，起有效值计算如下：式中 K与电机结构有关的常数；磁通。而在电源一侧，电源电压的平衡方程式为：该式表示，加在电机绕组端的电源电压，一部分产生感应电动势，另一部分消耗在阻抗（线圈电阻和漏电感）上。其中定子电流分成两部分：少部分用于建立主磁场磁通，大部分用于产生电磁力带动机械负载。当交流异步电机进行变频调速时，例如频率下降，则由定子侧的感应电动势方程可知降低；在电源电压不变的情况下，根据电源电压的平衡方程，定子电流将增加；的增加又使增加，达到一个新的平衡。理论上这种新的平衡对机械特性影响不大。但实际上，由于电机的磁通容量与电机铁芯的

45、大小有关，通常在设计时已达到最大容量。因此当磁通量增加时，将产生磁饱和，造成实际磁通量增加不上去，产生电流波形畸变，消弱电磁力矩，影响机械特性。5 变频调速系统总体设计5.1变频调速系统硬件设计考虑因素：（一）额定电压要满足负载需要。变频器与负载的额定电压相等。（二）额定电流的选择除满足古仔正常工作时通过的电流外还需考虑适当的余量，其作用是为变频器留有适当的过载能力。（三）控制方式需满足负载正常工作特性。变频器应保证工作在正常运行状态，避免过负荷运行保证其高效运行。三相异步电机变频调速系统以可编程序控制器（PLC）作为核心的控制部件，通过PLC的模拟量输出口实现变频器的频率设定；通过PLC输出

46、口对变频器数字输入口的控制，实现体统的正常运行。PLC控制电机变频调速系统由S7-200型PLC、变频器、电机及电机测速系统、上位机触摸屏等构成。使用到的实验设备具体有：S7-200 PLC一台，上位机触摸屏一个，扩展模块一块（EM235型模拟量4输入1输出），程序编程电缆线，模拟量输入开关一套，PLC控制变频调速实验模块一个，400VA自偶变压器一台，可测速三相异步电机系统一套。PLC控制电机变频调速实验系统总图如图5-1所示。图5-1 PLC控制变频调速系统结构图 控制回路接线：PLC输出地址100.01接端子5，对应的地址COM接端子3。控制其启动与停止。PLC输出地址100.02 接端

47、子6，对应的地址COM接端子3。控制其正转与反转。PLC输出地址100.03、100.03、100.05分别接7、8、9，控制其八段频率。图5-2 控制回路接线图5.2变频调速系统软件设计S7-200PLC软件设计方案总体设计原则是：（一）尽可能最大程度地满足数控机床的使用原则目标。（二）保证数控系统能够安全、稳定、和可靠的运行。（三）在满足使用要求的同时能优化系统设计方案，是系统简单、便于使用和后续进行日常维护。（四）在选择硬件时考虑日后对产品更新升级和改进应适当留有一定的余量。系统以S7-200PLC 作为核心控制机器人，人机界面设计采用触摸屏，实现对系统的远程控制。触摸屏的使用，避免使用大量的硬件设施降低了成本和由此而带来的故障隐患。在本变频调速系统中，上位机主