交流变压变频调速系统

《交流变压变频调速系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《交流变压变频调速系统（24页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、河北机电职业技术学院毕业设计论文题目 交流变压变频调速系统系别电气工程系专业电气自动化技术班级电气0802学生王奋飞指导教师 谢青海评阅者2011 年目录摘要1绪论21.1plc和变频器控制交流电机的调速的发展与现状31.2plc和变频器控制交流调速的目的42PROFIBUS的通讯原理53频器与可编程控制器63.1变频器控制原理介绍73.2交流电机的运行理论83.3可编程控制器93.4变频器104系统的设计114.1系统设计的原理和方法124.2step软件介绍134.3plc程序设计144.4PI网络设置155结论16摘要随着电力电技术、自动控制技术的迅速发展，交流调速取代直流调速 和计算机

2、数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流 变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环 境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制 动性能，高效率、高功率因数和节间效果广泛的适用范围及其它许 多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。本文所研究的交 流电机调速系统采用PLC来控制变频器调速，充分发挥可编程控制 器的高可靠性、灵活性、通用性、扩展性等优点，通过PLC的开关 量输入输出模块控制变频器的多功能输入端、实现电机的多级调速， 期间并通过RS485传输技术建立PLC与变频器的PROFIBUSP-DP 通讯进而完成PLC控制变频器调速系统的方案

3、设计和全部的控制系 统设计。子技术、计算机关键字：变频器可控编程控制器PROFIBUSP-DP通讯绪论1.1plc和变频器控制交流电机的调速的发展与现状自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)取代传统继电器控制装置以来，PLC得到 了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断 完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发 展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量 处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动 控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

4、PLC具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、 可靠性高、搞干扰能力强等到一系列优点，在工业生产过程自动控制 领域得到了广泛应用。所以，掌握PLC技术是改造传统生产工艺和设备的重要途径。同时，在工业生产的各个过程中，运动始终是必需的，运动的动力 来源多数是电机，因此电机的调速也成为我们的重点研究对象，在 PLC广泛应用的今天，自然会想到PLC在电机调速作用，本文结合 变频调速系统，提出了一种基于PLC的模糊控制策略实现方法。首 先对基于PLC模糊控制的变频调速系统进行总体设计，然后重点进 行工控机与PLC以及PLC与变频器之间的通信程序设计。接着论述 了模糊控制器的原理和结构，并

5、研究和设计了一种电机转速模糊控制 器。对基于SIEMENS PLC模糊控制策略进行了工程实现研究，并 给出了关键部分的程序。本文所研究的桥式起重机变频调速控制系 统，可以实现起重机电机速度的调节，满足节约能源和适应生产的需 要。本系统采用PLC模糊控制既保留了 PLC的可靠、灵活、适应能 力强等特点，又提高了控制系统的智能化程度和系统的静动态特性。 仿真结果表明，该系统能对电机转速实现精确控制，实用性强，具有一定的推广价值。4.1变压变频调速简介由知，当极对数p不变时，同步转速和电源频率成正比。连续地 改变供电电源频率，就可以平滑地调节电动机的转速。这样的调速方 法叫变频调速。变频调速具有很好

6、的调速性能，在交流调速方式中具 有重要意义，应用越来越广泛。4.1.1变频调速的基本控制方式在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每 极磁通量Fm为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的 铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致 过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿， Fm保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通Fm由定 子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。定子每相电动势：（4-1）式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V； 一定子平率

7、，单位为Hz； Ns定子每相绕组串联匝数；一基波绕组系数；一每极气隙磁通量，单位为Wb。由式（4-1）可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通Fm的 目的，对此需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况：(1) 基频以下调速由式(4-1)可知，要保持Fm不变，当频率fl从额定值f1N向下 调节时，必须同时降低 Eg ， 使： (4-2)即采用恒值电动势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时， 可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压Us Eg, 则得：(4-3)这是恒压频比的控制方式。但是，在低频时Us和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量就

8、比较 显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压Us抬高一些，以便 近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的b线无补偿的控 制特性则为a线。图4-1恒压频比控制特性(2) 基频以上调速在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电Us却不可 能超过额定电压UsN,最多只能保持Us = UsN ,这将迫使磁通与频 率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。图4-2异步电机变压变频调速的控制特性如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在 允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。按照电力

9、拖动原理， 在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质；而 在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。4.1.2异步电动机电压-频率协调控制的机械特性异步电动机的机械特性在不同的条件下有不同的特性曲线，本小节主 要从三个方面介绍异步电动机的机械特性。（1）恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性在电机学中已经知道异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性 方程式：Te= f （s）。当定子电压Us和电源角频率w1恒定时，可以 改写成如下形式：（4-4）当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则：（4-5）也就是说当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te = f（s

10、） 是一段直线，见图4-3。当s接近于1时，可忽略式（4-4）分母中的Rr，则：（4-6）即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te = f（s）是对称于 原点的一段双曲线。当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。Ri Lil L12异步电动机穗态等效电路和感应电动势图4-3恒压恒频时异步电机的机械特性（2）基频以下电压-频率协调控制时代机械特性由式（4-4）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩Te和转速n （或转差率s）的要求，电压Us和频率w1可以有多种配合，即在 Us和w1的不同配合下也有多种机械特性，因此有不同方式的电压 -频率协调控制。（a）恒压

11、频比控制（Us /w1 ）在第4-1-1小节中已经指出，为了近似地保持气隙磁通不变，以便充 分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压 频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。（4-7）带负载时的转速降落为：（4-8）在式（4-5 ）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出：(4-9) 由此可见：当Us /w1为恒值时，对于同一转矩Te, sw1是基本不 变的，因而Dn也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改 变频率w1时，机械特性基本上是平行下移，如图4-4所示。它们和 直流他励电机变压调速时的情况基本相似，所不同的是，当转矩增大 到最大值以后，转速再降低，特性就折回

12、来了。（4-10）由上式可以看出：频率越低时最大转矩值越小，最大转矩Temax是 随着的w1降低而减小的。频率很低时，Temax太小将限制电机的带 载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能 力，见图4-4。图4-4恒压频比控制时变频调速的机械特性（b）恒Eg /w1控制下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下：Eg 一气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势；Es 一定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势；Er 一转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）如果在电压-频率协调控制中，恰当地提高电压Us的数值，使它在 克服定子阻抗压降以后

13、，能维持Eg /w1为恒值（基频以下），则由 式（4-1）可知，无论频率高低，每极磁通Fm均为常值。图4-5异步电动机的稳态等效电路和感应电动势图4-5异步电动机稳态等效电路和感应电动势由等效电路可以看出：（4-11）代入电磁转矩关系式，得：（4-12）利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（4-12）分母中含s项，则：（4-13）这表明机械特性的这一段近似为一条直线。当s接近于1时，可忽略式（4-12 ）分母中的Rr2项，则：（4-14）S值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过 渡，整条特性与恒压频比特性相似。但是，对比式（4-4）和式（4-12） 可以看出，恒Eg

14、/w1特性分母中含s项的参数要小于恒Us /w1特 性中的同类项，也就是说s值要更大一些才能使该项占有显著的份 量，从而不能被忽略，因此恒Eg /w1特性的线性段范围更宽。将式（4-12）对s求导，并令dTe / ds = 0,可得恒Eg /w1控制特 性在最大转矩时的转差率 ：（4-15）和最大转矩：（4-16）值得注意的是，在式（4-16）中，当Eg /w1为恒值时，Temax恒 定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒Us /w1控制的性能。这 正是恒Eg /w1控制中补偿定子压降所追求的目标。J2本图4-6恒Eg /w1控制时变频调速的机械特性(c) 恒Er /w1控制如果把电压-频率协调

15、控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的 压降也抵消掉得到恒Er /w1控制，则机械特性会怎样呢？由此可写 出(4-17)代入电磁转矩基本关系式，得:(4-18)现在，不必再作任何近似就可知道这时的机械特性完全是一条直线， 见图4-7。HI L3-*L2L1接械器 铺入电抗器 裾此夥 理翅器电动机图4-7不同电压-频率协调控制方式时的机械特性显然，恒Er /w1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的 线性机械特性，这正是高性能交流变频调速所要求的性能。综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压-频率协调控制可 得不同类型的机械特性：恒压频比(Us /w1 = Constant)控制最容

16、易实现，它的变频机械特 性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低 速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。恒Eg /w1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在 稳态时达到Frm = Constant,从而改善了低速性能。但机械特性还 是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。恒Er /w1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照 转子全磁通Frm恒定进行控制，即得：Er /w1 = Constant，而且 在动态中也尽可能保持Frm恒定是矢量控制系统的目标，当然实现 起来是比较复杂的。(3) 基频以上恒压变频时的机械特性在基频以上变频调速时，由于定子

17、电压Us= UsN不变，式(4-4)的机械特性方程式可写成：(4-20)而式(4-10 )的最大转矩表达式可改写成：(4-21)同步转速的表达式仍和式(4-7)一样。由此可见：当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图所示。*fL1 接触器 铺人电抗器 褐波繇 嗖照器电劫问图4-8基频以上恒压变频调速的机械特性由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小；但 转速升高了，可以认为输出功率基本不变，所以基频以上变频调速属 于弱磁恒功率调速。以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况，如果电压源 含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中

18、的损耗，因此在设 计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。4.2电力电子变压变频器如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电 压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称 VVVF ( Variable Voltage Variable Frequency)装置。最早的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发 电机，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。 自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组已经无例外地让 位给静止式的变压变频器了。4.2.1交-交变频器交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只

19、有一个变换环节，把 恒压恒频(CVCF)的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直 接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器(Cycloconveter)。图4-9交-交(直接)变压变频器 常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管 可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直 流可逆调速系统的反并联可逆线路。图4-10交-交变压变频器每一相的可逆线路近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频 器，类似于PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较 小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当 输出电压必须

20、为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.866。4.2.2变压变频调速系统中的脉宽调制技术(1)PWM调制原理以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰 三角波作为载波(Carrier wave),并用频率和期望波相同的正弦波 作为调制波(Modulation wave)，当调制波与载波相交时，由它们 的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半 个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。ZXYLi立*EXTLEDRI2I IDILAYFBGNUCL图4-11 PWM调制原理按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波 面积相等，因而这个

21、序列的矩形波与期望的正弦波等效，这种调制方 法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简 称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。（2）SPWM控制方式如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范 围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单 极性控制方式。如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化， 则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。a）单极性PWM控制方式方双极性PWM控制方式（3 ） PWM调制方法载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比N,即N = fc / fr。

22、根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分 为异步调制和同步调制。a）异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持fc 固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的；在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定， 正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。 当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不 利影响都较小;当fr增高时，N减小，-周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。b）同步调制同步调制一一N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。 为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；三相电路

23、中公 用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。c）分段同步调制把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N 不同。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低 的频段采用较高N，使载波频率不致过低。图4-12分段同步调制方式d）混合调制可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。（4）PWM逆变器主电路及输出波形图4-13三相桥式PWM逆变器主电路原理图图4-14三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形图4-14为三相PWM波形，其中：、为U，V，W三相的正 弦调制波，uc为双极性三角

24、载波；、 为U，V，W三相输出 与电源中性点N之间的相电压矩形波形；为输出线电压矩形波形， 其脉冲幅值为+Ud和-Ud ；为三相输出与电机中点N之间相电压。 4.3基于安川变频器的交流调速控制系统随着节能的普及和工业自动化的推广，变频器的使用越来越多，每年 在中国有上百亿的销售额。安川变频器是世界知名的变频器之一，由 安川电机株式会社生产，在世界各地占有率比较高。安川变频器全称为安川交流变频调速器”，主要用于三相异步交流 电机，用于控制和调节电机速度。现在安川电机公司在中国上海市有 设有生产厂，专门生产：CIMR-G/CIMR-F/ CIMR-E/CIMR-L等系 列的变频器。4.3.1 CI

25、MR-E7 简介本设计采用安川CIMR-E7B4037型号的变频器，其适合的用途有： 风扇、鼓风机及泵的用途，传送带、挤出机及金属加工机械等。 Varispeed E7系列变频器分为200V级和400V级2种电压等级， 适用电机容量为0.4 300kW（41种机型）。对于CIMR-E7B4037号变频器具体参数：电压等级：400V最大适用电机容量：37KW输出容量：57KW4.3.2变频器的配合使用对于此交直流混合传动的复卷机电控系统，其交流控制原理图（即图 2-5）的参数设定如下表所示：表4-1变频器参数设定（1） b1-03 （停止方法选择）设定指令停止时的停止方法：0:减速停止，1：自由

26、运行停止，2：直流制动停止（不进行再生动作，比自由运行停止更快）,3 :带定时的自由运行停止（忽视减速时间内的运行指令输入） 设定范围：03（2）b1-04 （反转禁止选择）0 :可反转1：禁止反转2：输出相旋转（两个方向都可旋转）3:禁止反转的输出相旋转设定范围：03如果设定了禁止电机反转，即使输入反转运行指令，该指令也不会被 接受，故多用于不宜反转的电机（例如，风扇、泵等）。通过将b1-04 的设定改变为2或3，也可以改变输出相的顺序。这比电机旋转方向 错误时改变接配线要简单快捷的多。（3）b1-12 （手动频率指令的选择）设定手动运行频率指令的选择。当b1-13 = 1时，从自动切换到手

27、动 模式时，如果手动指令沿用自动指令，则选择该参数。0:数字式操作器1：控制回路端子（模拟量输入）设定范围：0，1（4）b2-01（直流制动开始频率）停止减速时，以Hz为单位设定开始直流制动时的频率； b2-01E1-09时，从E1-09开始直流制动。设定范围：0.0010.0（5）C1-01（加速时间1）:以秒为单位设定最高输出频率从0%到 100%的加速时间。C1-02 （减速时间1）:以秒为单位设定最高输出频率从100% 到0%的减速时间。设定范围皆为：0.06000.0他们的主要用途是：用来调整加减速时的转矩。（6）C1-09 （紧急停止时间）：指多功能输入“紧急停止”为ON时 的减速

28、时间。作为检测出故障时的停止方法，也可在选择“紧急停止”时使用。设定范围:0.06000.0（7）D1-17（点动频率指令）多功能输入点动频率指令选择”、“FJOG指令”或“RJOG指令 ON时设定的频率指令。设定范围：0Fmax（8）E1-03（V/f 曲线选择）0D:从15种预设V/f曲线中选择。F :用户自定义V/f曲线（可设 定 E1-04E1-10）。设定范围：0F（9 ） E2-01 （电机额定电流）以A为单位设定电机额定电流。该设定值为电机保护、转矩限制、 转矩控制的基准值。自学习时自动设定。设定范围：随kVA而定（10 ） H1-04 （端子S6的功能选择）：多功能数字输入4H

29、1-05 （端子S7的功能选择）：多功能数字输入5 设定范围皆为：082（11）H4-01 （多功能模拟量输出1端子FM监视选择）：设定需从 端子171输出（U1- ）的监视项目的编号。设定范围：138H4-02 （多功能模拟量输出1端子FM输出增益）：设定多功 能模拟量输出1的电压增益，设定监视项目的100%的输出量10V 的几倍，但从端子输出的电压最高为10V。设定范围：01000.0%H4-03 （多功能模拟量输出1端子FM偏置）：设定多功能模 拟量输出1的电压偏置。以10V作为100%，以为单位设定使输 出特性呈上下平行移动的量，但从端子输出的电压最高为10V。设定范围：-110 +

30、110%（12）T1-02 （电机输出功率）：以kW为单位设定电机的额定输出 功率。设定范围：0.00650.00（13）T1-04 （电机额定电流）：根据电机的铭牌值，以A为单位设 定电机的额定电流。设定范围：0.326.40小结:在以上理论和参数设定的基础上应用恒压频比交流调速原理，借助安川变频器CIMR-E7B4037便可设计出交流传动控制原理图（见附录图2 ）。5总结5.1控制系统的组成与功能5.1.1系统的概貌对于此交流和直流混合控制的复卷机电控系统，其系统控制原理图见 附录。5.1.2 系统的组成（1）传动系统回路由原理图可知：传动系统主回路包括：三相进线、主断路器、主接触 器、进线电抗器等。传动系统采用直流母线制包括：整流单元，使用 恒压频比控制的一台110KW逆变器单元；电机系统：30KW普通三 相笼型直流电机一台，37KW三相交流变频电机一台。（2）控制系统直流控制系统采用欧陆590直流数字调速器来实现；交流控制系统 在此采用安川变频器，型号为CIMR-E7B4037。5.1.3系统各部分功能传动系统：分别带动两根卷取棍和一根放卷棍，进行传动部分的转速 控制、力矩控制，放卷的调速控制。控制系统：直流和交流调速控制系统作为整个设计的核心，主要是对 电机的运转方式和快慢进行控制和调节，同时接受操作人员的控制命