毕业设计（论文）基于虚拟仪器的电机变频实验系统

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1、湖南工程学院毕业论文毕 业 设 计 论 文题 目 基于虚拟仪器的电机变频实验系统 （院）系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 学生姓名 导师姓名 完成日期 2004年6月17日 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 一、 基本任务及要求：设计一个电机变频实验系统，它应由变频电源、PC机、传感器、高速PCI采集卡、扭矩测量装置、电机负载和系统软件等部分组成。能测量电机实验过程中的电压、电流、频率、相位、转矩、转速等物理量,还能进行频谱分析，所有实验数据都生成电子文档，可在计算机屏幕上适时显示也可通过打印机输出实验报告。除了能完成传统的电机实验外，还能完成电机的变频驱动、开环控制和闭环控制

2、（包括U/F控制和矢量控制）等实验。 二、 进度安排及完成时间： （1）第二周至第四周：查阅资料、撰写文献综述和开题报告； （2）第五周至第六周：毕业实习； （3）第六周至第七周：总体方案的确定； （4）第八周至十二周：主电路设计与元器件的选择，软件设计； （5）第十三周至第十四周：装置工艺设计； （6）第十五周至第十六周：装置调试与实验； （7）第十七周至第十九周：撰写设计说明书 （8）第二十周：毕业设计答辩 前言虚拟仪器Virtual Instrument（又称VI）开发是当前自动化仪表领域研究的特点。虚拟仪器主要被用于构建计算机测试分析系统和自动控制系统。它软件取代传统的电子仪器，充分发

3、挥了新一代计算机大容量、高速度的潜能，是CAT、CAE中一个重要的信号采集及分析手段。虚拟仪器是以特定的软件支持取代相应功能的电子线路，充分利用计算机的软硬件资源，用计算机完成传统仪器的部分乃至全部功能，以具备控制、处理分析能力的软件为核心的软仪器。它是传统仪器功能与外形模块化和软件化。在虚拟仪器中，传统电子仪器的绝大部分功能，甚至全部功能都由软件来实现。同时，由于虚拟仪器是以软件为核心的仪器，它不能脱离计算机硬件平台而独立实现其功能。就VI所支持的操作系统而言，包括DOS，WIN9X系列，Macintosh和UNIX。据此，虚拟仪器可以分为基于PC机和工作站两类。其中决大部分VI运行在个人计

4、算机上，操作系统为Windows。借助于软件实现了传统仪器相应功能的虚拟仪器，是计算机化的仪器。也可以认为，VI是硬仪器的虚拟化，软件化和图形化的计算机表达。开发虚拟仪器的目的是为了更快捷方便地进行测试、分析与控制。虚拟仪器是计算机辅助测试分析系统的主体组成部分。一个典型的虚拟仪器CAT系统，一般由以下几个部分组成；计算机，VI软件，数据采集卡，硬件接口，电荷放大器，抗混滤波器，传感器和连线电缆。其中，计算机为虚拟仪器软件运行提供特定环境，在虚拟仪器软件支持下成为过程通信，数据采集与分析的处理中心；信号由传感器拾取，经电荷放大器放大，低通滤波后，由采集卡在软件控制下被采样，再经A/D转换后进入

5、计算机加以保存或处理。从信号在系统中的流向可以看出，在虚拟仪器系统中软件占主导地位。软件支持使计算机具有了信号采集控制、处理与结果输出的能力。系统的核心功能是由其实现的，而硬件则为虚拟仪器的正常运行提供必要的物质基础。目 录前 言摘 要 Abstract第1章 实验系统的整体说明11.1 实验系统的整体框架图11.2 实验系统的主要部分说明31.2.1传感器及其调理电路31.2.2数据采集卡及虚拟仪器平台31.2.3变频器性能介绍41.2.4各主要硬件的选择及设置4第2章 异步电动机变频调速的基本原理92.1 异步电动机调速基本原理92.1.1 V/F控制102.1.2转差频率控制102.1.

6、3矢量控制112.2 变频调速异步电动机的运行特性112.2.1恒电压频率比时的稳态特性112.2.2恒电流的运行性能152.2.3电动机的恒功率和恒转矩运行15第3章 TD3000变频器的介绍163.1 认识变频器163.2 变频器的操作及简单运行173.3 TD3000变频器使用操作流程简介19第4章 虚拟仪器的介绍214.1 Lab VIEW简介214.2 虚拟仪器的基本概念、特点及其构成224.3 虚拟仪器的整体设计244.4 虚拟仪器测量系统的设计254.4.1虚拟仪器的硬件构成254.4.2虚拟仪器的软件体系构成264.5 虚拟仪器软件设计264.5.1数据采集274.5.2虚拟示

7、波器结构与组成274.6 软件设计与实现284.6.1数据采集模块284.6.1.1采集原理与模块简介284.6.1.2数据采集系统的构成314.6.1.3通道的采样方式324.6.2波形显示模块374.6.3频谱分析模块374.6.3.1各VI的介绍374.6.3.2信号的产生384.6.3.3数字信号处理39第5章 实验指导书415.1交流变频调速装置参数设定与运行试验415.2电动机空载时系统正/反转试验445.3变频调速实验系统465.4电机变频驱动机械特性试验475.5电机开环矢量控制变频调速试验495.6电机闭环矢量控制变频调速试验505.7额定频率，额定负载下的电机频谱分析51致

8、 谢53参考文件54附录55摘 要：本文论述了基于虚拟仪器概念的信号采集系统的实现方案。使用自主开发的数据采集卡，最终实现了基于PC平台的，具有频率计和频谱分析仪功能的数字存储示波器系统。由于使用了LabVIEW进行系统的软件开发，使得本系统具有很好的通用性和灵活性。本文主要讨论在信号采集过程中的数据传输、显示和处理的方法以及实现过程中的关键技术。 介绍了基于虚拟仪器对变频调速电机的系统、给出了硬件设计方法、软件模块构成。提出了几种提高测试准确度的方法及其实现措施、它与传统测试方法比较，具有硬件简单、软件应用灵活、测试准确度高等特点。关键词：虚拟仪器；数据采集；变频调速电机；交流采样。Labo

9、ratory system for variable-frequency and variable-speed motor based on virtual instrumentABSTRACT： This dissertation discusses the implementation of a signal acquisition system，based on the concept of VI。With a self-developed data acquisition card connected to PC，a digital storage oscilloscope（DSO）w

10、ith the function of cymometer and spectrum analyzer is developed。The usage of Lab VIEW，the specialized VI softwareplatform，gives the system more flexibility and wider application。This dissertation focuses on key techniques in data transmission，display and processing。 The system which is used to meas

11、ure the electric parameters of variable-frequency and variable-speed motor using virtual instrument is introduced。 The hardware and software are described。The methods of increase measuring accuracy are introduced in detail。Compared with old methods, it has many advantages, such as, flexible applicat

12、ion of software , high accuracy of measuring, simple cuicirt of hardware.Keywords: Virtual Instrument；Data Acquisition；variable-frequency and variable-speed；alternation sampling。第1章实验系统的整体说明1.1 实验系统的整体框架图本实验系统是利用PC计算机显示器（CRT）的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果利用PC计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集

13、、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。下图是本实验系统的前面板图：图1-1此实验系统可以将实验过程中的电压、电流等实验参数显示出来，并且可以通过PC计算机和控制面板上的功能键实现对三相异步电动机的控制。下图是本实验系统的整体框架图：图1-2这个实验系统的整体思路是：利用传感器获得信号，它将被测量参量转换成相应的可用输出信号。来自传感器的输出信号通常是含有噪声的微弱信号或非电压信号，故要经过信号调理。输出信号再经过数据采集卡，转换为数字信号后送入PC计算机，由Labview进行数据处理。电机控制方面由变频电源、速度编码器和Labview共同完成。65湖南工程学院毕业设计论文图1

14、-3上图实验系统的原理图。1.2 实验系统的主要部分说明：1.2.1 传感器及其调理电路只有那些数值大小合适的电压信号可以直接进入虚拟仪器平台外，大多数被测信号要经由传感器及其调理电路才能进入虚拟仪器系统，也可以说虚拟仪器的输入信号大多数来自传感器及其调理电路。（1）传感器。传感器完成信号的获得，它将被测参量转换成相应的可用输出信号。被测参量可以是各种非电气参量，如压力、温度、加速度等，也可以是电气量，如电力输电线互感器将电网大电流变为5A电流后在采用电压、电流传感器或变送器将100V、5A分别转换成5V低电压送到虚拟仪器。（2）信号条理。来自传感器的输出信号通常是含有噪声的微弱信号或者是非电

15、压信号，如电流、电荷、电参量（电阻、电容、电感等）信号，故调理电路的基本作用有三个：a.放大：将微弱小信号放大。b.转换：将非电压输出信号转换为电压信号。c.滤波：滤除高频干扰，限制信号的最高频率fmax，避免产生混淆/叠。1.2.2 数据采集卡及虚拟仪器平台虚拟仪器硬件平台由PC计算机与数据采集卡组成。数据采集卡由以下几部分组成：（1）多路开关。将各路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。（2）放大器。将前一级多路开关切换进入待采集信号放大至采样环节的量程范围内。通常实际系统中放大器做成增益可调的放大器，可根据输入信号的不同的幅值选择不同的增益倍数。（3）采样/保持器。

16、取出待测信号在某一瞬时的值（即实现信号的时间离散化），并在A/D转换过程中保持信号不变。如果被测信号变化很缓慢，也可以不用采样/保持器。（4）A/D转换器。将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展，目前通常将采样/保持器同A/D转换器集成在一块芯片上。以上四个部分都处于PC计算机的前向通道，是组成数据采集卡/板的主要环节与其它有关电路如定时/计数器、总线接口电路等在一块印刷电路板上，即构成数据采集卡，完成对信号数据的采集、放大及模/数转换任务。很多数据采集卡印刷电路板上，还装有数模转换器（D/A）。D/A处于PC计算机的后向通道，即输入通道，用于将计算机输入的数

17、字量转换为模拟量，从而实现控制功能。1.2.3 变频器性能介绍TD3000是高品质、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器。通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。具有电机参数自动调谐、零侍服控制、速度控制和转矩控制在线切换、转速跟踪、内置PLC、内置PID控制器、编码器和给定及反馈信号断线监测切换、掉载保护、故障信号追忆、故障自动重起、内置制动单元、内置PG接口、28种故障监控、丰富的I/O端子和多达十种速度设定方式，能满足各种负荷对传动控制的需求。键盘由LED显示运行数据和故障代码，LCD显示中/英文状态信息和操作说明，并

18、能进行参数的上传拷贝和下传复写功能；功能强大的后台调试监控软件可通过内置的RS485接口组网监控运行；通过TDS-PA01总线适配器接入符合国际标准的PROFIBUS现场总线控制系统。紧凑的结构，可灵活安装；按照国际标准进行设计和测试，保证产品的可靠性；丰富的选配件。1.2.4 各主要硬件的选择及设置传感器的性能参数及要求:传感器的优劣，一般通过若干主要性能指标来表示。除了前面已在一般检测系统中介绍的特性参数如灵敏度、线性度、迟滞、重复性、零点、分辨力、准确度、频率特性、阶跃特性外，还常有值、漂移、过载能力、稳定性、可靠性以及与环境相关的参数、使用条件等。不同的传感器常常根据实际需要来确定其主

19、要指标参数。有些指标可以低些或可不考虑。下面简介阀值、漂移、过载能力、稳定性的定义，可靠性的指标内容以及传感器工作要求。（1）阀值。指能够使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。（2）漂移。指一定时间间隔内传感器输出量存在着有与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。漂移有分时漂和温漂，时漂指在规定条件下零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂指周围温度变化引起的零点或灵敏度漂移。（3）过载能力。指传感器（或测量系统）在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力。一般用允许超过测量上限（或下限）的被测量值与量程的百分比。（4）稳定性

20、。传感器在具体时间内保持其性能的能力。稳定性一般以及室温条件下经过一规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期表示，可用相对误差，也可用绝对误差。（5）可靠性。它可包括以下指标：工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压等。（6）传感器工作要求。各种传感器的变换原理、结构、使用目的、环境条件虽各不相同，但对他们的主要性能要求都是一直的。这些要求是：高精度、低成本；高灵敏度；稳定性能好；工作可靠；抗干扰能力强；动态性能好；结构简单，维修方便。根据上述的传感器性能指标和参数，此实验系统选择的电压传感器和电量传感器分别为：三相电压传感器VBT

21、300-3NND1B4和电量传感器BLYT-NND1D7系列。三相电压传感器的选择理由为：原边额定电压(三相)：300V；副边输出电压：0-5V；原边电压测量范围(三相)：120%。另外还有一些参数在下列表格中：表1-1动态性能参数精度(TA = 25, +24V, RL = 0 )0.5 %线性误差0.2%零点误差(25)60mV电源变动影响0.1%输出负荷影响0.1%电磁干扰影响(400A/m)0.2%温漂160ppm响应时间 90 % of IP max350ms频带405k Hz电量传感器的选择理由为：原边额定电流：10A；副边输出电流：4-20mA；原边电流测量范围：120%。其他参

22、数如下表所示：表1-2动态性能参数精度(TA = 25 ,+24V,RL=0 )1%线性误差0.5%电源变动影响0.2%输出负荷影响(0300 )0.2%温漂 (2570 )(-10+25 )0.1mA0.1mA响应时间 90 % of IP max350ms频带(-1dB)405KHz传感器各项功能参数都符合实验系统的要求，而且结构简单，容易安装。速度编码器：表1-3型号E6A2生产厂家欧姆龙脉冲数10,20,60,100,200,300,360,500电源电压5-12VDC/12-24VDC频率30KHZ电动机:电动机的选择比较简单，没有太多要求。实验系统选择的是额定电压为380V的三相异

23、步电动机。选用的数据采集卡为：ADLINK PCI-9118 系列 PCI 333KS/s高速多功能数据采集卡。 数据采集卡的安装：数据采集卡通常都是插卡式结构，一般采用PC计算机本身的PCI总线或ISA总线，故称它组成的虚拟仪器为PC-DAQ/PCI插卡式虚拟仪器。在使用数据采集卡以前需要进行硬件安装和软件设置。硬件安装就是将DAQ卡插入PC机相应的总线扩展插槽内。需要注意的是确认好插槽和采集卡的接口是相称的，两者能够严密结合。如果没有接触好，可能造成识别不出的情况发生。数据采集卡的参数设置:凌华科技高速多功能数据采集卡特性： 32位PCI总线，即插即用；12位或16位分辨率；最高333KH

24、z A/D 采样频率 ；16个单端或8个差动模拟量输入通道；单极性或双极性输入 ；突发方式扫描；可编程增益选择：X 1、2、4、8（9118 DG/HR），X 1、10、100、1000（9118 HG）；两个12位高速模拟量输出通道；4个数字量I/O通道；三种A/D触发源：软件触发、可编程定时器触发、外部脉冲触发；50-pin SCSI-II 连接器 ；紧凑的半长卡结构。在进行数据采集卡软件驱动前应进行参数设置，LabVIEW提供了Measurement & Automation软件。该软件可以自动检测到与系统相连的设备，并可调用相应设备软件对设备参数进行设置。（1）Measurement

25、& Automation 图标在Windows桌面上，它是安装完LabVIEW后自动产生的。其调用方法是，双击图标。（2）检测方法是，双击浏览窗口下的Deviecs and Interfaces子目录，在右侧会出现硬件列表，表示安装成功。（3）参数设置则是双击硬件列表项，出现对话框。a.System设置项Device1：LabVIEW分配给采集卡的设备号为，如果没有接入其他的I/O设备则为1。Resources：Input/Output Range：PC计算机分配给采集卡的输入/输出地址范围为0x1400x15FInterrupt Request：PC计算机分配给采集卡的中断号为5Direct

26、 Memory Acces：PC计算机分配给采集卡直接访问内存的地址号为3 b.AI设置项Polarity/：极性选择，实指量程，根据输入信号是单极性还是双极性；相应选择适合量程。此系统选择双极性信号，量程为5+5V。Mode：模拟信号的输入方式，有三种方式选择：Nonreference Single Ended 单端无参考地输入Reference Single Ended 单端有参考地输入Differential 差分输入此系统选择单端无参考输入。c.AO设置项 d.Accessory设置项用于设置对应传感器有关的调理模块。PCI采集卡硬件接线端子示意图：图1-4U_CMMD端子：用户定义控

27、制模式；AIn 端子：模拟量输入通道；AIHn 端子：高模拟量输入通道；AILn 端子：低模拟量输入通道；DIn 端子：数字量输入通道；Don 端子：数字量输出通道；DACn 端子：模拟量输出通道；SSHO 端子：SSHO量输出通道。该系统选用的模拟量输入控制模式是：Sigle-ended mode，工作原理图如下：图1-5它采用的端口是AI0AI15，总共16个输入端口。AI0AI15对应的端口数字是2633和29，他们分别与三相电流和三相电压的传感器相连。A相电流传感器与AI0相连接；B相电流传感器与AI1相连接；C相电流传感器与AI2相连接；A相电压传感器与AI3相连接；B相电压传感器与

28、AI4相连接；C相电压传感器与AI5相连接；速度编码器与AI6相连接。七个模拟数字量由D/Achannel1输出，它的输出端口为DA0DA6。D/AOutput地址：BASE+10属性：只写表1-4Bit78543210Base+10DA7DA6DA5DA4DA3DA2DA1DA0Base+11DA11DA10DA9DA8Base+12Base+14第2章异步电动机变频调速的基本原理2.1 异步电动机调速基本原理异步电动机的同步转速n1与极对数P及频率f1之间关系可用下式表示： （1）异步电动机转子转速n2与同步转速n1是有转速差的，速度差与同步转速的比值s称为“转差率”可用下式表示 : （2

29、）改写为： （3）采用变频器进行调速控制时，根据（1）式，改变f1就可以改变同步转速n1，从而即可改变转子转速n2，根据（3）式改变转差率s，即可改变转子转速n2，在改变频率的同时，必须改变电压，所以有时称VVVF控制，即“Variable Voltage Frequency Inverter”的缩写。电动机如何满足变频器控制的要求，在电动机设计上应适当考虑。变频器设计上也应考虑电动机实际可能需增加其功能，做为相互补充，使功能完善。异步电动机适用控制方式:异步电动机调速传动时，需要根据电动机的特性对供电电压、电流及频率进行适当的控制，以达到所需的转速及转矩。控制方式可分为两种，开环控制和闭环控

30、制。图2-12.1.1 V/F控制异步电动机的转速由电源频率和极对数决定。所以改变频率电动机就可以调速运转。但是改变频率后，电动机内部的阻抗也改变，将产生微小励磁引起转矩下降；由于励磁引起的磁饱和等现象，是电动机因素、效率显著下降。为此，在改变频率的同时，始终要保持电动机端电压协调控制，二者的比值为一常数，目的是为保证气隙磁通不变，故V/F控制方式又称恒压频比控制方式。V/F控制时异步电动机的机械特性如图2-2所示：图2-2从图2-2中可以看出，当频率降低时，曲线向纵坐标平移，最大转矩点下降。如在低频时，转矩不够，可以采取电压补偿的办法提高转矩，这个补偿可由变频器完成，通常不超过10%，还可以

31、从电动机设计上予以考虑。这样可以使各频率下的最大转矩基本不变。如上图虚线所示。V/F变频调速的特点是变频装置结构简单，造价低，运行可靠，调试方便。但不能进行转矩控制，另外调速范围小，一般为1：10。2.1.2 转差频率控制转差频率控制，是检出电动机的转速，然后以电动机的转速与转差频率的和给定逆变器的输出频率。能够任意控制与转矩、电流有直接关系的转差频率。与V/F控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外它有速度控制器，可利用速度反馈进行速度闭环控制，适用于自动控制系统。与V/F控制相比，转差频率控制增加了控制电动机转差频率的功能，异步电机产生的转矩就可以控制。调速范围可达1：20。

32、适用于单电机控制。2.1.3 矢量控制V/F控制，转差频率控制，存在共同的问题是调速范围不宽，调速性能还不尽人意，而直流电动机电枢电流控制方式具有最优良的传动特性。将异步电动机放在旋转的坐标轴系分析其数学模型，找出类似直流电动机的激磁电流分量和转矩电流分量，分别控制。即激磁电流分量为恒定值。根据负载大小控制转矩电流分量，在经过坐标变换电路的作用将这两个标量（直流量）变换成交流量，对异步电动机供电，从而达到对异步电动机转矩控制的目的。变异步电动机非线性机械特性为线性的，从而扩大调速范围。由于该系统要随时控制转子磁链的大小和方向、故称为矢量控制。异步电动机矢量控制与直流机相同产生转矩机理，即磁场同

33、与其相垂直的电流的积为转矩这一基本原理。直流电机利用整流子和电刷在机械上保持两者垂直关系，并且可以分别供电。而异步电动机定子电流在电动机内部，利用电磁感应作用在电气上被分解为激磁电流和垂直的转矩电流，分别进行任意控制，同时将两者合成后作为定子电流供给电动机。矢量控制的特点:（1）控制特性比其它控制方式格外优越，能实现比直流电机更好的控制特性。（2）调速范围广，可达1：100以上，同时可频繁急加减速运转和连续4象限运转等用途，采用矢量控制异步电动机适合任何场合。（3）可以进行转矩控制。在电动机静止状态，能控制它所产生的静止转矩，即可零速制动。控制运算中要使用电动机的参数。对于电动机来讲是特定的。

34、2.2 变频调速异步电动机的运行特性2.2.1 恒电压频率比时的稳态特性按照工频异步电动机的基波等值电路图，可以分析出电动机的稳态特性。由于电源电压中谐波对电动机特性影响很小，因此，分析时采用了平衡的正弦电压。如果忽略集肤效应，则电阻与频率无关，电抗与频率成正比。气隙中的旋转磁通在定子绕组中感应的反电势为E1，由于存在定子漏抗压降，因而反电势E1小于端电压V1，相电势的有效值可以表示为： （1）式中 KW定子绕组系数；f1定子电源频率；N1每相串联匝数；每极磁通。从式（1）中可以看出，每极磁通与E1和f1之比成正比。如果磁通减小，势必引起电动机输出转矩的下降，影响过载能力。如果维持E1不变而减

35、小f1，则磁通将增加，会引起磁路饱和，励磁电流增加，电动机将发热严重，这也是不允许的。因此，变频调速电动机就必须在调频的同时，等比例地改变定于电源电压，以维持气隙磁通不变，这就是电压频率比恒定的运行方式，即=常量。转矩特性：根据基波的等值电路还可以得出下列向最方程： （2） （3）已知转差率S为： （4）电动机的转矩公式为： （5）将以上4式联立，则转矩可以用外加电压V1、频率f1和f2表示，其最终表达式为： （6）式中，为电源频率f1时的定子总电抗，而，则为同一电源频率下转子的总电抗。对于恒电压频率比的运行方式，值为常数。当电动机的参数巳知时，可以画出转矩特性；下图为几种频率下电动机转矩与转

36、子频率f2的关系曲线转矩用标么值表示，以额定转矩作为基值：图2-3电压频率比为常数时异步电动机变频运行的转矩恃性从图2-3中的曲线族可以看出、当定子频率降低时，异步电动饥的转矩迅速减小。这是因为在额定频率时，定子电阻压降可以忽略不计。在低频时，端电压也相应较低，电抗压降也随频率的降低等比下降，而电阻压降不变，因此，定子的电阻压降占的比例较大，漏抗压降比例增大，使E/f的值下降，气隙磁通下降比较严重，转矩随之降低。图2-4中画出了一台异步电动机的最大转矩和起动转矩与电源频率的关系。其中的最大转矩是由式（6）的最大值求出，而起动转矩则由式（6）中的当入f1=f2时求出。由图显然可见，这两种转矩在频

37、率低于 10HZ时都严重下降。为了改善低频特性，在低速时必须使电压频率比加大。这种调节方式在使用变频机组供电时是做不到的，但在使用静止变频器时却很容易实现，因为静止变频装置可以独立地调节输出电压和频率。图2-4电压频率比为常数时异步电动机变频运行的起动转矩和最大转矩的特性增大电压频率比时的低频特性:如上所述，在恒电压频率比的变频调节方式下，异步电动机的低速特性不能令人满意。因此，在低频时，为了保持气隙磁通不变，必须提高电压。使用闭环反馈系统可以做到这一点。在这样的控制系统中，检测出气隙磁通对应的电压值，并把它和所要求磁通值的基准电压迸行比较，把所得的电压偏差放大后再来控制端电压，以便在整个负载

38、和定子频率范围内保持气隙磁通不变。这种方法对于一般的调节系统显得过于复杂，只适用于大型的调节性能要求高的场合。通常使用的是一种简单的开环系统。这种系统采用一个具有固定电压频率比输出特性的频率变换器，其特性在高频时是线性的，在低频时增大输出电压。端电压的大小与负载无关，因而在低速轻载时，电动机的磁饱和程度可能增加。采用基波的等值电路可以计算端电压增加时的低频特性。尽管磁路饱和，但由于定子频率低，铁心损耗仍可忽略不计，必须考虑磁饱和引起的励磁电抗Xm的变化。当运行频率降低时，定子电阻压降相应地增大，Xm被移至电路入端的近似等值电路已不很合适，此时，应注意可能会出现的一些反常现象。图2-5a和图2-

39、5b的向量图分别表示空载和满载时的情况。空载时，定子的电阻压降比漏抗压降要大得多，而且励磁电流Im滞后于气隙电势E1900。因此，从图中可以看出，电势E1的大小几乎等于外加电压V1。由于电机磁路处于高度饱和状态，产生一个很大的励磁电流，从而使电动机的空载电流有可能等于或超过满载电流。加负载以后，转子电流I2和电动势E1间的相位角减少，因而电势减小，如图1b所示。从图中还可看出，在负载电流增加时，励磁电流会迅速减小，而且励磁电流的减小多于负载电流的增加值。因此，定子电流反而减小。图2-6是一台异步电动机在5Hz时测得的转矩和定子电流的关系曲线。从图2-6曲线（b）中看到，增加电压后，出现了随着负

40、载（转矩）的减小，而定子电流增大的反常现象，显然是由磁路饱和引起的。同时，这些特性也可以说明，只要能够增加电压，在低频时也能产生较大的转矩。 (a)空载向量图 （b）满载向量图图2-5图2-62.2.2 恒电流的运行性能由于电机转矩实际上是取决于气隙磁通和定子电流，因此，直接控制电流比控制电压更有优越性。对干静止变频器，如果能处在恒流源的状态下运行也有很大好处。因为变流器被控制在一定电流数值下运行，没有瞬时的电流冲击，可以不存在大的过流容量，能做到逆变器经济设计，晶闸管经济运行。把式（3）、式（4）和式（5）联立求解，则电动机的转矩可用定子电流和转子频率表示，从而得出：式中，是转子的总漏电感。

41、从上式中可以看出，在任何定子频率下，只要有一个大的定子电流，就能产生一个大的转矩。因此，控制定子电流也可以获得较好的转矩性能。2.2.3 电动机的恒功率和恒转矩运行从上面的分析中可以知道，电动机在基本频率以下变频调速时，要求加到电动机上的电压必须随定子频率成正比改变，以保证气隙磁通为常数，在任何转速下，电动机都能产生稳定的转矩。但是，定子电压增加是有一定限度的，到了额定电压以后，电压只能保持恒定，再提高转速，只能使频率增加，也就是说，在基本转速以上，随着频率的增加，气隙磁通将下降，转矩也随之下降。可以明显地看出在电动机的基本转速以下，包络线所显示的转矩范围是不变的，称为恒转矩运行；当超过基本转

42、速以后包络线所显示的转矩范围则下降电动机在恒功率方式下运行。变频调速电动饥的这种运行方式与直流电动机的调压调速和削弱磁场调速的特例非常相似。转差率较小时，异步电动机的转矩方式为：也可以近似地写成：不变的定子电压V1和转子频率f2，转矩随电源频率F1平方的增加而减小。如果f2随f1线性增加，则转矩与f1成正比，则电动机输出转矩近似地随转速的倒数而变化，这就是恒功率运行区。第3章 TD3000变频器的介绍3.1 认识变频器本实验系统使用的变频器是艾默生网络能源公司的TD3000高性能矢量控制变频器，TD3000是高品质、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器。通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实

43、现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。具有电机参数自动调谐、零侍服控制、速度控制和转矩控制在线切换、转速跟踪、内置PLC、内置PID控制器、编码器和给定及反馈信号断线监测切换、掉载保护、故障信号追忆、故障自动重起、内置制动单元、内置PG接口、28种故障监控、丰富的I/O端子和多达十种速度设定方式，能满足各种负荷对传动控制的需求。键盘由LED显示运行数据和故障代码，LCD显示中/英文状态信息和操作说明，并能进行参数的上传拷贝和下传复写功能；功能强大的后台调试监控软件可通过内置的RS485接口组网监控运行；通过TDS-PA01总线适配器接入符合国际标准的PROFIB

44、US现场总线控制系统。紧凑的结构，可灵活安装；按照国际标准进行设计和测试，保证产品的可靠性；丰富的选配件。变频器型号说明：图3-13.2 变频器的操作及简单运行控制方式：TD3000变频器有三种控制方式：无PG矢量控制、有PG矢量控制和V/F控制。运行控制方式由功能码F0.02选择。方式0：无PG矢量控制，即无速度传感器矢量控制，又称为开环矢量控制。适用于不安装码盘，对起动转矩和速度控制精度要求较高，常规V/F控制方式满足不了的应用场合。方式1：有PG矢量控制，即有速度传感器矢量控制，又称为闭环矢量控制。适用于要求转矩响应较快，控制精度更高的场合。方式2：V/F控制方式。除常规V/F控制应用外

45、，还可应用于单变频器驱动一个以上电极的使用场合。操作面板功能键介绍：表3-1名称功能菜单选择切换键编程状态与其他状态的切换键，进行参数显示与编程菜单的切换。在编程菜单状态下操作该键则返回到前一级菜单。功能选择键/存储键在编程状态下进入下一级菜单。在三级菜单状态下完成参数的存储操作。上键功能码、菜单组、或设定参数值递增。下键功能码、菜单组、或设定参数值递减。移位键在运行状态或停机状态时，可循环切换LED的显示参数；在编程状态下设置数据时，可以改变设置数据的修改位。运行命令键在键盘控制方式下，用于起动变频器；在进行电机自动调谐时，用于起动调谐过程。停止命令/故障复位键变频器运行时用于停机操作；双击

46、为紧急停机（急停）；故障报警状态时为复位操作键。在非键盘运行控制时，该键的功能可定义，请参见FA.02功能码的说明。点动键变频器点动运行控制。按住该键进行点动运行，松开则停机。方向命令切换键在键盘运行命令控制方式时，将当前的运行方向命令取反。操作面板LED指示灯说明：运行状态指示灯：位于RUN键上方，有点亮、熄灭两种状态，在各种运行状态控制命令下均指示系统的运行状态。点亮表明变频器处于运行或调谐状态；熄灭表示处于停机状态。设定方向指示灯：位于FWD/REV键上方，有点亮、熄灭、以及闪烁三种状态，用于指示当前运行命令方向。点亮表明变频器的设定转向处于正向，熄灭处于反向。当变频器处于端子运行控制方

47、式且停机的状态下，设定方向指示灯闪烁。单位组合指示灯：由三个指示灯组成，位于LED数码管的右侧，其显示状态的不同组合分别对应六种单位，指示当前LED显示参数的单位。状态组合与单位的对应关系如下图所示：图3-2设置参数：正确地设置TD3000变频器的参数，是充分发挥其性能的前提。操作过程如下，按移位键会切换参数闪烁位（即更改位），该键具有单向循环移位的功能。参数设置完成后连续按两次菜单键，则会退出编程状态。再次进入编程状态时，自动进入前一次操作的功能码（具有操作记忆功能）。说明：二进制值转换为十进制数的方法：1.根据需要显示的运行状态参数，先确定相应的二进制码；如Fd.01参数的二进制码需要设置

48、为0001 0011 B,即如下表所示：表3-2Bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit00001oo112.然后把该二进制码转换成十进制数，计算方法为：bit*2i3.3 TD3000变频器使用操作流程简介表33流程操作内容安装和使用环境在符合产品技术规格要求的场所安装变频器。主要考虑环境条件（温度、湿度等）及变频器的散热等因素是否符合要求。变频器配线主电路输入、输出端子配线；接地线配线；开关量控制端子、模拟量端子、测速码盘、通讯接口等配线。通电前检查确认输入电源的电压正确，输入供电回路接有断路器；变频器已正确可靠接地；电源线正确接入变频器的R、S、T电源输入端子；变频

49、器的输出端子U、V、W与电机正确连接；测速码盘PG接线正确；控制端子的接线正确，外部各种开关全部正确预置；电机空载（机械负荷与电机脱开）。上电检查变频器是否有异常声响、冒烟、异味等情况；操作面板显示正常，无故障报警信息；如有异常现象，请立即开断电源。参数初始化变频器在初次运行、更换变频器内部控制板或更换被控电机的情况下，建议在设置功能码F0.12进行参数初始化操作以后，再进行下面的操作设置。正确输入电机铭牌参数务必要正确输入电机的铭牌参数，并请使用者认真核对，否则可能出现严重的问题。电机和变频器保护参数设置正确设置变频器和电机的极限参数、保护参数、以及保护方式等，主要包括：最大频率，上限频率，

50、故障起动锁定，电机过载保护，变频器过载保护，外部故障输入。故障继电器输入，码盘断线保护等参数。自动调谐在选择矢量控制方式第一次运行前，要进行电机自动调谐，以获得被控电机的准确电气参数。在执行自动调谐前，必须脱开电机与机械负载的连接，使电机处于完全空载状态。如果电机尚处于旋转状态时，请勿进行自动调谐。根据驱动系统情况，正确设置旋转方向，加速时间，减速时间，起动频率，起动方式，加减速方式，停机方式等参数。根据负载情况整定调节器参数。如有必要，再设置转矩控制与限定参数。对有PG矢量控制，请务必正确设置编码器参数。根据负载需求设置V/F曲线，转矩提升，转差补偿，AVR功能等参数。空载试运行检查电机空载

51、，用键盘或控制端子起动变频器运行。检查并且确认驱动系统的运行状态。电机：运行平稳，旋转正常，转向正确，加减速过程正常，无异常。变频器：操作面板正常，无异常。带负载运行检查在空载运行正常后，接好负载。用键盘或控制端子起动变频器，并逐渐增加负载。在负载增加到50%，100%时，分别运行一段时间，以检查系统运行是否正常；在运行中要全面检查，注意出现异常情况。正常运行第4章 虚拟仪器的介绍4.1 Lab VIEW简介 Lab VIEW是英文Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的简写，即实验虚拟仪器工程平台，它是世界上第一个采用图形化编程

52、技术的面向仪器的32位编译型开发系统，由NI公司20世纪九十年代推出并不断更新。Lab VIEW是基于图形化编程语言(G语言)的开发环境，它将直观的前面板与流程图式的编程方法结合起来，是开发虚拟仪器的强大和理想的工具。 在Lab VIEW中，一个虚拟仪器(VI)程序由两部分组成：前面板(Front Panel)和流程图(Block Diagram)。前面板对应于传统电子仪器的控制面板，是图形化的用户界面，用户可通过前面板对仪器进行设置。在前面板上，用户的输入是通过被称为Control的输入控件实现的，程序运行的结果输出则由Indictor输出控件来实现。虚拟仪器输出结果非常丰富，既可以输出数据

53、，又可以输出各种图形，还可以保存纯文本或二进制文件。采用LabVIEW编制虚拟仪器程序的步骤 1） 确定程序设计总体方案在编制虚拟仪器程序前，必须首先对程序进行总体设计分析：一是确定程序要实现的功能，要显示的图形图像，要输出的报表；二是确定程序的层次关系，如主程序和子程序之间的关系，虚拟仪器程序与硬件的连接关系等。 2） 确定虚拟仪器程序前面板在完成虚拟仪器程序总体设计后，就可在前面板上布置实现所需功能的显示对象，这些对象包括开关旋钮控制，数据显示，表头，波形显示，相量图，频谱图显示等，前面板布置好这些对象后，工程技术人员通过键盘就可像操作传统仪器一样地操作虚拟仪器。 3） 构建图形化流程图在

54、Lab VIEW开发环境中，后台流程图与前面板控制显示对象一一对应，开发人员的任务是通过连接不同功能的模块使数据流从输入对象经过处理传达到输出对象。与传统的文本式程序设计一样，LabVIEW也有控制流程图功能执行部分。 4） 调试和优化程序和传统程序一样，在编制虚拟仪器程序时，需要不断对程序进行调试分析，LabVIEW程序调试功能十分强大易用，可以灵活设定程序断点，进行带数据探针的单步运行，加亮执行程序进行数据流追踪判断。同时，Lab VIEW是目前唯一带有编辑器的图形编程环境，它可根据用户编制程序自动产生最优化代码，加快程序运行速度。另外，用户还可以利用内置的绘图器对程序代码部分进行分析和优

55、化。采用Lab VIEW实现数据分析处理 Lab VIEW之所以强大易用，很大程度上是因为Lab VIEW内置了极其丰富的数据分析处理函数模块，可以说，正是因为采用了这些由软件实现的功能模块，替代了原来必须用硬件完成的数字信号处理分析功能，才出现了“软件就是仪器”的概念，开发出的仪器才被称为虚拟仪器。 1） 与外界信号接口模块这部分模块与DAQ硬件系统结合，可以将已经过信号调理和A/D转换外界信号与流程图进行接口，实现原始数据的输入。 2） 平动窗口模块在频谱分析中使用平动窗口能够减少在离散数据块下使用FFT而产生的频谱泄漏。 3） 数字滤波器模块数字滤波器可以消除由电子元件产生的噪声信号，或

56、者由环境影响产生的噪声。Lab VIEW软件有三种类型的滤波器，IIR滤波器，FIR滤波器以及非线性响应滤波器，只要知道滤波系数，就要利用Lab VIEW很容易地生成IIR或FFR滤波器。 4） 时频域转换模块计算机进行数字信号处理时，需要对时域信号进行离散采样，转换到频域进行频谱分析，它反映的一些信息是时域分析中得不到的。Lab VIEW内置了这些变换必须的模块，典型的如FFT，在虚拟仪器程序中，用户直接调用即可，非常方便。 虚拟仪器的基本概念、构成及其特点传统的测量仪器主要由三个功能块组成：信号的采集与控制单元、信号的分析与处理单元、结果的表达与输出单元。由于这些功能块基本上是由硬件或固化

57、的软件形式存在，仪器只能由生产厂家来定义、制造，因此传统仪器设计复杂、灵活性差，没有摆脱独立使用、手动操作的模式，整个测试过程几乎仅限于简单地模仿人工测试的步骤，在一些较为复杂和测试参数较多的场合下，使用起来很不方便。计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，有力地促进了多年来发展相对缓慢的仪器技术，于是一个新型的仪器概念虚拟仪器 (Virtual Instrument，VI)出现了。4.2 虚拟仪器的基本概念、特点及其构成虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类，在虚拟仪器中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成了一个有机整体，仪器的结构概念

58、和设计观点等都发生了突破性的变化。从构成上来说，虚拟仪器就是利用现有的计算机，配上相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。在使用上来说，虚拟仪器利用PC计算机强大的图形环境， 建立界面友好的虚拟仪器面板（即软面板），操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（DAQ）、串并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其它接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。 在这里，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。正由于软件是虚拟仪器的关键，所以当基本硬件确定以后