变频器在工业洗衣机的调速系统中的应用

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1、通用变频器在工业洗衣机的调速系统应用摘 要工业洗衣机和家用洗衣机的区别，在于其容量大，它已广泛应用于各类服装水洗厂，印染厂，医院，宾馆，化工厂，部队，矿山，消防等企事业单位。随着大功率开关器件制造技术及计算机控制技术的发展,采用变频调速控制电机已渗透到各种电力传动系统。在工业洗衣机的传动系统中引入这一技术后,就可以用一台普通交流电动机实现大范围调速,而且传动装置可以做得很小,控制及操作性能都大幅度提高。通用变频器应用于工业洗衣机的变频调速系统，是以MM440为核心，采用无传感器的矢量控制方式，可以实现工业洗衣机的平稳启动，优化洗涤速度，增加了系统的运行寿命。关键词：工业洗衣，MM440，矢量控

2、制目 录前 言11交流变频调速系统的概述和工业洗衣机的简介21.1交流变频调速系统的原理21.2交流变频调速系统的发展概述41.3该课题研究的目的及意义51.4工业洗衣机的简介61.4.1工业洗衣机61.4.2工业洗衣机的发展历史。61.4.3工业洗衣机的结构72交流调速系统的方案论证与系统组成82.1 方案论证82.1.1控制方案的比较82.1.2控制方式的比较92.2电动机的选择132.2.1电动机的选择132.2.2选择电机的注意事项152.2.3矢量控制原理162.3变频器的选择222.3.1变频器的选择232.3.2 MM4系列通用变频器简介242.3.3 MM440变频器相关知识的

3、介绍262.3.4 MM440在洗衣机系统中的作用322.4热敏电阻的选择322.4.1热敏电阻322.4.2 PTC热敏电阻333洗衣机系统的工作原理及电路设计353.1系统运行要求353.2工业洗衣机的工作过程363.3电路设计及原理图374交流调速系统的参数设定及控制系统的论述394.1电机参数的设定394.2变频器参数的设定394.3单片机与PLC应用于洗衣机系统的论述40结 论41致 谢41前 言工业洗衣机在宾馆、酒店、医院、学校、服装厂、水洗厂、工矿企业等场所被广泛的应用。但通常工业洗衣机的传动系统相当复杂，由于在洗净和脱水时电动机转速差很大，一般为多台鼠笼电机采用离合器切换运转或

4、使用变极电机，以获得多档转速，这使得传动系统复杂化，需要加皮带轮、离合器及制动闸等机械装置。另外，由于工业洗衣机的负载惯性一般很大，为获得大的起动转矩，往往要采用特殊的大电阻电机。随着大功率开关器件制造技术及计算机控制技术的发展，采用变频调速控制电机已渗透到各种电力传动系统。在工业洗衣机的传动系统中引入这一技术，就可以用一台普通交流电动机实现大范围调速，而且传动装置可以做得很小，控制及操作性能都大幅度提高。采用西门子MM440变频器组成的变频控制系统，可以很好的解决这些问题。MM440应用高性能的矢量控制技术，采用微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率

5、输出元件。因此，它具有很高的运行可靠性和功能的多样性。而且采用脉冲频率可选的专用脉冲调制技术，可使电机低噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护，降低了系统维护量，提供了洗涤质量。采用MM440变频器组成的变频调速控制系统，洗衣机开始运行时通过变频器启动，洗涤开始时时5HZ启动，在洗涤过程中150HZ高速运行。传动装置时通过数字量输入来控制系统的起停，正反转，固定频率设定以及加减速时间。另外，在此系统中，电机上带一个内PTC温度检测器，作为热电阻保护，PTC直接接到变频器上，当电机过热时装置就会停止输出并产生报警信号。本设计分为五个部分，第一部分为交流变频调速系统概论及工业洗

6、衣机系统简介；第二部分为交流调速系统方案论证和系统组成；第三部分为工业洗衣机系统的工作原理及电路设计；第四部分为交流调速系统的参数设定及控制系统论述；第五部分为本系统设计的优点与不足。1交流变频调速系统的概述和工业洗衣机的简介1.1交流变频调速系统的原理随着电力电子技术的进步，计算机技术的飞速发展，以此为基础的交流电机调速技术也取得了长足的进步。矢量控制技术在速度控制和转矩控制方面使得交流调速系统可与直流调统相媲美，而无速度传感器控制技术由于可以省去传感器，使相应的交流系统变得简便、可靠，所以成为近年来的研究热点。由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、 强耦合的多变量系统上世纪70年代

7、西门子工程师 F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅 矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等

8、效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在Siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。采用矢量控制方式的不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。鉴于电机参数有可能发生变化，会影响变频器对电机的控制性能，目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异

9、步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 （励磁电流）和产生转矩的电流分量 （转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。变频调速系统原理：异步电动机的

10、基本公式同步转速 即旋转磁场的转速，计算公式如下： （1.1）式中 n0同步转速（r/min）；f电源电压的频率（Hz）；p磁极对数。式（1.1）表明，当电动机的磁极对数一定时，同步转速与电源电压的频率成正比；而在额定频率下，同步转速与磁极对数的关系见下表1.1。表1.1 同步转速与磁极对数的关系Tab.1.1 the relationship between the pole synchronous speed and the logarithm磁极对数1（2极）2（4极）3（6极）4（8极）6（12极）同步转速（r/min）300015001000750500转差 即转子转速与同步转速之差

11、。 （1.2）式中 转差（r/min）；转子转速（r/min）。转差率 转差与同步转速之比，称为转差率 （1.3）式中 s转差率。转子转速由式（1.1）和（1.3）推导如下： （1.4）由（1.4）可知，改变电源电压的频率f，就改变了旋转磁场的转速（同步转速），也就改变了电动机输出轴的转速：所以，调节频率可以调速，并且可以无级调速。变频器就是一种可以任意调节其输出电压频率，使三相交流异步电动机实现无级调速的装置。生产机械常常需要无级调速，而在变频器问世之前，异步电动机是无法实现无级调速的。这使它的调速性能远逊于直流电动机。其实，变频可以调速的原理，是从异步电动机发明之日起就知道了的。但异步电动

12、机发明于1898年，而变频器达到能够普及应用的阶段，却直到20世纪80年代才得以实现，中间相隔了近一个世纪。1.2交流变频调速系统的发展概述直流电气传动和交流电气传动在19世纪诞生，在直流调速系统中，控制电机的方法十分简单，调节电枢电压和励磁电流大小就可以控制转速与转矩，并且利用电流、转速双闭环系统很容易获得良好的动静态特性。而鉴于当时技术，交流调速中，决定电动机转速调节的交流电源频率的改变和电动机转矩控制都是极为困难的。因此在二十世纪很长一段时间里，高性能调速传动系统都采用直流电机。但是随着工业生产的发展，直流电机的薄弱环节逐渐暴露出来。由于电刷和换向器的存在，直流电机工作环境、最高转速、单

13、机容量受到极大限制，已不能满足现代调速系统发展的要求。而异步电机结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉，因而从20世纪30年代，人们就致力于交流调速技术的研究。随着电力电子技术、计算机技术及自动控制技术的不断发展和电力电子器件的更新换代，交流变频调速技术已由最初的变压变频控制的变频调速发展到了高性能的矢量控制变频调速，使得交流电机的调速性能达到甚至超过了直流电机的调速性能。以后随着计算机技术的发展，人们又克服了矢量控制计算量大而复杂的缺点，使得矢量控制成为目前所有调速系统中性能最优越的一种，它不但控制连续、平滑，而且调速范围很宽。但它自身也有一些缺点，如对电机参数的依赖很强等。矢量控制技术提出

14、以后，各国学者又致力于异步电机无速度传感器矢量控制系统的研究。无速度传感器矢量控制系统是利用检测定子电压、电流等易于测量的物理量进行电机速度的估算以取代速度传感器，其关键是如何在线获取速度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制要求。无速度传感器控制不需要检测硬件，也避免了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统的可靠性，降低了成本，因而引起了各国学者的关注，成为现代交流调速控制领域中最受重视的课题之一。在高性能的异步电动机控制系统中，转速的闭环控制环节一般是必不可少的。普通情况下，采用光电码盘等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。但是，由于速度传感器的安装给系统带来一下一

15、些缺陷：增加了系统的成本；使电动机轴向上体积增大，而且给电动机的维护带来一定困难，同时破坏了异步电机简单坚固的特点，降低了系统的机械鲁棒性；若安装码盘，存在同心轴问题，安装不当将影响测速精度；增加了系统的复杂性，降低了系统的可靠性；有些场合不容许外装任何传感器。如此种种，影响了异步电机调速系统的简便性、廉价性及系统的可靠性。无速度传感器矢量控制系统可以获得接近闭环控制的性能，同时省去了速度传感器，具有较低的维护成本。异步电机无速度传感器矢量控制的研制可以解决上述的缺陷，使控制系统的成本更加低廉，可靠性更高自20世纪70年代，德国西门子公司的EBlasehke 提出了“磁场定向控制的理论”和美国

16、 PC.Custmna 与AAQark 申请了专利“感应电机定子电压的坐标交换控制”，矢量控制技术发展到今天己形成了各种较成熟并已产品化的控制方案，且都已实现无速度传感器控制，即用转速估算环节取代传统的速度传感器（如测速发电机、编码盘等）。矢量控制的理论根据就是电机统一理论，在实现上将异步电动机的定子三相交流电流 ia，ib，ic，通过坐标变换变换到同步旋转坐标系 de-q 轴系下的两相直电流。实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量，用来产生旋转磁动势的励磁分量和用来产生电磁转矩的转矩分量。然后像控制直流电机那样在同步旋转坐标系上设计和进行磁场与转矩的独立控制，再由变换

17、方程把这些控制结果转换为随时间变化的瞬时变量，达到控制电机转速和转矩的目的。1.3该课题研究的目的及意义洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电，已经成为人们生活中不可缺少的家用电器。在工业生产中应用中也比较广泛。广泛应用于各类服装水洗厂，印染厂，医院，宾馆，化工厂，部队，矿山，消防等企事业单位。但是传统的调速方式已经不能满足人们对工业洗衣机的自动化要求了。如变极调速具有有极调速，不能平滑调速的，且级差较大的缺点。串极调速适用于调速范围不大（7095）的绕线式异步电机的场合。又如定子调压调速的方式效率低，对电网有危险等危害。因此，变频调速在洗衣机的控制中得到了广泛的应用。变频调速在调速范围，静态精

18、度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实现自动控制和过程控制等诸多方面都是以往调速方式无法比拟的。它是公认的交流电动机最有理想最有前途的调速方案。因此本系统选用的西门MM440标准变频器作为此系统中的变频器，且采用的是无传感器的矢量控制方式调节电机的速度。此系统有以下特点：通过变频器传动可减少机械和电气噪音；通过SVC矢量控制，降低了系统维护量，提供了洗涤质量；优化洗涤速度，降低了功率损耗；减少了旋转部件的机械压力，增加了系统的运行寿命；通过人机界面设定变频器速度和监控。1.4工业洗衣机的简介1.4.1工业洗衣机是指大容量的洗衣机，具有超负荷洗涤，连续工作时间能超过12个小时以上，容量一

19、般在30千克每次以上的洗衣机，现有的工业洗衣机的最大容量可以达到300千克，而普通的家用洗衣机的容量最多也就在7千克左右。也正是为了适应大容量的要求，其结构与普通的家用洗衣机有所差别。一般以不锈钢材料，钢铁材料，工业电机制造，区别与家用洗衣机的塑料制作，具有洗衣量大，连续工作时间长等特别，而且耐腐蚀，耐高温特点，是各类酒店洗衣房，宾馆洗衣房，医院洗衣房，企业洗衣房，学校洗衣房的首选设备。1.4.2工业洗衣机的发展历史1874年，“手洗时代”受到了前所未有的挑战有人发明了木制手摇洗衣机。发明者是美国人比尔·布莱克斯。布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在木筒里装上6块叶片，用手柄和齿轮传动

20、，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣”的目的。这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快。     1880年，美国又出现了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。 之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。     1911年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机。电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。     电动洗衣机几经完善，在1922年迎来一种崭新的洗衣方式“搅拌式”。搅拌式洗衣机由美国玛依塔格公司研制成功。这种洗衣

21、机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。不过10年之后，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步！直至今日，滚筒式洗衣机在欧美国家仍得到广泛应用。     随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和洗涤液

22、一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。1955年， 在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。至此，波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。     20世纪60年代以后，洗衣机在一些发达国家的消费市场开始形成系列，家庭普及率迅速上升。此间洗衣机在日本的发展备受瞩目。60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机横空出世，让人耳目一新。到80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣

23、程序更随人意，外观造型更为时尚进入90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。在中国，由于历史原因，洗衣机工业起步较晚，直到1978年才正式生产家用洗衣机。工业洗衣机更晚。国外最早工业洗衣机有德国兄弟公司及意大利的工业洗衣机都是著名的工业洗衣机生产商。为节能，隧道式洗涤机是20世纪60年代在欧洲研制成功的。经过几十年的不断改进完善，目前在欧美国家已广泛应用。它比较适合洗涤轻度污渍和类似的物品，其节能降低成本的效果非常明

24、显。1.4.3工业洗衣机的结构主要由外筒、转筒、传动部分、电器控制柜、左右密封罩、管路仪表及放水阀等部件组成。工业洗衣机结构一般采用卧式滚筒型，内外筒均采用优质不锈钢精制而成，平整光亮，耐腐蚀，对织物的磨损小且无损伤，机器使用寿命长；工业洗衣机内筒门盖均装有不锈钢安全锁紧机构，外筒门盖上设有行程开关，运转安全可靠。外筒的轴承座上设计有密封装置，其密封程度可用压紧圈调节，压盖轴承座下方钻有小孔，少量漏水可由此孔流出机外，且轴承内的润滑油不会进入外轴。设有行程开关，运转安全可靠。转筒采用优质不锈钢板制成，有双舱室结构和单舱室结构两种，运转平稳，取衣方便。一般采用滚筒式的洗衣方式。利用电动机的机械做

25、功使滚筒旋转，衣物在滚筒中不断地被提升摔下，再提升再摔下，做重复运动，加上洗衣粉和水的共同作用使衣物洗涤干净。因为衣物在洗涤过程中不缠绕、洗涤均匀、磨损小，所以就连羊绒、羊毛、真丝衣物也能在机内洗涤，做到真正的全面洗涤性能。工业洗衣机具有设计新颖、操作方便、运转平稳可靠、性能优良、结构合理、密封、保温、美观大方等优点。2交流调速系统的方案论证与系统组成工业洗衣机要求变频器能提供高转矩、多段速、宽电压范围、自动转差补偿和方便的通讯方式；性能稳定，能适应各种宾馆、酒店洗衣房的高温、高湿的环境；总之，要求变频器能适应工业洗衣机特定的洗涤工艺要求。2.1 方案论证2.1.1控制方案的比较实际应用于工业

26、洗衣机的控制系统主要有三种：以离心器为主的控制系统、单片机控制系统、模糊控制系统、PLC控制系统等。离心器控制系统 以往的工业洗衣机控制系统是由离合器、多台电机等构成。根据洗净、脱水等所需要的转速准备数台电机，采用离合器切换使用。脱水作业由高速脱水及中速脱水两台电机分担，或者采用变极电机。这使传动装置变得复杂，需要离合器、带轮及制动闸等。现在由于工业洗衣机控制系统的逐步提高，仍采用传统的控制系统已不能满足更高性能的要求，因此随着电子逻辑器件、大规模集成电路的出现；诸如像单片机、PLC在控制系统上的应用也越来越多。模糊控制系统工业洗衣机模糊规则库是模糊控制系统研制的关键。利用原型机对典型被洗衣物

27、进行正交实验，通过对实验数据的处理和分析来确定模糊规则库，它直接反映典型洗涤物的布质、布量与洗涤转速和水位的对应关系。根据模糊规则,通过模糊推理与计算，采用最佳策略针对洗涤程序和洗涤参数进行优化。但模糊控制的原则不精确，使洗衣机系统调速不够准确，不够分明。单片机控制系统 以往以单片机为中心控制系统工作的工业洗衣机中，由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低。可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活。由于现存有许多已经设计很完善的子程序，在系统软件设计中可以直接调用，减少较大工作量。单片机适合于实时工业控制，相对于微机它价格较

28、为低廉，可编程性和可扩展性强。存在着一些本身不能克服的缺点，系统硬件设计相对比较复杂，电路设计工作量相对较大，且单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序也相对复杂；其次，在设计控制系统硬件时，要有多种电路保护装置，如电流保护电压保护、过载保护、过热保护及欠压保护等等，这样不但增加了硬件的复杂性，而且隐含较高的故障率，还无形地增加了维修成本费用。PLC控制如果在工业洗衣机的控制系统中采用PLC来控制将能克服单片机的这些缺点。因为它是整体模块中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能。所以在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修方便，更可以提高控制系统的设计的灵活性

29、及控制系统的可靠性。可编程控制器是以计算机为核心的通用自动控制装置，它的功能强、可靠性极强、编程简单、使用方便、体积小。现已广泛应用于工业控制的各个领域，它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、记数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。但PLC有其应用的局限性，比如说输入输出对电源电压的要求、价格高等因素，因此在工业洗衣机的控制上采用PLC并不是最理想的。2.1.2控制方式的比较V/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这

30、种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢电机转矩利用率不高，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。因此人们又研究出矢量控制变频调速。V/F控制方式是最早实现的调速方式。其属于转速开环控制，无需转速传感器，控制电路比较简单，电机选择通用标准异步电动机，因此它通用性比较强，性价比也相对较高。而且该控制方案结构简单，通过调节逆变输出电压实现电机的速度调节，根据电机参数，设定V/F曲线，其可

31、靠性高。但是，由于科学技术的发展，工业对调速系统的要求越来越高，V/F控制方式存在着很多不可克服的弱点：不能恰当地调整电动机的转矩补偿和适应负载的转矩变化；无法准确地控制电动机的实际转速；转速极低时，由于转矩不足而无法克服较大的静摩擦力。尤其是在低速区域由于定子电阻的压降不容忽视而使电压调整比较困难，不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以实现很高的控制精度，所以采用这种控制的通用变频器的变频调速只适用于一般要求不高的场合。所以它的运用将逐渐被矢量控制所取代。直接转矩控制（DTC）方式198

32、5年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控

33、制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地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差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band-Band控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的

34、数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。与矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此

35、直接转矩控制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。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。与矢量控制方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简化。DTC采用了单独的环路对电机的速度及转矩进行控制。ABB交流驱动R&D经理Gokhale解释说，DTC自开发之初就是一种无传感器控制的结构，它从本质上说是一种转矩控制方案，而不是矢量控制。DTC除去了典型矢量控制中的电流调节器或电压指令生成环节。代之的是两个滞环控制环节，每25s分别对磁通及转矩进行估计与控制。在该控制结构中，低速磁通辨识的积分

36、漂移以及定子电阻变化的影响直接限制了驱动器的最低工作范围。由于系统没有中间转矩电流、磁通电流控制环节，DTC缺乏直接电流控制。总体来讲，DTC直接控制转矩，间接控制电流。正是由于以上一些特点，一些研究人员将DTC称为本质上的“高级标量控制”。无速度传感器的矢量控制（SVC）方式矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子

37、电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1 Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两

38、个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。以异步电动机的矢量控制为例：它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括定子磁链，气隙磁链，转子磁链，其中气息磁链是连接定子和转子的。一般的感应电机转子电流不易测量，所以通过气息来中转，把它变成定子电流。然后，有一些坐标变换，首先通过3/2变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前

39、面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速度。最后再经过2/3变换，产生三相交流电去控制电机，这样就获得了良好的性能。无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电

40、流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电

41、动机进行正常运转之前，可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等，可提高异步电动机转矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等，以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调（AVR）控制技术的控制方式，已实用化并取得良好的效果。概括来说，无速度传感器矢量控制可以获得接近闭环控制的性能，同时省去了速度传感器，具有较低的维护成本。与传统V

42、/FHz控制比较，无速度传感器矢量控制可以获得改进的低速运行特性，变负载下的速度调节能力亦得到改善，同时还可获得高的起动转矩，这在高摩擦与惯性负载的起动中有明显的优势。正是由于这些驱动特性，该控制技术已逐渐成为通用恒转矩驱动应用的选择。事实上，基本上所有AC驱动厂家都提供该控制模式。针对工业洗衣机系统的特点，本系统采用无速度传感器的矢量控制方式。本系统的框图如下图2.1所示。 主令控制变频器电 动 机PTC 温度传感器洗衣机泵图2.1 洗衣机系统框图Figure 2.1 washer system diagram2.2电动机的选择实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应

43、原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、文物铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。 2.2.1电动机的选择三相交流异步电动机的选用，主要从选用的电动机的额定功率、额定功率工作电压、种类、型式等方面进行选择。其中最主要的是额定功率的选择。种类和型式的选择种类的选择选择电动机的种类是从交流或直流、机械特性、调速与起动特性、维护及价格等方面考虑。选择电动机种类的原

44、则是在满足生产机械技术性能的前提下，优先选用结构简单、 工作可靠、 价格便宜、 维修方便、 运行经济的电动机。从这个意义上看，交流电动机优于直流电动机，异步电动机优于同步电动机，笼型异步电动机优于绕线转子异步电动机。 随着交流变频调速技术的发展，交流电动机的应用将越来越广泛，正逐渐取代直流电动机。因为生产上常用的是三相交流点，如没有特殊要求，多采用交流电动机。由于三相鼠笼式异步电动机结构简单，坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方便；其缺点是调速困难，功率因数较低，起动性能较差。因此，在要求机械特性较硬而无特殊要求的一般生产机械的拖动，如水泵、通风机、运输机、传送带和机床都采用鼠笼式异步电动机。

45、绕线式电动机的基本性能与鼠笼式相同。其特点是起动性能较好，并可在不大的范围内平滑调速。但是它的价格较鼠笼式电动机为贵，维护亦较不便。因此，只有在某些必须采用绕线式电动机的场合，如起重机、锻压机等，大多采用鼠笼式异步电动机。结构形式的选择 在不同的工作环境，应采用不同结构形式的电动机，以保护电动机长期工作而不被损坏。电动机常用的结构形式有：开启式、防护式、封闭式和防爆式。a)开启式开启式电动机的价格便宜，散热条件最好，但由于转子和绕组暴露在空气中，容易被水汽、 灰尘、 铁屑、油污等侵蚀,影响电动机的正常工作及使用寿命。因此，它只能用于干燥、灰尘很少又无腐蚀性和爆炸性气体的环境。b) 防

46、护式 防护式电动机一般可防止水滴、铁屑等外界杂物落入电动机内部，但不能防止潮气及灰尘的侵入。它只适用于较干燥且灰尘不多又无腐蚀性和爆炸性气体的工作环境。这种电动机的通风散热条件也较好。c)封闭式封闭式电动机有自冷式、强迫通风式和密闭式三种。自冷式电动机一般自带风扇，自冷式和强迫通风式电动机能防止任何方向的水滴或杂物侵入电动机，潮湿空气和灰尘也不易侵入，因此适用于潮湿、多尘、易受风雨侵蚀，有腐蚀性气体等较恶劣的工作环境，应用最普遍。而密闭式电动机，则适用于浸入液体中的生产机械，如潜水泵等。d)防爆式 防爆式电动机是在密封结构的基础上制成隔爆型、增安型和正压型等，适用于有爆炸危险的工作环境，如矿井

47、、油库、煤气站等场所。 此外，对于湿热地带、高海拔地带及船舶等用电动机，还应选具有特殊防护要求的电动机。电压等级和转速的选择电动机电压等级的选择，要根据电动机的类型，功率以及使用地点的电压来决定。交流电动机额定电压的选择主要按使用场所的供电电压等级选择。一般低压电网为380 V，因此中小型三相异步电动机的额定电压大多为380 V(Y或形法)，220/380 V（/Y形接法)和380/660 V（/Y形接法）。单相异步电动机的额定电压多采用220 V，矿山及钢铁企业的大型设备用大功率电动机，可采用高压电动机，这样既减小了电动机的体积，又节约了铜线的用量。电动机的额定转速是根据生产机械传动系统的要

48、求来选择的。一般采用尽量高转速的电动机。在一定功率时，电动机的额定转速越高,其体积越小，重量越轻，价格越低，运行的效率越高，电动机的飞轮矩越小，因此选用高速电动机较经济。但是，若生产机械要求的转速低，如果选择高速电动机，则会使传动机构复杂。 对于经常启动、制动、反转的生产机械, 若过渡过程时间对生产效率有较大影响。 可以证明，从缩短起动、制动时间和减小起动、制动过程中能量损耗的角度考虑，则应以 GD2与额定转速nN 乘积为最小来选择电动机的额定转速，如龙门刨床工作台拖动电动机等。若过渡过程时间对生产效率影响不大，则应以过渡过程中能量损耗最小来选择电动机的额定转速。选择电动机容量的基本原则是：能

49、带动负载，在生产工艺所要求的各个转速点长期运行不过热，在旧设备改造时，要尽量可能地留用原设备的电动机。电机容量的选择选择电动机容量时应考虑如下几点：电动机容量、起动转矩必须大于负载所需要的功率和起动转矩；电源电压下降10%15%的情况下，转矩仍能够满足起动或运行中的需要；从电动机温升角度考虑，为了不降低电动机的寿命，温升必须在绝缘所限制的范围以内；如果电动机每次在最低频率时连续工作地时间不长，则可留用原有电动机，反之如果在最低频率时连续运行的时间较长，则电动机的容量应提高一档。电动机磁极对数的选择电动机的磁极对数一般由生产工艺决定，不易随意选择。如果通用变频器具有矢量控制功能，若有条件，最好选

50、择2p=4的电机，因为多数矢量控制通用变频器是以2p=4的电机作为模型进行设计的。电动机工作频率范围的选择电动机工作频率的范围应包含负载对调速范围的要求。由于某些通用变频器低速运行特性不理想，所以最低频率越高越好。使用变频器传动时电动机的几个问题笼型异步电动机由通用变频器传动时，由于高次谐波的影响和电动机运行速度范围的扩大，将出现一些新的问题，与工频电源传动时的差别比较大。因此，在旧设备改造留用原有电动机时要特别注意以下问题：低速时的散热能力（可采用设置恒速冷却风扇改善散热问题）；额定频率运行时有温升提高（可适当留有裕量）；电动机运行时出现噪声增大（可重新设定载波频率）。本系统电机选用常用的4

51、极三相交流感应电动机，额定功率7.5KW，额定电压230V，额定电流33A，额定转速1380r/min，额定频率50HZ，功率因数0.85，效率0.9。2.2.2选择电机的注意事项速度控制速度控制上限 普通异步电动机的速度上限就是额定频率所对应的额定速度。一般不要将额定频率为50Hz的电动机超频运行，否则，对引起带负载能力下降、过电流，甚至机械性破坏。中间速度 采用普通异步电动机变频调速时，要考虑在连续可调速度区段（中间速度）内运行时的机械共振问题。异步电动机所产生的脉动转矩频率一旦与固有频率一致，则会发生共振，并产生强烈的震动和噪声，最严重的情况下会引起轴系断裂事故。速度控制的下限 采用普通

52、异步电机进行变频调速时，考虑到电动机自身由于低速冷却能力下降而确定的最低转速与机械系统所允许的下限速度，一起决定了最终的速度下限，普通异步电动机中大多数都使用滚动轴承。虽然对最低速度没有限制，但对大容量异步电动机及机械负载重使用滑动轴承的场合，低速时由于润滑不良产生过热会导致滑膜烧毁，需要考虑轴承的工作情况，以确定最低的运转速度。预防浪涌电源的危害由于通用变频器的功率开关器件在工作时产生浪涌电压，当通用变频器驱动异步电动机时，有时需要采取措施防止浪涌电压对电动机绝缘的破坏。我们应尽量缩短通用变频器与电动机之间的接线距离，一般不要超过通用变频器产品说明书中规定的最大值。必要时应装设du/dt滤波

53、器、共模输出滤波器或输出电抗器，以降低输出电压波形上升陡度。另外，可才采取防止冲击电压的措施。电动机的轴电压、轴电流电动机的轴电压、轴电流是由于环绕电动机轴的磁路不对称、转子运转不同心、感生脉动磁通等原因所产生的，它会使轴-轴承-机座的回路有轴电流通过，在电动机转子轴两端、轴与轴承之间、轴与轴承对地形成称为轴电压。对于滑动轴承约在300500mV（有效值），滚动轴承在300 mV左右。一般滚动轴承允许通过的最大电流密度不超过1.5A/mm2，若超过轴承所允许的值，就会通过油膜放电或者导电，在轴瓦和轴承处产生点状微孔，并在底部产生发黑现象，严重时会使轴和轴承受到损坏，运行中伴随着强烈的噪声级设备

54、外壳带电等。防止轴电流的简单做法实在机座中除一个轴承座外，其余轴承座及包括所有装在其上的仪表外壳等金属部件都对地绝缘，不绝缘的轴承应装接地电刷以防静电充电。2.2.3矢量控制原理矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量。由于这些被控矢量在物理上不存在，还必须再经过坐标变换，从旋转坐标系回到精致坐标系，把上述直

55、流给定量变换成物理上存在的交流给定量，在定子坐标系对交流量进行控制，使其实际等于给定值。感应电动机内的磁场是由定子、转子三相绕组的磁势产生的，根据电动机旋转磁场理论可知，向对称的三相绕组中通以对称的三相正弦电流时，就会产生合成磁势，它是一个在空间以速度旋转的空间矢量。如果用磁势或电流空间矢量来描述前面所述的三相磁场、两相磁场和旋转直流磁场，并对它们进行坐标变换，就称为矢量坐标变换。矢量坐标变换必须要遵循以下原则：应遵循变换前后电流所产生的旋转磁场等效；应遵循变换前后两个系统的电动机功率不变。将原来坐标下的电压u和电流i变换为新坐标下的电压和电流，设它们有相同的变换矩阵C，可得： （2.1） （

56、2.2）因为，是阻抗矩阵，故： （2.3）上式中，是变换后的阻抗矩阵，它可以表示成： （2.4）为了满足功率不变的原则，在一个坐标下的电功率应该等于另一个坐标下的电功率，即： （2.5）而 （2.6）为了使式（2.5）与式（2.6）相同，必须有：或 （2.7）由此可得，变换矩阵C应该是一个正交矩阵。为了能实现逆变换，变换矩阵C必须存在逆变换，因此变换矩阵C必须是方阵，而且其行列式的值必须不等于零。三相两相变换（3/2变换）从三相平面静止坐标系0、A、B、C 系变换到两相平面静止坐标系0、 的变换，简称3/2 变换。图2.2所示是定子三相电动机绕组A、B、C的磁势矢量和两相电动机绕组、的磁势矢量

57、的空间位置关系。其中选定A轴与轴重合。图2.2 三相电动机绕组位置关系Figure 2.2 Three-phase motor winding location relation根据矢量坐标变换原则，两者的磁场应该完全等效，即合成磁势矢量分别在两个坐标系坐标轴上的投影应该相等。因此有： （2.8）也即： （2.9）式中，分别表示三相电动机和两相电动机定子每相绕组的有效匝数。式（2.9）用矩阵表示，即： （2.10）由于转换矩阵不是方阵，因此不能求逆阵。所以需要引进一个独立于和的新变量，称它为零轴电流。零轴是同时垂直于和轴的轴，因此形成、0轴坐标系。定义 （2.11）或 （2.12）式中，K为待

58、定系数。所以，式（2.10）改写成 （2.13）式中 （2.14）因此 （2.15）其转置矩阵 （2.16） 为了满足功率不变的变换原则，使。因此令式（2.14）与（2.16）相等，可求得 （2.17） 将式（2.17）代入式（2.15）得 （2.18）因此，三相变两相的变换式为 （2.19）三相变两相的逆变换式为： （2.20）对于三相绕组不带零线的星形接法，有，因此，分别代入式（2.19）、式（2.20），得： （2.21）两相两相旋转变换（2s/2r变换）将两相静止直角坐标系o、向两相旋转直角坐标0、M、T系转换称作两相-两相旋转变换，简称2s/2r变换，其中s表示静止，r表示旋转。图2

59、.3是定子电流矢量is在0 坐标系与0 M T旋转坐标系的投影。图2.3 电流矢量的投影Figure 2.3 Electric current vector projection图中，0MT坐标系以定子电流角频率速度在旋转。is与M轴的夹角为，M轴与轴的夹角为，因为M、T坐标系是旋转的，因此随时间在变化，是初始值。根据图2.3，可以得到、与、的关系为： （2.22）转换成矩阵关系式为： （2.23）式中，是两相旋转坐标系M、T到两相静止坐标系O 的变换矩阵。这是一个正交矩阵，因此有。所以从两相静止坐标系O 到两相旋转坐标系0MT的变换为： （2.24）式（2.23）、式（2.24）分别是定子绕

60、组的两相-两相变换和逆变换。假如定子三相电流为： （2.25）式中。I是定子电流有效值；是定子A相电流初始相位角。由： （2.26）将和式（2.25）代入式（2.23）进行变换得： （2.27）由式（2.27）可见，和都是直流量。因此，两相-两相变换也称交/直变换。其逆变换称为直/交变换。2.3变频器的选择变频器主要是由主电路、控制电路组成。变频调速系统结构图如下图2.4所示：整流电路平波电路逆变电路控制电路及指令电动机电源图2.4变频系统结构图Fig.2.4 set-up figure of frequency converters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，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，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”。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。2.3.1变频器的选择 变频器