【正文】 多場合有調速要求，如車輛、天梯、空調、機床及造紙機械等，而風機、水泵等位了節(jié)約電能同樣也需要調速。 第十一周至第十 三 周： 撰寫論文。 第二周至第五周： 掌握 變頻調速原理，設計控制系統(tǒng) 。轉子的載流導體在定子磁場中受到電磁力的作用（力的方向用左手定則判定）。由電動機、控制裝置就構成了電力傳動自動控制系統(tǒng)。電力傳動系統(tǒng)的控制性能和節(jié)能水平的不斷提高時其技術進步的主要內容，變頻調速技術及其系統(tǒng)的應用能夠使電力系統(tǒng)的控制性能和節(jié)能水平有較大的幅度的提高，這一點已經被大家所公認。 熟練掌握組態(tài)王 軟件。 西安郵電 大學 畢 業(yè) 設 計（論 文） 題 目： 三相異步電機調速閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 系 別： 自動化學院 專 業(yè)： 自動化專業(yè) 班 級： 自動 0703 班 學生姓名： 導師姓名： 職稱： 講師 起止時間： 2020 年 01 月 10 日 至 2020 年 06 月 17 日 畢業(yè)設計 （論文）誠信聲明書 本人聲明：本人所提交的畢業(yè)論文《 三相異步電機調速閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 》是本人在指導教師指導下獨立研究、寫作的成果，論文中所引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標注；對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式注明并表示感謝。 會使用組態(tài)王 軟件畫組態(tài)界面。在實際應用中，電動機作為把電能轉化成機械能的主要設備，一是要具備較高的轉 換效率；二是可以根據(jù)生產機械的工藝要求控制和調節(jié)電動機的轉速。 2． 本課題需要重點研究的關鍵問題、解決的思路及實現(xiàn)預期目標的可行性分析 三相異步電動機工作原理如下分析：當向三相定子繞組中通過入對稱的三相交流電時，就產生了一個以同步轉速 n1 沿定子和轉子內圓空間作順時針方向旋轉的旋轉磁場。電磁力對轉子軸產生電磁轉矩，驅動轉子沿著旋轉磁場方向旋轉。 第六周至第七周： 熟悉 S7300 軟件和組態(tài)王軟件。 第十 四 周：提交論文，并進行答辯。電力傳動系統(tǒng)的控制性能和節(jié)能水平 越來越被人們重視， 變頻調速技術 恰好 能夠使電力系統(tǒng)的控制性能和節(jié)能水平有較大的幅度的提高，這一點已經被大家所公認。由電動機、控制裝置 和反饋裝置 就構成了電力傳動自動控制系統(tǒng)。用 Profibus 總線控制電動機的調速，能更加精確的調節(jié)電動機的轉速，從而提高電動機的效率。電機調速是目 前電力電子技術應用的最大領域之一，具有極強的吸引力，同時也具有較強的挑戰(zhàn)性。雖然直流調速系統(tǒng)的理論和實踐應用比較成熟，但由于電動機的單機容量、最高轉 速及負載能力等主要技術指標受機 械轉向制約，限制了直流調速的發(fā)三相異步電機調速閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 2 展。 而我們要研究的就是如何 使 交流電機 的轉速 調速精度 高、 輸出性能 最佳。我國在用 電機 拖動系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當于發(fā) 達國家 50 年代水平。很多最先進的產品從發(fā)達國家進 口，在我國運行良好，滿足了我國生產和生活需要。 國外現(xiàn)狀 （ 1）市場有大量需求隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺，變頻器越來越廣泛地應用在冶金、機械、石油、化工、紡織、造紙、食品等各個行業(yè)以及風機、水泵等節(jié)能場合，并取得了顯著的經濟效益。 課題研究的主要工作 （ 1）本文主要研究電動機 閉環(huán) 調速控制，根據(jù)變頻調速原理，設計控制系統(tǒng)，使電動機的調速更精確、簡單、快速。 異步電動機 的優(yōu)點是 結構簡單、 容易制造、 運行可靠、價格低、 堅固耐用、運行效率較高且適用性強 ， 缺點是功率因數(shù)較差。 異步電動機的種類很多，從不同角度看，有不同的分類。 （ 3） 按有無換向器分，有無換向器異步電動機和換向器異步電動機。轉子的載流導體在定子磁場中受到電磁力的作用（力的方向用左手定則判定）。調速要靠改變電動 機的特性曲線來改變。電動機 M 是以一定轉矩和轉速帶動工作機械運動的受控對象，其主要空置量是定子側電壓 U電流 I頻率 f1或磁通Φ 1，或者轉子側電壓 U電流 I頻率 f2 或磁通Φ 2。反饋裝置用以檢驗和變換反饋信號。 圖 22 電動機調速系統(tǒng)的基本結構圖 三相異步電動機的調速方法 三相異步電動機轉速公式為： n=60f/p(1s) (21) 從上式可見，改變供電頻率 f、電動機的極對數(shù) p 及轉差率 s均可太到改變轉速的目的。 從調速時的能耗觀點來看，有高效調速方法與低效調速方法兩種：高效調速指時轉差率不變，因此無轉差損耗，如多速電動機、變頻調速以及能將轉差損耗回收的調速方法（如串級調速等）。 本方法適用于不需要無級調速的生產機械，如金屬切削機床、升降機、起重設備、風機、水泵等。 本方法適用于要求精度高、調速性能較好場合。 本方法適合于風機、水泵及軋鋼機、礦井提升機、擠壓機上使用。屬有級調速，機械特性較軟。為了擴大穩(wěn)定運行范圍，當調速在 2： 1 以上的場 合應采用反饋控制以達到自動調節(jié)轉速目的。 調壓調速一般適用于 100KW 以下的生產機械。電樞和后者沒有機械聯(lián)系，都能自由轉動。電磁調速電動機的調速特點： a裝置結構及控制線路簡單、運行可靠、維修方便； b調速平滑、無級調速； c對電網無諧影響； d速度失大、效率低。 (1)調速時平滑性好，效率高。 (4)變頻器體積小，便于安裝、調試、維修簡便。 交流電動機的調速方法有三種：變極調速、改變轉差率調速和變頻調速。例如：不能在有易爆氣體及塵埃多的場合使用。 第三，直流電機受換向器部分機械強度的約束，其額定轉速隨電機額定功率而減小，一般僅為每分鐘數(shù)百轉到一千多轉，而交流電機的達到每分鐘數(shù)千轉。另一方面，交流拖動本身存在可以挖掘的節(jié)電潛力。美國有 60%65%的發(fā)電量用于電機驅動，由于有效地利用了變頻調速技術，僅工業(yè)傳動用電就節(jié)約了 15%20%的電量。 (3)可實現(xiàn)軟啟、制動功能，減小啟動電流沖擊。 用變頻調速代替機械變速。 器 變頻器的功用 及原理 將頻率固定（通常為工頻 50Hz）的交流電（三相的或單相的）變換成頻率連續(xù)可調（多數(shù)為 0～ 400Hz）的三相交流電源。 （ 2）濾波電容器 Cf其功能是： a 濾平全波整流后的電壓紋波； b 當負載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。通過這種辦法，亦即實現(xiàn)了對的改變。在這交替導通和截止的換相過程中，也不時需要 VD7～ VD12 提供通路。 (2)公式法設安全系數(shù)取 ，則變頻器的容量 Pb 為 Pb= cosy(kW) 式中， Pm 為電機負載； hm 為電機功率。 (3)電機額定電流法變頻器變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率，但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少，通常都是設備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機的實際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過大，使投資增大。 編碼器 光電編碼器的介紹 及分類 光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的電機轉子的位置信息的。編碼盤 由透光部分和不透光部分組成 ， 透光的 用 “0” 來表示 。 按照碼盤上形成的碼道配置相應的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤、光敏二極管和驅動電子線路。 增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉軸轉動帶動在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此錯開 90o相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號。 光電編碼器的測量方法 光電編碼器在電機控制中可以用來測量電機轉子的磁場位置和機械位置以及轉子的磁場和機械位置的變化速度與變化方向。 M法又稱之為測頻法，其測速原理是在規(guī)定的檢測時間 Tc內，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數(shù)的測速方法，如圖 2所示，例如光電編碼器是 N線的，則每旋轉一周可以有 4N 個脈沖，因為兩路脈沖的上升沿與下降沿正好使編碼器信號 4 倍頻。由此可見，減小測量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。 圖 34 T方法測速原理 為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)，因此 T 法測速適用于低速運行的場合。 M/T 法測速是將 M 法和 T法兩種方法結合在一起使用，在一定的時間范圍內，同時對光電編碼器輸出的脈沖個數(shù) M1 和 M2進行計數(shù)，則電機每分鐘的轉速為 實際工作時，在固定的 Tc 時間內對光電編碼器的脈沖計數(shù)，在第一個光電編碼器上升沿定時器開始定時，同時開始記錄光電編碼器和時鐘脈沖數(shù)，定時器定時 Tc 時間到，對光電編碼器的脈沖停止計數(shù)，而在下一個光電編碼 器的上升沿到來時刻，時鐘脈沖才停止記錄。 在過去的幾十年里， PID 控制，也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制中得到廣泛的應用。 在科學技術尤其是計算機技術迅速發(fā)展的今天，雖然涌現(xiàn)出了許多新的控制方法，但 PID仍因其自身的優(yōu)點而得到廣泛的應用， PID 控制規(guī)律仍然是最普遍的控制規(guī)律。 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出與輸入的誤差信號成比例關系，當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)定誤差。 積分（ I）控制 具有積分控制規(guī)律的控制稱為積分控制，即 I 控制， I 控制的傳遞函數(shù)為： （ 33） 其中 iK 稱為積分系數(shù) 對 一個自動控制系統(tǒng)，如果進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “積分項”，積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大 使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此微分控制在任何情況下不能單獨與被? ? iC S SKG ?三相異步電機調速閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 17 控對象串聯(lián)使用，而只能構成 PD 或 PID 控制。因此對有較大慣性或滯后的被控對象，比例微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)性。 PI 控制器與被控對象串聯(lián)連接時，可以使系統(tǒng)的型別提高一級，而且還提供了兩個負實部的零點，與 PI控制器相比， PID 控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能的優(yōu)點外，還多提供了一個負實部的零點，因此在提高系統(tǒng)動態(tài)性能方面提供了很大的優(yōu)越性，在實際過程中， PID 控制器被廣泛使用。 通過 編碼器測速原理將電機當前的轉速采集送回給 PLC， PLC 將該反饋值與預設的電機轉速進行比較，輸出控制變頻器的大小，從而 改變異步電動機定子 的 頻率，從而改變電動機同步轉速， 該 調速 系統(tǒng) 基本上保持了異步電動機固有的機械特性硬度高、轉差率小的特點，同時具有效率高、調速范圍寬、精度高、調速平滑等優(yōu)點。 變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。又由異步電動機的電勢公式可知外加電壓近似與頻率和磁通的乘積成正比，即 ?11 fcEU ?? （ 36） 式中， c1為常數(shù)。 在電力電網中應用最普遍的是標準系列的普通籠型異步電。一般電機在設計中為了充分利用鐵心材料都把磁通Ф的數(shù)值選在接近磁飽和的數(shù)值上，因此，如果頻率從額定值（通常為 50 周 /秒）往下降低，磁通會增加，將造成磁路過飽和，勵磁電流增加，鐵心過熱，這是不允許的。其 主要 特點：效率高，調速過程中沒有附加損耗；應用范圍廣，可用于籠型異步電動機； 調速范圍大，特性硬，精度高；技術復雜，造價高，維護檢修困難。 圖 36閉環(huán) 變頻 調速 工作原理圖 從原則上講，改變極對數(shù) P，改變轉差率 s，改變頻率 f 都可以實現(xiàn)調速。從頻域角度看， PID 控制通過積分作用于系統(tǒng)的低頻段，以提 高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而微分作用于系統(tǒng)的中頻段，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 在實際應用中，當設定值有突變時，為了防止由于微分控制的突跳，常將微分控制環(huán)節(jié)設置在反饋回路中，這 種做法稱為微分先行，即微分運算只對測量信號進行，而不對設定信號進行。解決的方法是使抑制誤差變化的作用“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤 差的作用就應該是零。 在微分控制中，控制器的輸入與輸出誤差信號的的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 P 控制只改變系統(tǒng)的增益而不影響相位，它對系統(tǒng)的影響主要反映在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性上，增大比例系數(shù)可提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但這會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至