【正文】 ________ 題目 _三相異步 電動(dòng)機(jī) 調(diào)速 閉環(huán) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) _______________________________________________________ 工作進(jìn)程 1 月 10 日 ~4 月 5 日 了解 電動(dòng)機(jī)調(diào)速 的基本原理 4 月 6 日 ~4 月 20 日 熟悉 S7300 軟件編程環(huán)境及組態(tài)王軟件 4 月 21 日 ~5 月 4 日 畫(huà)出組態(tài)王監(jiān)控畫(huà)面 5 月 5 日 ~5 月 20 日 編寫(xiě)并調(diào)試 電動(dòng)機(jī)調(diào) 速 控制程序 5 月 21 日 ~6 月 17 日 撰寫(xiě)畢業(yè)論文起 止 時(shí) 間 工 作 內(nèi) 容 主要參考書(shū)目 (資料 ) 主要參考書(shū)目 (資料 ) [1] 賈貴璽，張臣剛等 .高壓變頻調(diào)速技術(shù)的研究及其應(yīng)用 .天津：電氣傳動(dòng)， ， 1999， 14～ 17 [2] 吳洪洋，何湘寧 .高功率多電平 變換器的研究和應(yīng)用 .天津：電氣傳動(dòng)，,2020,7～ 12 [3] 陳伯時(shí)，謝鴻鳴 .交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制策略 .CAVD’99, 1～ 7 [4] 蘇彥民，李宏 .交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略 .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1998 主要儀器設(shè)備及材料 電動(dòng)機(jī) 及 S7300 軟件 、組態(tài)王軟件 論文 (設(shè)計(jì) )過(guò)程中教師的指導(dǎo)安排 每周三下午、周五下午 對(duì)計(jì)劃的說(shuō)明 西 安 郵 電 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )開(kāi)題報(bào)告 自動(dòng)化 學(xué) 院 自動(dòng)化 專(zhuān)業(yè) 07 級(jí) 03 班 課題名稱(chēng)：三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 苗曉強(qiáng) 學(xué)號(hào) 06071088 指導(dǎo)教師： 沈建冬 職稱(chēng) 講師 報(bào)告日期： 2020年 03月 30日 1． 本課題所涉及的問(wèn)題及應(yīng)用現(xiàn)狀綜述 在電力系統(tǒng)中，以電動(dòng)機(jī)為主電力傳動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防軍事以及日常生活中，其中很多場(chǎng)合有調(diào)速要求，如車(chē)輛、天梯、空調(diào)、機(jī)床及造紙機(jī)械等，而風(fēng)機(jī)、水泵等位了節(jié)約電能同樣也需要調(diào)速。 論文作者簽名： 時(shí)間： 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 時(shí)間： 年 月 日 西 安 郵 電 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )任務(wù)書(shū) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 職稱(chēng) 講師 院（系） 自動(dòng)化學(xué)院 專(zhuān)業(yè) 自動(dòng)化 題目 三相異步 電動(dòng)機(jī) 調(diào)速 閉環(huán) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 任務(wù)與要求 了解 電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本原理。 本人完全清楚本聲明的法律后果，申請(qǐng)學(xué)位論文和資料若有不實(shí)之處，本人愿承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。 繪制電氣原理圖、裝配圖、接線(xiàn)圖。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率和節(jié)能有著直接的關(guān)系。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以 n1 轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體開(kāi)始時(shí)是靜止的， 故轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向用右手定則判定）。 通過(guò)上述分析可以總結(jié)出電動(dòng)機(jī)工作原理為：當(dāng)電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組（各相差 120 度電角度），通入三相對(duì)稱(chēng)交流電后，將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流（轉(zhuǎn)子繞組是閉合 通路），載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下將產(chǎn)生電磁力，從而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，并且電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相同。 第八周至第九周： 編寫(xiě)控制程序，畫(huà)組態(tài)畫(huà)面。 4． 指導(dǎo)教師審閱意見(jiàn) 指導(dǎo)教師 (簽字 )： 年 月 日 說(shuō)明： 本報(bào)告必須由承擔(dān)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )課題任務(wù)的學(xué)生在畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 正式開(kāi)始的第 1 周周五之前獨(dú)立撰寫(xiě)完成，并交指導(dǎo)教師審閱。在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具備較高的轉(zhuǎn)換效率；二是 能夠 根據(jù)生產(chǎn)工藝 的具體 要求控制和 調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)朝智能化、網(wǎng)絡(luò)化和開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。同時(shí)，通過(guò)該設(shè)計(jì)，回顧大學(xué)知識(shí)，作為進(jìn)入社會(huì)的一次實(shí)踐，提高我們 對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力 。它的市場(chǎng)大，據(jù)報(bào)道，全球大約有 100 億以上各種電機(jī)在工作。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種新型器件和先進(jìn)的控制方法在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，很多場(chǎng)合直流電機(jī)正逐漸被交流電動(dòng)機(jī)所代替，因此有的學(xué)者認(rèn)為，在二十一世紀(jì)，直流電機(jī)將會(huì)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域消失，而異步電動(dòng)機(jī)和其它類(lèi)型的交流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍將逐步增加。 變頻調(diào)速?lài)?guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 我國(guó) 電機(jī) 的總裝機(jī)容量已達(dá) 4 億千瓦，年耗電量達(dá) 6000 億千瓦時(shí)，約占工業(yè)耗電量的 80%。因此，在國(guó)家十五計(jì)劃中， 電機(jī) 系統(tǒng)節(jié)能方面的投入將高達(dá) 500億元左右，所以變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)將有非常巨大的市場(chǎng)需求。國(guó)內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當(dāng) 今國(guó)際上先進(jìn)的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的成套部分在自行設(shè)計(jì)制造的成套裝置中采用外國(guó)進(jìn)口和合資企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備，自己開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，能為國(guó)內(nèi)外重大工程項(xiàng)目提供一流的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，在變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和研究上取得了很大的成績(jī)。 （ 2）功率器件發(fā)展迅速變頻調(diào)速技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。 （ 2）研究 編碼器 在電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)好的控制系統(tǒng)用 s73 編程實(shí)現(xiàn)控制。異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須從電網(wǎng)里吸收滯后性的無(wú)功功率，它的功率因數(shù)總是小于 1。例如： （ 1）按定子相數(shù)分，有單相、兩相、三相異步電動(dòng)機(jī)。 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 三相異步電動(dòng)機(jī)工作原理如下分析：當(dāng)向三相定 子繞組中通過(guò)入對(duì)稱(chēng)的三相交流電時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速 n1 沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電磁力對(duì)轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)。如圖 21（ a）中工作機(jī)械即負(fù)載特性曲線(xiàn)為線(xiàn) ML,通過(guò)調(diào)速裝置改變的電動(dòng)機(jī)特性曲線(xiàn)為線(xiàn) M M和 M3 與 線(xiàn) ML的交點(diǎn)分別為點(diǎn) 3，于此相對(duì)應(yīng)的角速度為 φ φ2 和 φ3，亦即電動(dòng)機(jī)將有不同的角速度值，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。其輸出量為轉(zhuǎn)矩 M 或角速度φ。在電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中主要反饋量有電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、磁通和轉(zhuǎn)子位置角等。從調(diào)速的本質(zhì)來(lái)看，不同的調(diào)速方式無(wú)非是改變交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)兩種。有轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速方法屬低效調(diào)速，如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法，能量就損耗在轉(zhuǎn)子回路中；電磁離合器的調(diào)速方法，能量損耗在離合器線(xiàn)圈中；液力偶合器調(diào)速，能量損耗在液力偶合器的油中。 （ 2）變頻調(diào)速方法 變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。 (3)串級(jí)調(diào)速方法 串級(jí)調(diào)速是指繞線(xiàn)式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢(shì)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。 (4)繞線(xiàn)式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法 繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動(dòng)機(jī) 在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。 (5)定子調(diào)壓調(diào)速方法 當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線(xiàn)，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。 調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。 (6)電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法 電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)由籠型電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵(lì)磁電源（控制器）三部分組成。電樞與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸聯(lián)接稱(chēng)主動(dòng)部分，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)；磁極用聯(lián)軸節(jié)與負(fù)載軸對(duì)接稱(chēng)從動(dòng)部分。 本方法適用于中、小功率，要求平滑動(dòng)、短時(shí)低速運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械。低速時(shí)，特性靜關(guān)率較高，相對(duì)穩(wěn)定性好。 (5)易于實(shí)現(xiàn)過(guò) 程自動(dòng)化。其中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢(shì)。此外，也限制了電機(jī)向高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)展。第四，直流電機(jī)的體積、重量、價(jià)格要比同等容量的交流電機(jī)大。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，選用電機(jī)時(shí)往往留有一定余量，電三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 機(jī)又不總是在最大負(fù)荷情況下運(yùn)行；如果利用變頻調(diào)速技術(shù)，輕載時(shí)，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，就能達(dá)到節(jié)電的目的。 采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。 在采用變頻調(diào)速時(shí)，需從工藝要求、節(jié)約效益、投資回收期等各方面考慮。如：機(jī)床，不僅可以省去復(fù)雜的齒輪變速箱，還能提高精度、滿(mǎn)足程序控制要求。圖 31 為三相變頻器的功能示意 圖，其輸入端接至頻率固定的三相交流電源，輸出端輸出的是頻率在一定范圍了連續(xù)可調(diào)的三相交流電，直接驅(qū)動(dòng)三相電動(dòng)機(jī)。 直 — 交部分： （ 1）逆變管 V3～ V6 組成逆變橋，它是變頻器的核心部分，它把 V1～ V6整流所得的直流電，再“逆變”成頻率可調(diào)的交流電。 （ 2）續(xù)流二極管 VD7～ VD12 器主要功能有： a 電動(dòng)機(jī)的繞組是電感性的，其電流具有無(wú)功分量 VD7～ VD12 為無(wú)功電路返回直流電源時(shí)提供“通道”。 變頻器容量的確定 變頻調(diào)速是通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于變頻器的容量確定至關(guān)重要。 計(jì)算出 Pb后，按變頻器產(chǎn)品目錄可選出具體規(guī)格。 雖然變頻調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也有其不利因素， 主要問(wèn)題是電流中含高次諧波較多，除對(duì)電網(wǎng)有污染外，也使電機(jī)自身增加損耗，引起電機(jī)發(fā)熱。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對(duì)式光電編碼器與增量式光 電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。不透光的 用 “1” 來(lái)表示。當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，扇區(qū)中透光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平 “0” ，遮光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平 “1” ，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。工作時(shí)，鑒向盤(pán)不動(dòng)，主光柵碼盤(pán)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤(pán)，通過(guò)主光柵碼盤(pán)和鑒向盤(pán)后由光敏二極管接收相位差 90o的近似正弦信號(hào)，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應(yīng)用方法做一下介紹?，F(xiàn)在假設(shè)檢測(cè)時(shí)間是 Tc，計(jì)數(shù)器的記錄的脈沖數(shù)是 M1 圖 33 M法測(cè)速法 在實(shí)際的測(cè)量中，時(shí)間 Tc 內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個(gè)脈沖的誤差。 M法測(cè)速適用于測(cè)量高轉(zhuǎn)速，因?yàn)閷?duì)于給定的光電編碼器線(xiàn)數(shù) N機(jī)測(cè)量時(shí)間 Tc 條件下，轉(zhuǎn)速越高，計(jì)數(shù)脈沖 M1越大，誤差也就越小。但轉(zhuǎn)速太低，一個(gè)編碼器輸出脈沖的時(shí)間太長(zhǎng) ，時(shí)鐘脈沖數(shù)會(huì)超過(guò)計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值而產(chǎn)生溢出 。采用 M/T 法既具有 M 法測(cè)速的高速優(yōu)點(diǎn)，又具有 T法測(cè)速的低速的優(yōu)點(diǎn)，能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍，測(cè)量的精度也較高，在電機(jī)的控制中有著十分廣泛的應(yīng)用。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在工業(yè)過(guò)程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID結(jié)構(gòu)，而且許多高級(jí)控制都是以 PID 控制為基礎(chǔ)的。PID 控制器是最簡(jiǎn)單且許多時(shí)候最好的控制器。比例控制器的傳遞函數(shù)為： ? ? PC SG K? （ 32） 式中， PK 稱(chēng)為比例系數(shù)或增益（ 視情況可設(shè)置為正或負(fù)），一些傳統(tǒng)的控制器又常用比例帶（ Proportional Band， PB），來(lái)取代比例系數(shù) PK ，比例帶是比例系數(shù)的倒數(shù)，比例帶也稱(chēng)為比例度。 比例微分 （ PD） 控制環(huán)節(jié) 具有比例加微分控制規(guī)律的控制稱(chēng)為 PD 控制， PD 的傳遞函數(shù)為： ? ? sPPC SG KK ??? （ 34） 其中， PK 為比例系數(shù)， ? 為微分常數(shù)， PK 與 ? 兩者都是可 調(diào)的參數(shù)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在客服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)震蕩或者不穩(wěn)定，其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）或有滯后的組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。另外，微分控制對(duì)純時(shí)控制環(huán)節(jié)不能改善控制品質(zhì)而具有放大高頻噪聲信號(hào)的缺點(diǎn)。 PID 控制通過(guò)積分作用消除誤差， 而微分控制可縮小超調(diào)量，加快反應(yīng)，是綜合了PI 與 PD 控制的長(zhǎng)處并去除其短處的控制。 閉 環(huán)變頻調(diào)速工作原理圖如圖 36所示。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類(lèi)，目前國(guó)內(nèi) 大都使用交－直－交變頻器。由此有 1111 fUfE ??? （ 37） 三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 所以，若外加電壓不變，則磁通隨頻率改變而改