【正文】 度，但這會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此，在系統(tǒng)校正和設(shè)計中， P控制一般不單獨使用。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(yīng)該是零。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。其 主要 特點：效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動機(jī)； 調(diào)速范圍大，特性硬，精度高；技術(shù)復(fù)雜，造價高，維護(hù)檢修困難。 在電力電網(wǎng)中應(yīng)用最普遍的是標(biāo)準(zhǔn)系列的普通籠型異步電。 變頻調(diào)速是改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。 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(fù)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(fù)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。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(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 17 控對象串聯(lián)使用，而只能構(gòu)成 PD 或 PID 控制。 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(guān)系，當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)定誤差。 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(yīng)用。 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(nèi)，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(zhuǎn)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。 增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，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。編碼盤 由透光部分和不透光部分組成 ， 透光的 用 “0” 來表示 。 (3)電機(jī)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(jī)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(jī)的額定功率，但實際匹配中要考慮電機(jī)的實際功率與額定功率相差多少，通常都是設(shè)備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機(jī)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。在這交替導(dǎo)通和截止的換相過程中，也不時需要 VD7～ VD12 提供通路。 （ 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(dāng)負(fù)載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。 用變頻調(diào)速代替機(jī)械變速。美國有 60%65%的發(fā)電量用于電機(jī)驅(qū)動，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動用電就節(jié)約了 15%20%的電量。 第三，直流電機(jī)受換向器部分機(jī)械強(qiáng)度的約束，其額定轉(zhuǎn)速隨電機(jī)額定功率而減小，一般僅為每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)到一千多轉(zhuǎn)，而交流電機(jī)的達(dá)到每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)。 交流電動機(jī)的調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。 (1)調(diào)速時平滑性好，效率高。電樞和后者沒有機(jī)械聯(lián)系，都能自由轉(zhuǎn)動。為了擴(kuò)大穩(wěn)定運行范圍，當(dāng)調(diào)速在 2： 1 以上的場 合應(yīng)采用反饋控制以達(dá)到自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速目的。 本方法適合于風(fēng)機(jī)、水泵及軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、擠壓機(jī)上使用。 本方法適用于不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。 圖 22 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖 三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法 三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式為： n=60f/p(1s) (21) 從上式可見，改變供電頻率 f、電動機(jī)的極對數(shù) p 及轉(zhuǎn)差率 s均可太到改變轉(zhuǎn)速的目的。電動機(jī) M 是以一定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速帶動工作機(jī)械運動的受控對象，其主要空置量是定子側(cè)電壓 U電流 I頻率 f1或磁通Φ 1，或者轉(zhuǎn)子側(cè)電壓 U電流 I頻率 f2 或磁通Φ 2。轉(zhuǎn)子的載流導(dǎo)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）。 異步電動機(jī)的種類很多，從不同角度看，有不同的分類。 課題研究的主要工作 （ 1）本文主要研究電動機(jī) 閉環(huán) 調(diào)速控制，根據(jù)變頻調(diào)速原理，設(shè)計控制系統(tǒng)，使電動機(jī)的調(diào)速更精確、簡單、快速。很多最先進(jìn)的產(chǎn)品從發(fā)達(dá)國家進(jìn) 口，在我國運行良好，滿足了我國生產(chǎn)和生活需要。 而我們要研究的就是如何 使 交流電機(jī) 的轉(zhuǎn)速 調(diào)速精度 高、 輸出性能 最佳。電機(jī)調(diào)速是目 前電力電子技術(shù)應(yīng)用的最大領(lǐng)域之一，具有極強(qiáng)的吸引力，同時也具有較強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。由電動機(jī)、控制裝置 和反饋裝置 就構(gòu)成了電力傳動自動控制系統(tǒng)。 第十 四 周：提交論文，并進(jìn)行答辯。電磁力對轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)。在實際應(yīng)用中，電動機(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；二是可以根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 西安郵電 大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 題 目： 三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 系 別： 自動化學(xué)院 專 業(yè)： 自動化專業(yè) 班 級： 自動 0703 班 學(xué)生姓名： 導(dǎo)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(shè)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(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 》是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨立研究、寫作的成果，論文中所引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標(biāo)注；對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式注明并表示感謝。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(shù)進(jìn)步的主要內(nèi)容，變頻調(diào)速技術(shù)及其系統(tǒng)的應(yīng)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(jīng)被大家所公認(rèn)。轉(zhuǎn)子的載流導(dǎo)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）。 第十一周至第十 三 周： 撰寫論文。為了 更精確和實時地 控制電動機(jī)的 轉(zhuǎn)速及運行 ，需要為電動機(jī)配上控制裝置 （如 PLC）和反饋裝置（如編碼器） 。智能控制理論的應(yīng)用和電力電子器件的技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)的迅速更新是推動電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)不斷進(jìn)步的動力。 從前面的敘述我們可以看出，與直流電機(jī)相比， 異步電機(jī)具有適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、容易實現(xiàn)高速和大容量化等特點，因此 未來電機(jī) 調(diào)速傳動領(lǐng)域， 將以 異步電動機(jī)等交流電機(jī) 為主 。隨著改革開放，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，形成了一個巨大的市場，它既對國內(nèi)企業(yè)，也對外國公司敞開。 （ 3）控制理論和微 電子技術(shù)的支持在現(xiàn)代自動化控制領(lǐng)域中，以現(xiàn)代控制論為基礎(chǔ)，融入模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等新的控制理論為高性能變頻調(diào)速提供了理論基礎(chǔ)； 16 位、 32 位高速微處理器以及信號處理器 (DSP)和專用集成電路 (ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展，則為實現(xiàn)變頻調(diào)速的高精度、多功能提供了硬件手段。 目前，異步電動機(jī)的電力拖動已被廣泛地應(yīng)用在各個工業(yè)電氣自動化領(lǐng)域中。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體兩端被短路環(huán)短接，在感應(yīng)電動勢的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動勢方向基本一致的感生電流。 （ a）調(diào)速時的特性曲線 （ b）負(fù)載變化時的特性曲線 21 電動機(jī)調(diào)速變化曲線 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 圖 22示出電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要組成部分。 在要求不很高的場合，沒有反饋裝置而采用開環(huán)控制，但前提是電機(jī)本身應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定性和可調(diào)性。 （ 1）變極對數(shù)調(diào)速方法 這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接紅方 式來改變籠型電動機(jī)定子極對數(shù)達(dá)到調(diào)三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 7 速目的，特點如下： a具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好； b 無轉(zhuǎn)差損耗，效率高；接線簡單、控制方便、價格低；有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速； c可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式 ，串級調(diào)速可分為電機(jī)串級調(diào)速、機(jī)械串級調(diào)速及晶閘管串級調(diào)速形式，多采用晶閘管串級調(diào)速，其特點為： a可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高； b裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速 70％－ 90％的生產(chǎn)機(jī)械上； c調(diào)速裝置故障時可以切換至全速運行，避免停產(chǎn)； d晶閘管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機(jī)，或者在繞線式電動機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。 電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞、磁極和勵磁繞組三部分組成。在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實現(xiàn)過程自動化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。 (7)在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機(jī)的過載能力大為降低。 第二，直流電機(jī)由于受換向限制，其電樞電壓最高只能做到一千多伏，而交流電機(jī)可做到 610kV。 交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國已得到廣 泛應(yīng)用。如：包裝機(jī)傳送系統(tǒng)，根據(jù)不同品種的產(chǎn)品，需要改變系統(tǒng)傳送速度，使用變頻調(diào)速可使調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制準(zhǔn)確，并易于實現(xiàn)程序控制。 交 — 直部分： （ 1）整流管 VD1～ VD6 組成三相整流橋，它將三相交流電源全波整流成脈動直流。 cV1～ V6 進(jìn)行逆變的基本工作過程是，統(tǒng)一橋 臂的兩個逆變管，處于不停地交替導(dǎo)通和截止的狀態(tài)。在任何情況下，都不能在連續(xù)使三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 12 用時超過額定電流 I。編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。它是由光源、透鏡、三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 13 主 光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。具體的測速方法有 M法、 T 法和 M/T 法 3 種。例如時鐘頻率為 fclk,計數(shù)器記錄的脈沖數(shù)為 M2，光電編碼器是 N線的，每線輸出 4N個脈沖 。測量關(guān)心的是變量，并與期望值相比較，以此誤差來糾正和控制系統(tǒng)的響應(yīng)，反饋理論及其在自動控制中應(yīng)用的關(guān)鍵是：做出正確的測量與比較后，如何用于系統(tǒng)的糾正與調(diào)節(jié)。由此可見， 在過程控制中，PID 控制的重要性是顯然的。微分控制反映誤差的變化率，只要誤差隨時間變化時，微分控制才會對系統(tǒng)起作用，而對無變化或緩慢變化的對象不起作用。 比例積分 微分 （ PID）控制 具有比例 +積分 +微分控制規(guī)律的控制稱為比例積分微分控制，即 PID 控制， PID 控制點傳遞函數(shù)為： （ 35） 其中， PK 為比例系數(shù)， iT 為積分時間常數(shù)， ? 為微分時間常數(shù)，三者都是可調(diào)的參數(shù)。對異步電機(jī)而言，以上三種方式雖都可以采用，但變極對數(shù)的調(diào)速是有級調(diào)速（不能實現(xiàn)平滑調(diào)速），電磁調(diào)速、轉(zhuǎn)子變阻調(diào)速都是耗能型調(diào)速方法，所以只有變頻調(diào)速是最理想的調(diào)速方法。為此我們要在降頻的 同時還要降壓，這就要求頻率與電壓能協(xié)調(diào)控制。 改變定子電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 1() PPPC iSSSKG KKT ?? ? ?三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 18 三相異步電動機(jī)的 閉環(huán) 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)原理 分析 三相異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由西門子 300PLC、 變頻器、編碼器、 異步電動機(jī) 等構(gòu)成。 這就是說，在控制中引入“比例”項是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有“比例 +微分”的控制器，就能提前使抑制誤差的作用等于零甚至為負(fù)值，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 具有比例控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖 36 所示 三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 16 圖 35具有比例控制器的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖 假定 ? ? ? ? ? ? ? ?011 2 1 5 1S S S SG ? ? ? ?， ? ?HS為單位反饋，如果用 MATLAB 做出系統(tǒng)在不同的 PK 取值下的階躍響應(yīng)曲線，我們就能看出，隨著 PK 值的增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，超調(diào)量也隨之增加，調(diào)解時間也隨之增長，而且 PK 增大到一定值后，閉環(huán)將趨于 不穩(wěn)定。在很多情況下， 并不一定需要三個單元，可以取其中一到兩個單元，不過比例控制單元是必不可少的。與 M 法測速一樣，選用線數(shù)較多的光電編碼器可以提高對電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的