【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ck but speed is very difficult, but with ac frequency conversion technology development, through the inverter to change the frequency of the alternating current, which changes ac motor speed control, this topic is mainly controlled by PLC inverter to the realization of the motor speed control, encoder, . signal feedback closedloop control to achieve such realtime feedback motor for the current speed PLC for puting, which makes the motor speed control is more accurate, reaction, through the system more realtime configuration simulation we can clearly see the superiority of the control system. Keywords: threephase asynchronous motor, encoders, Siemens S7300 transducer. 三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 課題研究的意義 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。電力傳動(dòng)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(diào)速技術(shù) 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(diǎn)已經(jīng)被大家所公認(rèn)。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。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。為了 更精確和實(shí)時(shí)地 控制電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)速及運(yùn)行 ，需要為電動(dòng)機(jī)配上控制裝置 （如 PLC）和反饋裝置（如編碼器） 。由電動(dòng)機(jī)、控制裝置 和反饋裝置 就構(gòu)成了電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。 現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)朝智能化、網(wǎng)絡(luò)化和開放式結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。本設(shè)計(jì)也將把現(xiàn)場(chǎng)總線通信與變頻控制技術(shù)統(tǒng)一起來， 對(duì) 該電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)監(jiān)控，將推動(dòng)交流電機(jī)群控制技術(shù)以及設(shè)備遠(yuǎn)程控制技術(shù)的發(fā)展。 Profibus 作為一種通用的現(xiàn)場(chǎng)總線，已經(jīng)得到很廣泛的應(yīng)用，很多廠商 的工控器、 plc、變頻器、智能 I/O 與 A/D 模塊具備 profibus通訊接口。用 Profibus 總線控制電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，能更加精確的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而提高電動(dòng)機(jī)的效率。同時(shí)，通過該設(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 。 電動(dòng)機(jī)調(diào)速發(fā)展現(xiàn)狀 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展實(shí)際上是依賴 電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī) 控制、 現(xiàn)代控制理論和逆變技術(shù) 以及交流電動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展。智能控制理論的應(yīng)用和電力電子器件的技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速更新是推動(dòng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)不斷進(jìn)步的動(dòng)力。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(shí)也具有較強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。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。 2020 年我國空調(diào)的產(chǎn)量已達(dá)到 5500 萬臺(tái)，僅此一項(xiàng)說明市場(chǎng)已非常龐大；另外，其應(yīng)用 領(lǐng)域及其廣泛，例如數(shù)控機(jī)床、電梯、電力機(jī)車、家用電器、 汽車、航空航天、船舶、造紙和紡織 行業(yè)等 。直流電機(jī)由于其轉(zhuǎn)矩便于控制，因此它作為調(diào)速電動(dòng)機(jī)的代表在 20 世紀(jì)的大部分年代廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。雖然直流調(diào)速系統(tǒng)的理論和實(shí)踐應(yīng)用比較成熟，但由于電動(dòng)機(jī)的單機(jī)容量、最高轉(zhuǎn) 速及負(fù)載能力等主要技術(shù)指標(biāo)受機(jī) 械轉(zhuǎn)向制約，限制了直流調(diào)速的發(fā)三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 展。 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)和其它類型的交流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍將逐步增加。特別是鼠籠型交流異步電動(dòng)機(jī)，由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，價(jià)格低廉，體積?。ㄅc同容量的直流電動(dòng)機(jī)相比），并且堅(jiān)固耐用，具有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)領(lǐng)域中廣泛使用的一種電氣設(shè)備。 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(jiǎn)單、價(jià)格低廉、容易實(shí)現(xiàn)高速和大容量化等特點(diǎn)，因此 未來電機(jī) 調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域， 將以 異步電動(dòng)機(jī)等交流電機(jī) 為主 。 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。 變頻調(diào)速國內(nèi)外現(xiàn)狀 國內(nèi)現(xiàn)狀 我國 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%。作為能源消耗大戶之一的 電機(jī) 在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國各類在用電機(jī) 中， 80%以上為 以下的中小型異步電動(dòng)機(jī)。我國在用 電機(jī) 拖動(dòng)系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā) 達(dá)國家 50 年代水平。因此，在國家十五計(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)在我國將有非常巨大的市場(chǎng)需求?，F(xiàn)在，我國有 200 家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。隨著改革開放，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，形成了一個(gè)巨大的市場(chǎng)，它既對(duì)國內(nèi)企業(yè)，也對(duì)外國公司敞開。很多最先進(jìn)的產(chǎn)品從發(fā)達(dá)國家進(jìn) 口，在我國運(yùn)行良好，滿足了我國生產(chǎn)和生活需要。國內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當(dāng) 今國際上先進(jìn)的產(chǎn)品，國內(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進(jìn)口和合資企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備，自己開發(fā)應(yīng)用軟件，能為國內(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)。但應(yīng)看到，由于國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對(duì)國外公司的依賴仍很嚴(yán)重。 很多國內(nèi)生產(chǎn)制造的產(chǎn)品（如家電）還是與國外的產(chǎn)品有著一定的差距，究其原因還是我們國內(nèi)的變頻核心技術(shù)有待提高，不管是從節(jié)約能源的角度出發(fā)還是從使中國國內(nèi)產(chǎn)業(yè)超越國外產(chǎn)品出發(fā) ，研究變頻調(diào)速這一課題已刻不容緩。 國外現(xiàn)狀 （ 1）市場(chǎng)有大量需求隨著工業(yè)自動(dòng)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(yīng)用在冶金、機(jī)械、石油、化工、紡織、造紙、食品等各個(gè)行業(yè)以及風(fēng)機(jī)、水泵等節(jié)能場(chǎng)合，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 （ 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。近年來，三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 高電壓、大電流的 SCR、 GTO、 IGBT、 IGCT 以及智能模塊 IPM (IntelligentPower Module) 等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。 （ 3）控制理論和微 電子技術(shù)的支持在現(xiàn)代自動(dòng)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(hào)處理器 (DSP)和專用集成電路 (ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展，則為實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的高精度、多功能提供了硬件手段。 課題研究的主要工作 （ 1）本文主要研究電動(dòng)機(jī) 閉環(huán) 調(diào)速控制，根據(jù)變頻調(diào)速原理，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，使電動(dòng)機(jī)的調(diào)速更精確、簡(jiǎn)單、快速。 （ 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。 （ 3）對(duì)控制方案進(jìn)行 組態(tài)監(jiān)控， 確定其可行性 和系統(tǒng)運(yùn)行情況 。 三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 2 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理 及方法 異進(jìn)電 動(dòng)機(jī)的 簡(jiǎn)介 與分類 異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子繞組接到交流電源上，轉(zhuǎn)子繞組自身短路，由于電磁感應(yīng)的關(guān)系，在轉(zhuǎn)自繞組中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)、電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所以，異步電機(jī)又叫感應(yīng)電機(jī)。 異步電動(dòng)機(jī) 的優(yōu)點(diǎn)是 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 容易制造、 運(yùn)行可靠、價(jià)格低、 堅(jiān)固耐用、運(yùn)行效率較高且適用性強(qiáng) ， 缺點(diǎn)是功率因數(shù)較差。異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須從電網(wǎng)里吸收滯后性的無功功率，它的功率因數(shù)總是小于 1。但電網(wǎng)的功率因數(shù)可以別的 方法進(jìn)行補(bǔ)償，所以并不妨礙異步電機(jī)的廣泛使用。 目前，異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)已被廣泛地應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)電氣自動(dòng)化領(lǐng)域中。 異步電動(dòng)機(jī)的種類很多，從不同角度看，有不同的分類。例如： （ 1）按定子相數(shù)分，有單相、兩相、三相異步電動(dòng)機(jī)。 （ 2）按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分，有繞線式異步電動(dòng)機(jī)和鼠籠式異步電機(jī)。其中鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)又包括單鼠籠異步電動(dòng)機(jī)、雙鼠籠異步電動(dòng)機(jī)及深槽式異步電動(dòng)機(jī)。 （ 3） 按有無換向器分，有無換向器異步電動(dòng)機(jī)和換向器異步電動(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 子繞組中通過入對(duì)稱的三相交流電時(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)針方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以 n1 轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體開始時(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）。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體兩端被短路環(huán)短接，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向基本一致的感生電流。轉(zhuǎn)子的載流導(dǎo)體在定子磁場(chǎng)中受到電磁力的作用（力的方向用左手定則判定）。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)。 通過上述分析可以總結(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。 三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速 調(diào)速原理 調(diào)速即速度調(diào)節(jié)或速度控制，是通過改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)、結(jié)構(gòu)或外加電氣量（如供電電壓、電流的大小或頻率）來改變電動(dòng)機(jī)的速度，以滿足工作機(jī)械的要求。調(diào)速要靠改變電動(dòng) 機(jī)的特性曲線來改變。如圖 21（ a）中工作機(jī)械即負(fù)載特性曲線為線 ML,通過調(diào)速裝置改變的電動(dòng)機(jī)特性曲線為線 M M和 M3 與 線 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。與此相反，不改變電動(dòng)機(jī)的特性，而靠改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩雖也可以使速度變化，如圖 21（ b）中負(fù)載轉(zhuǎn)矩由 ML1 增加到 ML ML3 雖也可以使電動(dòng)降速，但這不是調(diào)速，而屬于擾動(dòng)，一般是不希望的，并且是要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)速所要克服的重要問題。 （ a）調(diào)速時(shí)的特性曲線 （ b）負(fù)載變化時(shí)的特性曲線 21 電動(dòng)機(jī)調(diào)速變化曲線 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 圖 22示出電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要組成部分。電動(dòng)機(jī) M 是以一定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速帶動(dòng)工作機(jī)械運(yùn)動(dòng)的受控對(duì)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。其輸出量為轉(zhuǎn)矩 M 或角速度φ。變流裝置將具有一定電壓、電流和頻率的電源能量變換為 具有可調(diào)電壓、可調(diào)電流或可調(diào)頻率電源能量的功率裝置，起電能變換和控制作用。調(diào)節(jié)裝置用于按照一定規(guī)律控制變流裝置能量 的流動(dòng)，通過硬件或軟件產(chǎn)生滿足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系統(tǒng)的靜態(tài)性能。反饋裝置用以檢驗(yàn)和變換反饋信號(hào)。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?？刂蒲b置時(shí)根據(jù)給定信號(hào)和反饋信三相異步電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 號(hào)產(chǎn)生所需要的控制指令和偏差信號(hào)。 在要求不很高的場(chǎng)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。 圖 22 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 三相異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù) p 及轉(zhuǎn)差率 s均可太到改變轉(zhuǎn)速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來看，不同的調(diào)速方式無非是改變交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)兩種。 在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級(jí)調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速的有改變定子極對(duì)數(shù)的多速電動(dòng)機(jī)，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào) 速有能無換向電動(dòng)機(jī)調(diào)速等。 從調(diào)速時(shí)的能耗觀點(diǎn)來看，有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種：高效調(diào)速指時(shí)轉(zhuǎn)差率不變，因此無轉(zhuǎn)差損耗，如多速電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速以及能將轉(zhuǎn)差損耗回收的