【正文】 ............................................................................................................................ 22 重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業(yè)論文 目錄 IV 參考文獻 ......................................................................................................................... 23 重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業(yè)論文 1 緒論 1 1 緒 論 本課題的背景及意義 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以及各種新型控制器件和先進控制方法在電機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，三相異步電機控制精度得到極大提高。電機的調(diào)速被廣泛的運用到我們的生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域中。近年來，我國的冰柜年銷量達 3000 多萬臺，每臺都需要電機調(diào)速控制，可見電機調(diào)速應(yīng)用的市場非常的巨大。直流電機由于其便于控制和控制精度比較高的特點，在很長一段時間內(nèi)被廣泛應(yīng)用，被人們認為難以被其他電機所取代。此外由于交流電機具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、高可靠性、運行方便可靠、環(huán)境適應(yīng)能力強、 高速低轉(zhuǎn)矩時運轉(zhuǎn)效率高 、 低速時有高轉(zhuǎn)矩，以及有寬泛的速度控制范圍 等優(yōu)點，過去直流電機占主導地位的調(diào)速傳動領(lǐng)域已逐漸被交流電機取代。 充分有效的利用能源已成為緊迫問題。其中最具代表性的就是電機控制。而在我國，電機的年耗電量達 6000 多億千瓦時，占工業(yè)生產(chǎn)的 80%以上。因此電機的變頻調(diào)速越來越受到人們的重視，同時對變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)也提出了高效率、高可靠性、多功能、智能化、小型化、低成本等要求。 異步電機變頻調(diào)速的發(fā)展概況 現(xiàn)代電力電子、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的 高速發(fā)展，以及控制理論的完善，各種工具的日漸成熟，尤其是專用集成電路近年來令人矚目的發(fā)展，促進了交流調(diào)速的不斷發(fā)展。 重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業(yè)論文 1 緒論 2 電力電子技術(shù)的發(fā)展 電力電子器件是現(xiàn)代交流調(diào)速裝置的基礎(chǔ)，其發(fā)展直接決定和影響交流調(diào)速的發(fā)展。 70 年代出現(xiàn)巨型晶體管 GTR 和功率場效應(yīng)晶體管 MOSFET。 90 年代出現(xiàn)智能功率模塊 IPM。 GTO 是高壓大電流全控型功率器件，容量大，但關(guān)斷能耗大。 MOSFET 是電壓型驅(qū)動器件，開關(guān)頻率高，驅(qū)動頻率小，安全工作區(qū)大，但是耐壓不高。 IPM 是先進的混合集成功 率器件，出高速低耗的 IGBT 和優(yōu)化的門級驅(qū)動及保護電路構(gòu)成，采用了有電流傳感器功能的 IGBT，能連續(xù)監(jiān)控功率器件電流，從而實現(xiàn)高效的過電流保護，由于 IPM 集成了過熱保護電路和鎖定保護電路，系統(tǒng)可靠性得到進一步提高。具體來說，其控制曲線會隨著負載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電壓利用率低，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等 。 隨后發(fā)展的轉(zhuǎn)差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)雖然說基本上解決了異步電機平滑調(diào)速的問題，同時也基本上具備了直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)也不算復(fù)雜，已經(jīng)能夠滿足許多工業(yè)應(yīng)用的要求。原因在于其控制系統(tǒng)規(guī)律是從異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式推導出的平均值控制，在忽略了過渡過程的前提下做出較強的假設(shè)，這就使得設(shè)計結(jié)果與實際相差很大，系重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業(yè)論文 1 緒論 3 統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動及動態(tài)響應(yīng)方面的性能還不能 滿足工業(yè)系統(tǒng)的需求。德國西門子公司的 等提出的“感應(yīng)電動機磁場定向控制原理”和美國 和 提出的“感應(yīng)電機定子電壓坐標變換控制”奠定了矢量控制的基礎(chǔ)。氣候，隨著現(xiàn)代控制理論、微處理技術(shù)電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)進入了伺服控制的高精度領(lǐng)域，而且實 現(xiàn)了無速度傳感器的矢量控制。 第三階段 直接轉(zhuǎn)矩控制 1985 年德國魯爾大學 Pembroke 教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（ DTC）。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系計算與控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助離散的兩點式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生脈寬調(diào)制（ PWM）信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，一獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受 參數(shù)變化影響的問題。同時，直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的控制也較復(fù)雜，造價較高。 重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業(yè)論文 2 PLC的運用和發(fā)展 4 2 PLC 的運用和發(fā)展 的歷史和發(fā)展 世界上公認的第一臺 PLC 是 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)研制的。 20 世紀 70年代中期，可編程控制器進入了實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)己全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。20 世紀 80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中己獲得了廣泛的應(yīng)用。這些帶 CPU 和存儲器的智能 I/O 模塊，既擴展了PLC 功能，又使用靈活方便，擴大了 PLC 應(yīng)用范圍。 PLC 的特點與應(yīng)用 PLC 是 一種專門為了在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作裝置。 PLC及有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按 照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴展其功能的原則而設(shè)計。 ，抗干擾能力強。 ，使系統(tǒng)組合靈活方便。 。 、調(diào)試方便、維護工作量小 目前， PLC 在國內(nèi)己廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通、環(huán)保及文 化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類 : (一 ) 開關(guān)量的邏輯控制 重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業(yè)論文 2 PLC的運用和發(fā)展 5 這是 PLC 最基本最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，又可用于多機群控及自動化流水線 . (二 ) 數(shù)據(jù)處理 PLC 可以用于對直線運動或圓周運動的位置速度和加速度的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用開關(guān)量 I/0 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動模塊。 (四 ) 過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。 (五 ) 控制網(wǎng)絡(luò)（通信） 隨著計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展，近年來工廠自動化通信聯(lián)網(wǎng)發(fā)展得很快，各個著名的 PLC 生產(chǎn)廠商推出了自己網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它是一種存儲程序的控制器，用戶根據(jù)某一對象的具體控制要求，編制好控制程序后，用編程器將程序鍵入到 PLC 的 用戶程序存儲器中寄存。 （ 一 ） 輸入采樣 PLC在開始執(zhí)行程序之前，首先掃描輸入端子，按順序?qū)⑺休斎胄盘?，讀入到寄存輸入狀態(tài)的輸入映像寄存器中，這個過程稱為輸入采樣。在本工作周期內(nèi)這個采樣結(jié)果的內(nèi)容不會改變，只有到下一個掃描周期輸入采樣階段才被刷新。再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映像寄存器中保存。 （ 三 ） 輸出刷新 在執(zhí)行到 END 的命令時，即執(zhí)行完用戶所有的程序后， PLC將輸出映像寄存器中的內(nèi)容送到輸出鎖存器中進行輸出，驅(qū)動用戶設(shè)備。其中 NS 是一對磁極，在兩個磁極中間裝有一個能夠轉(zhuǎn) 動的圓柱形鐵芯，在鐵芯的外圓槽內(nèi)嵌放有封閉的導條。由于轉(zhuǎn)子導條的兩端由端環(huán)聯(lián)通而形成閉合電路，因而在導條中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，其方向與導條中的感應(yīng)電動勢方向一致。 圖 31三相異步電機轉(zhuǎn)動原理圖 用 n 表示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，用 n1 表示磁 場的轉(zhuǎn)速（又稱同步轉(zhuǎn)速），則 n 總小于n1。 通常，把同步轉(zhuǎn)速 n1 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n的差與 n1 的比值稱為異步電動機的轉(zhuǎn)差率，用s表示，即 基本結(jié)構(gòu) （一）定子鐵芯 11n nns ??重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業(yè)論文 3 三相異步電機及其數(shù)學模型 7 圖 32三相異步電機結(jié)構(gòu)圖 定子鐵芯是異步電動機磁路的一部分，裝在機座里。定子鐵芯內(nèi)表面開有槽，槽內(nèi)放置定子繞組（也叫電樞繞組）。 定子繞組 三組用漆包線繞制好的，對稱地嵌入定子鐵心槽內(nèi)的相同的線圈。 機座 機座用鑄鐵或鑄鋼制成，其作用是固定鐵心和繞組 （二）定子繞組 定子繞組用來通 入交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，有絕緣的銅線或鋁線繞成，嵌放在定子鐵芯的槽內(nèi)，放入半開口槽內(nèi)的成型線圈有高強度的漆包扁鋁線或扁銅線，或用玻璃絲包扁銅線繞成。 （三）轉(zhuǎn)子鐵芯 是用 厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉(zhuǎn)軸上，作用和定子鐵心相同，一方面作為電動機磁路的一部分，一方面用來安放轉(zhuǎn)子繞組。 轉(zhuǎn)子繞組 轉(zhuǎn)子繞組有兩種形式： 鼠籠式 鼠籠式異步電動機。 轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)軸上加機械負載 （四）轉(zhuǎn)子繞組 異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組分為繞線形與籠形兩種，由此分為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機與籠形異步電動機。端蓋除了起防護作用外，在端蓋上還裝有軸承，用以支撐轉(zhuǎn)子軸。并接成星形與三相電源 U、 V、 W 相聯(lián)。 圖 33三相異步電動機定子接線圖 重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業(yè)論文 3 三相異步電機及其數(shù)學模型 9 圖 34 旋轉(zhuǎn)磁場的形成 tIi mu ?sin? ? ?0120s in ?? tIi mv ? ? ?01 2 0s in ?? tIi mw ? 當 t=00 時， 0Ai ? ， AX 繞組中無電流； Bi 為負， BY 繞組中的電流從 Y 流入B1 流出； Ci 為正， CZ 繞組中的電流從 C 流入 Z 流出； 當 t=1200 時， 0Bi ? ， BY繞組中無電流； Ai 為正， AX 繞組中的電流從 A 流入 X流出； Ci 為負， CZ 繞組中的電流從 Z 流入 C 流出；當 t=2400 時， 0Ci ? ， CZ 繞組中無電流； Ai 為負， AX 繞組中的電流從 X 流入 A 流出； Bi 為正， BY 繞組中的電流從 B 流入 Y 流出；由此可見，當定子繞組中的電流變化一個周期時，合成磁場也按電流的相序方向在空間旋轉(zhuǎn)一周。 （二）旋轉(zhuǎn)磁場的方向 旋轉(zhuǎn)磁場的方向是由三相繞組中電流相序決定的，若想改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向，只要改變通入定子繞組的電流相序，即將三根電源線中的任意兩根對調(diào)即可。 三相異步電機轉(zhuǎn)矩特性與機械特性 電磁轉(zhuǎn)矩（簡稱