畢業設計三相異步電機的遠程控制完整版(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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. 三相異步電機調速閉環控制系統設計 1 1 緒論 課題研究的意義 在電力系統中，以電動機為主電力傳動系統廣泛應用于工農業生產、交通運輸、國防軍事以及日常生活中，其中很多場合有調速要求，如車輛、天梯、空調、機床及造紙機械等，而風機、水泵等位了節約電能同樣也需要調速。電力傳動系統的控制性能和節能水平 越來越被人們重視， 變頻調速技術 恰好 能夠使電力系統的控制性能和節能水平有較大的幅度的提高，這一點已經被大家所公認。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 能夠 根據生產工藝 的具體 要求控制和 調節電動機的轉速。電動機的調速性能對提高產品的質量、提高勞動生產效率和節能有著直接的關系。為了 更精確和實時地 控制電動機的 轉速及運行 ，需要為電動機配上控制裝置 （如 PLC）和反饋裝置（如編碼器） 。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。 現代工業控制系統朝智能化、網絡化和開放式結構的方向發展。本設計也將把現場總線通信與變頻控制技術統一起來， 對 該電機閉環調速系統進行組態監控，將推動交流電機群控制技術以及設備遠程控制技術的發展。 Profibus 作為一種通用的現場總線，已經得到很廣泛的應用，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 總線控制電動機的調速，能更加精確的調節電動機的轉速，從而提高電動機的效率。同時，通過該設計，回顧大學知識，作為進入社會的一次實踐，提高我們 對知識的應用能力 。 電動機調速發展現狀 電動機調速系統的發展實際上是依賴 電力電子技術、計算機 控制、 現代控制理論和逆變技術 以及交流電動機制造技術的發展。智能控制理論的應用和電力電子器件的技術、計算機控制技術的迅速更新是推動電機調速系統不斷進步的動力。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性。它的市場大，據報道，全球大約有 100 億以上各種電機在工作。 2020 年我國空調的產量已達到 5500 萬臺，僅此一項說明市場已非常龐大；另外，其應用 領域及其廣泛，例如數控機床、電梯、電力機車、家用電器、 汽車、航空航天、船舶、造紙和紡織 行業等 。直流電機由于其轉矩便于控制，因此它作為調速電動機的代表在 20 世紀的大部分年代廣泛應用于工業生產中。雖然直流調速系統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三相異步電機調速閉環控制系統設計 2 展。 隨著電力電子技術的發展，各種新型器件和先進的控制方法在電機調速系統中廣泛應用，很多場合直流電機正逐漸被交流電動機所代替，因此有的學者認為，在二十一世紀，直流電機將會在電氣傳動領域消失，而異步電動機和其它類型的交流電動機的應用范圍將逐步增加。特別是鼠籠型交流異步電動機，由于它結構簡單，制造方便，價格低廉，體積小（與同容量的直流電動機相比），并且堅固耐用，具有的轉動慣量小，運行可靠，維護簡單等優點，是工業領域中廣泛使用的一種電氣設備。 從前面的敘述我們可以看出，與直流電機相比， 異步電機具有適應性強、結構簡單、價格低廉、容易實現高速和大容量化等特點，因此 未來電機 調速傳動領域， 將以 異步電動機等交流電機 為主 。 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。 變頻調速國內外現狀 國內現狀 我國 電機 的總裝機容量已達 4 億千瓦，年耗電量達 6000 億千瓦時，約占工業耗電量的 80%。作為能源消耗大戶之一的 電機 在節能方面是大有潛力可挖的。我國各類在用電機 中， 80%以上為 以下的中小型異步電動機。我國在用 電機 拖動系統的總體裝備水平僅相當于發 達國家 50 年代水平。因此，在國家十五計劃中， 電機 系統節能方面的投入將高達 500億元左右，所以變頻調速系統在我國將有非常巨大的市場需求。現在，我國有 200 家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調速技術的工作。隨著改革開放，經濟高速發展，形成了一個巨大的市場，它既對國內企業，也對外國公司敞開。很多最先進的產品從發達國家進 口，在我國運行良好，滿足了我國生產和生活需要。國內許多合資公司生產當 今國際上先進的產品，國內的成套部分在自行設計制造的成套裝置中采用外國進口和合資企業的先進設備，自己開發應用軟件，能為國內外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統，在變頻調速技術的應用和研究上取得了很大的成績。但應看到，由于國內自行開發、生產產品的能力弱，對國外公司的依賴仍很嚴重。 很多國內生產制造的產品（如家電）還是與國外的產品有著一定的差距，究其原因還是我們國內的變頻核心技術有待提高，不管是從節約能源的角度出發還是從使中國國內產業超越國外產品出發 ，研究變頻調速這一課題已刻不容緩。 國外現狀 （ 1）市場有大量需求隨著工業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、食品等各個行業以及風機、水泵等節能場合，并取得了顯著的經濟效益。 （ 2）功率器件發展迅速變頻調速技術是建立在電力電子技術基礎之上的。近年來，三相異步電機調速閉環控制系統設計 3 高電壓、大電流的 SCR、 GTO、 IGBT、 IGCT 以及智能模塊 IPM (IntelligentPower Module) 等器件的生產以及并聯、串聯技術應用的發展，使高電壓、大功率變頻器產品的生產及應用成為現實。 （ 3）控制理論和微 電子技術的支持在現代自動化控制領域中，以現代控制論為基礎，融入模糊控制、專家控制、神經網絡控制等新的控制理論為高性能變頻調速提供了理論基礎； 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)技術的快速發展，則為實現變頻調速的高精度、多功能提供了硬件手段。 課題研究的主要工作 （ 1）本文主要研究電動機 閉環 調速控制，根據變頻調速原理，設計控制系統，使電動機的調速更精確、簡單、快速。 （ 2）研究 編碼器 在電動機調速系統中的應用，設計好的控制系統用 s73 編程實現控制。 （ 3）對控制方案進行 組態監控， 確定其可行性 和系統運行情況 。 三相異步電機調速閉環控制系統設計 4 2 電動機的調速原理 及方法 異進電 動機的 簡介 與分類 異步電機運行時，定子繞組接到交流電源上，轉子繞組自身短路，由于電磁感應的關系，在轉自繞組中產生電動勢、電流，從而產生電磁轉矩，所以，異步電機又叫感應電機。 異步電動機 的優點是 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 ， 缺點是功率因數較差。異步電機運行時，必須從電網里吸收滯后性的無功功率，它的功率因數總是小于 1。但電網的功率因數可以別的 方法進行補償，所以并不妨礙異步電機的廣泛使用。 目前，異步電動機的電力拖動已被廣泛地應用在各個工業電氣自動化領域中。 異步電動機的種類很多，從不同角度看，有不同的分類。例如： （ 1）按定子相數分，有單相、兩相、三相異步電動機。 （ 2）按轉子結構分，有繞線式異步電動機和鼠籠式異步電機。其中鼠籠式異步電動機又包括單鼠籠異步電動機、雙鼠籠異步電動機及深槽式異步電動機。 （ 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。 三相異步電動機的工作原理 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。由于旋轉磁場以 n1 轉速旋轉，轉子導體開始時是靜止的，故轉子導體將切割定子旋轉磁場而產生感應電動勢（感應電動勢的方向用右手定則判定）。由于轉子導體兩端被短路環短接，在感應電動勢的作用下，轉子導體中將產生與感應電動勢方向基本一致的感生電流。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）。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。 通過上述分析可以總結出電動機工作原理為 ：當電動機的三相定子繞組（各相差120 度電角度），通入三相對稱交流電后，將產生一個旋轉磁場，該旋轉磁場切割轉子繞組，從而在轉子繞組中產生感應電流（轉子繞組是閉合通路），載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下將產生電磁力，從而在電機轉軸上形成電磁轉矩，驅動電動機旋轉，并且電機旋轉方向與旋轉磁場方向相同。 三相異步電機調速閉環控制系統設計 5 異步電動機調速 調速原理 調速即速度調節或速度控制，是通過改變電動機的參數、結構或外加電氣量（如供電電壓、電流的大小或頻率）來改變電動機的速度，以滿足工作機械的要求。調速要靠改變電動 機的特性曲線來改變。如圖 21（ a）中工作機械即負載特性曲線為線 ML,通過調速裝置改變的電動機特性曲線為線 M M和 M3 與 線 ML的交點分別為點 3，于此相對應的角速度為 φ φ2 和 φ3，亦即電動機將有不同的角速度值，實現調速。與此相反，不改變電動機的特性，而靠改變負載轉矩雖也可以使速度變化，如圖 21（ b）中負載轉矩由 ML1 增加到 ML ML3 雖也可以使電動降速，但這不是調速，而屬于擾動，一般是不希望的，并且是要實現穩速所要克服的重要問題。 （ a）調速時的特性曲線 （ b）負載變化時的特性曲線 21 電動機調速變化曲線 電動機調速系統的基本結構 圖 22示出電動機調速系統的主要組成部分。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。其輸出量為轉矩 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 具有可調電壓、可調電流或可調頻率電源能量的功率裝置，起電能變換和控制作用。調節裝置用于按照一定規律控制變流裝置能量 的流動，通過硬件或軟件產生滿足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系統的靜態性能。反饋裝置用以檢驗和變換反饋信號。在電動機調速系統中主要反饋量有電壓、電流、轉速、轉矩、磁通和轉子位置角等。控制裝置時根據給定信號和反饋信三相異步電機調速閉環控制系統設計 6 號產生所需要的控制指令和偏差信號。 在要求不很高的場合，沒有反饋裝置而采用開環控制，但前提是電機本身應具有足夠的穩定性和可調性。 圖 22 電動機調速系統的基本結構圖 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 p 及轉差率 s均可太到改變轉速的目的。從調速的本質來看，不同的調速方式無非是改變交流電動機的同步轉速或不改變同步轉兩種。 在生產機械中廣泛使用不改變同步轉速的調速方法有繞線式電動機的轉子串電阻調速、斬波調速、串級調速以及應用電磁轉差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調速。改變同步轉速的有改變定子極對數的多速電動機，改變定子電壓、頻率的變頻調 速有能無換向電動機調速等。 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