（机械电子工程专业论文）定量泵变频调速特性试验研究.pdf

摘要 摘要 变频调速是通过改变电机输入电源频率来调节电机转速的，这种方法已经大量应用 在工业生产的诸多领域里，极大地推动了生产效率，提高了产品的性能和质量。变频调 速在液压系统中的应用在国内还是空白，本文就是研究定量液压泵的变频调速特性，以 期变频调速定量泵能够得到广泛应用。 本文首先介绍了通用变频器的原理和特点，总结经验列举了西门子m d v 系列变频 器实际应用中的技术难点和解决方法；接着从理论上证明了用变频调速定量泵实现恒 流、恒压、恒功率工况的可行性，介绍了试验用计算机辅助测控系统的建立，包括电路 的连接，防电磁干扰，信号滤波，西门予m d v 变频器与普通工控机间的串行通信，以 及测控系统编程中的一些关键技术；然后设计了模糊控制器，对试验台进行模糊控制； 最后进行了大量的试验研究，得到了齿轮泵、叶片泵及柱塞泵在各种输出流量和输出压 力下的性能数据，再对数据进行分析得出最后结论。 定量泵变频调速具有众多优点，它比变量泵易于控制，又能完成定量泵所不具备的 变量功能，能够起到节能将耗之功效，这在长时间运行的大功率设备上将有良好的应用 前景。本文的研究对变频调速下的定量泵在工业生产领域的应用起一定的指导作用。 关键词：定量泵；变频调速 华鬻理工丈学工拳矮论文 a b s t r a c t f r e q u e n c y - i n v e r t v e l o c i t y - m o d u l a t i n gi st om o d u l a t e t h ev e l o c i t yo fm o t o r b yc h a n g i n g m o t o r sp o w e r s u p p l yf r e q u e n c y t l l i st e c h n i q u e h a sb e e n a p p l i e di nm a n yi n d u s t r yf i e l d sa n d m a n yp r o d u c t s ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t y b u tt h i s t e c h n i q u e i sr a r e l ys e e ni n d o o ri nh y d r a u l i cs y s t e m t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ec h a r a c t e r i s t i c s o ff i x e d h y d r a u l i cp u m p d r i v e nb yi n v e r t e r 1h o p et h i st e c h n i q u ec a nb e s p r e a d t h i s p a p e rf i r s t l y i n t r o d u c e si n v e r t e r s t h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i c s s u m m a r i z i n gm y e x p e r i e n c e si nu s i n gs e i m e n sm d vi n v e r t e r , le x p l a i nh o w 幻s o l v es e v e r a lt e c h n i q u e p r o b l e m s f o l l o w i n g ip r o v et h r o u g ht h e o r i e st h a ti t i s p r a c t i c a b l et oa c h i e v et h es t a t eo f s t a b l e - f l u x ，s t a b l e - p r e s s u r ea n ds t a b l e - p o w e rt h r o u g hf i x e dp u m p d r i v e nb yi n e r t e r t h e ni i n t r o d u c eh o wt oc o m p o s eac o m p u t e ra i d r e s ts y s t e mf o re x p e r i m e n ti n c l u d i n gt h ec i r c u i t 。 a n t i e m i m a k i n gf i l t e r , s e r i a l c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ns e l m e n sm d vi n v e r t e ra n d i n d u s t r yc o m p u t e r , a n d ，s o m et e c h n i q u e s i n w r i t i n gp r o g r a m s f u r t h e r m o r e ，ld e s i g n a f u s s y c o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h ee x p e r i m e n te q u i p m e n t s a tl a s t id oal o to fe x p e r i m e n t st o r e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f g e a rp u m p , v a n ep u m p a n dd i s p l a c e m e n tp u m p o nt h eb a s eo f t h ee x p e r i m e n td a t aid r a wm yc o n c l u s i o n f i x e d p u m p d r i v e n b y i n v e r t e rh a sm a n ya d v a n t a g e s 。i ti se a s i e rt oc o n t r o lt h a nv a r i a b l e p u m p a n dc a na c h i e v es o m e s t a t e sn o ta c h i e v e db yf i x e dp u m p t i l i st e c h n i q u eh a sag o o d f o r e g r o u n d i na p p l i c a t i o n 。 k e y w o r d s ：f i x e dp u m p , f r e q u e n c y - i n v e r t - v e l o c i t y m o d u l a t i n g i l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导一f 独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其毽个入藏集体已经发表或撰写静成菜作品。对本文的磷 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：易；崖方日期：功啦多月班 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阂翱借阕。本人授权华露理工大学霉以将零学位论文熬 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或捆 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密舀，在年解密后逶霜本授权书。 本学位论文属于 不保密目。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名乒f 圣孑 日期：加、哆年多月萄瑙 导师签名：歹1 杈、也日期：又争哆年弓月砑日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 通用变频器调速的技术优势 随着通用变频器技术的成熟，交流异步电机的变频调速方式技术优势日益明显，逐 步取代了其它交流异步电机调速方式，如变极调速、定予调压调速、转差离合器调速等。 通过应用于工程实际，人们已总结出通用变频器调速具有以下几大优越性： 1 采用变频起动或停车。如果用工频电源直接起动，则起动电流大；利用变频器 起动，则可以在较小的电流下快加、减速，电机的发热小，这样可以实现频繁的软起动 和软停车。 2 实现高频电动机的高速运行。工频的电动机同步转速最高3 0 0 0 r m i n ( 5 0 h z ) 。 利用高频变频器为高频电机供电，同步转速可以达到1 8 0 0 0 0 r m i n ( 3 0 0 0 h z ) 。 3 多台电动机可用一台变频器同时传动，实现调速运行。通用变频器是一种为电 动机提供电源的装置。在容量运行的条件下，可以并联多台电动机，各台电动机的容量 不必相同。 4 变频起动电动机时，电源容量可以减小。用工频电源直接起动异步电机，起动 电流可达5 - 6 倍额定值。如果低频起动，可使电流限制在1 0 0 - 1 5 0 。 5 调速范围广。通用变频器输出频率可以在零到额定值之间变化，因此电动机的 速度也可在零到额定值之间变化。 利用变频器调速的优势，应用到不同的生产机械或设备上，可以体现出不同的功能， 达到不同的目的，收到相应的效益。如在风扇、泵、搬送机械、食品机械、造纸机、空 调机及一些生产线等领域应用变频调速可以达到节能、提高生产率、提高产品质量、减 少维护、降低噪音、实现自动化等功效”1 。 1 2 定量泵变频调速特性研究的意义 近年来，变量泵以其功率消耗小，节省能源，系统发热小等特点，而且变量泵能 实现恒压、恒流或恒功率变量，因此越来越受欢迎，使用比重不断上升，某些领域有取 代定量泵的趋势。但是，目前市面上的变量泵只能实现恒压、恒流或恒功率中的一种或 两种变量，不能适应有复杂工况要求的生产场合，且多数变量泵靠机械调节装置来实现 变量，不便于微机控制。如果通过微机控制变频器，再用变频调速电机带动定量泵，则 华南理工大学工学硕士论文 可期望通过微机控制、改变定量泵的转速来实现恒压、恒流、恒功率变量，同时还能简 化液压系统。譬如说要实现恒功率变量，可以通过传感器将压力和流量信号传入计算机， 用计算机计算两者乘积，并与给定功率值相比较，如果高于指定值，则用计算机发出指 令降低泵的转速，即降低泵的输出流量，使系统流量和压力的乘积最终趋于给定功率值。 对于恒压，也可用流量作为控制信号，当检测到系统压力高于给定压力时，降低泵的转 速：反过来则提高泵的转速，这种工况适用于节流口负载。对于恒流，控制方式类似于 恒压和恒功率。如果这种技术成熟，则必将具有广泛的应用前景。 例如，在注塑机中，就可以应用这项技术。一般情况下，按注塑机的设计原则， 液压泵驱动电机的功率是最高负荷的1 2 0 ，而在实际注塑加工中，其实际工作负荷往 往低于最高设计负荷，而且在注塑过程的不同阶段所需压力、流量也各不相同，导致液 压泵驱动电机的工作能力常有很大的富余，造成在注塑机中”大马拉小车”的动力浪费现 象普遍存在，从而留下了很大的节能空间。 通常，注塑机一个工作周期运行的动作程序可分为以下几个阶段： 1 )锁合模：模板快速接近定模板，且确认无异物存在时，系统转为高压，将模板锁合。 2 )注射：注射台前移，喷嘴与模具贴紧；注射螺杆以一定的压力和速度将料筒前端的 熔料注入模腔。 3 )保压、冷却：通过此动作，使模腔内的塑料制品冷却成型。 4 )预塑：传统上应用液压马达驱动螺杆并后退，料斗中加入的塑料粒子被前推，并进 行预塑。螺杆后退到预定位置，停止转动，准备下一次注射a 5 ) 注塑台后退，开模；顶出制品。 事实上，注塑机液压系统是一个压力和流量波动都较大的负载，在合模、锁模、射 胶、保压冷却、开模顶出等不同工作阶段，其压力和流量要发生有规律的变化，典型的 压力和流量曲线如图1 1 所示。 7 2 1 2 5 0 2 0 0 1 0 0 5 0 压力 图1 一l 注塑机各工作阶段压力流量要求 从上图可以看出，在个工作循环周期内，注塑机的实际压力和实际流量是变化 的，时大时小，有时几乎为零。在实际流量较小时，液压泵的供油量远远大于负载实际 消耗量，供大于求，富余的处于高压状态下的液压油全部经溢流阀溢流。高压状态下的 液压油经溢流后放出大量热能，这部分耗散的能量实际上是液压泵驱动电机从电网吸收 电能中的部分。由于小流量的维持时间较长，所耗散的电能也就较大。因此，注塑机 液压系统存在严重的能源浪费问题。 从上述分析中可知，注塑机液压系统电能浪费问题的最直接原因就是液压泵流量 与负载流量需求不相适应，造成高压液压油溢流，这是液压泵转速恒定不变所带来的不 良后果。 若用计算机来检测来自于注塑机控制系统的工作状态信号，并对这些信号信息进行 分析和计算，根据注塑机当前的工作状态( 开模、合模、射胶、回料、顶出等) 和工作 压力及工作流量要求，自动控制变频器的转速，从而调节油泵的转速，油泵的实际流量 与注塑机的流量需求相一致，消除溢流现象，节省电能。这项技术不仅可以应用在注塑 机上，在矿山机械、建筑机械等行业也有着良好的推广前景。它具有节能，减少发热、 噪声及简化液压系统等优点，尤其对于长期运转的大功率设备效果更加明显。总之定 量泵变频调速研究具有重大的经济意义。 华南理工大学工学硕士论文 1 3 目前国内外关于变频调速在液压系统中应用研究现状 据调研情况看，国内目前关于变频调速在液压系统中的应用还没有成熟的实例，国 外也不多见，从这点来看对于定量泵在变频调速状况下的性能研究具有重要的社会意 义。 4 第二章逶瘸变频嚣豹筵攀原理 第二章逶用变频器的篱单原理 2 。1变频调速的基本控制方式 交流异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转遽为 心6 o z ( 2 1 ) h i 式中同步转速戚n ) ； 五定子频率( h z ) ； n 。磁极对数。 而异步电动机的转速为 ，l ；辨( 1 - s ) 。6 0 f 1f 1 一s ) ( 2 2 ) ，i p 式中s 异步电动机的转差率。s 一( n 。一n ) n 。 改变弊步电动机的供电颓率，可以改变其同疹转速，实现谲速运行。 难异步滚动极避孬调遥控铡辩，拳望电动规豹童磁通缳持额定篷不炎。磁邋太弱， 铁心利用不充分，间样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降：磁通太强， 则处于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分置，为使电动祝不 过熬，受载貔力也簧下降。冥步邀韵撬熬气黢磁逶( 主磁邋) 是是、转予合成磁动势产 生的。由电机理论知道，三相异步电动机定予每相电动势的有效僦为 嗣t4 4 4 f i n i 国。( 2 - - 3 ) 式中目定子每相由气隙磁通感应的电动势的均方梭值) ； 定子颓率) ； n 。定子稠绕缰京效匝数； 辔m 每辍磁透蠹q 轴) 。 出土式疆见，蚤。的馕是由最和五共同决定豹，对互葶秘五进行适当舱控制，裁可以 s 华雨理工大学工学硕士论文 使气隙磁通中。保持额定值不变。下面分两种情况说明： i 基频以下的恒磁通变频调速 这是考虑从基频( 电动机额定频率工。) 向下调速的情况。为了保持电动机的负载 能力，应保持气隙主磁通西。不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保 持e l ；常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频 调速，属于恒转矩调速方式。 但是，e 难于直接检测和直接控制。当e 。和，l 的值较高时，定子的漏阻抗压降相 对比较小，如果忽略不计，则可以近似地保持定子相电压u ，和频率，l 的比值为常数即 可。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。 当频率较低时，u ，和e 都变 小，定予漏阻抗压降( 主要是定 u ， 子电阻压降) 不能再忽略。这种 情况下，可以认为地适当提高定 子电压以补偿定子电阻压降地影 o 响，使气隙磁通基本保持不变。 如图2 1 所示，其中1 为 t 图2 一l v y 关系 u ， = c 时的电压、频率关系， 2 为由电压补偿时( 近似的【，l = c ) 的电压、频率关系。实际装置中c ，。与，l 的函数关 系并不简单的如曲线2 所示。通用变频器中u 。与 之间的函数关系有很多种，可以根 据负载性质和运行状况加以选择。 2 基频以上的弱磁变频调速 这是考虑由基频开始向上调速的情况。频率由额定值工。向上增大，但电压受额 定电压u ，。的限制不能再升高，只能保持u 。；u ，。不变。必然会使主磁通随着，l 的上升 而减小，想当于赢流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。 综上两种情况，异步电动机变频调速的基本控制方式如图2 - 2 所示。一 6 楚二章通用变频器豹簿謦摄理 乱阢 u | n 如 图2 2 异步电动机变频调速时的控制特性 2 2 通用变频器的基本构成 变频器分力交一交移交壹一交嚣秘形式。交一交交频器弩将王频交滚蓬接交袋频 率、电压均w 控制的交流，又称直接式变频器。而交一直一交变频器则是先把工频交流 电通过整流器变成鬣流电，然后荐撼直流毫嶷成颓率、电匿均可控澍的交流窀，它又称 为阈接式变频器。通用变频器都是变一直一交型豹。 变频嚣的基本构成如图2 3 所示，由燕电路( 包括整流器、中间直流环节、逆变 器) 翻控裁魄薅组成，分述麴下： 网榭变瀛醛l 中湾烹涟环节i i i 负载铡燮瀛嚣l l 图2 3 变频器的基本构成 1 整流器电网侧的褒流器l 是整流器，它的作用是把三相交流电整流成直流电。 2 逆变嚣负载德鹃变流器l l 为遵交器。最常觅的结鞫形式楚澍甭六今半导俗主 开关器件组成的三楣桥式邀变电路。有规律地控制邀变器中主开关器件的邋与断，可以 华南理工大学工学硕士论文 得到任意频率的三相交流电输出。 3 中间直流环节由于逆变器的负载为舜步电动机，属于感性负载。无论电动税 处于电动或发电制幼状态，其功率因数总不会为1 。因此，在中间直流环节和电动机之 间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环n 节的储能元件( 电容器或电抗 器) 来缓冲。艇以又常称为中间直流环节或中间储能环节。 4 控利电路控制电路鬻出运算电路、梭测电路、控制信号的输入、输出电路和 驱渤毫路等构成。其主要任务楚突成对逆变嚣款开关挖裁、对整滚器驰电压控制以及完 成各种保护功能等。控制方法霹淤采瘸模狻控铡或数字控镧。离梭能黪交羰器髫藩已经 采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简革的磺伟窀籍，主要靠软件来完成各释 功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。 2 。3 变频器的电压调节方式 交频器调速辩，需要网时调节递交器躲输逮彀援犟瑟频攀，以缳涯电动机主磁通恒定。 对输出电箍的调节主簧有两种方式：p a m 方式察p w m 方式。 1 p a m 方式 脉冲幅值调节方式( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ，简称p a m 方式，蹩通过改变宣 流电压的幅值进行调眶的方式。在变频器中，逆交器欺负责调节输出频率，而输融电压 的调节则姓| 棚控整流器或直流斩波器( 图2 4 ) 通过调节直流电压e d 去实现。采用相 接整浚器调压时，网侧的功率因数随调节深度的增加面交低。丽采用直流斩波调难时， 鄹侧功率溜数在不考虑谐波影晌聪可以达到1 。p a m 控制方式裹压和低压时的输出线电 愿的波形翔瑶2 5 群示。 2 p w m 方式 脉冲宽度调制方式( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 简称p w m 方式。簸常觅的主电路如 图2 6 所示。变频器中的整流器采用不可控的二极管整流电路。变频器的输出频率和 输出电压的调节均由逆变器按p w m 方式来完成。信号波的频率决 寇输出电压频率。调难原理的示意图如图2 7 所示，利用信号波电压波与载频三角波 互耀比较基决定主开关器l 牛的导通时闻面实现调难。剿用脉冲宽度的改变来得到幅值不 嗣豹燕弦基波p w m 方式，称为疆弦p w m 调剑，楚裙s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 方式。遴震交频器中，采用s p w m 方式调鬟，是一耪最掌采用豹方寰。 8 第二章通用变频器的简单原理 电 源 2、lzl l 七七由 一m 一 ，+ 卡# zl2zl 1 图2 6p w m 控制主电路 苣号i | 离电压) 信号洼( 1 醚压) 啪蹄持羽肝龊黜韭唑卅碾 图2 - - 7p w m 调压 2 4 变频器的控制方式 1 u f 控制 u ，方式又称为v v v f ( v a r i a b l ev o l t a g e v a r i a b l ef r e q u e n c y ) 控制方式。主电路中 逆变器采用b j t ，用p w m 方式进行控制。逆变器同时受控于频率指令厂电压指令，而 厂+ 与u 之间的关系是由u f 曲线发生器决定的。这样经p w m 控制之后，变频器的输 出频率，、输出电压u 之间的关系，就是u 厂曲线发生器所确定的关系。由图可见， 转速的改变是靠改变频率的设定值，+ 来实现的。电动机的实际转速要根据负载的大小， 即转差率的大小来决定。负载变化时，在，不变的条件下，转子转速将随负载转矩的 变化而变化，故它常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。 9 华囊理工丈学工学域士论文 2 。转差奉控甓锂 在没有任何附加措施的情况下，u f 控制方式下，如果负载变化，转速也会随之 变化，转速的变化量与转豢率成正比。u f 控制的静态速度精度攫然较滢，为提高调 速精度，采用转差率控制方式。 根据速度传感器的检测，可以求出转差率f ，稃把它与速度设定德，+ 稽整加， 醵该叠加值佟为遂变器的频率设定值矗，就实现了转差补馁。这种实褒转差毒 偿的阙 环控毒方式称为转蓑率控制方式。与u t f 耀比，其溺速耱发大为提裹。毽是，镬曩速 发绩感器求取转差率频率，要针对具体电动机的机械特性调箍控制参数，因而这种控制 方式的通用性较差。 3 ，矢量羧希 上述弱u t f 控粼方式秘转蓑率控铡方式熬控铡熙怒都建立在爨步电动规的静态数 学模型上。因此，动态性熊指标不商。为适应商动态性能的需要，常采用矢量控制方式。 异步电动机的矢量控制是建立在动态数学模型的基础上的。矢艇控制原理的特点怒 认为异步电穰- 每壹溅电梳蠢稻同瀚转楚产生瓠壤。郓弱至l 磁场与嗣与其秘蓬壹鹣邀濠豹 积为转矩这一基本愿理进行分析，将供给异步机的定子电流在理论上分成两部分：产绒 磁场的电流分量( 磁场电流) 和与磁场相垂直、产生转矩的电流分量( 转矩电流) 。此 磁场惫流、转矩电流与直流卺祝豹磁场魄流、邀枢奄滤耜警。异多宅动较豹定予逄滚燕 在电动机内部，剥髑电磁感应作髑在电气上被分解为磁场电流和垂直的转矩电流。矢量 控制方式就是将定予电流分解成规定的磁场电流和转矩电流。分别进行僚意控制，同时 将二者合成霜的定予电流供给奄动机。黼藏默淼理主说可班褥黉与壹滚毫爨籀弱蠡冬控翩 性能，劳媚对壹漉魄枧系统来说，有下列优点。 ( a ) 无需维修； ( b ) 不需抑制电流变化率，可黻谋求亳流控稍懿抉遴响应； ( c ) 磁场控剃范爨广； ( d ) 可以高速旋转。 议异步电动机的磁场磁通为啦。，产生磁场的电流为，与磁殇垂赢的电流为f ，。 矢量控铜的滋发点是推寻这婆垂在电瓿内部鸯怎样韵关系。篱擎推导翔下： l o 第二章通用变频器的简单原理 中2j l f j 丁。c 中，r ( 2 4 ) ( 2 5 ) 旷圭。，i 。r ( 2 - - 6 ) 式中r 产生的转矩； ( ，转差角频率： m 、r 、l 电动机参数。 式( 2 - - 4 ) 表示中。与磁场电流i e 成比例，式( 2 - - 5 ) 表示转矩r 与垂。和转矩电流 ，的乘积成比例。考虑( 2 6 ) 的意义，显然是转差角频率q 决定i s 与0 的比。因此 要产生规定的磁场和转矩时，根据式( 2 - - 4 ) 、( 2 - - 5 ) 求出需要的电流，将它们合成作 为定予电流供电的同时，用( 2 - - 6 ) 控制转差频率则在电动机内部就可以将电流分解成 规定的值。另外，由于，。与的比可以任意选择，如、能分别控制，因而可以实现 与直流电机分别控制磁场电流和电枢电流相同的控制。供给异步电动机的定子电流实际 为三相交流电，前面的k 、0 与正弦波交流的幅值相对应。这里就每一相的电流加以 说明。 设定予电流的瞬时值为i 。，将它分解为磁场电流的瞬时值k 和转矩电流的瞬时值 i ，。设磁场电流的相位为日，则转矩电流由于垂直相位必须超前9 矿，因此l s 、i r 可用 下式表示： i t ，es i n 0 ( 2 7 ) i r j tc o s 0 ( 2 8 ) 定子电流为此二电流的合成量，如下式： i s2 i e + f r a les i n 8 + l t c o s 0 一厢s i n ( 8 + 岛) ( 2 9 ) 华南理工大学工学硕士论文 式中o f 。t a n - i 生。 5 另外，设电动机角速度为，且用( 2 - - 6 ) 控制转差角频率，则日可用下式给出 口2 j ( o j + q ) 西 ( 2 1 0 ) 根据以上的运算求出定子电流的瞬时值，给电动机供电，则实现了异步电动机的矢 量控制。 2 5 高次谐波及其防止方法 通用逆变器的输入部分为变流器回路，变流器回路由于是非线性特性因而产生高次 谐波。此高次谐波将使输入电源的电压波形和电流波形发生畸变。 对容量小的通用变频器，此高次谐波很少成问题，但当使用的逆变器容量大或数量 多时，往往就产生了高次谐波电流和高次谐波干扰问题。因此对于高次谐波的正确理解， 预先采取适当的对策是重要的。下面介绍一下电源侧高次谐波的产生的机理和对其他设 备的影响及高次谐波的减轻和防止对策。 2 5 1 高次谐波产生的机理 三相桥式回路及交流输入电流波形示于图2 - - 8 。电流波形为矩形波，通常含有6 n 1 ( n = 1 ，2 ，3 ，) 次高次谐波。如果电源侧电抗充分小、电流上升期间的角度, 可以忽略，那么，1 次高次谐波电流为基波电流的1 n 。u 称为换流重叠角，与交流回路 的电抗和直流回路电流等有关，可用下式绘出。 一o s 一1 ( c o s t r - 警，( 2 - 1 1 ) 式中，口控制滞后角( 。) ； j 。直流回路电流( a ) ； x ，每相的电源电抗( o ) ： e 。空载不控直流电压平均值( 。1 3 5 v s ) ( v ) ； 瞻一电源线电压的有效值( v ) 。 一一：。一。，。一。一。= 墼塞鎏堡墼篓墼篓璧星堡：。一：一。一= 一= ： 月相电压 露相线瞻滚 圈2 8 三相桥式回路及交流输入电流波形 将图2 8 中的交瀛壤流波形透行倦立辞分撰，霹求密备次离次谐波寇滚黥骞效镶。 2 5 。2 高次谐波对设备的影响 商次谐波对设铸的影响在本次研究当中主要表现为对指示仪袭的影响，使仪表显示 不准确，仪淡输密波形跨变。 2 5 3 减轻防止高次谐波的对策 以现在的技术水平要将产生的高次谐波究全消灭是困难的。当前必须把高次谐波发 生衡葶稀受到淹次谐波妨褥髂装餮铡诱潺起来，作建系统的熬俸实藏在经济土、技术上怒 最有效的对燕。 谯谐波的发生侧主要采取设置交流电抗器使换流阻增大，可以抑制高次谐波电流。 换流隰抗大嗣换流踅叠角粒增大，高次谐波惫流交小。 程受害设备侧主要采取与电源系统隔离，舞采用屏薮缝，羼i 嫒层接娥，防庶谐波的 流入【w 。 2 6 本章小结 本章叙述了逶箱交蘩嚣静麓荦舔纛潋及交频器产生懿离次谐波豹影豌及对繁，必第 四章计算机辅助测控系统的建或奠定了基础。 华南理工大学工学硕士论文 1 4 第三章定量泵变频调速特性研究的理论基础 定量泵变频调速特性研究液压原理图如图3 1 所示。 图3 一l定量泵变频调速特性研究液压原理图 众所周知，定量液压泵的输出流量为： 式中： q 。泵的输出流量( i r a i n ) ； q m 泵的理论流量( i m i n ) ； q b 泵的泄漏流量( 1 m i n ) q p 泵的理论排量( 1 r ) ； n 。泵的输出转速( r r a i n ) q ，5q , h 一 2 q p n p k t p p p ( 3 1 ) k 。泄漏系数； p 。泵的输出压力( m p a ) 。 1 恒流变量 关死节流阀，用溢流阀作为泵的负载。由式( 3 一1 ) 可见当p p 升高时，泄漏量p ， 必然增加，要保证输出流量q p 恒定，则q ，n ，必须升高，即泵的转速，l ，必须升高。相反 当p p 下降时，泄漏量p ，会减少，若要输出流量q ，不升高则要降低泵的转速n ，。另 外还可直接给出指令让泵的输出流量追踪某一给定值，原理一样，需要将泵的输出流量 与给定量作对比来决定是提高还是降低泵的转速。 2 恒压变量 打开节流阀到一定开度，关死溢流阀，这样泵的流量全部从节流阀节流口通过，即 用节流阀来模拟泵的负载。节流阀的流量特性可用下式来描述： a r = c a r p 9 ( 3 2 ) 式中q ，流过节流阀的流量； c 由节流口形状、流体流动状态、油液体质等因素决定的流量系数； 如节流口的流通面积； 卸节流口前后压力差： 缈由节流口形状决定的节流阀指数。其值在o 5 - 1 0 之间，由实验求得。 设图3 1 中泵的输出压力为p ，则( 3 2 ) 式可写为： a 72c a r p ： ( 3 3 ) 于是 p ，。( 馨) c s 刊 可见，要保持p ，恒定，只要在p ，升高时减小q r 即降低泵的转速n p ，在p ，降低 时提高n p 即可。另外还可直接给出指令让泵的输出压力追踪某一给定值，原理一样， 需要将泵的输出压力与给定量作对比来决定使提高还是降低泵的转速。 华南理工大学工学硕士论文 3 恒功率变量 关死节流阀，调节溢流阀于不同压力值。 设泵的输出功率用p 表示，由式( 3 1 ) 知 p 2 p p q p n p k t p p ； ( 3 5 ) d d 于k t p p ；相对于p p q p n p 较小，当p p 升高时，降低泵的转速，l p 可使泵的输出功率p 保持恒定。反之若p 。降低时，欲保持p 恒定就要提高泵的转速。 1 6 第四章定量泵变频调速特性研究的计算机辅助测控系统 4 1 计算机测控系统的分类 计算机测控系统是由微处理器、存储器、接口电路及各种传感器以及生产设备 组成的自动控制系统。从其组成来说可分为两大部分，一部分是计算机和其输入输出通 道，另一部分是工业生产设备( 液压泵、电磁阀等) 生产过程的被控参数主要有模拟量、 数字量、开关量、脉冲量等。这些参数通过输入输出通道送入计算机，计算机则根据一 定的控制策略进行运算，求出控制量，再通过输出通道向被控对象发出控制指令，从而 实现对参数的调节与控制。 计算机测控系统与生产过程有紧密的关系，根据计算机参与控制的方式和控制目的 的不同可分为以下几类： 1 巡回检测数据处理系统 计算机将生产现场检测仪器送来的各类信号，按一定的次序巡回地经过采样、d 转换为数字信号送入计算机。计算机对这些输入量实时地进行数据处理，进而实现显示、 打印、报警、存储等作业。巡回检测数据处理系统是开环系统。这类系统主要对生产过 程起监视作用，也可以用来记录生产过程参数，建立相关的数据库或数学模型，以管理 和改善生产过程，图4 1 是结构示意图。 图4 1 计算机巡回检测系统 2 操作指导控制系统( o c , - c - - - - - o p e r a t o r g u i dc o n r r o l ) 操作指导控制系统是在巡回检测的基础上发展而成的，它属于在线检测、离线控制 系统。该系统的主要特点是计算机不直接用于控制，而是只提供信息给操作者。系统的 功能如下：计算机每隔一定时间间隔，从输入通道取得数据，按预定算法计算各检测量， 华南理工大学工学颊士论文 然后将诗算结果通避显示和打印提供绘擞 乍人员。操干# 人员褥依握是已的经验参照竣如 结果对控制对象进行调整，或直接控制执行器兴执行。如图4 2 所示： l ：墅副_ 叶引董h 鋈卜 控 团_ 计 制 圈_算对 圈 象 枫 生产者叫横按调节卜 图4 2 计算挽操终援导系统 3 直接数字控制系统( d d c 卜一d 妣c t d i g i t a lc o n t r o l ) 鸯接数字控刽系统在恣溷检测豹基秘上，将输入数据壤撼预先确定豹控裁藏律进行 计算，输出控制量，樽经过d a 转换或鸯接控制执行对象，使被控参数保持在设怒范围。 该系统是闭环控制系统，目前在网内应用较多，图4 3 是奠示意图。 圈4 3 直接数字控制系统 3 监督控制系统( s s c s u p e r v i s o r y c o m p u t e rc o n t r o l ) 监督控制系统怒将操作指导和直接数字控制结合起来的一种较高形式的控制系统。 宅帮蠢接数字控毒l 系统一撵震手蠲繇控翱系统。整餐控铡谤箕规对璺：产过程参数进雩亍巡 检，并依据生产过程的数学模型，计算出最佳给定值，直接对模 拟调节器进行设定，使生产过程处予最优工况下运行。此外，它还可以通遥在线横 鳖谖辨，隧孵对摸蘩遗霞修浚，实瑷最惦控铡髑鑫逶应控测。该系统在续搀上，竣出帮 分和操作指导系统相同，输出部分可以组成一级( 输出至调节器) 和二级( 输出至d d c 计算机) 。如图4 - - 4 所示： 图4 4 监督控制系统 5 分布式计算机控制系统( d c s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 直接数字控制和监督控制都属于集中控制系统，随着生产规模扩大，控制和管理的 关系日趋密切，采用这种单机集中控制已不能适应需要，分布式计算机控制系统应运而 生。它把各种具有不同功能的计算机作为子系统组成多微机处理机的分布式系统，完成 综合任务。分布式计算机控制系统将计算机任务分散到各个子系统，如直接控制生产过 程的计算机可以处理一些简单的高级优先的中断服务，如巡检报警等，从而提高了系统 的响应速度。而上级计算机则可以集中管理工作。分布式计算机控制系统采用模块化结 构，子系统相对独立。但也能共享网络资源，整个系统的维护和升级都很方便。分布式 计算机控制系统是目前大中型企业生产装置控制中应用最广泛和可信度最高的控制系 统。图4 5 是该系统的示意图。 4 2 计算机测控系统处理器概述 计算机测控系统最常见的核心元件有可编程控制器、单片机、工业计算机 等。下面简述它们各自的特点和应用场合。 1 可编程控制器( p r o g r a m b l e l o g i c c o n t r 0 1 ) 。可编程控制器是一种进行数字运算 的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器。它的一个优点是可以根 据生产任务的复杂程度，选用主机及其它模块，组成最经济的系统。它采用了可编程序 的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作 的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。 1 9 华南理工大学工学硕士论文 图4 5 分布式计算机控制系统 逐年寒p l c 发展邈猛，异军突起，其主要特点如下：可纛性好、抗干扰熊力强、控 制功熊完善、编稷篱肇、安装维护方便、体积，l 、性馀比巍，因瑟是实现极电一体化豹 瑾怒控案l 设备。 2 革片梳。所谓荦片梳就是单片徽蝥计算视，又称微控制器。它在一块半导体芯片 上，集成了c p u 、r o m 、r a m 、i o 接阳、定时器，汁数器、中断系统等功能部彳牟，构 成了一台完整的数字计算机。随赭集成电路技术的进步，单片机还可包含a d 、d a 转 换器、d m a 通道、浮点运算单元等特殊功能部件以及与打印机、绘图机、等外围设备 的接口，从冠使单片机构成的计算机应用系统的功能曰益增强。 单片极具骞以下特点： 誊积小、蓬量轻、价掇便宜、可靠性赢、控制功熊强、运纷 速度恢、荔予扩震。弱露在家用魄器、磊是、办公设鍪等许多产器上褥到应躅。瓣着飒 曦一体纯技术翡发震，毽多嗣予数控棍械、薮疗设备、汽车等。对于五韭控制串豹一般 温度控利、液面控稍、电镀童产线顺序控镧等。 3 工业计算机。工业计算机建通用微型计算机适应工业奎产控带骥求发展起来的一 种控制设备，是9 0 年代在自动控制领域中最活跃和影响最广泛的技术。工业计算机其 有以下突出的特点： 很强的量卡冀处理功能。工业计算机采用与通用p c 机一样的c p u 、内存和其他部件， 第四章定量泵变频调速特性研究的计算机辅助测控系统 其浮点运算能力是单片机和p l c 不可比拟的。 硬件结构方面总线标准化程度较高、兼容性强、易于升级。工业计算机可提供符 合工业标准的i s a 、p c i 总线插槽，对于含温度、压力等信号的常见工业过程控制，数 据的采集可以由具有标准p c 总线的数据采集卡完成。 软件资源丰富。既有实时操作系统( 如w i n 9 8 、w i n n t ) 的支持，又有功能强大的 图形显示和多媒体工具，以及高级编程语言开发工具包和数据库等支撑软件。 通信组网能力强。工业计算机与普通p c 机一样，可以构成各种局部网络，进而 组成复杂的控制系统。同时它还可以通过串行或并行接口向下连接p l c 、单片机、数字 化仪表等。 所以对于要求快速反应、模型复杂、计算工作量大的工业对象的控制，采用工业计 算机作为工控机既可发挥p c 机内存大，c p u 运行速度快等硬件资源优势，又可以利用各 种软件资源甚至网络资源和可视化编程技术，完全可以按照用户自定义的界面和功能来 设计测控系统软件。 尽管现代p l c 和单片机在模拟量信号处理、数值运算、实时控制等方面有了很大的 提高，但无论使用p l c 还是单片机的编程开发工具生成友好的用户界面、进行复杂的数 据分析处理、与网络数据库进行通讯等方面都很困难，而这正是工业计算机的优势所在。 若将工业计算机和p l c 或单片机结合构成主从式微机控制系统也具有广阔的应用前景 【町 4 3 定量泵变频调速特性研究试验测控系统的构成 本试验研究测控系统硬件包括p c 机( p i l 3 0 0 ) - - 台、s i e m e n s m i d i m a s t e r7 5 k w 变频器一台、7 5 k w 交流异步电动机一台、a d v a n t e c h p c l 一8 1 2 p g1 2 b i t 数据采 集卡一片、流量传感器、压力传感器、速度扭矩传感器及对应二次仪表若干等a 其联接 示意图如图4 6 所示。 4 3 1 计算机与变频器间的通讯 1 硬件连接 s e i m e n s7 5 k w 变频器可通过本机控制，也可通过变频器上r s 4 8 5 d 型 华瘫理工大学工学硕士论文 = 怒= = = 然竺= = 穹竺苎= 苎黑兰皇= 冀删兰= = 尝兰= = = 燃= = 富然兰= = _ 篁竺= = 糌：= = ：! = 竺! = 竺= = 兰= 墨 p 1 j m f r 一 电 计算 动泵 - | 变 l 频 枫 m 。 机试 数据 黼宝榆山f 验 m 十i 台 传 采集 冈_ 瓢 一n f 感 、 j 仪表 1 1 输出 输入 器 图4 6 试验台测控系统组成 接口以u s s 通讯方式进行远程控制( 通过设蚤变频器参数来选择) 。对于远程控制，串 行逶舔给定交菝器静运行籁率，交频器豹莛动器逶过数据采集卡鼓数字输出方式控羽。 一般p c 枧上的磐行日是r s 2 3 2 型的，不能与变频器直i 陵连接，需要在计算机和交 频器之闻接一个r s 2 3 2 转r s 4 8 5 的转换器。这挺选用了北京捷瑞公司的j r c 4 8 5 型转换 耩，箕接日静狂定义翔表4 一l ，4 2 掰示。 表4 1r s 4 8 5 端d b 9 针 针脚定义 ld 蠢怠 2d 擞+ 5a n d 61 2 v 表4 2r s 2 3 2 端d b 9 孔 针脚定义 le d 2r x d 3t x d l 辱嘛 5g n d j r c 4 8 5 的r s 2 3 2 端针脚定义和通用p c 机定义样，但其r s 4 8 5 端的针脚定义与 s e i m e n sm i d i m a s t e r 交颓器上的r s 4 8 5d 鍪翡日定义不蠢，交频嚣孛r s 4 8 5 d 黧 2 2 一。，一篓墼。塞墼墼堡塑塞鲤墼塑塑鲨萋坠：。，。 。! 漩日定义热黧4 - - 7 掰示。 凝4 一乍s e i m e n sm i d i m a s t e ri n v e r t e rr s 4 8 5d 墼 予楚，要建立j r c 4 8 5 每交竣耩豹遗线，必须鑫割逶撼线缆，接线蘩翔蚕4 8 涨示。 s j r c 4 8 5 端( 张)群簸层撩遐变颓嚣蠕( 针) 图4 8 运嘏线缆制作 毫 j r c 4 8 5 鸯变颁器之鹅靛线缆斑采粥霹蔽绫劳姆绨蔽鼹按缝戳潮弱辩獒于魏辩信穆 熟影响，防业信号俦竣镤误，搜交颓器产生谈动作。 计算飘透过窜露逶讯蠢变紫器发磁频率据令，使电动较凝减速，逶滚遵镶u s s 秘 议。( 按照协议，避诫数据长度麓1 4 字带，每学节l l 定。炎r s 2 3 2 转r s 4 8 5 静耀摹l ， 数撂臻簸频率程4 8 0 0 b p s 为宜，觳撼每令攘令传辕豹最短时间为1 1 1 4 4 8 0 0 = 3 2 m s e c ； 褥盈，交颏器带动亳韵税簸低速翻鑫速辩辩阏不能太缀，蛋粼会产叟过奄瀛，不仪鲡既， 带动受载斡加速爵闽更