变频器论文.doc

许昌职业技术学院题目 变频调速系统设计 学生 李红学号 25802010906004学院 许昌职业技术学院 专业班级 机电096指导老师 苏江涛 摘要：随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流调速取代直流调速已成为现代电气传动的主要发展方向，使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。另外，由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。变频器以及可编程控制器以其优越的调速和起保停性能、高效率、高功率因数和显著的节电效果而广泛应用于大、中型交流电机等，被公认为最有发展前途的调速控制。关键词：变频器；PLC；控制；系统；设计目录第一章、概述11.1交流变频调速的发展概况11.2变频器的构成与功能11.3变频器主要研究内容及关键技术3第二章、 变频器的控制12.1 变频调速的原理32.2变频器的控制方式52.2.1转差频率控制52.2.2矢量控制62.2.3直接转矩控制62.3 变频器调速方式7第三章 变频调试技术83.1变频器的结构和功能预置83.1.1 三相异步电动机的变频开环调速实验面板83.1.2 全部清除操作83.1.3 参数预置93.1.4 给定频率的修改93.2变频器的运行103.2.1试运行103.2.2 外部点动运行10总结20致谢20参考文献2110第一章、概述1.1交流变频调速的发展概况 变频器自1965年问世以来，已经历40多年的发展过程。20世纪80时代在北美、西欧和亚东等地区的发达工业国家已经被广泛使用。20世纪90年代，随着中国国内各行业节能环保意识的加强，变频器已被广泛应用于国民经济的各个领域，在空调、电梯、冶金、机械、电子、石化、造纸、纺织等行业有十分广阔的应用空间，极大地提高了我国工业电气传动水平。随着微电子学、电力电子、计算机和自动控制理论等的发展，变频调速技术已经进入一个崭新的时代，在以工频交流电为主的用电场合具有越来越广阔的应用前景。因此，变频器控制技术是从事变频调速设计和应用工程技术人员必须掌握的工程技术之一。1.2变频器的构成与功能结构：变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。 1. 整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块.2. 平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压(电流)，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。3. 控制电路现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式4 逆变电路逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120电角度的三相交流电压。功能：1、变频节能变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。2、功率因数补偿节能无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。1.3变频器主要研究内容及关键技术（1）高压、大电流技术：动态、静态均压技术（6kV、10kV回路中3英寸晶闸管串联，静动态均压系数大于0.9）；均流技术，大功率晶闸管并联的均流技术，均流系数大于0.85）；浪涌吸收技术（10kV、6kV回路中）；光控及电磁触发技术（电/光，光/电变换技术）；导热与散热技术（主要解决导热及散热性好、电流出力大的技术，如热管散热技术）；高压、大电流系统保护技术（抗大电流电磁力结构、绝缘设计）；等效负载模拟技术。（3）全数字自动化控制技术：参数自设定技术；过程自优化技术；故障自诊断技术；对象自辨识技术。（4）现代控制技术：多变量解耦控制技术；矢量控制和直接力矩控制技术；自适应技术。第二章 变频器调速2.1 变频调速的原理变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图1所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型，俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用n1表示n1=60f/p(r/min)(1)式中：f三相交流电源频率，一般为50Hz。p磁极对数。当p=1时，n1=3000r/min；p=2时，n1=1500r/min。可见磁极对数p越多，转速n1越慢。转子的实际转速n比磁场的同步转速n1要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表示：s=n1n）/n1100（2）当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=n1，则s=0，即s在01之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（16）。综合式（1）和式（2）可以得出n=60f（1s）/p（3） 图1三相异步电动机结构示意图 1机座；2定子铁心；3定子绕组；4转子铁心；由式（3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。2.2变频器的控制方式2.2.1转差频率控制转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。2.2.2矢量控制矢量控制，也称磁场定向控制。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic。通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流 ， It1相当于直流电动机的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。2.2.3直接转矩控制转矩控制的优越性在于 ，转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。2.3 变频器调速方式变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。 交流异步电动机的输出转速由下式确定：n=60f(1S)/p （1）式中 n电动机的输出转速；f输入的电源频率； S电动机的转差率； p电机的极对数。由公式(1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整p)、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整S)和变频调速(调整f)等。变频调速器从电网接收工频50Hz的交流电，经过恰当的强制变换方法，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。第三章 变频调试技术3.1变频器的结构和功能预置3.1.1 三相异步电动机的变频开环调速实验面板图3 三相异步电动机的变频开环调速实验面板3.1.2 全部清除操作 设置步骤如下： 1）按动MODE键至参数给定模式，此时显示P.。 2）旋转M旋钮，使功能码为ALLC。 3）按下SET键，读出原数据。 4）按动旋转M旋钮更改，使数据改为l。 5）按下SET键写入给定。 此时ALLC和1之间交替闪烁，说明参数清除成功。 按SET键再次显示设定值。 按2次SET显示下一个参数。 6）参数清除成功，即恢复出厂设置。3.1.3 参数预置变频器在运行前，通常要根据负载和用户的要求，给变频器预置一些参数，如：上、下限频率及加、减速时间等。3.1.4 给定频率的修改 例如：将给定频率修改为40Hz。1）按动MODE键至频率设定模式，此时显示0.00。2）旋转M旋钮，使频率给定出40Hz。3）按下SET键写入给定，给定频率修改成功。3.2变频器的运行3.2.1试运行PU点动运行1）按动MODE键至参数设定模式，此时显示P.。2）旋转M旋钮，使功能码为Pr.15（点动频率的设置）。3）按SET键读出原数据，旋转M旋钮至25.00。4）按SET键写入给定。5）按动两次SET键显示下一个参数Pr.16（点动运动时的加减速时间设定），也可以按动MODE键至参数设定模式，然后旋转M旋钮至功能码Pr.16。6）按动SET键读出原数据。7）旋转M旋钮，设定点动运动时的加减时间。8）按SET键写入给定。9）按动PU/EXT键至PU点动运行模式，此时PU灯亮，显示JOG。10）按住REV或FWD键电动机旋转，松开则电机停转。PU点动试运行成功。3.2.2 外部点动运行外部点动接线图如图4所示： 1）按MODE键设置为参数的设定模式P.。2）预置点动频率Pr.15为10.00。3）预置点动加减时间Pr.16为6s。（注意：点动运行的加速时间和减速时间不能分别设定）。4）旋转M旋钮至Pr.79设定值为2，选择外部运行模式。5）保持起动信号（变频器正、反转的控制端子STF或STR）为ON，即：STF或STR与公共点SD接通，点动运行。 图4 总结变频器以及可编程控制器以其优越的调速和起保停性能、高效率、高功率因数和显著的节电效果而广泛应用于大、中型交流电机等，被公认为最有发展前途的调速控制。致谢首先，要衷心感谢我的指导老师李华老师。能够顺利完成论文的写作，无不凝聚着李华老师的心血与汗水。研究方案的确定以及具体的实施过程都给予了周密的指导，严谨的治学态度和系统的科研思路让作者受益终生。同时，平易近人、和蔼可亲的生活作风也