三相异步电动机PLC变频调速系统设计

三相异步电动机PLC变频调速系统设计摘要随着电力电子技术的发展，变频调速异步电机越来越广泛地应用在各种工业领域。而变频调速系统的使用也给电力电子与电气传动学科带来了新的研究课题，即在变频器供电下异步电机的设计与分析。本论文介绍了PLC系统,分析了PLC的构成原理等，简要阐述了变频调速的基础技术，如变频调速下电动机的机械特性、控制方法的理论依据等。接着介绍了设计变频调速系统所牵涉到的系统软硬件。从电机理论的角度，分析了变频调速电动机的机械特性，在分析过程中充分利用结合了变频器的特点及控制方法，通过对变频器的不同控制方法，可达到不同的调速以及运行特性。本文共五部分，第一部分主要写了PLC系统,分析了PLC的构成原理等。第二部分主要写了变频调速技术。第三部分主要写了系统方案论证。第四部分写了系统主电路设计。第五部分写了系统电气控制线路设计。关键词:可编程控制器;变频调速;异步电机DesigninVariableFrequencyandAdjustableSpeedSystemofthree-phaseasynchronousmotorsbasedonPLCAbstractFollowingwiththedevelopmentofpowerelectronicstechnology,theinverter-driveninductionmotoriswidelyusedinallkindsofindustryfield.Theutilityofvariablefrequencyandadjustablespeedsystemsbringsanewresearchareaofpowerelectronicsandmotordrivesubject,whichisthedesignandanalysisofinverter-driveninductionmotor.ThispaperbeginstechniquesofPLCsystemsareintroduced,itanalysisthePLCsystemshowtomakeupandit’sprincipletechniquesofVVVFareintroduced,suchasmechanicalcharacteristicsofmotorunderVVVFcontrol,fundamentaltheorieswhichSinusoidalPulse-WidthModulationcontrolalgorithmarebasedon,andmacrocomputerunitrealizationofSPWN,etc.Softwareandhardwareusedinthisdesignarespecified.Combiningwiththecharacteristicsandcontrolmethodsofconverter,themechanicalcharacteristicsofvariable-frequencyspeed-adjustablemotorareanalysedinelectricmachinetheoryinthefirstpartofthispaper.Variousspeed-adjustingandoperatingcharacteristicscanbeobtainedbyusingdifferentcontrolmethodsofconverter.Inanalysisofmechanicalcharacteristicsofvariable-frequency.Thepaperisdividedintofivesections.ThefirstsectionsaystothePLCsystem,hasanalyzedthePLCconstitutionprincipleandsoon.Thesecondsectionmainlywrittenthetechnologyoffrequencyconversionvelocitymodulation.Thethirdsectionmainlywrittentheschemeofsystematicanalysis.Thefourthsectionhaswrittendesignofmaincircuitsappliedinthehybridsuspensionsystem.Thefifthsectionhaswrittendesignofelectricalsystemcontroloftheline.Keywords:PLC;Variablefrequencyandadjustablespeed;Inductionmotor目录1.前言 11.1可编程控制器简介 31.2PLC的基本组成 31.2.1PLC的硬件结构 31.2.2PLC的软件结构 61.3工作原理和特点 61.4PLC的应用领域 81.5可编程控制器的趋势与动向 92.变频调速技术 102.1交流调速的发展概况 112.1.1变频调速技术的发展 112.1.2变频调速技术的原理及特点 112.1.3变频牵引技术在国外的应用情况 122.2变频调速技术的基本原理和优点 122.2.1变频调速的基本原理 132.2.2SPWM的生成原理 132.2.3用PLC实现SPWM 152.2.4变频调速的优点 183.系统方案论证 183.1系统主电路方案的确定 183.1.1主电路结构的选择 183.1.2主电源的选择 193.1.3逆变功率器件的选择 193.2系统控制方案的确定 204.系统主电路设计 214.1主电路工作原理 214.1.1交-直变换电路 224.1.2中间直流电路 224.1.3直交变换电路 244.1.4能耗制动电路 244.1.5指示电路 244.2系统主电路参数设计与选择 254.2.1整流二极管模块选择 254.2.2滤波电容的选择 264.2.3开启电源限流电路的参数选择 264.2.4直流回路短路过电流保护 274.2.5交流电源侧保护元件参数选择 274.2.6逆变器功率器件IGBT选择 285.系统电气控制线路设计 295.1系统电气控制线路主要设计要求 295.2电气控制单元电路设计 295.2.1Y—Δ降压启动电路 295.2.2电动机正反转控制电路 295.2.3能耗制动控制回路设计 305.2.4系统保护电路设计 305.3系统电气控制电气原理图 316.结论 35参考文献 36谢辞 381.前言随着电力电子技术以及计算机控制技术的发展，使得交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用；由于PLC的功能强大、使用容易、可靠性高，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，在工控机上可开发出友好的人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能化”控制。电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高性能、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。1.1可编程控制器简介在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，这造成了时间和资金的严重浪费。由于这些缺点的存在,使得第一台可编程序控制器的诞生。可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。这些高新技术的发展推动了可编程序控制器的发展，而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高、更新的要求，促进了它们的发展。1.2PLC的基本组成可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。1.2.1主机微处理器（CPU）——主机存储器(RAM、ROM） 输入、输出部件（I/O部件）——连接现场设备与CPU之间的接口电路电源部件——为PLC内部电路提供能源整体结构的PLC——四部分装在同一机壳内模块式结构的PLC——各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成。I/O的能力可按用户的需要进行扩展和组合（扩展机）另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内图1图1PLC硬件结构中央控制处理单元(CPU)可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。通用微处理器有8080、8086、80286、80386等；单片机有8031、8096等；位片式微处理器的AM2900、AM2903等。FX2可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机。存储器可编程控制器配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器：存放系统管理程序，用只读存储器实现。用户存储器：存放用户编制的控制程序，一般用RAM实现或固化到只读存储器中。输入输出接口作用：连接用户输入输出设备和PLC控制器，将各输入信号转换成PLC标准电平供PLC处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。对输入输出接口的要求：良好的抗干扰能力；对各类输入输出信号（开关量、模拟量、直流量、交流量）的匹配能力。PLC输入输出接口的类型：模拟量输入输出接口、开关量输入输出接口（直流、交流及交直流）。用户应根据输入输出信号的类型选择合适的输入输出接口。(1)开关量输入接口电路各种输入接口均采取了抗干扰措施。如带有光耦合器隔离使PLC与外部输入信号进行隔离；并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。通常有三种类型：直流(12∽24)V输入、交流(100∽120)V输入与交流(200∽240)V输入和交直流(12∽24)V输入。直流输入模块的电源一般由用户提供。图2图2直流输入接口(2)开关量输出接口电路有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A。图3图3交直流输出接口（继电器输出型）输出端子的两种接法：隔离式输出各自独立，无公共点：各输出端子各自形成独立回路。汇点式全部输入点（输出点）共用一个公共点。或者将输入点（输出点）分成几组，组内各点共用一个公共点。各组的公共点之间相互隔离。组内的各点必须使用同一电压类型和同一电压等级，各组可使用不同电压类型和等级的负载。电源PLC的供电电源一般是市电，也有用直流24V电源供电的。外围设备：编程器、打印机、演示板等利用编程器可将用户程序输入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视PLC的工作状态。用户输入输出设备:用户输入器件有控制开关和检测元件，即各种开关、按钮、传感器等；用户输出设备主要有接触器、电磁阀、指示灯等。1.2.2在可编程控制器中，PLC的软件分为两大部分：系统监控程序：用于控制可编程控制器本身的运行。主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块，系统调用。用户程序：它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。

（一）基本工作模式：PLC有运行模式和停止模式。运行模式：分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段。2.停止模式当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。（二）PLC工作过程：内部处理阶段：在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。通信服务阶段在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。输入处理阶段输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读取所有输入端子的通断状态，并将所读取的信息存到输入映象寄存器中，此时，输入映像寄存器被刷新。程序处理阶段按先上后下，先左后右的步序，对梯形图程序进行逐句扫描并根据采样到输入映像寄存器中的结果进行逻辑运算，运算结果再存入有关映像寄存器中。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。输出刷新阶段程序处理完毕后，将所有输出映象寄存器中各点的状态，转存到输出锁存器中，再通过输出端驱动外部负载。在运行模式下，PLC按上述五个阶段进行周而复始的循环工作，称为循环扫描工作方式。（三）PLC工作方式：集中采样、集中输出、周期性循环扫描，“串行”工作方式1．扫描周期：PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度有关，与I/O点的情况有关，与用户应用程序的长短及编程情况等均有关。通常用PLC执行1K指令所需时间来说明其扫描速度(一般1~10ms/K)。2．输出滞后：指从PLC的外部输入信号发生变化至它所控制的外部输出信号发生变化的时间间隔。一般为几十—100ms.引起输出滞后的因素：输入模块的滤波时间、输出模块的滞后时间、扫描方式引起的滞后。3.由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存器中的内容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。4.由于PLC是串行工作，所以PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关。这与继电器控制系统“并行”工作有质的区别。避免了触点的临界竞争，减少繁琐的联锁电路。（四）PLC的特点1.可靠性高，抗干扰能力强2.硬件配套齐全，功能完善，适用性强3.易学易用，深受工程技术人员欢迎4.系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造1.4PLC的应用领域 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。（1）开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（2）模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。（3）运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。（5）数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（6）通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。可编程控制器的趋势与动向一、当代PLC技术的发展趋势发展迅速，产品更新换代；开发各种智能化模块，不断增强过程功能；PLC与个人计算机（PC）结合；通信联网功能不断增强；发展新的编程语言，增强容错功能。二、当代PLC技术的发展动向美国通用汽车以用户身份提出新一代控制器应具备十大条件，这十大条件是：1.编程方便，可在现场修改程序；2.维修方便，最好是插件式；3.可靠性高于继电器控制柜；4.体积小于继电器控制柜；5.可将数据直接送入管理计算机；6.在成本上可与继电器控制竞争；7.输入可以是交流115V；8.输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀；9.在扩展时，原有系统只要很小变更；10.用户程序存储容量至少能扩展到4K字节。2.变频调速技术交流调速的发展概况在工业生产及国计民生中电机的使用十分广泛，电机的传动方式一般分为直流电机传动及交流电机传动。过去由于交流电机实现调速较困难或某些调速方式低效不够理想，因而长期以来在调速领域大多采用直流电机，而交流电动机的优点在调速领域中未能得到发挥。交流电动机的调速方式一般有以下三种。

1）变极调速是通过改变电动机定子绕组的接线方式以改变电机极数实现调速，这种调速方法是有级调速，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼电动机。

2）改变电机转差率调速其中有通过改变电机转子回路的电阻进行调速，此种调速方式效率不高，且不经济。其次是采用滑差调速电机进行调速，调速范围宽且能平滑调速，但这种调速装置结构复杂（一般由异步电机、滑差离合器和控制装置三部分组成），滑差调速电机是在主电机转速恒定不变的情况下调节励磁实现调速的，即便输出转速很低，而主电机仍运行在额定转速，因此耗电较多，另外励磁和滑差部分也有效率问题和消耗问题。较好的转差率调速方式是串级调速。

3）变频调速通过改变电机定子的供电频率，以改变电机的同步转速达到调速的目的，其调速性能优越，调速范围宽，能实现无级调速。目前我国生产现场所使用的交流电动机大多为非调速型，其耗能十分惊人。如采用变频调速，则可节约大量能源。这对提高经济效益具有十分重要的意义。

2.1.1上世纪50年代末，由于晶闸管（SCR）的研究成功，电力电子器件开始运用于工业生产，可控整流直流调速便成了调速系统中的主力军。但由于直流电机结构复杂，造价比交流电机高，直流电动机在运行中，炭刷接触产生炭粉而易引起环火，须经常维护，而且直流调速系统线路复杂，维修十分不便。因而便促进了世界各国对交流调速技术的开发和研制。20世纪80年代中期，随着第三代电力电子器件，如门极可关断晶闸管(GTO）、大功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等全控型电力电子器件的研制成功，以及电力电子器件从电流驱动型到电压驱动型全控器件等的发展，日本等国已先后研制开发出了功率等级不同的把控制、驱动、检测、保护及功率输出集于一体的变频调速产品，如图1所示。从而使交流变频调速的关键装置———逆变器性能优良，主电路简单，驱动方便，工作可靠。同时随着控制理论、微电子技术和计算机技术的发展，使交流电机变频调速技术取得了突破性进展，并以其优越的调速性能和良好的节能效果逐渐取代了直流调速系统和其他的调速方式，如变极调速、串级调速、滑差电机调速、整流子电机调速等。随着全球能源短缺趋势的加剧以及交流变频技术及变频器产品的性能和功能日趋完善，使其越来越广泛地应用在工业生产的各个领域中。据有关资料介绍，1994年日本生产100kW以下的中小功变频器已达100万台。除日本外，欧美等发达国家目前已形成了较完整的变频器技术产业体系。

2.1.2变频调速技术的原理是把工频50Hz的交流电转换成三相频率和电压可调的交流电，通过改变交流电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的（即VVVF技术）。目前的变频器系统还采用微机控制技术，它可根据电动机负载的变化实现自动、平滑地增速或减速。交流变频调速系统一般由三相交流异步电动机、变频器及控制器组成，它与直流调速系统相比具有以下显著优点：（1）异步电动机比直流电动机结构简单，重量轻，价格低，它没有换向器，运行可靠；（2）控制电路比直流调速系统简单，易于维护；（3）变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好，而且节能显著，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术，因而在国际上获得了广泛的应用。2.1.随着变频技术的发展，使电力牵引系统有了很大的变化，其牵引与调速系统由最初的变阻调速发展到斩波器调速，进而发展到应用交流三相异步牵引电动机采用调压变频调速（VVVF）的牵引技术。目前世界上德、日等发达国家研制的地铁和轻轨车辆几乎全部采用交流变频调速牵引技术。我国地铁车辆电力牵引系统从变阻调速到斩波器调速，进而发展到使用三相异步电动机的变频牵引技术。在DC750V系统下运行的地铁中，采用成熟的、批量生产的、价廉的耐压1200V的IGBT器件构成三点式逆变器，实现地铁车辆交流传动方案，造价也不贵，而且对于城市轨道交通DC750V系统中地铁或轻轨车辆上所采用的交流传动所需的电气设备，我国已完全能够自已设计和制造，从而使我国铁路机车工业跨入了研制发展绿色交通车辆的国际先进行列。近年来，变频器产品已在国际、国内工业生产和国计民生中得到了广泛的应用。低压电动机变频调速产品目前应用已非常普及和成熟，高压电动机变频调速也在被人们关注和逐渐应用。交流变频器已成为对工业生产进行技术改造和对产品、设备更新换代的理想调速装置。2.2变频调速技术的基本原理和优点现代生产机械普遍采用电气传动系统，实现电动机无级变速可以大大简化生产机械的结构，而且还能够显著提高生产机械的技术水平和工作效率，从而提高产品的质量和数量。对于风机和水泵类负载，采用调速方法来改变其工况可节约电能达20%～60%，经济效益十分显著。异步电动机结构坚固、运行可靠、造价低廉，一直是生产机械的主要动力设备，异步电机的调速方式有串级调速、变级对数调速和变压变频调速，而由电机学可知，其转速公式为：（2-1）式中：n是异步电动机转速（r/min），p是异步电动机的定子极对数，s是异步电动机的转差率，f是供电电源的频率(Hz)。(1)改变极对数作几挡的有级调速，该种电机通用性差，并且结构复杂、价格高、维护性差。(2)改变电动机转差率，即在转子上串电阻，因绕线式电机的结构限制，通常为有级调速。(3)当极对数不变时，电动机转子转速n与定子电源频率f成正比。因此通过连续改变定子电压供电频率f就能平滑、无级地调节异步电动机的转速，这种调速方法称为变频调速。改变供电电源频率也称变频调速，这种方法能实现无级调速，并且能适用于各种异步电动机的调速需要。由此可以看出，如果能够控制供电频率就能够控制异步电动机的转速。直到20世纪70年代，微电子和电力电子技术发展到相当水平才研制出由大功率晶体器件组成的变频器，时至今日变频调速技术已经十分成熟，成为电动机调速的主流，在工业生产和家用电器领域都获得了广泛的应用。2.2.根据异步电动机的运行原理，对它进行调速控制时，其气隙磁通（主磁通）应保持额定值不变，因为磁通减弱则在相同的转子电流下电磁转矩将减小，使电动机的负载能力下降；磁通太强又会使电动机铁心处于过度饱和状态，使定子电流的励磁分量增大，贴心温升过高。由电动机理论可知，三相感应电动机定子每相电动势的有效值为： =4.44Φm（2-2）式中，为定子绕组系数；为定子电流频率；为定子每相绕组匝数；Φm为每极最大主磁通。由上式可见，要使Φm保持不变，就必须使与比值保持不变，即，，但是的大小无法从外部电路中进行测量，从电机理论中我们知道，在忽略定子绕组的阻抗压降时，电动势与定子相电压相等，即：，从而得出。上式表明感应电动机进行变频调速时其电源装置输出的电压与频率必须按照相同的规律变化，也就是说调速装置输出的电压和频率的比值应保持不变，因此这种变频器被称为VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)。这种变频器是当前的主流形式。图4变频器的主电路图变频器的主电路如图4图4变频器的主电路图2.2.2SPWMSPWM的生成原理如图5所示图5图5SPWM生成原理仍采用传统的三角波和正弦波叠加原理，且采用双极性规则采样法II，由于每个周期的采样时刻都是固定的（图中E点），根据脉冲电压对三角载波的对称性，假设A相电压瞬时电压表达示为U=Sin(wt)。可得脉宽时间：t=T/2[1+MSin(wt)]t=T/2[1+MSin(wt-120)]t=T/2[1+MSin(wt+120)]三相脉宽时间的总和为：tua2+tb2+tc2=（3/2）Tc（1）而间隙时间：t=t=(T-t)/2t=t=(T-t)/2t=t=(T-t)/2三相间歇时间总和为：ta1+tb1+tc1+ta3+tb3+tc3=（3/2）Tcta1+tb1+tc1=ta3+tb3+tc3=（3/4）Tc（2）式中，下标a，b，c分别表示三相。2.2.3用PLC为方便起见，选择四极笼型异步电动机，而且设其处于理想空载状态，如图4电动机接线，此时，p=2，s=0，代入公式得此异步电动机的转速n=30f1若要求电动机转速为1200r/min,则f1=n/30=1200/30=40Hz。通常定义载波信号频率fc与调制信号频率fm之比为载波N，写成N=fc/fm。这里选择N=9，则fc=Nfm=9×40=360Hz。现用PLC编程产生SPWM波形作为图4中功率开关器件的控制信号。设开关器件选为GTR，其最高工作频率为2kHz。1时间计算与储存采用双极性SPWM调制，如图6所示图图6双极性SPWM调制设ti2，i=1，2，…，0，为各三角波周期内开关器件的导通时间，ti1，ti3为对应的关断时间，并设调制系数m=0.8。则由式（3）和（4）可得时间（单位为秒）如下：t21≈0.002.t11=t31≈0.001,t22=0.003,t12=t32≈0.0002,t23≈0.003,t13=t33≈0.0002,t24≈0.002,t14=t34≈0.0004,t25≈0.001,t15=t35≈0.0007,t26≈0.001,t16=t36≈0.001,t27≈0.001,t17=t37≈0.001,t28≈0.001,t18=t38≈0.001,t29≈0.001,t19=t39≈0.001在正弦波的一个周期内开关器件的导通时间分别为ti2，i=1，2，…，9关断时间分别为t11≈0.001，t31+t12≈0.001，t32+t13≈0.001t33+t14≈0.001，t34+t15≈0.001，t33=t14≈0.002，t36=t17≈0.002，t37=t18≈0.002，t38=t19≈0.002，t39≈0.001根据公式（1）～（4）可算出其它两相的开关器件的通断时间。在计算时间内，可以把sin值和Tc/2值存入E-PROM，先由表中取出sin值和变频器所需的调制系数m作乘法运算，再根据频率给定值查取对应的Tc/2值，然后与msinω1t，作一次乘法运算，通过加减移位即可得脉宽时间t2和间歇时间t1，t3。当然，也可以先离线计算出t2或（Tc/2）msinω1t，存入EPROM（或E2PROM），然后根据频率给定值通过查表和加减移位运算求得各组t2和t1，t32梯形图梯形图是一种图形语言，是若干图形符号的组合，梯形图结构沿用继电控制原理图的形式，采用了常开触点、常闭触点、线圈和功能块等结构。它使用内部继电器、定时器和计数器、靠软件实现控制。设PLC的定时器的计量单位为0.001秒，继电器X1为启动按钮，X0为停止按钮，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5为输出端。其中Y0，Y1，Y2分别接图中的V1，V3，V5；而且Y3，Y4，Y5分别接图中的V2，V4，V6。Y3，Y4，Y5输出的SPWM信号实际上分别为Y0，Y1，Y2输出的反相信号。图图7管子V1的SPWM信号梯形图2.2.变频调速的优点：①调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速：②启动电流小，而启动转矩大；③启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备；④对电机具有保护功能，降低电机的维修费用：⑤具有显著的节电效果：⑥通过调节电压和频率的关系方便地实现恒转矩或者恒功率调速：目前，变频调速己经成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都得到了广泛的应用：而且随着一些新的交流电机调速理论（如：矢量控制和直接转矩控制）和现代电力电子技术等相关技术的发展，它将在很长一段时间内主导电气传动领域，并向更高性能、更大容量以及智能化方向发展。三相异步电动机变频调速系统包括主电路和控制电路两部分，主电路主要完成功率的转换，它的结构是随着电力电子技术的发展而发展的，特别是从半控器件到全控器件的过渡标志着变频装置在性价比上可以与直流调速装置相媲美；控制电路主要完成对变频主电路提供各种控制信号，它是随着数字控制技术的发展而发展的，而且数字技术的应用不仅提高了调速系统的精度和可靠性，而且还为现代控制理论与方法在交流调速中的应用提供了物质基础。3.1系统主电路方案的确定在交流变频调速系统中，主回路作为直接执行机构，其可靠性和稳定性直接影响着系统的运转，因此，必须根据系统设计的要求选择合适的主电路。3.1.主电路是将三相交流电变换成频率、幅值可调的交流电压，能实现这一功能的电路有交-交电路和交-直-交电路。交-交变频电路有一个变换环节就可以把恒压恒频(CVCF)的交流电源变换成VVVF电源，常用的交-交变频电路输出的每一相都是一个两相功率器件整流装置可逆线路。当正向组工作在整流状态，反向组工作在逆变状态时，交流电机得到的是正电压；反之，电机绕组得到的是负电压。只要控制两相反并联的桥组不断的处于整流和逆变工作状态，就能将电网电压变成变频电源。但交-交变频电路有以下缺点：（1）输出上限频率由于交-交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼凑而成，当输出频率升高时，输出电压在一个周期内电网电压的段数就减少，所含的谐波分量就增加。电网频率为50HZ时，交-交变频电路的输出上限频率为20HZ左右；（2）输出功率因数交-交变频电路的输出是通过相控的方法的得到的，因此，在输入端需要提供所需的无功电流，随着负载功率因数的降低和电源幅值的减小，所需的无功电流增加，所以输出功率因数低；（3）接线复杂，使用的功率器件多。所以，交-交变频电路主要用于转速在600r/min以下的大功率交流调速装置中。交-直-交变频电路实现由整流器将电网中的交流电整流成直流电，经过滤波，然后由逆变器逆变成交流电供给负载。根据中间环节采用大电容或大电感滤波可分为交-直-交电压型和交-直-交电流型两类。当中间环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种阻抗为零的恒压源，输出电压是矩形波或阶梯波；当中间环节采用大电感滤波时，直流电压波形比较平直，对负载来说是一个恒流源，输出电压也是矩形波或阶梯波。由于电压源型变频电路是作为电压源向交流电机提供电功率的，因此，其主要优点是运行几乎不受负载功率因数和换流的影响；缺点是当负载出现短路或过流时，必须采取保护措施。电压源型逆变器从水银整流器问世就开始使用，并随着功率器件的发展逐渐完善。如今，适合工业应用、体积小、大功率的电压源型逆变器制造技术大幅度提高，价格也降低了，并使交流电机调速性能一些应用场合超过直流电机调速系统。正是由于这个原因，电压源型逆变器得到了广泛的应用。因此，在变频调速系统中主电路选择了电压源型交-直-交变频电路。其结构如图8所示。图图8交-直-交电压型变频主电路3.1.主电源的整流电路包括可控整流和不可控整流。可控整流的优点是可以控制直流电压输出的大小，可以实现变压；其缺点是对电网的干扰大，而且整流得到的直流电压谐波大，输入功率因数低。而不可控整流的优点是对电网的干扰较小，整流得到的直流谐波小，电压稳定，因而输入功率因数高；缺点是直流电压不可控，要想控制输出电压值，只有通过后面环节（逆变器可以控制电压大小）。本设计面向的是不需要频繁制动和反转的电动机，所以选择不可控二极管整流桥方式。滤波电路采用阻容方式。逆变电路为三相全桥形式。3.1.功率器件应根据设计的要求和性能指标来选择，对于变频调速系统，一方面要求开关频率足够高，另一方面要求有足够的输出容量，SCR导通容易，但需强迫换流电路使其关断；IGBT具有自关断能力，且有GTR的大容量和MOSFET的驱动功率小、开关动作快等优点，是中小容量最为流行的器件。对于本设计而言，选择IGBT较合适。3.2系统控制方案的确定控制电路作为异步电机变频调速系统的核心部分，在影响整个系统的性能方面占有极其重要的地位，而控制系统的性能又取决于其运算速度和控制精度，这在某种程度上依赖于实现该系统的电子芯片。目前,人们常常使用专用的芯片如TL494、SG3525等来产生PWM(脉冲宽度调制)波形,并由其通过反馈信号来实现对PWM波形的宽度的调节,从而获得稳定的输出。当控制电路设计完成后,就是一个相对独立的系统,调节、控制方式不能再更改,系统的总体协调功能差。近几年,基于微机控制的逆变系统主要采用单片机或DSP(数字信号处理器)控制。采用单片机的系统若使用定时器产生PWM,由于中断的特点,使输出的PWM的脉宽容易发生改变,从而影响输出电压的精度。如MCS51系列,中断响应为3～8个机器周期,用6MHz的晶振,机器周期为2μs,逆变器工作频率为20kHz,工作周期50μs,则误差范围为12%～32%;此外,单片机对系统调节的实时性差(96系列的机型也不能满足要求),因此单片机构成的系统一般需要外接产生PWM的芯片,单片机主要用于协调系统的工作及输出显示。可编程芯片尤其是CPLD/FPGA(复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列)具有通用性强、灵活性好的特点。此外,使用CPLD/FPGA的控制器可以在不改变主电路的前提下通过重新编程就可以获得不同的控制方式,从而提高和升级系统的性能。尽管CPLD/FPGA在通讯领域应用广泛,但其逆变电源中的应用只处于起步阶段。可以相信,采用可编程芯片控制的逆变系统是未来逆变系统研究的热点,尤其是在试验室进行研究和开发,更具有独特的优势。本设计力求在电路结构简单的情况下，从经济、节能角度出发，设计了一种基于CPLD的SPWM主控制电路，整个系统采用闭环控制，利用复杂可编程逻辑器件（CPLD）来实现触发控制电路的设计，通过模拟、数字电路实现闭环控制和调节算法，并把调节输出信号作为CPLD的输入控制信号对PWM波进行调制。这种电路结构简单，产生原理完全不同于传统的方法，可以和微机配合使用，仅占用微机很少的时间，也可以做成完全独立式，不占用微机任何资源。控制电路的结构如图9所示。图图9系统控制电路框图系统总体结构框图图10系统图10系统总体电路框图

4.1主电路工作原理主电路由整流和逆变电路构成。三相交流电源经过三相全波整流、滤波、稳压，为逆变器提供一个稳定可靠的大容量直流电源，然后由大功率开关元件按脉宽调制（PWM）方式，将直流逆变成可变频率和电压的交流，供交流电动机变速之用。主电路中大功率开关元件选择IGBT模块（IGBT即绝缘门极双极晶体管），它集VMOS管和大功率达林顿晶体管特性优点于一身，而无两者的缺点，具有高电压、大电流、低导通电阻、高速、高可靠、低开关损耗、低脉冲拖尾电流、对温度不敏感等特性。本课题选用的是交-直-交电压型PWM变频主电路，它包括不可控整流电路、滤波电路和三相桥式逆变电路以及能耗制动电路。其结构如图4所示。4.1.该变换电路的任务是将电源的三相交流电变换为平稳的直流电。1.整流电路整流电路因变频电路输入功率大小不同而异。对于小功率的，输入电源多用单相220V，整流电路用单相全波整流桥；对于大功率的，一般用三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。本毕业设计中选用的是11KW的三相交流电动机，其额定电流为22.6A，额定电压为380V,额定频率为50HZ,额定转速为1460转/分，属于中小功率范围。整流器件采用不可控的整流二极管或二极管模块。如图2.整流器件的一般选择原则1)最大反向电压，式中是电源线电压的振幅值(4―1)2)最大整流电流，式中为变频器的额定电流(4―2)3)整流输出的平均直流电压如果电源的线电压为，则三相全波整流后平均直流电压的大小=。(4―3)4.1.中间直流电路包括吸收由整流器、逆变器回路产生的电压脉动的滤波电路（也称储能回路）以及限流电路。（1）滤波电路由于整流电路输出的整流电压中含有6倍电源频率的脉动直流电压，而逆变器采用PWM控制方式（由逆变器同时完成VVVF）,要求中间直流电路是电压源型,所以一般采用电容器滤波。中间直流电路除起滤波作用外，还必须在整流器与逆变器之间起耦合作用，以消除相互干扰，这就要求给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。可见，中间直流电路的电容除起滤波作用外，还起储能作用，因而它的电容量必须较大，所以，又称储能电容器。本课题中使用两个大电容器、；又由于电解电容的电容量有较大的离散性，故电容器、电容量不能完全相等，这将使它们承受的电压和不相等，为了使和相等，在和旁各并一个阻值相等的均压电阻和。（2）限流电路图4中，串接在整流桥和滤波电容器之间，由限流电阻和可控硅组成的并联电路。1)限流电阻变频电路在接入电源之前，由于储能电容较大，滤波电容上电压=0，故接入电源瞬间势必产生很大的冲击电流经整流桥流向滤波电容，此时很大，可能使整流桥受到损坏；也可能使电源瞬间电压下降，形成干扰。为限制该冲击电流，有必要在整流桥的输出端和滤波电容器之间串入一个限流电阻。2)可控硅当电路正常工作是，如将此限流电阻长时间接在电路中，会引起附加损耗和整流输出直流电压以及逆变器输出电压的不稳定。所以，当电容两端的电压增加到额定电压的70%时，触发可控硅，将电阻切除电路，并使一直处于导通状态。触发可控硅的电路可设计如图11所示。图11可控硅触发电路

图11可控硅触发电路图中，通过调节来设定基准电压。并同主回路P点电压相比较，当P点电压高于基准电压时，比较器LM331输出高电平，在通过光耦TLP741进行隔离放大，使导通。

4.1.1.逆变器其功能是把直流电压逆变成频率可调的交流电压。在图4中，有开关器件~构成的电路。~的器件接受控制电路中的PWM调制信号的控制，将直流电压逆变成三相交流电压。本设计中，采用了由开关元件IGBT构成的三相桥式逆变电路，由于IGBT具有GTR的大容量和MOSFET的开关动作快、驱动功率小等优点，发展很快，备受青睐，在电机控制和开关电源领域中有着广泛的前景。2.续流电路由图4中的构成。其功能为1)为电动机绕组的无功电流返回直流回路时提供通路；2)频率下降，从而同步频率下降时，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路。3)为电路中的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路。4.1.在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减下频率来实现的。这时，从电动机的角度来看，电动机处于再生制动的工作状态；从变频调速系统的角度来看，拖动系统在转速下降时减少的动能，由电动机“再生”电能后，在变频主电路的直流环节中被消耗掉了。归根结底，是通过消耗能量而获得制动转矩的，属于能耗制动状态。为此，在系统电路中设计了由VE、RE、VDE组成的放电回路，以免过高的直流电压使各部分器件损坏。4.1.电源指示灯HL，除了表示电源是否接通以外，还有一十分重要的功能，即在变频电路切断电源后，指示滤波电容是否放电完毕。由于和的容量较大，而切断电压又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以，电容没有快速放电的回路，其放电时间长达数分钟。由于上的电压较高，如不放完，对人身安全将构成威胁。由图4可知，主电路由整流电路和IGBT逆变电路构成，它是本系统的功率驱动单元，由不可控整流环节、中间直流环节、和逆变环节构成。系统所用参数如下：电动机参数：电动机型号：YGF160M-4，2P=4,,,，,,,,电源电压：380V，频率：50HZ逆变部分采用IGBTPWM型逆变器，控制方式，过载倍数/分钟。4.2.（1）参数计算1)通过二极管的峰值电流(4―4)2)流过二极管电流有效值(4―5)式中，为电机最大负载电流峰值，其值一般取为。3)二极管电流定额(4―6)4)二极管的电压定额=(4―7)根据电网电压，考虑到其峰值、波动、闪电、雷击等因素，实取。元件选取根据上式确定的电压、电流定额，选择二极管模块MOD1、MOD2,型号为：6RI30G-120，即（60A,1200V）。4.2.1).参数计算当没有滤波电容时，三相整流输出直流电压为(4―8)加上滤波电容后，的最大线电压可达到交流线电压的峰值(4―9)2).元件选取滤波电容理论上越大越好，考虑到价格和体积，电容也不能选得太大；事实上，中间直流滤波电容的容量是从限制电压波动的角度来选择的，因此，选用两个电解电容器相串联，总耐压值为，电容量为。电容器的均压电阻取。4.2.图11中为变频电路启动时的限流电阻,由于变频电路通电瞬间,滤波电容相当于短路,因而,冲击电流很大,故需加电阻来限流,实际上当电容充电时,和、构成的回路是一个典型的一阶惯性环节，其时间常数；故在零初始状态下，电容上电压的相应方程式为(4―10)当t=4T时，，故可选取充电时间为t=4T=。假若要求充电时间，那么 (4―11)故上消耗的功率为：(4―12)实际上，假若不是经常性的冲放电时，的瓦数可选小一些，以减小设备的体积。实选开启限流电阻为：。4.2.1)输出直流电压(4―13)式中，为安全系数，一般取1.1；1.1为波动系数。2)额定状态下，直流侧的功率，不计逆变器的损耗和电机的谐波损耗，有(4―14)3)直流电流平均值(4―15)4)整流器交流侧输入的电流有效值可近似为(4―16)5)熔断器的额定电流为(4―17)所以，实选熔断器熔体额定电流为。4.2.交流侧过流保护快速熔断器熔体的额定电流为(4―18)其中，是与负载的过载倍数以及整流模块的安全裕量有关的系数，考虑到，，取=1.9，所以有=，故实选熔断器额定电流为30A。静电感应过压抑制电容取为（经验选取）。（3）进线电抗L的电感量按下面的经验公式计算(4―19)式中，——与变频器容量相当的整流变压器的短路比，100以下的一般取为5，将，，代入上式得故实选进线电感量220，额定电流为30A(交流)或饱和电流为50A(饱和电流考虑了1.5倍在要求)。4.2.6逆变器功率器件IGBT是场控大功率器件，具有自关断能力，开关速度高，所以，使用IGBT可使逆变器结构小巧。但它热时间常数小，承受过载能力差；因此，在实际的应用时，应从负载最严重的情形来选择功率器件。本系统中，最严重的情况是异步电动机的启动电流为额定电流的（1.2～2.0）倍，且要考虑电流峰值。IGBT集电极电流计算公式为(4―20)式中，——电机过载倍数，一般小于2.7。——电机额定电流所以，=考虑安全裕量，实取200A。IGBT的耐压值IGBT关断时的峰值电压为:（4—21）式中，1.15为过压保护系数，为安全系数，一般取1.1，150由引起的尖峰电压。令，并向上靠拢，IGBT的实际电压等级应取1200V。5.系统电气控制线路设计5.1系统电气控制线路主要设计要求Y—Δ降压起动；电动机能正反向运行；系统要求有能耗制动；系统电压及电流保护；5.2电气控制单元电路设计5.2.1Y—正常运行时定子绕组接成三角形的三相异步电动机可采用星形-三角形降压启动方法达到限制启动电流的目的。启动时，定子绕组首先接成星形，每相绕组承受的电压为电源的相电压（220V），待转速上升到接近额定转速时，再将定子绕组的接线换接成三角形，每相绕组承受的电压为电源线电压（380V），电动机便进入全电压正常运行状态。凡是正常运行时定子绕组接成三角形的三相异步电动机，均可采用星形-三角形启动方法。与其他降压启动相比，星形-三角形降压启动投资少，线路简单，但启动转矩小。本设计中，降压启动采用了降压启动电路。线路工作原理如下：合上总开关QS，按SB2起动按钮，KT1、KM3通电吸合，KM3触点动作使KM1也通电吸合并自锁，并使KM得电吸合，电动机M接成星形减压起动，随着电动机转速的升高，起动电流下降，这时时间继电器KT1延时到其延时长闭触点断开，因而KM3断电释放，KM2通电吸合，电动机M接成三角形正常运行，这时时间继电器也断电释放。5.2.在实际的生产中，为了提高劳动生产率，减小辅助工时，所以系统中设计了交流电机的正反转控制电路。由于电动机正转时，若按下反转按钮，首先应断开正转接触器线圈线路，待正转接触器释放后，再接通反转接触器，于是，为此可以采用两只复合按钮实现之。其控制线路如电气控制原理图所示。线路工作原理如下：正转至反转，按下SB3，使KM1断电，KM4得电，KM4自锁，并与KM1互锁，电机有正转变为反转；反转时，按下SB5工作原理与上述相同。5.2.电动机的电磁转矩与旋转方向相反的运行状态是电气制动状态。三相异步电动机的制动常采用能耗制动，就是在电动机脱离三相交流电源之后，向定子绕组内通入直流电流，利用转子感应电流与静止磁场的作用产生制动的电磁转矩，达到制动的目的。在制动过程中，电流、转速和时间三个参量都在变化，原则上可以任取其中一个参量作为控制信号。取时间作为变化参量，其控制线路简单、成本较底，故实际应用较多。本设计中采用的是时间原则控制的单向能耗制动控制线路。在电动机正常工作时，若按下停止按钮SB7，电动机由于KM断电释放而脱离三相交流电源。而直流电源则由于接触器KM5线圈通电KM5主触头闭合而加入定子绕组，时间继电器KT2线圈和KM5线圈同时通电并自锁，于是电动机进入能耗制动状态。当其转子的惯性速度接近于零时，时间继电器延时打开的常闭触头断开接触器KM5线圈电路。由于KM5常开辅助触头的复位，时间继电器KT2线圈的电源也被断开，电动机能耗制动结束。图中KT的瞬时常开触头的作用是考虑KT线圈断线或机械卡住故障时，电动机在按下按钮SB6后电动机能迅速制动，两相的定子绕组不致长期接入能耗制动的直流电流。该线路具有手动控制能耗制动能力，只要使停止按钮SB6处于按下状态，电动机就能够实现能耗制动。5.2.（1）短路保护FU熔断器FU作为电路短路保护，但达不到过载保护的目的。这是因为一方面熔断器的规格必须根据电动机启动电流大小作适当选择，另一方面还要考虑熔断器保护特性的反时限特性和分散性。所谓分散性，是指各种规格的熔断器的特性曲线差异较大，即使是同一种规格的熔断器，其特性曲线也往往很不相同。绝缘损坏、负载短路、接线错误等故障，都可能产生短路现象而使电气设备损坏。短路的瞬时故障电流可达到额定电流的几倍到几十倍。短路保护要求具有瞬动特性，即要求在很短的时间内切断电源。该设计用常用的熔断器。如图32中的FU。（2）过电流保护KI过流保护是区别于短路保护的另一种电流型保护。电动机或电器元件超过其额定电流的运行状态，时间长了同样会过热损坏绝缘，因而需要这样一种保护，即保护的特点是电流值比短路时小，一般不超过2.5I。过流保护也要求有瞬动保护特性，即只要过电流值达到整定值，保护电器立即切断电源。如图32所示，当电机运行时，按下SB8时，时间继电器KT的常闭触点立即闭合，将过流继电器KI接入电路。当电动机起动时，延时继电器KT的常闭触点闭合着，过流继电器的过电流线圈被短接，这时虽然起动电流很大，但过电流保护不动作。起动结束后，KT