基于s7-1500与变频器的异步电机调速控制设计分析研究 电气自动化专业

基于s7-1500与变频器的异步电机调速控制设计摘要：文章利用西门子S7-1500的PLC，采用PROFINET的通信方式，控制变频器输出频率的变化，变频器采用G120_cu250s型号，利用WINCC触屏设定异步电机转数，经过PLC程序运算后，将运算后的数字量通过变频器端口送到变频器，进而控制调整电机转数和触屏设定转数相同，达到调速的目的。异步电动机变频调速系统具有重要的实用价值和广阔的市场空间。研究和推广高性能变频器是提高生产生活水平、促进节能减排、减少电网污染的有效途径。因此，实现科学技术进步和可持续发展也是人类社会的迫切需要。在研究异步电动机相关控制技术和变频器硬件实现结构的基础上，重点研究了变频器驱动单元中的无速度传感器矢量控制技术，有助于降低系统成本，提高可靠性和适用性，提高了系统的可靠性和实用性。e电源单元的主动前端实现结构，有助于提高网络侧的电流质量，提高能源利用效率，并提出了一些新的解决方案。首先，在分析适用于无速度传感器矢量控制的磁链观测器结构的基础上，深入研究了速度自适应全阶磁链观测器。通过对小信号模型的线性化，说明了传统设计方案在低速再生制动条件下的不稳定性，提出了一种改进的全阶观测器反馈增益矩阵设计方法。然后，在异步电动机无速度传感器矢量控制硬件系统的设计与实现的基础上，实验结果表明，改进后的方案可以在低速范围内扩展无速度传感器控制的稳定工作范围。其次，从实际应用的角度，分析了常见非理想因素对全阶磁链观测器的影响，并研究了相应的解决方案。针对电机参数误差对全阶观测器磁链观测精度和速度估计精度的影响，在考虑磁链与速度重合关系的基础上，进行了详细的理论分析，总结了不同参数组合下观测误差的变化规律。与系统仿真结果一致。然后，对全静态自整定和电机参数在线辨识的方法进行了不同程度的分析和实验。针对驱动单元逆变器硬件系统实现中的非理想因素，分别从数字化、采样和死区效应三个方面进行了研究。分析了全阶磁通观测器常用离散化方法的优缺点，提出了一种前向差分与双线性变换相结合的离散化方案，并进行了实验验证。该方案可以同时获得较高的精度和较低的计算量。在一定程度上解决了高开关频率应用中离散全阶观测器的实际问题。在采样问题中，主要分析了定子电流采样不同频率范围误差对全阶观测器速度估计和磁通观测的影响，并阐述了合理设计定子电流采样环节的关键问题。针对死区效应问题，详细分析了电压源逆变器死区效应的机理及其对观测器定子电压重构的影响。在此基础上，提出了一种考虑电流过零相位的电流状态判断电路和方法以及相应的死区补偿方案。理论分析和实验结果表明，该方案能够判断逆变器输出电流的瞬时极性和两种不同的过零状态，并根据判断结果选择最合适的死区补偿量，提高死区补偿的精度，从而有效地降低了死区补偿量。定子电压重构误差对磁通观测的影响。最后，本文介绍了基于滤波器的变频器有源前端电源单元的设计，以及网络侧电流优化控制技术的研究与实验。在分析系统硬件参数和控制方案设计原理的基础上，实现了以有源前端结构为电源单元的完整的变频器硬件样机，并对系统的驱动和反馈制动能力进行了试验。同时，分析了电压畸变条件下抑制电网侧谐波电流的能力，说明了滤波器谐振问题对传统控制方案的局限性。然后，对改进后的控制方案进行了研究和试验。一方面，从稳定条件、补偿功能设计和谐波抑制特性等方面详细分析了两种结构的复合重复控制方案。通过实验总结了这两种结构的优缺点。另一方面，基于反馈电容电压的有源衰减方案，提出了用降阶观测器代替直流观测器来观测电容电压。利用传感器对电容电压进行采样，实现有源衰减方案。实验结果表明，该方案在不增加硬件成本和复杂度的前提下，可以实现有源衰减，提高控制性能。并根据实验结果，比较了重复控制和有源衰减的优缺点。总之本文对异步电动机变频器的一些关键技术进行了研究，旨在提高其性能和实用价值。在研究过程中提出了一些新的思路或改进方案，并通过大量实验验证了分析和提出的方案。关键词：PROFINET；WINCC触屏；西门子S7-1500；变频调速系统；通信方式；变频器；无速度传感器矢量控制,自适应全阶观测器,数字控制,死区补偿,滤波器,重复控制,有源衰减Speedcontroldesignofasynchronousmotorbasedons7-1500andfrequencyconverterAbstract:ThispaperusesSiemensS7-1500PLCandPROFINETcommunicationmodetocontroltheoutputfrequencyoftheconverter.TheconverteradoptsG120_cu250smodelandWINCCtouchscreentosetthespeedoftheasynchronousmotor.AftertheoperationofthePLCprogram,thecalculateddigitalquantityissenttotheconverterthroughtheportoftheconverter,andthenthemotorspeediscontrolledtobeadjustedthesameasthatofthetouchscreen.Toachievethepurposeofspeedregulation.Thevariablefrequencyspeedcontrolsystemofasynchronousmotorhasimportantpracticalvalueandbroadmarketspace.Researchandpromotionofhigh-performancefrequencyconverterisaneffectivewaytoimproveproductionandlivingstandards,promoteenergysavingandemissionreduction,andreducegridpollution.Therefore,therealizationofscientificandtechnologicalprogressandsustainabledevelopmentisalsoanurgentneedofhumansociety.Onthebasisofstudyingtherelatedcontroltechnologyofasynchronousmotorandthehardwareimplementationstructureoffrequencyconverter,thespeedsensorlessvectorcontroltechnologyinthedriveunitoffrequencyconverterismainlystudied,whichhelpstoreducethecostofthesystem,improvethereliabilityandapplicability,andimprovethereliabilityandpracticabilityofthesystem.Theactivefront-endarchitectureofEpowersupplyunitishelpfultoimprovethecurrentqualityandenergyefficiencyofnetworkside,andsomenewsolutionsareputforward.Firstly,onthebasisofanalyzingthestructureoffluxobserversuitableforspeedsensorlessvectorcontrol,thespeedadaptivefull-orderfluxobserverisdeeplystudied.Bylinearizingthesmallsignalmodel,theinstabilityofthetraditionaldesignschemeundertheconditionoflow-speedregenerativebrakingisillustrated,andanimprovedfull-orderobserverfeedbackgainmatrixdesignmethodisproposed.Then,basedonthedesignandimplementationofspeedsensorlessvectorcontrolhardwaresystemforinductionmotor,theexperimentalresultsshowthattheimprovedschemecanextendthestableworkingrangeofspeedsensorlesscontrolinlowspeedrange.Secondly,fromthepointofviewofpracticalapplication,theinfluenceofcommonnon-idealfactorsonthefull-orderfluxobserverisanalyzed,andthecorrespondingsolutionsarestudied.Inviewoftheinfluenceofmotorparametererrorsonfluxobservationaccuracyandspeedestimationaccuracyoffull-orderobserver,adetailedtheoreticalanalysisiscarriedoutconsideringtheoverlaprelationshipbetweenfluxandspeed,andthevariationlawofobservationerrorsunderdifferentparametercombinationsissummarized.Thesimulationresultsareconsistentwiththoseofthesystem.Then,themethodsoffullstaticself-tuningandon-lineidentificationofmotorparametersareanalyzedandexperimentedtovaryingdegrees.Aimingatthenon-idealfactorsintheimplementationofthehardwaresystemofthedriveunitinverter,threeaspectsofdigitization,samplinganddead-timeeffectarestudiedrespectively.Theadvantagesanddisadvantagesofcommondiscretizationmethodsforfull-orderfluxobserversareanalyzed.Adiscretizationschemecombiningforwarddifferenceandbilineartransformationisproposedandverifiedbyexperiments.Theschemecanachievehighaccuracyandlowcomputationalcomplexityatthesametime.Tosomeextent,itsolvesthepracticalproblemofdiscretefull-orderobserverinhighswitchingfrequencyapplications.Inthesamplingproblem,theinfluenceofdifferentfrequencyrangeerrorsofstatorcurrentsamplingonfull-orderobserverspeedestimationandfluxobservationismainlyanalyzed,andthekeyproblemsofreasonabledesignofstatorcurrentsamplinglinkareexpounded.Aimingatthedead-timeeffect,themechanismofthedead-timeeffectofvoltagesourceinvertersanditseffectonstatorvoltagereconfigurationareanalyzedindetail.Onthisbasis,acurrentstatejudgmentcircuitandmethodconsideringzero-crossingphaseofcurrentandcorrespondingdead-timecompensationschemeareproposed.Thetheoreticalanalysisandexperimentalresultsshowthattheschemecanjudgetheinstantaneouspolarityoftheoutputcurrentoftheinverterandtwodifferentzero-crossingstates,andselectthemostsuitabledead-timecompensationaccordingtothejudgmentresults,soastoimprovetheaccuracyofdead-timecompensation,thuseffectivelyreducingthedead-timecompensation.Theinfluenceofstatorvoltagereconstructionerroronfluxobservation.Finally,thispaperintroducesthedesignofactivefront-endpowersupplyunitoffrequencyconverterbasedonfilter,andtheresearchandexperimentofnetworksidecurrentoptimizationcontroltechnology.Basedontheanalysisofthesystemhardwareparametersandthedesignprincipleofcontrolscheme,acompleteprototypeoffrequencyconverterwithactivefront-endstructureaspowerunitisrealized,andthedrivingandfeedbackbrakingcapabilityofthesystemistested.Atthesametime,theabilityofrestrainingharmoniccurrentonthegridsideundervoltagedistortionisanalyzed,andthelimitationoffilterresonancetotraditionalcontrolschemeisexplained.Then,theimprovedcontrolschemeisstudiedandtested.Ontheonehand,thecompositerepetitivecontrolschemesofthetwostructuresareanalyzedindetailfromtheaspectsofstabilityconditions,compensationfunctiondesignandharmonicsuppressioncharacteristics.Theadvantagesanddisadvantagesofthesetwostructuresaresummarizedthroughexperiments.Ontheotherhand,basedontheactiveattenuationschemeoffeedbackcapacitorvoltage,areduced-orderobserverisproposedtoreplacetheDCobservertoobservecapacitorvoltage.Thecapacitorvoltageissampledbysensorstorealizetheactiveattenuationscheme.Theexperimentalresultsshowthattheschemecanachieveactiveattenuationandimprovecontrolperformancewithoutincreasinghardwarecostandcomplexity.Accordingtotheexperimentalresults,theadvantagesanddisadvantagesofrepetitivecontrolandactiveattenuationarecompared.Inaword,thispaperstudiessomekeytechnologiesofasynchronousmotorfrequencyconverterinordertoimproveitsperformanceandpracticalvalue.Inthecourseoftheresearch,somenewideasorimprovementschemesareputforward,andtheanalysisandtheproposedschemesareverifiedbyalargenumberofexperiments.KeyWords:PROFINET;WINCCtouchscreen;SiemensS7-1500;frequencyconversionspeedregulationsystem;communicationmode;frequencyconverter;speedsensorlessvectorcontrol,adaptivefull-orderobserver,digitalcontrol,dead-timecompensation,filter,repetitivecontrol,activeattenuation目录第1章概述 6第2章技术概况 72.1S7-1500PLC控制器相关控制技术的概况 72.2异步电机变频调速系统相关控制技术的概况 92.2.1异步电机变频调速控制方案的发展背景 92.2.2异步电机的无速度传感器矢量控制及其关键技术 112.2.3异步电机变频器的硬件结构 11第3章系统设计 173.1系统硬件组态 173.2触屏画面设计 183.3变频器参数设定 18第4章程序设计 18第5章参考文献 20第6章结语 20第7章致谢 21第1章概述随着人类科学技术的不断进步，电传动系统实现了电能与机械能的转换，在工农业生产、军事国防、现代社会的日常生活等领域发挥了重要作用。根据粗略的统计数字[1]，全球约65%的能源消耗与输电系统有关。如果将这些电驱动的应用领域划分为两种基本形式：材料加工和材料传输，其中很大一部分需要实现可调的电驱动，例如用于加工金属、木材、纸张和其他明确的立体打印工艺的切割机和印刷机，以及用于加工的电驱动。食品、塑料和其他不确定性。物料输送形式使用的搅拌机、离心机，包括输送包括人在内的固体物料的电梯、输送带、起重机等，输送水、油等液体物料的泵，输送空气等气体物料的风机、压缩机等，只有实现电机的速度控制，才能在上述应用领域中，我们满足了精确控制传动系统速度和扭矩的要求。在流量控制的应用领域，与传统的节流控制方法相比，电机转速控制还可以提供30%的节能潜力，在能源危机和环境问题日益严重的现代社会具有更重要的现实意义。虽然电机应用的历史已经超过100年，但对电机速度控制的研究从未停止过。在电机调速的早期应用领域，直流传动曾经占有绝对的主导地位，因为直流电机可以通过使用非常简单的变换器和控制方案来实现非常好的速度和转矩控制特性。但直流电机也存在着价格高、维护成本高、可靠性低、使用环境有限等缺点，因为它们需要独特的电刷和换向器结构。相反，交流电动机，特别是笼型感应电动机，具有结构简单、成本低、可靠耐用、适用于恶劣环境等明显优点。由于其非线性和物理模型的强结合，对速度控制系统的设计提出了很高的要求。大多数交流电机只能用于恒速应用领域，或在早期与节流阀结合使用。然而，近几十年来电力电子器件和电流技术的快速发展为实现高性能交流调速提供了可能。同时，针对异步电动机模型设计的控制方案，特别是转子磁场定向矢量控制和直接转矩控制的诞生，使交流传动系统具有与直流传动系统相当的调速性能。因此，在目前的实际应用中，变频调速系统在交流传动控制中的应用越来越广泛。交流电机控制变频器自20世纪60年代左右问世以来，80年代在发达国家推广应用，据调查数据，1990年交流传动在全球调速应用领域的市场份额已超过直流传动60%。在接下来的一段时间里，交流传动的市场份额仍以接近10%的速度持续增长，而直流传动的市场份额基本保持不变。全球变频器市场的龙头企业主要来自欧洲、美国和日本等发达国家，包括瑞士的ABB、德国的西门子、日本的安川和三菱、美国的艾默生。相对而言，我国变频器的应用起步较晚，直到20世纪90年代末才得到广泛推广。然而，如图1-1所示，中国的变频器行业自成立以来已经呈现出惊人的增长速度。2007年以前，市场规模以年均20%以上的速度增长。虽然2008年全球经济危机的增长速度明显放缓，但也达到了7%的增长水平。国家经济刺激计划4万亿元，2009年后市场规模恢复较快增长。2010年，整体市场规模超过164亿元。图1-1国内通用变频器市场规模及增长变化趋势与国内变频器市场的快速发展相比，国内变频器厂家在技术水平上与上述知名品牌相比仍存在一些不足。虽然20世纪以来，在国家的大力支持下，许多国内厂商取得了长足的进步，如因维登、森兰等。然而，国内品牌的市场份额仍然只有25%左右[2]，主要集中在中低端市场。进入国外品牌占据的高端市场，仍存在着较高的技术壁垒。“十二五”初期，明确提出了提高产业核心竞争力、加强资源节约管理的方针。因此，开发具有完全自主知识产权的高性能变频器也是大好时机。因此，深入研究和探索交流电机变频调速系统的关键技术，对我国工业技术的发展具有重要的现实意义。第2章技术概况2.1S7-1500PLC控制器相关控制技术的概况西门子S7-1500是高端PLC控制器,新一代PLC控制器,致力于高端设备和工厂自动化设计服务。该控制器具有运动控制、工业信息安全和故障安全等功能。S7-1500具有以下优点:响应速度快,性能大大提高,功能强大,有足够的内存空间供用户使用,S7定时器,计数器有2048。强大的运动控制,支持多达20个速度控制轴、定位轴和具有高速计数和测量功能的外部编码器。S7-1500还可以使用PROFINET通信,可以保证快速响应时间和高精度系统响应的确定,最短的周期时间可以达到250us。PROFINET通信模式是基于工业以太网通信模式的实时工业以太网技术自动化总线标准的开放标准。IO控制器最多可连接256个设备，整个以太网网络节点不受限制。IO控制器可实现实时PROFINETCBA通信，最小刷新时间为1毫秒。由于其开放性，可以应用于网络、电子邮件等服务，同时可以传输文本、语音、视频等数据。节点安装非常简单，可以连接到交换机上，用办公局域网增加和减少设备非常简单方便。现有的现场总线系统，如PROFIBUS、AIS和INTERBUS，可以无缝集成。PROFINET还支持通过PROFISAFE规则在安全节点之间进行故障保护系统通信。PROFINET最突出的特点是它的实时性能。传统的现场总线通信也可以实现上述基本功能。然而，在实时性要求较高的情况下，特别是在运动控制系统的设计中，其高速响应性能不能与PROFINET通信方式相比，也不能达到PROFINET最小实时周期250us的精度。PROFINET的另一个突出特点是以太网通信，可用于传输TCP或IP数据或数据、文本、语音、图像等数据，与PROFIBUS不可比。现场总线的缺点主要体现在设备的增加上，这也有更多的局限性。PROFINET采用以太网连接通讯、交换机连接、网线插入等方式成功连接。与LAN类似，当需要添加设备时，只需连接到交换机的端口。PROFINET通信方式和PROFIBUS通信方式主要不同，由于通信速度不同，PROFINET通信方式的通信速度更快，数据传输的最大带宽为100Mbps，PROFIBUS通信方式的数据传输的最大带宽为12Mbps。数据传输方式也不同，PROFINET通信方式为全双工，PROFIBUS通信方式为半双工。本文设计的变频调速系统采用PROFINET通信方式。西门子S7-1500通过PROFINET控制G120变频器的调速。也就是说，变频调速由网络控制，通过设置相应的控制字来设置变频器的工作状态，然后通过网络将电机转速传送给变频器，从而实现变频器控制电机调速的功能。2.2异步电机变频调速系统相关控制技术的概况2.2.1异步电机变频调速控制方案的发展背景早期的异步电动机调速方法主要有降压调速、电磁滑动离合器调速、绕线转子串电阻或串级调速、变极对数调速等。这些方法具有效率低、调速性能差、电机成本大幅度提高、只能完成步进调速等不可忽视的缺点，使异步电动机的调速性能完全无法与直流电动机相比。随着电力电子器件和相应的变换器技术的成熟，可以实现异步电动机的变频调速控制。随着数字微处理器的迅速发展，越来越先进的异步电动机变频调速方案在实际应用中逐渐得到广泛应用。变频调速的最大特点是同时控制电机的供电幅度和频率，在控制磁链的基础上控制电机的转矩和转速。这样，可以充分利用电机的磁芯，达到更好的调速性能。最初的变频调速方法是开环恒压频比控制。其基本思想是，在不考虑电机定子电阻电压降的情况下，只要定子电压与其频率成一定的比例，磁链的大小就可以保持不变。这种开环控制方法在稳态精度、动态响应和负载特性等方面都不能达到很高的性能，只适用于要求较低的应用场合。基于恒压频比控制的一种有效改进方法是增加速度反馈回路和转差频率控制回路。改进的恒压频比控制不仅实现了电机转速的闭环控制，而且根据恒磁通状态下稳态方程导出的转差与转矩的比例关系实现了电机转矩的闭环控制，从而提高了调速性能。在一定程度上表现出来。这可以归类为变频调速的标量控制方法，即只关注被控制异步电动机模型中变量的幅度和频率，而不考虑其相位。这种标量控制方法原理简单，成本低，在一般逆变器中得到了广泛的应用。即使目前，它在风机、水泵等低端变频器市场上仍占有非常重要的地位。然而，基于标量控制变量大小的电机模型是不完整的，它没有考虑变量相位之间的重合，因此其调速性能仍略低于直流电机。与标量控制相对应，矢量控制方法考虑了每个变量的大小、相位和频率。矢量控制方案是转子磁场定向矢量控制，在电流变换器中得到了广泛应用。哈斯于1968年首次提出，1971年在西门子获得Blaschke的专利。转子磁链定向矢量控制方法的基本思想是将电机的数学模型转化为与转子磁链同步旋转的坐标系，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，其中转子磁链只与转子磁链的励磁分量有关。当转子磁通量恒定时，定子电流和定子电流的转矩分量与定子电流的转矩分量成正比。这样，异步电动机的磁通量和转矩就可以通过类似于直流电动机的控制方法独立控制。根据获得磁场方向角的不同方法，转子磁场方向的矢量控制可分为两种方法[3]。在Hasse方法中，通过旋转速度和估计滑动积分得到磁场方向角。在间接矢量控制方法中，通过计算转子磁链估计值得到磁场定向角，称为直接矢量控制方法。此外，根据定子磁链定向和气隙磁链定向，还可将其划分为磁链定向矢量控制[4]。这两种方法都有各自的特点。当笼型异步电动机定子侧可测量时，定子磁链的估计精度只受定子电阻的影响。因此，在参数灵敏度方面，定子磁链定向优于转子磁链定向，而气隙磁链定向有其自身的特点。由于测量的可能性，气隙磁通定向在一些应用中有轻微的优势。然而，两者的问题都是无法实现转子磁场定向中磁链和转矩的灾难性特性，必须在控制系统中进行额外的灾难性补偿[5]。直接转矩控制（DTC）是继矢量控制之后的又一种革命性的变频调速方案。它采用了与面向场矢量控制完全不同的实现方法。首先根据被控电机的模型和实时采样电压电流，直接估计电机的磁链和转矩状态，然后联合选择磁链比较器和转矩比较器的输出结果。变换器的最佳输出电压矢量可以实现对电机定子磁链和电磁转矩的增量控制。这种控制方法是1985年由德国的DeephBrock首次提出的，其中定子磁链采用六边形轨迹。不久之后，日本高桥提出了另一种基于定子磁链轨迹的方法。然后，在这两种方法的基础上，对如何优化电压矢量选择表进行了研究，包括固定频率空间矢量调制、无差拍技术、神经网络和模糊逻辑，并将其应用于故障诊断码的求解。ABB公司在Dependbrock提出的解决方案的基础上，于1988年开始研究，并将其投入到变频器的市场应用中。由于直接通过查表获得开关控制信号的方法，使得直接转矩控制与磁通比较的结果在直接转矩控制中更好地结合了电力电子变换器的开关特性，因此在控制系统中省去了坐标变换和电流反馈控制回路，从而实现了直接转矩控制方案。对于控制回路本身来说，更简单、更健壮。因此，在感应电机变频调速系统的高性能应用领域，矢量定向控制已成为最重要的两种解决方案。此外，将更先进的控制理论引入变频调速控制也是近年来研究的热点之一，包括反馈线性化控制、滑模变结构控制、自抗扰控制、多模型自适应控制、人工智能等。然而，这些方案在实际过程中仍然受到控制器处理能力的限制。2.2.2异步电机的无速度传感器矢量控制及其关键技术在传统的异步电机变频调速系统中，速度闭环反馈环节通常通过在被控制电机上安装速度编码器来实现对实际速度的采样。该方法的主要问题是不仅提高了整个输电系统的配置和维护成本，而且降低了系统的可靠性。为了解决这一问题，无速度传感器矢量控制技术已成为电机控制领域的关键研究方向之一，实现无速度传感器控制在许多应用领域也具有重要意义。例如，普通的风扇和泵应用通常对系统成本敏感。无传感器速度控制用软件代替实际的速度编码器，有利于提高系统的整体经济效益。例如，在电动汽车、轨道牵引等运输领域，一方面由于车辆工作环境恶劣，经常会出现因行驶振动、溢油等问题导致编码器故障[6]。此外，日本的调查数据表明，编码器的故障平均每六个月发生一次，因此实现了无速度传感器。该控制有效地解决了速度编码器对传动系统正常工作环境和工作寿命的限制问题。另一方面，车辆空间有限，速度编码器的宽度可达到电机定子铁心尺寸的20%。这意味着无速度传感器控制可以增加传输系统在原始空间条件下的容量。此外，在采矿等重工业中，应尽可能避免任何额外的设备、接线和干扰源，而且矿山或其他工程现场的许多异步电动机更难安装速度编码器。此外，即使在带速度编码器的传动系统中，无速度传感器控制也可作为编码器失效时的应急措施，对可靠性要求较高的应用具有明显的现实意义[7]。目前，无速度传感器矢量控制已成为许多市场上变频器产品的可选配置方案，如ABB公司的ACS350系列、西门子公司的SINAMICSG130系列、安川公司的VS-616G5等，因此，作为异步电机变频调速矢量控制方案的扩展形式。调速、无速度传感器矢量控制也成为开发高性能变频器的关键解决方案。2.2.3异步电机变频器的硬件结构异步电动机变频器典型的硬件结构如图2-1所示，主要包括驱动单元、直流母线单元和电源单元三部分。三个单元都有各自的电路结构，构成了各种变换器的硬件实现。本文总结了现有变频器的常见硬件结构。图2-1异步电机变频器的典型硬件结构A、传动单元的硬件结构根据传输单元电路结构的不同，图2-1所示的典型交-直-交结构主要由电压源变换器和电流源变换器实现。电压源变换器（VSC）是电流变换器中最常用的电路拓扑。其具体实现结构如图2-2（A）所示，作为基本的两级电压源变换器。它适用于各种形式的低压变换器和一些中压变换器（B）作为多级电压源变换器。通常，它也用于多电平转换器或多脉冲二极管整流器的整流单元。这个系统更加复杂和昂贵。它主要适用于中低压变频器，作为提高EMI性能和电路效率的手段。图中显示了基于三级二极管的拓扑结构。此外，还有多种拓扑结构，如二极管盒级多级、飞电容多级、级联多级和混合级联多级[8]。此外，在长线电机驱动的应用领域中，采用电压源变换器的变换器通常在输出端配置滤波器，以处理分布式振荡和电磁干扰。A两电平结构B多电平结构图2-2基于电压源变流器的变频器硬件结构图2-3基于电流源变流器的变频器硬件结构在某些情况下，驱动单元输出端电压源变换器的脉宽调制过程中产生的dv/dt会导致严重的电磁干扰问题，特别是在长线电机驱动的应用中。电流源变换器的输出电压可以近似为正弦波，直流侧不需要大电容，对工作环境和寿命影响较大，因此在中压大功率变换器中具有一定的应用价值。作为电流源变换器的代表，基于GTO的硬件结构如图2-3所示。然而，电流源变换器的主要缺点是其动态性能差[9]，必须使用具有反向阻断能力的器件，如SCT、GTO或其它与二极管串联的器件。因此，电流源变换器不能与电压源变换器在变换器领域进行比较。该变换器除具有典型的交直流结构外，还可以直接采用交直流结构来实现。其典型代表是矩阵变换器川。其常见结构如图2-4所示。矩阵变换器从自身结构上看，具有无直流母线电容、能量双向流动、输入输出电流接近正弦的优点。然而，与成熟的拓扑结构相比，矩阵变换器的实现更为复杂，包括控制和调制策略、设备配置和换相问题等，理论体系还需要改进[10]，目前还没有面向市场的应用。图2-4基于矩阵变换器的变频器硬件结构B.制动模块硬件结构许多电机速度控制系统需要两个象限，甚至四个象限，因此变频器通常需要配备制动模块。最简单的方法是通过传动装置限制电机的制动力矩，将直流母线电压控制在安全范围内，利用直流电容器的储能能力实现制动功能。该方法不增加任何硬件成本，但由于电容电压的限制，只能实现短时、慢速的制动功能。当电动机在反馈制动状态下可能长时间工作时，必须进一步考虑制动能量的管理和利用。在实际应用中，除使用直流电容器外，制动模块的实现主要有三种方案，即能耗方案、能量再分配方案和能量反馈方案。消能方案是通过附加开关管将制动电阻连接到直流母线上，通过斩波开关管控制直流母线电压，通过电阻消耗制动能量。该方案实现简单，电路成本低，具有广泛的应用前景。然而，它也有明显的缺点，如能量损失和附加的散热要求，因此对整体经济效益，特别是在制动功率大的应用中，有着负面的影响。此外，电机和传动装置中也有通过控制方式消耗制动能量的方案，可以节省额外的制动模块，但仍存在能量损失的主要缺点。在由多个受控电机组成的传动系统中，制动功能可以通过能量再分配方案来实现，即通过共用的直流总线将多个传动单元连接起来，共用同一个整流单元，使一个电机的能量可以传送到其他在驱动状态下工作的电机。当一台电机制动时。该方案效率较高，但仅适用于多传动系统，要求驱动功率始终大于制动功率。否则，必须与其他制动方案结合使用。能量反馈方案通过原供电单元或变频器附加的能量反馈模块将制动能量反馈回电网，是一种电路成本较高、性能较好的实现方案。本部分可参考下文关于电源单元的内容，因此不另行讨论。C、供电单元的硬件结构变频器供电单元最常用的硬件形式是二极管不可控整流桥结构，如图2-2（A）所示。这种基本结构存在两个主要缺点，即能量不能双向流动，网侧电流质量很差。能源短缺和环境污染是当前最严重的社会危机，能源利用效率也是现代电力传动系统必须关注的问题，因此能够将制动能量反馈回高性能变频器的重要竞争力之一。高质量的电网，特别是在需要频繁制动的应用中。同时，随着电力电子设备的广泛应用和电网电能质量问题的日益严重，电网侧电流谐波的控制能力对于高性能的变换器也非常重要。制定谐波限值的国际和国内标准都是国际电工委员会颁布的基本电磁兼容标准；美国电气电子工程师协会制定的IEEE519电力系统谐波控制建议的要求和做法是基于根据常见故障点的短路电流和最大负载电流，确定各谐波的谐波含量和总谐波畸变含量。规定我国现行国家谐波标准为1993年颁布的《电能质量公用电网谐波》，规定了公用接入点所有用户接入点的谐波电流分量的允许值。本标准的部分内容截取于表2-1，国家标准化管理委员会于2006年发布了标准修订计划，进一步规范了本标准。风机谐波的控制和管理目前正在修订中[11]。因此，为了满足更高标准的应用要求，变频器的供电单元也有多种形式的实现。考虑到供电单元双向能量流的要求，可以通过选择电流源形式的变换器结构，采用晶闸管相控整流桥来实现。在电压源变换器的结构中，可以用两组反向并联晶闸管相控整流桥代替二极管整流桥来实现双向能量流动能力[12]。该方法硬件成本低，直流电压控制范围相对较低，在某些特殊场合，如仅需低速运行的场合，具有一定的优越性。然而，该方法存在换相失败的风险，对提高网络的电流质量没有显著的影响。考虑到电网侧电流质量的提高，通过在整流单元的交流或直流端连接足够的电抗，可以抑制电网侧电流的谐波失真。由于其谐波抑制能力有限，一般适用于当前质量要求不高的场合。图1-4（b）所示的多脉冲整流器结构也可用于抵消电网侧的一些低电流。频率谐波分量因其变压器成本高，主要适用于大功率输电系统。表2-1国家标准关于谐波电流允许值的规定利用PWM电压源变换器的有源前端，电源单元的结构可以同时实现双向能量流容量和更好的网侧电流质量。图1-6所示矩阵变换器的结构虽然能满足这两种要求，但也存在上述实际问题。因此，AFE是当前变频器产品中高性能电源单元的主要解决方案。例如，ABB公司的ACS800系列和西门子公司的SINAMICSS150系列采用这种结构，以实现高效率的四象限传输和高质量的网侧电流。二极管整流器的变频器产品大多与AFE配置相同的反馈制动模块，如安川公司的VS-656RC5。使用AFE的转换器结构如图2-5所示。由于电源单元和传输单元也采用了脉宽调制变换器，故也有参考文献称为双脉宽调制结构或背靠背结构。除了训练转换器之外，还必须配置其他网络侧筛选器。过滤器主要有两种类型：类型和类型。它们在成本、体积、过滤能力和控制难度上各不相同。通过合理的滤波器设计和控制方案的改进，AFE不仅可以使功率因数接近1，而且可以使网络电流的谐波含量降到最低。根据ABB公司产品数据表2-2，比较了不同供电单元所获得的网侧电流谐波含量，直观地看出了AFE供电单元在这方面的优势。另外，对公用电网的谐波电压也有一定的标准，如额定380V电压水平下的总畸变率不超过5%。因此，即使电网电压存在一定程度的畸变，变换器也应能保证良好的性能，这也可以通过先进的控制方案来实现。图2-5基于的变频器硬件结构表2-2不同供电单元的网侧电流谐波含量对比在实现高质量电网侧电流控制的同时，AFE能在输电机组任意工况和电网电压不稳定的情况下保持恒定的直流母线电压，有利于被控制电机在任何时候都能达到最佳性能。AFE还帮助变频器将电机的再生制动能量有效地反馈回电网，实现能量的最佳利用。因此，尽管AFE的硬件实施成本较高，但其优越的性能仍然使AFE具有显著提高整体经济效益的能力。考虑到这些性能优势，本文在异步电动机高性能变频器的研究过程中，选择了基于AFE的硬件结构。第3章系统设计3.1系统硬件组态图3-1硬件组态硬件配置系统采用工业以太网通信方式。硬件配置如图3-1所示。配置硬件包括S7-1500、变频器G120、触摸屏TP700和开关X-208。系统通过网络连接PN/IE2，通过网络2完成各硬件的通信过程。设计系统的触摸屏采用精致的面板TP700。控制器PLC通过中间M存储单元与触摸屏相连。当触摸屏I/O场进入设定速度时，控制器S7-1500通过中间继电器采集触摸屏的设定速度M，然后根据设定速度通过程序进行操作，然后通过与变频器的通信端口将速度输出给变频器。硬件配置完成后，逆变器与控制器S7-1500之间的通信端口自动生成数据交换端口。电机将根据设定的旋转