变频调速技术课程设计

1、苏 州 市 职 业 大 学课程设计说明书 名称 变频调速技术课程设计 2012年 6月 4日至2012年 6月10日共 1 周院 系 电子信息工程系 班 级 10电气自动化4 姓 名 齐国昀 系 主 任 张红兵 教研室主任 邓建平 指导教师 冯 惕 目录目录1第一章 绪论2第二章 主要仪器介绍41 .THZDH-2C变频调速实训考核装置41.1 MM420变频器41.1.1 MM420变频器介绍41.1.2 MM420特点51.1.3 MM420可选项61.2 同步发电机71.2.1 同步发电机工作特性71.2.2同步发电机空载特性71.1.3负载运行特性81.1.4 同步发电机工作原理81.

2、3 异步电动机91.3.1工作原理91.3.2 结构101.4光电编码器121.5转速表12第三章 设计原理和调试过程131.闭环变频调速控制系统组成和工作原理131.1 系统原理图131.2变频调速的工作原理132. 变频器参数的设置132.2快速调试133. 实验步骤144. 测试条件和结果154.1 变频器带电机空载运行154.2 带载试运行154.3测试结果16第四章 实验总结18第一章 绪论在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结

3、构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例(P)控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 在积分(I)控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关

4、系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。在微分(D)控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存

5、在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。MM420变频器的闭环控制，是应用PID控制，使控制系统的被控量迅速而准确

6、地接近目标值的一种控制手段。实时地将传感器反馈回来的信号与被控量的目标信号相比较，如果有偏差，则通过PID的控制作用，使偏差为0，适用于压力控制，温度控制，流量控制等。闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。 第二章 主要仪器介绍1 .THZDH-2C变频调速实训考核装置1.1 MM420变频

7、器1.1.1 MM420变频器介绍MM420 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本系列有多种型号，从单相电源电压，额定功率120W 到三相电源电压，额定功率11KW 可供用户选用。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。其额定参数如下：电源电压：220V230V，单相交流额定输出功率：0.75KW额定输入电流：9.9A额定输出电流：3.9A操作面板：基本操作板（BOP

8、），如图1 图1 操作面板（BOP）MM420变频器电路方框图如图2所示。图2 MM420变频器进行主电路接线时，变频器模块面板上的L1、L2插孔接单相电源，接地插孔接保护地线；三个电动机插孔U、V、W连接到三相电动机（千万不能接错电源，否则会损坏变频器）。MM420变频器模块面板上引出了MM420的数字输入点（图3）：DIN1（端子）；DIN2（端子）；DIN3（端子）；内部电源+24V（端子）；内部电源0V（端子）。数字输入量端子可连接到PLC的输出点（端子接一个输出公共端，例如2L）。当变频器命令参数P0700=2（外部端子控制）时，可由PLC控制变频器的启动/停止以及变速运行等。图3

9、MM420变频器方框图1.1.2 MM420特点 主要特性：易于安装；易于调试；牢固的EMC 设计；可由IT（中性点不接地）电源供电；对控制信号的响应是快速和可重复的；参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置；电缆连接简便；采用模块化设计，配置非常灵活；脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低；详细的变频器状态信息和信息集成功能；有多种可选件供用户选用：用于与PC 通讯的通讯模块，基本操作面板（BOP），高级操作面板（AOP），用于进行现场总线通讯的PROFIBUS 通讯模块。性能特征：磁通电流控制（FCC），改善了动态响应和电动机的控制特性；快速电流限制（FCL）功能，实现正常状

10、态下的无跳闸运行；内置的直流注入制动；复合制动功能改善了制动特性；加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能；具有比例，积分（PI）控制功能的闭环控制；多点V/f 特性。1.1.3 MM420可选项 、A 级/B 级 EMC 滤波器； 、LC 滤波器； 、进线电抗器 ；、输出电抗器； 、密封盖； 、对变频器进行参数化的 BOP 基本操作板 ；、具有多种文本显示功能的高级操作板 AOP ；、适合亚洲地区使用的高级操作板 A A O P，带有汉语和英语解释的文本显示； 、通讯模块 PROFIBUS DeviceNet CANopen ； 、PC 连接组合件； 、控制柜门上安装操作板的组合件； 、PC

11、调试工具，在 windows95/98 和 NT/2000 /XP Professional 下运行 ；、 与 Drive ES 的 TIA 集成。1.2 同步发电机作发电机运行的同步电机，是一种最常用的交流发电机。在现代电力工业中，它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。 图4 同步发

12、电机结构图1.2.1 同步发电机工作特性表征同步发电机性能的主要是空载特性和负载运行特性。这些特性是用户选用发电机的重要依据。1.2.2同步发电机空载特性发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行。此时电机定子的三相绕组只有励磁电流If感生出的空载电动势E0（三相对称），其大小随If的增大而增加。但是，由于电机磁路铁心有饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势E0与励磁电流If关系的曲线称为同步发电机的空载特性。1.1.3负载运行特性主要指外特性和调整特性。外特性是当转速为额定值、励磁电流和负载功率因数为常数时，发电机端电压U与负载电流I之间的关系,如图5所示。调整特性是转速和端电压为额定

13、值、负载功率因数为常数时,励磁电流If与负载电流I之间的关系，如图6所示。图5中还显示出电阻性、电容性和电感性3种负载的情况。由于电枢反应磁场影响的不同，三者的曲线也不一样。 图5 同步发电机的调整特性 图6 同步发电机的外特性同步发电机的电压变化率约为2040。一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变。为此，随着负载电流的增大,必须相应地调整励磁电流。图6所示为 3种不同性质负载下的调整特性。虽然调整特性的变化趋势与外特性正好相反，对于感性和纯电阻性负载，它是上升的，而在容性负载下，一般是下降的。1.1.4 同步发电机工作原理同步发电机是根据电磁感应原理制造的。现代交流发电机通常由两部分线圈

14、构成为了提高磁场的强度一部分线圈绕在一个导磁性能良好的金属片叠成的圆筒内壁的凹槽内这个圆筒固定在机座上称为定子。定子内的线圈可输出感应电动势和感应电流所以又称其为电枢。发电机的另一部分线圈则绕在定子圆筒内的一导磁率强的金属片叠成的圆柱体的凹槽内称为转子。一根轴穿过转子中心并将其紧固在一起轴两端与机座构成轴承支撑。转子与定子内壁之间保持小而均匀的间隙且可灵活转动。这叫做旋转磁场式结构的无刷同步发电机。 工作时转子线圈通以直流电形成直流恒定磁场在柴油机的带动下转子快速旋转恒定磁场也随之旋转定子的线圈被磁场磁力线切割产生感应电动势发电机就发出电来。转子及其恒定磁场被柴油机带动快速旋转时在转子与定子之

15、间小而均匀的间隙中形成一个旋转的磁场称为转子磁场或主磁场。平常工作时发电机的定子线圈即电枢都接有负载定子线圈被磁场磁力线切割后产生的感应电动势通过负载形成感应电流此电流流过定子线圈也会在间隙中产生一个磁场称为定子磁场或电枢磁场。这样在转子、定子之间小而均匀的间隙中出现了转子磁场和定子磁场这两个磁场相互作用构成一个合成磁场。发电机就是由合成磁场的磁力线切割定子线圈而发电的。由于定子磁场是由转子磁场引起的且它们之间总是保持着一先一后并且同速的同步关系所以称这种发电机为同步发电机。同步发电机在机械结构和电器性能上都具有许多优点。1.3 异步电动机又称“感应电动机”，即转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的

16、作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动。转子是可转动的导体，通常多呈鼠笼状。定子是电动机中不转动的部分，主要任务是产生一个旋转磁场。旋转磁场并不是用机械方法来实现。而是以交流电通于数对电磁铁中，使其磁极性质循环改变，故相当于一个旋转的磁场。这种电动机并不像直流电动机有电刷或集电环，依据所用交流电的种类有单相电动机和三相电动机，单相电动机用在如洗衣机，电风扇等；三相电动机则作为工厂的动力设备。图7 三相异步电动机1.3.1工作原理当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的

17、，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于导子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。通过上述分析可以总结出电动机工作原理为：当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱

18、动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。1.3.2 结构、定子（静止部分）：（1）、定子铁心作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。构造：定子铁心一般由0.350.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。定子铁心槽型有以下几种：半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。(2）、定子绕组作用：是电动机的电路部分，通

19、入三相交流电，产生旋转磁场。构造：由三个在空间互隔120电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）。a:对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。b:相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。c:匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。电动机接线盒内的接线：电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三个接线桩自左至右排列的编号为6（W2）、4（U2）、5（V

20、2），.将三相绕组接成星形接法或三角形接法。凡制造和维修时均应按这个序号排列。(3)、机座作用：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。构造：机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。、转子（旋转部分）：(1)、三相异步电动机的转子铁心：作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。构造：所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的

21、硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。(2)、三相异步电动机的转子绕组作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。a:鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。b:绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出

22、线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。特点：结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。1.4光电编码器光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装

23、置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图8所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。图8 光电编码器原理示意图1.5转速表转速表是机械行业必备的仪器之一，用来测定电机的转速、线速度或频率。常用于电机、电扇、造纸、塑料、化纤、洗 衣机、汽车、飞机、轮船等制造业。 大多常用的为手持离心式转速表。转速仪测量在国民经济的各个领域，都是必不可少的。转速表是将接收的数字脉冲信号（由传感器发出的），处理后直接读入cpu的计数口，经软件计算出转速、和指针相应的位置，再通过cpu的控制口，放大后驱动步进电机正负方向旋转，指示相应转速值（指针直接安装在步进电机的旋转轴上），步进电机走一步

24、仅为1/3度。第三章 设计原理和调试过程1.闭环变频调速控制系统组成和工作原理1.1 系统原理图图9 用MM420组成闭环变频调速控制系统测试原理图1.2变频调速的工作原理当频率f连续可调时（一般P为定数），电动机的同步转速也连续可调。又因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低一些，所以，当同步转速连续可调时，异步电动机转子的转速也是连续可调的。变频器就是通过改变f（电流的频率）来使电动机调速的。2. 变频器参数的设置2.1模拟输入以及PID参数的设置P0003=3 P0010=1（快速调试） P0700=1 P0756=0 P0757=0 P0758=0 P0759=10 P0760=10

25、0 P0761=0 P1000=1（选择频率设定值） P2200=1(1为闭环，0为开环) P2253=2250 P2264=755.0 P2265=5 P2280=0.5 P2285=152.2快速调试 图10 快速调试步骤3. 实验步骤首先按照实验原理图接好线，但是在此次实验中，老师考虑到我们的实验时间及实验安全帮我们接好了。按照实验要求设置好所有的参数，按下启动按钮启动电机，然后调节频率是电机空载速度达到500r/min，待其转速稳定之后，加上负载，观察其转速的变化，再记录电机转速稳定后的转速。调节频率，改变转速，多测试几组数据。4. 测试条件和结果4.1 变频器带电机空载运行 1）设置

26、电机的基本额定参数，要综合考虑变频器的工作电流。2）设定变频器的最大输出频率、基频、设置转矩特性。v/f 类型的选择包括最高频率、基本频率和转矩类型等项目。最高频率是变频器电动机系统可以运行的最高频率，由于变频器自身的最高频率可能较高，当电动机容许的最高频率低于变频器的最高频率时,应按电动机及其负载的要求进行设定。基本频率是变频器对电动机进行恒功率控制和恒转矩控制的分界线， 应按电动机的额定电压进行设定。 转矩类型指负载是恒转矩负载还是变转矩负载。为 了改善变频器启动时的低速性能，使电机输出的转矩能满足生产负载启动的要求，要调整启动转矩。在异步电机变频调速系统中，转矩的控制较复杂。在低频段，由

27、于电阻、漏电抗的影响不容忽略，若仍保持 v/f 为常数，则磁通将减小，进而减小了电机的输出转矩。 为此，在低频段要对电压进行适当补偿以提升转矩。3）变频器的频率设置及运行控制均为键盘模式，按运行键、停止键，观察电机 是否能正常地启动、停止。4）电子热继电器的门限值定义为电动机和变频器两者的额定电流的比值，通常用百分数表示。当变频器的输出电流超过其容许电流时，变频器的过电流保护将切断变频器的输出。因此，变频器电子热继电器的门限最大值不超过变频器的最大容许输出电流。4.2 带载试运行1）手动操作变频器面板上的运行停止键，观察电机运行停止过程及变频器的监 视，看是否有异常现象。2）如果启动、停止电机

28、过程中变频器出现过流保护动作，应重新设定加速、减速时间。电机在加、减速时的加速度取决于加速转矩，而变频器在启、制动过程中的频率变化率是用户设定的。 若电机转动惯量或电机负载变化，按预先设定的频率变化率升速或减速时，有可能出现加速转矩不够，从而造成电机失速，即电机转速与变频器输出频率不协调，从而造成过电流或过电压。因此，需要根据电 机转动惯量和负载合理设定加、减速时间，使变频器的频率变化率能与电机转速变化率相协调。检查此项设定是否合理的方法是先按经验选定加、减速时间进行设定，若在启动过程中出现过流，则可适当延长加速时间；若在制动过程中出现过流，则适当延长减速时间。另一方面，加、减速时间不宜设定太 长，时间太长将影响生产效率，特别是频繁启、制动时。3）如果变频器仍然存在运行故障，应尝试增加最大电流的保护值，但是不能取消保护，应留有至少 1020的保护余量。 4）如果变频器带动电机在启动过程中达不到预设速度，可能有下述两种情况。（1）系统发生机电共振，可以从电机运转的声音进行判断。采用设置频率跳跃值的方法，可以避开共振点。一般变频器能设定三级跳跃点。v/f 控制的变频器驱动异步电机时，在某些频率段，电机的电流、转速会发生振荡，严重时系统无法运