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变频器控制电机16页word资料
频调速的背景与研究意义
我国对交流变频调速技术的研究起步较晚，直到上个世纪90年代才有产品出现，而且采用的控制技术相对单一，主要以V/F控制方式为主，而且性能较低，无法满足动态性能要求和生产节能需求。
但随着变频技术的不断发展，交流电动机变频技术也日趋完善，各种复杂控制技术在变频器技术中逐步应用，使变频器的性能不断提高，而且应用范围也越来越广。
变频器现不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，尤其在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中的应用。
目前，变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。
用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。
变频调速技术介绍
随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，三相交流异步电动机的调速已经从继电器控制时代发展到今天的由变频器控制调速，且在工业各个领域中得到了极为广泛的应用，而在现在的工业自动化控制系统中，最为常见的是PLC控制，PLC是可编程控制器的简称，PLC技术是在继电接触器控制和计算机基础上开发的工业自动控制装置。
由于它可以通过软件来改变控制过程，且编程较为简单，所以目前PLC在工业控制中占据了主导地位，得到了非常广泛的应用。
交流调速系统具备宽的调速范围，高的稳速范围，高的稳速精度，快的动态响应功率等特点。
随着半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如BJT（双极型晶体管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频化的PWM技术成为可能。
目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。
典型的电力电子变频装置有电压型交-直-交变频器、电流型交-直-交变频器和交-交变频器三种。
电流型交-直-交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当三相异步电动机处于制动（发电）状态时，只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合，在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。
电压型交-直-交变频器的中间直流环节采用大电容作储能元件，无功功率将由大电容来缓冲。
对于负载电动机而言，电压型变频器相当于一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。
电压型PWM变频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位。
但电压型变频器的缺点在于三相交流异步电动机处于制动（发电）状态时，回馈到直流侧的再生电能难以回馈给交流电网，要实现这部分能量的回馈，网侧不能采用不可控的二极管整流器或一般的可控整流器，必须采用可逆变流器，如采用两套可控整流器反并联、采用PWM控制方式的自换相变流器（“斩控式整流器”或“PWM整流器”）。
网侧变流器采用PWM控制的变频器称为“双PWM控制变频器”，这种再生能量回馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调，输入电流（网侧电流）波形基本为正弦，功率因数保持为1并且能量可以双向流动的特点，代表一个新的技术发展动向，但成本问题限制了它的发展速度。
通常的交-交变频器都有输入谐波电流大、输入功率因数低的缺点，只能用于低速（低频）大容量调速传动。
为此，矩阵式交-交变频器应运而生。
矩阵式交-交变频器功率密度大，而且没中间直流环节，省去了笨重而昂贵的储能元件，为实现输入功率因数为1、输入电流为正弦和四象限运行开辟了新的途径。
随着电压型PWM变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛，PWM技术的研究越来越深入。
PWM利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。
PWM技术可分为三大类：
正弦PWM、优化PWM及随机PWM。
正弦PWM包括以电压、电流和磁通的正弦为目标的各种PWM方案。
正弦PWM一般随着功率器件开关频率的提高会得到很好的性能，因此在中小功率交流传动系统中被广泛采用。
但对于大容量的电力变换装置来说，太高的开关频率会导致大的开关损耗，而且大功率器件如GTO的开关频率目前还不能做得很高，在这种情况下，优化PWM技术正好符合装置的需要。
特定谐波消除法（SelectedHarmonicEliminationPWM——SHEPWM）【1】、效率最优PWM和转矩脉动最小PWM都属于优化PWM技术的范畴。
普通PWM变频器的输出电流中往往含有较大的和功率器件开关频率相关的谐波成分，谐波电流引起的脉动转矩作用在三相交流异步电动机上，会使三相交流异步电动机定子产生振动而发出电磁噪声，其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变频率。
如果电磁噪声处于人耳的敏感频率范围，将会使人的听觉受到损害。
一些幅度较大的中频谐波电流还容易引起三相交流异步电动机的机械共振，导致系统的稳定性降低。
为解决以上问题，一种方法是提高功率器件的开关频率，但这种方法会使得开关损耗增加；另一种方法就是随机地改变功率器件的导通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，从而抑制某些幅值较大的谐波成分，以达到抑制电磁噪声和机械共振的目的，这就是随机PWM技术
变频器控制电机
变频器的工作原理
近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。
如何选择性能好的变频其应用到工业控制中。
交流电动机的同步转速表达式位：
n＝60f（1－s）/p
（1）
式中n———异步电动机的转速；f———异步电动机的频率；s———电动机转差率；p———电动机极对数。
由式
（1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。
其控制方式经历了以下四代。
1、U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式：
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。
但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。
2、电压空间矢量（SVPWM）控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。
经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。
3、矢量控制（VC）方式
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Ia1Ib1，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相当于与转矩成正比的电枢电流），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。
4、直接转矩控制（DTC）方式
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。
它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
5、矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。
其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。
为此，矩阵式交—交变频应运而生。
由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。
它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。
该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。
其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。
变频器控制电机的正反转
控制要求
本次目的是了解变频器外部控制端子的功能，掌握外部运行模式下变频器的操作方法。
要求如下：
1、正确设置变频器输出的额定频率、额定电压、额定电流、额定功率、额定转速。
2、通过外部端子控制电机启动/停止、正转/反转，打开“K1”、“K3”电机正转，打开“K2”电机反转，关闭“K2”电机正转；在正转/反转的同时，关闭“K3”，电机停止。
3、运用操作面板改变电机启动的点动运行频率和加减速时间
变频器的参数
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
1
P0304
230
380
电动机的额定电压（380V）
2
P0305
3.25
0.35
电动机的额定电流（0.35A）
3
P0307
0.75
0.06
电动机的额定功率（60W）
4
P0310
50.00
50.00
电动机的额定频率（50Hz）
5
P0311
0
1430
电动机的额定转速（1430r/min）
6
P0700
2
2
选择命令源（由端子排输入）
7
P1000
2
1
用操作面板（BOP）控制频率的升降
8
P1080
0
0
电动机的最小频率（0Hz）
9
P1082
50
50.00
电动机的最大频率（50Hz）
10
P1120
10
10
斜坡上升时间（10S）
11
P1121
10
10
斜坡下降时间（10S）
12
P0701
1
1
ON/OFF（接通正转/停车命令1）
13
P0702
12
12
反转
14
P0703
9
4
OFF3（停车命令3）按斜坡函数曲线快速降速停车
注:
（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值
（2）设定P0003=2允许访问扩展参数
（3）设定电机参数时先设定P0010=1（快速调试）,电机参数设置完成设定P0010=0（准备）
电路的设计
变频器的外部接线如图2-1所示。
图2-1变频器外部接线图
操作步骤：
1、检查实训设备中器材是否齐全。
2、按照变频器外部接线图完成变频器的接线，认真检查，确保正确无误。
3、打开电源开关，按照参数功能表正确设置变频器参数
4、打开开关“K1”，电机正转。
5、关闭开关“K1”，打开开关“K2”，电机反转。
6、打开开关“K3”，电机停止。
变频器控制电机多段运行
控制要求
本次实验的要求是：
1、正确设置变频器输出的额定频率、额定电压、额定电流、额定功率、额定转速。
2、通过外部端子控制电机启动/停止、正转/反转，打开“K1”、“K3”电机正转，打开“K2”电机反转，关闭“K2”电机正转；在正转/反转的同时，关闭“K3”，电机停止。
3、运用操作面板改变电机启动的点动运行频率和加减速时间。
2.3.2控制电路的设计
本次实验的设备见表2-1，对变频器的参数设置，见表2-3。
需要注意以下三点：
（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值
（2）设定P0003=2允许访问扩展参数
（3）设定电机参数时先设定P0010=1（快速调试）,电机参数设置完成设定P0010=0（准备）
2.3.3控制电路
变频器外部接线图见图2-1，操作步骤：
1、检查实训设备中器材是否齐全。
2、按照变频器外部接线图完成变频器的接线，认真检查，确保正确无误。
变频器的L、N接口接三相电源的W相和地线。
3、打开电源开关，按照参数功能表正确设置变频器参数。
4、切换开关“K1”、“K2”、“K3”的通断，观察并记录变频器的输出频率。
各个固定频率的数值根据表2-4选择。
“K1”、“K2”、“K3”三种不同组合频率，DIN1、DIN2、DIN3的输入不同，通过变频器的内部结构，是的输出分别有5Hz、10Hz、20Hz、25Hz、30Hz、40Hz、50Hz。
变频器的参数
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
1
P0304
230
380
电动机的额定电压（380V）
2
P0305
3.25
0.35
电动机的额定电流（0.35A）
3
P0307
0.75
0.06
电动机的额定功率（60W）
4
P0310
50.00
50.00
电动机的额定频率（50Hz）
5
P0311
0
1430
电动机的额定转速（1430r/min）
6
P1000
2
3
固定频率设定
7
P1080
0
0
电动机的最小频率（0Hz）
8
P1082
50
50.00
电动机的最大频率（50Hz）
9
P1120
10
10
斜坡上升时间（10S）
10
P1121
10
10
斜坡下降时间（10S）
11
P0700
2
2
选择命令源（由端子排输入）
12
P0701
1
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）
13
P0702
12
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）
14
P0703
9
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）
15
P1001
0.00
5.00
固定频率1
16
P1002
5.00
10.00
固定频率2
17
P1003
10.00
20.00
固定频率3
18
P1004
15.00
25.00
固定频率4
19
P1005
20.00
30.00
固定频率5
20
P1006
25.00
40.00
固定频率6
21
P1007
30.00
50.00
固定频率7
开关频率的选择
K1
K2
K3
输出频率
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
OFF
OFF
固定频率1
OFF
ON
OFF
固定频率2
ON
ON
OFF
固定频率3
OFF
OFF
ON
固定频率4
ON
OFF
ON
固定频率5
OFF
ON
ON
固定频率6
ON
ON
ON
固定频率7
变频器控制三台电机
2.4.1控制要求
某供水系统需三台异步电动机拖动工作，现若采用一台变频器实现软启动，试设计其电气控制系统，实现变频恒压供水目的。
具体要求如下：
（1）当一台电动机为变频工作时，另两台电机必须为工频工作或停止状态；
（2）需考虑消防的需要；
（3）要求有必要的电气保护；
（4）绘制该系统的主电路和控制电路图，并选取相应的电器的型号（注：
电机功率可自定）。
2.4.2主电路的设计
电机有两种工作模式：
在工频电下运行和变频电下运行。
主电路图见图2-2
1、QA1,QA2分别为电动机MA1,MA2,MA3变频运行时接通电源的控制接触器。
2.、QA3,QA4,QA5分别为电动机MA1,MA2,MA3工频运行时接通电源的控制接触器。
热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电路。
它在电路中的作用为电动机的过载保护。
QA为低压断路器，也称为自动开关或空气开关。
作用是对设备发生短路，严重过载及欠电压等进行保护。
控制电路的设计
控制原理:
FA1，FA2为熔断器，是电路中的一种简单的短路保护装置。
使用时，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防电气设备短路和严重过载。
BB1,BB2，BB3为热继电器起到过载保护的作用。
SF1为总控制开关，SF3，SF4分别为三台电动机变频控制按钮，当三个开关为断开时，三台电机停止变频。
SF6,SF8，SF10分别为电机的工频控制按钮，当开关断开时，三台电机停止运行。
SF2为QA1的启动按钮。
当SF2闭合时QA1主线圈得电，辅助线圈QA1闭合，MA1处于变频工作状态，由于互锁MA2的变频支路QA1常闭触点断开，只能处于工频或停止工作状态。
当SF9闭合时QA4主线圈得电，辅助线圈QA4闭合，同时MA1变频支路的常闭触点QA4处于断开状态，此时只能工作在工频状态。
MA2工作原理与MA1相同。
控制电路见图2-3
变频器控制三台电机控制电路
PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（一）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（二）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
（三）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
3.1.3S7-200的简介
s7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU
CPU单元设计：
集成的24V负载电源：
可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU221，222具有180mA输出，CPU224，CPU224XP，CPU226分别输出280，400mA。
可用作负载电源。
CPU221~226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
本机数字量输入/输出点，CPU221具有6个输入点和4个输出点，CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU224具有14个输入点和10个输出点，CPU224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU226具有24个输入点和16个输出点。
本机模拟最输入/输出点，CPU224XP具有2个输入点，1个输出点。
中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。
高速计数器，CPU221/222。
个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90°的A/B相增量编码器，CPU224/224XP/226，6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。
CPU222/224/224XP/226，可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。
可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。
PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（一）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（二）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
（三）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
3.1.3S7-200的简介
s7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继
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