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1、电力拖动自动控制系统 课程设计三相异步电动机三相异步电动机(5.5KW(5.5KW 电机）变频调速开环电机）变频调速开环 V/FV/F 控制系统控制系统参数的设置与应用（参数的设置与应用（616G5616G5）院院 系系 专专 业：业：指导老师：指导老师： 姓姓 名：名： 学学 号：号： 设计完成日期：2012 年 6 月 26 日目目 录录设计要求.3一一 交流调速系统概述交流调速系统概述.31.1 交流电动机调速系统的特点.31.2 交流电动机调速系统分类 .41.3 交流电动机调速系统的发展趋势.5二变频调速概述二变频调速概述 .92.1 变频控制起动.92.2 变频调速四种控制方案的分
2、析 .92.3 变频器基本原理.12三电机选择及数三电机选择及数.133.1 Y系列电机特点.133.2 负载选定.143.3 电机参数.14四安川变频器（四安川变频器（616g5616g5）特点与优势）特点与优势.144.1 基本特点.144.2 控制方式的概要.154.3.变频器的选择.15五三相异步电动机（五三相异步电动机（5.5KW5.5KW）变频调速开环）变频调速开环 V/FV/F 控制系统控制系统（616g5616g5）参数设定）参数设定.16六结束语六结束语.21七参考文献七参考文献. .21设计要求设计要求学生应熟悉各种电气设备，电动机，变频器，传感器，PID 调节器等。要求完
3、成资料收集工作、提出设计方案并完成全部设计工作。在设计工作中，对所提供的各部分图纸应符合制图标准，并要求所有电气工程符号应采用国家统一标准。一一 交流调速系统概述交流调速系统概述1.11.1 交流调速系统的特点交流调速系统的特点对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。在过去很长一段时期，由于直流电动机的优良调速性能，在可逆、可调速与高精度、宽调速范围的电力拖动技术领域中，几乎都是采用直流调速系统
4、。然而由于直流电动机其有机械式换向器这一致命的弱点，致使直流电动机制造成本高、价格昂贵、维护麻烦、使用环境受到限制，其自身结构也约束了单台电机的转速，功率上限，从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。相对于直流电动机来说，交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为
5、交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。1.2 交流电动机调速系统分类交流电动机调速系统分类(1)由交流电动机的速度表达式 ：(2)调速方案：一、 变级调
6、速（改变 p）-双速电机，两档速度二、变转差率调速（改变 s ）1. 调压调速-晶闸管，窄范围无级变速2 .转子串电阻调速- 有级变速3 .串级调速 -晶闸管，对绕线式异步机无级变速1.3 变流调速系统的发展趋势变流调速系统的发展趋势近十几年来，随着现代控制理论、新型大功率电力电子器件、新型变频技术以及微型计算机数字控制技术等在实际应用中相继取得了重大进展，使得交流调速技术有了很大发展。今后的交流调速技术将在以下几个方面得到进一步的发展。（1）交流调速系统的高性能化交流电动机是个多变量、强耦合、非线性被控对象，仅用电压/频率（V/f）恒定控制，不能满足对调速系统的要求。今后的产品将普遍采用矢量
7、控制技术，提高调速性能，达到和超过直流调速水平。矢量变换控制是一种新的控制理论和控制技术，它的想法是设法摸拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制。调速的关键问题是转矩控制问题，直流电动机调速性能好的根本原因就在于它的转矩控制容易，而交流电动机的转矩则难于控制。为使交流电动机得到和直流电动机一样的控制性能，必须通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机。即如果在调速过程中始终维持定子电流的磁场电流分量不变，而控制转矩电流分量，它就相当
8、于直流电机中维持励磁不变，而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样，能使系统具有较好的动态特性。矢量控制方法的提出使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，这无疑是交流传动控制理论上一个质的飞跃。但是经典的矢量控制方法比较复杂，它要进行坐标变换，且需精确测算出转子磁链的大小和方向，比较麻烦，且其精度受转子参数变化的影响很大。近年来又出现了一种对交流电动机实现直接转矩控制的新方法，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算工作量，而直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，通过转矩的砰砰控制，使转矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能比矢量控制还好。此法虽尚未形成商品化的产
9、品，但却是很有发展前景的一种新的控制原理。交流电动机调速控制理论，从 V/f恒定控制法到矢量控制法是一个飞跃，从矢量控制法到直接转矩控制法将是第二个飞跃。 （2）全控型大功率新型电力器件交流电动机调速技术的发展是和电力电子技术的发展分不开的，50 年代世界上出现了电力半导体器件的晶闸管，为交流电动机调速技术的发展开辟了道路。但是作为第一代电力半导体器件的晶闸管没有自关断能力，需要利用电源或负载的外界条件来实现换相，因此用晶闸管来实现的交直交变频装置的核心的逆变器，必须配以大功率的强迫换相线路才能实现可靠的逆变。所以，人们一直在致力于研制出一种大功率，正反间均可用较小的功率进行导通与关断控制的全
10、控型器件，以便用较简单的手段即可实现复杂的逆变工作。经过 10 年左右的研制，场效应晶体管（MOSFET），巨型晶体管（GTR）及门极关断（GTO）晶闸管等全控型器件问世，并在实际应用中取得了理想效果。从半控型器件向全控型器件的过渡标志着变频装置进入了可以与直流调速装置在性能/价格比上相比美，这是交流调速技术产生飞跃的又一个重要的突破。目前，全控型电力电子器件正沿着大电流、高电压、快通断、低损耗、易触发、好保护、小体积、集成化等方向继续发展，又出现了绝缘门极双极晶体管（IGBT）和绝缘栅门极关断（IGTO）晶体管等，即具有电压型控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快
11、、工作频率高、器件容量大及热稳定性好的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。这类器件是 90 年代变频装置的主流。电力电子器件发展的更进一步的目标将是把控制、触发、保护等功能再集成化进来，从而形成电力电子与微电子技术相结合的产物，构成最新一代的功率集成器件（PIC）。它将为最新一代高可靠、小型化、电机与电控装置可能合而为一的未来型交流电动机调速系统提供新的发展基础。（3）脉宽调制技术在交流电动机的调速过程中，通常要求调频和调压同时进行，早期调压多用相控技术，用相控方式生成的变频电压电源含有大量的谐波分量，功率因数低，动态响应慢，线路复杂，无法满足高性能调速系统的要求。近年在广泛采用
12、自关断元器件的情况下，逆变器普遍采用了脉宽调制技术，成功地解决了电源侧功率因数低的问题，同时也减少了谐波分量对电网的影响。为了限制开关损耗，脉宽调制的频率通常选在 3001000Hz 左右，但这个频率正好在人耳的敏感区，所以电机运行时的噪声是一个新问题。为解决这个问题现在有几种不同的发展趋势。一种是采用新型的谐振式逆变器，可以把开关频率提高到 20KHz 以上的超声区，从而清除噪声；另一种是在现有的元器件基础上，优选调制策略，降低脉宽调制的频率至人耳不敏感区，从而降低噪声。总之，研究开关损耗小，功率因数高，谐波分量小，噪声低，运转平稳的逆变器是今后发展的方向。脉宽调制技术的发展与应用使变频装置
13、性能优化，可以适用于各类交流电动机，为交流调速的普及创造了条件。（4）数字技术的应用随着计算机技术突飞猛进的发展，16 位乃至 32 位微处理机的应用越来越普及，且由于微处理机的运算速度提高、价格下降等新因素的出现，在电气传动中控制系统硬件由模拟技术转向数字技术，全部采用数字控制，充分发挥微机控制的综合优点。数字调速技术不仅使传动系统获得高精度、高可靠性、还为新的控制理论与方法提供了物质基础。微型计算机在性能、速度、价格、体积等方面的不断发展与交流电动机调速理论的现实化提供了最重要的保证。从发展趋势看，交流数字调速有以下两个发展方向：一是采用专用的硬件、大规模集成电路（IC）；专用硬件可以降低
14、设备的投资，提高装置的可靠性。研制交流调速系统专用的 IC 芯片，可使控制系统硬件小型化、简单化。二是采用通用计算机硬件、软件模块化，可编程化，通用硬件可编程序控制，应用范围广，但价高造。从国际上采用数字调速的情况来看，前者一般多用于中小容量的标准系列产品，后者多用于大型工程大容量的传动系统。 二二 变频调速系统变频调速系统2.1 变频控制起动变频控制起动变频调速技术是随交流电机无级调速的需要而诞生的。20 世纪60 年代后半期开始,电力电子器件从 SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MCT(MOS 控制晶体管)、MCT(
