机电传动与控制课程综合训练三
一、综合训练项目任务书
综合训练项目：交流电机变频调速系统
目的和要求：加强对交流变频调速系统及变频器的理解；应用交流变频调速系统及变频器解决交流电机变频调速问题。提高分析和解决实际工程问题的能力。促成“富于探索精神，具有较强的自学能力、开拓创新意识和敏锐的观察事物以及分析处理事物的能力”的目标实现。
成果形式：交流电机变频调速系统设计说明书。
相关参数：参看《机电传动控制》（第五版），冯清秀等编著，华中科技大学出版社，P291~316。
一、综合训练项目设计内容
1.变频调速系统
1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理
三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。三相交流异步电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。
1.2 变频调速原理
变频器可以分为四个部分，如图1.1所示。
通用变频器由主电路和控制回路组成。给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器。
图1.1 变频器简化结构图
⑴整流器。它的作用是把工频电源变换成直流电源。
⑵平波回路（中间直流环节）。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件—电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。
⑶逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。
⑷控制回路。控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控制。
2.系统的控制模型
本系统的结构如图1.2所示。
图1.2 系统的结构图
由图1.2可知，本文通过PLC控制变频器达到变频调速的目的，从而实现交流电机的正反转、起停、加速、减速控制以及速度的调节，并且能够在在组态王操作界面上进行操作，控制电机调速。
3.元器件的选择
3.1 电动机的选择
在变频电机中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。因此，在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用交流电动机。
在交流电动机中，笼型异步电动机结构简单，运行最可靠，维护最方便，对起动性能无过高要求的调速系统，应优先考虑。在电机工作中起动、制动比较频繁，为提高生产率，又要求电动机具有较大的起动、制动转矩以缩短起动制动时间，同时还有一定的调速要求，所以本设计采用笼型异步电动机，其参数为：电压：659V；
接法：星形接法；
功率：60W；
电流：0.16A；
频率：50HZ；
绝缘等级：E。
开环控制是最简单的一种控制方式，他所具有的特点是，控制量与被控制量之间只有前向通路而没有反向通路。这种控制方式的特点是控制作用的传递具有单向性。由于开环控制结构简单，调整方便，成本低。在国民经济各部门均有采用。因此，本系统采用开环控制系统。
3.2 变频器的选择
随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速得到广泛应用。其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。所以我选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。
本设计采用的变频器是西门子公司面向世界推出的21世纪通用型变频器MM440。它可实现平稳操作和精确控制，使电动机达到理想输出，这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。
MM440变频器的特点如下：
⑴包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。
⑵有丰富的内藏与选择功能。
⑶由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。
⑷保护功能完善、维修性能好。
4.变频器的参数设置值
本系统主要完成异步电机数字量调速，此种调速方法首先需要设置变频器参数，接着连接硬件电路并且编写梯形图程序，进行调试。成功之后，在编写组态，调试组态与PLC之间的通讯。
变频开环调速根据输入端的控制信号经过程序运算后由通信端口控制变频器运行。打开启动开关，变频器开始运行。
