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三相异步电动机变频调速系统设计

控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆变成交流电。

对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说,有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

二、三相异步电动机原理
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,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,从而驱动电动机。

三、变频器基本原理
1.主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是电感。

它主要由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器”,吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”,以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

(1)整流器:最近大量使用的是二极管的变流器,它把工频电源变换为直流电源。

也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器,由于其功率方向可逆,可以进行再生运转。

(2)平波回路:在整流器整流后的直流电压中,含有电源6倍频率的脉动电压,此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。

为了抑制电压波动,采用电感和电容吸收脉动电压(电流)。

装置容量小时,如果电源和主电路构成器件有余量,可以省去电感采用简单的平波回路。

(3)逆变器:同整流器相反,逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率,以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。

以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。

2.控制电路是给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,它有频率、电压的“运算电路”,主电路的“电压、电流检测电路”,电动机的“速度检测电路”,将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”,以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

(1)运算电路:将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算,决定逆变器的输出电压、频率。

(2)电压、电流检测电路:与主回路电位隔离检测电压、电流等。

(3)驱动电路:驱动主电路器件的电路。

它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

(4)速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号,送入运算回路,根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

(5)保护电路:检测主电路的电压、电流等,当发生过载或过电压等异常时,为了防止逆变器和异步电动机损坏,使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

四、变频调速基本原理
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

当在定子绕组上接入三相交流电时,在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场,它与转子绕组产生相对运动,使转子绕组产生感应电势,出现感应电流,此电流与旋转磁场相互作用,产生电磁转矩,使电动机转动起来。

电机磁场的转速称为同步转速,用N表示:
N=60f/p(r/min) (1)
式中:f—三相交流电源频率,一般为50Hz;p—磁极对数。

当p=1时,N=3000r/min;p=2时,N=1500r/min。

可见磁极对数p越多,转速N越慢。

转子的实际转速n比磁场的同步转速N要慢一点,所以称为异步电机,这个差别用转差率s表示:s=[n1-n)/n1]×100% (2)
当加上电源转子尚未转动瞬间,n=0,这时s=1;起动后的极端情况n=N,则s=0,即s在0~1之间变化。

一般异步电机在额定负载下的s=(1~6)%。

综合式(1)和式(2)可以得出 n=60f(1-s)/p(3)
由式(3)可以看出,对于成品电机,其磁极对数p已经确定,转差率s变化不大,则电机的转速n与电源频率f成正比,因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速,进而达到异步电机调速的目的。

但是,为了保持在调速时电机的最大转矩不变,必须维持电机的磁通量恒定,因此定子的供电电压也要作相应调节。

变频器就是在调整频率(VariableFrequency)的同时还要调整电压(VariableVoltage),故简称VVVF(装置)。

通过电工理论分析可知,转矩与磁通量(最大值)成正比,在转子参数值一定时,转矩与电源电压的平方成正比。

五、设计方案
1、在实验板上固定好变频器,然后把变频器的端口一一连接到实验板上对应的端口。

实验板上的端口是为了方便之后的插线而准备的。

2、把异步电机连接到实验板相对应的端口上,电机自身采用Y型接法(采用Y型接法的原因是电机能承受的额定电压是220V)。

3、把两个继电器分别连接到变频器的控制正反转的端口上,另一端都接电源,继电器的开断由PLC 的Y0、Y1口控制。

变频器端口
4、检查好电路之后,通电,开始设置变频器的参数。

令P006=1,由外部控制端子FWD、REV等进行起停控制,FWD端电平为“1”时电机正转,REV端电平为“1”时电机反转,电平都为“0”时电机停止转动。

B001=0,当频率是5、10、20、30、40、50Hz时,分别记录下当时的电机转数。

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