毕业设计三相异步电机的远程控制完整版(编辑修改稿)

毕业设计三相异步电机的远程控制完整版(编辑修改稿)内容摘要：

ck but speed is very difficult, but with ac frequency conversion technology development, through the inverter to change the frequency of the alternating current, which changes ac motor speed control, this topic is mainly controlled by PLC inverter to the realization of the motor speed control, encoder, . signal feedback closedloop control to achieve such realtime feedback motor for the current speed PLC for puting, which makes the motor speed control is more accurate, reaction, through the system more realtime configuration simulation we can clearly see the superiority of the control system. Keywords: threephase asynchronous motor, encoders, Siemens S7300 transducer. 三相异步电机调速闭环控制系统设计 1 1 绪论 课题研究的意义 在电力系统中，以电动机为主电力传动系统广泛应用于工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中，其中很多场合有调速要求，如车辆、天梯、空调、机床及造纸机械等，而风机、水泵等位了节约电能同样也需要调速。 电力传动系统的控制性能和节能水平 越来越被人们重视， 变频调速技术 恰好 能够使电力系统的控制性能和节能水平有较大的幅度的提高，这一点已经被大家所公认。 在实际应用中，电动机作为把电能转化成机械能的主要设备，一是要具备较高的转换效率；二是 能够 根据生产工艺 的具体 要求控制和 调节电动机的转速。 电动机的调速性能对提高产品的质量、提高劳动生产效率和节能有着直接的关系。 为了 更精确和实时地 控制电动机的 转速及运行 ，需要为电动机配上控制装置 （如 PLC）和反馈装置（如编码器）。 由电动机、控制装置 和反馈装置 就构成了电力传动自动控制系统。 现代工业控制系统朝智能化、网络化和开放式结构的方向发展。 本设计也将把现场总线通信与变频控制技术统一起来， 对 该电机闭环调速系统进行组态监控，将推动交流电机群控制技术以及设备远程控制技术的发展。 Profibus 作为一种通用的现场总线，已经得到很广泛的应用，很多厂商 的工控器、 plc、变频器、智能 I/O 与 A/D 模块具备 profibus通讯接口。 用 Profibus 总线控制电动机的调速，能更加精确的调节电动机的转速，从而提高电动机的效率。 同时，通过该设计，回顾大学知识，作为进入社会的一次实践，提高我们 对知识的应用能力。 电动机调速发展现状 电动机调速系统的发展实际上是依赖 电力电子技术、计算机 控制、 现代控制理论和逆变技术 以及交流电动机制造技术的发展。 智能控制理论的应用和电力电子器件的技术、计算机控制技术的迅速更新是推动电机调速系统不断进步的动力。 电机调速是目 前电力电子技术应用的最大领域之一，具有极强的吸引力，同时也具有较强的挑战性。 它的市场大，据报道，全球大约有 100 亿以上各种电机在工作。 2020 年我国空调的产量已达到 5500 万台，仅此一项说明市场已非常庞大；另外，其应用 领域及其广泛，例如数控机床、电梯、电力机车、家用电器、 汽车、航空航天、船舶、造纸和纺织 行业等。 直流电机由于其转矩便于控制，因此它作为调速电动机的代表在 20 世纪的大部分年代广泛应用于工业生产中。 虽然直流调速系统的理论和实践应用比较成熟，但由于电动机的单机容量、最高转 速及负载能力等主要技术指标受机 械转向制约，限制了直流调速的发三相异步电机调速闭环控制系统设计 2 展。 随着电力电子技术的发展，各种新型器件和先进的控制方法在电机调速系统中广泛应用，很多场合直流电机正逐渐被交流电动机所代替，因此有的学者认为，在二十一世纪，直流电机将会在电气传动领域消失，而异步电动机和其它类型的交流电动机的应用范围将逐步增加。 特别是鼠笼型交流异步电动机，由于它结构简单，制造方便，价格低廉，体积小（与同容量的直流电动机相比），并且坚固耐用，具有的转动惯量小，运行可靠，维护简单等优点，是工业领域中广泛使用的一种电气设备。 从前面的叙述我们可以看出，与直流电机相比， 异步电机具有适应性强、结构简单、价格低廉、容易实现高速和大容量化等特点，因此 未来电机 调速传动领域， 将以 异步电动机等交流电机 为主。 而我们要研究的就是如何 使 交流电机 的转速 调速精度 高、 输出性能 最佳。 变频调速国内外现状 国内现状 我国 电机 的总装机容量已达 4 亿千瓦，年耗电量达 6000 亿千瓦时，约占工业耗电量的 80%。 作为能源消耗大户之一的 电机 在节能方面是大有潜力可挖的。 我国各类在用电机 中， 80%以上为 以下的中小型异步电动机。 我国在用 电机 拖动系统的总体装备水平仅相当于发 达国家 50 年代水平。 因此，在国家十五计划中， 电机 系统节能方面的投入将高达 500亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。 现在，我国有 200 家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。 随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。 很多最先进的产品从发达国家进 口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。 国内许多合资公司生产当 今国际上先进的产品，国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统，在变频调速技术的应用和研究上取得了很大的成绩。 但应看到，由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖仍很严重。 很多国内生产制造的产品（如家电）还是与国外的产品有着一定的差距，究其原因还是我们国内的变频核心技术有待提高，不管是从节约能源的角度出发还是从使中国国内产业超越国外产品出发 ，研究变频调速这一课题已刻不容缓。 国外现状 （ 1）市场有大量需求随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在冶金、机械、石油、化工、纺织、造纸、食品等各个行业以及风机、水泵等节能场合，并取得了显著的经济效益。 （ 2）功率器件发展迅速变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。 近年来，三相异步电机调速闭环控制系统设计 3 高电压、大电流的 SCR、 GTO、 IGBT、 IGCT 以及智能模块 IPM (IntelligentPower Module) 等器件的生产以及并联、串联技术应用的发展，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。 （ 3）控制理论和微 电子技术的支持在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论为高性能变频调速提供了理论基础； 16 位、 32 位高速微处理器以及信号处理器 (DSP)和专用集成电路 (ASIC)技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。 课题研究的主要工作 （ 1）本文主要研究电动机 闭环 调速控制，根据变频调速原理，设计控制系统，使电动机的调速更精确、简单、快速。 （ 2）研究 编码器 在电动机调速系统中的应用，设计好的控制系统用 s73 编程实现控制。 （ 3）对控制方案进行 组态监控， 确定其可行性 和系统运行情况。 三相异步电机调速闭环控制系统设计 4 2 电动机的调速原理 及方法 异进电 动机的 简介 与分类 异步电机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转自绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩，所以，异步电机又叫感应电机。 异步电动机 的优点是 结构简单、 容易制造、 运行可靠、价格低、 坚固耐用、运行效率较高且适用性强 ， 缺点是功率因数较差。 异步电机运行时，必须从电网里吸收滞后性的无功功率，它的功率因数总是小于 1。 但电网的功率因数可以别的 方法进行补偿，所以并不妨碍异步电机的广泛使用。 目前，异步电动机的电力拖动已被广泛地应用在各个工业电气自动化领域中。 异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类。 例如： （ 1）按定子相数分，有单相、两相、三相异步电动机。 （ 2）按转子结构分，有绕线式异步电动机和鼠笼式异步电机。 其中鼠笼式异步电动机又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机及深槽式异步电动机。 （ 3） 按有无换向器分，有无换向器异步电动机和换向器异步电动机。 三相异步电动机的工作原理 三相异步电动机工作原理如下分析：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）。 由于转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，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。 三相异步电机调速闭环控制系统设计 5 异步电动机调速 调速原理 调速即速度调节或速度控制，是通过改变电动机的参数、结构或外加电气量（如供电电压、电流的大小或频率）来改变电动机的速度，以满足工作机械的要求。 调速要靠改变电动 机的特性曲线来改变。 如图 21（ a）中工作机械即负载特性曲线为线 ML,通过调速装置改变的电动机特性曲线为线 M M和 M3 与 线 ML的交点分别为点 3，于此相对应的角速度为 φ φ2 和 φ3，亦即电动机将有不同的角速度值，实现调速。 与此相反，不改变电动机的特性，而靠改变负载转矩虽也可以使速度变化，如图 21（ b）中负载转矩由 ML1 增加到 ML ML3 虽也可以使电动降速，但这不是调速，而属于扰动，一般是不希望的，并且是要实现稳速所要克服的重要问题。 （ a）调速时的特性曲线 （ b）负载变化时的特性曲线 21 电动机调速变化曲线 电动机调速系统的基本结构 图 22示出电动机调速系统的主要组成部分。 电动机 M 是以一定转矩和转速带动工作机械运动的受控对象，其主要空置量是定子侧电压 U电流 I频率 f1或磁通Φ 1，或者转子侧电压 U电流 I频率 f2 或磁通Φ 2。 其输出量为转矩 M 或角速度φ。 变流装置将具有一定电压、电流和频率的电源能量变换为 具有可调电压、可调电流或可调频率电源能量的功率装置，起电能变换和控制作用。 调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量 的流动，通过硬件或软件产生满足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系统的静态性能。 反馈装置用以检验和变换反馈信号。 在电动机调速系统中主要反馈量有电压、电流、转速、转矩、磁通和转子位置角等。 控制装置时根据给定信号和反馈信三相异步电机调速闭环控制系统设计 6 号产生所需要的控制指令和偏差信号。 在要求不很高的场合，没有反馈装置而采用开环控制，但前提是电机本身应具有足够的稳定性和可调性。 图 22 电动机调速系统的基本结构图 三相异步电动机的调速方法 三相异步电动机转速公式为： n=60f/p(1s) (21) 从上式可见，改变供电频率 f、电动机的极对数 p 及转差率 s均可太到改变转速的目的。 从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。 改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调 速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的。