基于plc的变频调速在物料搅拌中的应用

基于plc的变频调速在物料搅拌中的应用内容摘要：

作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。 简言之，变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流 异步电机 的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流 /过压 /过载保护等功能。 实现电机的变速运行的设备。 变频器实际上就是一个整流逆变器。 它首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行开关变为交流电。 一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调 .用来控制电机的转数，使得转数在一定的范围内可调。 如图 所示，变频器一般由整流电路、直流中间电路、 逆变电路 、控制电路等几大部分构成。 第二章 变频调速在物料搅拌中的硬件设计 7 图 变频器的结构构成 其 中控 制电路完成对主电路的控制，整流电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。 它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。 目前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。 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。 有以下三种作用： ，供逆变器使用。 将固 定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。 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。 控制电路 控制电路有：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 ” ，电淮安信息职业技术学院毕业设计论文 8 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。 它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。 （ 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。 变频调速的工作原理 一、 异步电 动机概述 异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。 （ 1） 磁场以 n 0 转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子 电流 （ 2） 通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力 （ 3） 电磁力使转子绕组以转速 n 旋转，方向与磁场旋转方向相同 旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。 这三个交变磁场应满足： （ 1） 在空间位置上互差 2π/3 rad 电度角。 这一点，由定子三相绕组的布置来保证 （ 2） 在时间上互差 2π/3 rad 相位角（或 1/3 周期）。 这一 点，由通入的三相交变电流来保 产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。 因此，转子的转速 n 必须低于定子磁场的转速 n0，两者之差称为转差 : Δn＝ n0－ n 转差与定子磁场转速（常称为同步转速）之比，称为转差率： s＝ n0nN / n0 同步转速 n0 由下式决定： n0＝ 60f / p 式中， f 为输入电流的频率， p 为旋转磁场的极对数。 由此可得转子的转速 :第二章 变频调速在物料搅拌中的硬件设计 9 n＝ 60f（ 1－ s） / p 二 .异步电动机调速 由转速 n＝ 60 f（ 1－ s） / p 可知异步电动机调速有以下几方法： 1. 改变磁极对数 p （变极调速） 定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。 所以，要改变 p，必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。 通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。 变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；其缺点是 ： 有极调速，且极数有限，因而只适用于不需平滑调速的场合。 2. 改变转差率 s （变转差率调速） 以改变转差率为目的调速方法有：定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。 (1)定子调压调速 当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率 s 增大，转速减小，从而达到速度调节的目；同理，定子电压升高，转速增加。 调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时，机械特性较硬，调速范围较宽，缺点是低速时，转差功率损耗较大，功率因素低，电流大，效率低。 调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，比较适合于风机泵类特性的负载。 (2)转子变电阻调速 当定子电压一定时，电机主磁通不变，若减小定子电阻，则转子电流增大，转子受到的电磁力增大，转差率减小，转 速降低；同理增大定子电阻，转速增加。 转子变电阻调速的优点是设备和线路简单，投资不高，但其机械特性较软，调速范围受到一定限制，且低速时转差功率损耗较大，效率低，经济效益差。 目前，转子变电阻调速只在一些调速要求不高的场合采用。 (3)电磁转差离合器调速 异步电动机电磁转差离合器调速系统以恒定转速运转的异步电动机为原动机，通过改变电磁转差离合器的励磁电流进行速度调节。 电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成，二者之间没有机械的联系，均可自由旋转。 离合器的电枢与异步电动机转子轴相连并以恒速旋转，磁极与工作机械相连。 电磁 转差离合器的工作原理是：如果磁极内励磁电流为零，电枢与磁极间没有任何电磁联系，磁极与工作机械静止不动，相当于负载被 “ 脱离 ” ；如果磁极内通入直流励磁电流，磁极即产生磁场，电枢由于被异步电动机拖动旋转，因而电枢与磁极间有相对运淮安信息职业技术 学院毕业设计论文 10 动而在电枢绕组中产生电流，并产生力矩，磁极将沿着电枢的运转方向而旋转，此时负载相当于被 “ 合上 ” ，调节磁极内通入的直流励磁电流，就可调节转速。 电磁转差离合器调速的优点是控制简单，运行可靠，能平滑调速，采用闭环控制后可扩大调速范围，运用于通风类或恒转矩类负载；其缺点是低速时损耗大，效率低。 (4)串极调速 前面介绍的定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速均存在着转差功率损耗较大、效率低的问题，是很大的浪费。 如何能够将消耗于转子电阻上的功率利用起来，同时又能提高调速性能。 串极调速就是在这样的指导思想下提出的。 串极调速的基本思想是将转子中的转差功率通过变换装置加以利用，以提高设备的效率。 串极调速的工作原理实际上是在转子回路中引入了一个与转子绕组感应电动势频率相同的可控的附加电动势，通过控制这个附加电动势的大小，来改变转子电流的大小，从而改变转速。 串极调速具有机械特性比较硬、调速平滑、损 耗小、效率高等优点，便于向大容量发展，但它也存在着功率因素较低的缺点。 3．改变频率 f （变频调速） 当极对数 p 不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速。 异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便的实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相比美 变频器的主回路 电压型变频器主电路包括：整流电路、中间直流电路、逆变电路三部 分组，交 直 交型变频器结构见附图 1 (1)整流电路： VD1~VD6 组成三相不可控整流桥， 220V 系列采用单相全波整流桥电路； 380V 系列采用桥式全波整流电路。 (2)中间滤波电路：整流后的电压为脉动电压，必须加以滤波；滤波电容 CF除滤波作用外，还在整流与逆变之间起去耦作用、消除干扰、提高功率因素，由于该大电容储存能量，在断电的短时间内电容两端存在高压电，因而要在电容充分放电后才可进行操作。 （ 3）限流电路：由于储能电容较大，接入电源时电容两端电压为零，因而在上电瞬间滤波电容 CF 的充电电流很大，过大的电流 会损坏整流桥二极管，为保护整流桥上电瞬间将充电电阻 RL 串入直流母线中以限制充电电流，当 CF 充电到一定程度时由开关 SL 将 RL 短路。 第二章 变频调速在物料搅拌中的硬件设计 11 （ 4）逆变电路： 逆变管。