提升机变频调速系统(一)-自动化毕业论文(2)
2013-07-28 01:28
导读：f1——电动机定子绕组的供电频率 p——旋转磁场的极对数 s——转差率，表示定子旋转磁场的同步转速n1与n的关系：n=n1(1-S) 从式中可见，改变异步电动机
f1——电动机定子绕组的供电频率
p——旋转磁场的极对数
s——转差率，表示定子旋转磁场的同步转速n1与n的关系：n=n1(1-S)
从式中可见，改变异步电动机的供电频率f1，就可改变电动机的转速n1和n，达到调速目的。但f1的升高或降低影响到异步电动机的其它参数，如定子绕组中的输入电压U1，输入电流I1和磁通Φ。
三相异步电动机每相电压U1有以下关系式：
U1≈E1=4.44f1w1k1Φ （2-2）
式中： U1——定子相电压
E1——定子相电动势
w1——定子相绕组总匝数
k1——基波绕组系数
Φ——每极气隙磁通
从上式可以看出，若定子端电压U1不变，则随着f1的升高，气隙磁通Φ将减小，电机转矩为：
T=CTΦI2cos2 （2-3）
式中 I2——转子电流
cos2 ——转子电路功率因数
CT ——转矩常数
从电机转矩公式可以看出Φ的减小势必导致电机允许输出转矩T的下降，使电机的利用率降低，同时，电机的最大转矩也将降低，严重时会使电机堵转。
若维持定子端电压U1不变，而减小f1，则Φ增加，将造成磁路过饱和，励磁电流增加，铁心过热，这是不允许的，为此在调速的同时需改变定子电压，以维持气隙磁通Φ不变，根据U1和f1的不同比例关系，将有不同的变频调速方式。
（科教范文网 lw.nseaC.Com编辑发布）
（1）基频以下恒磁通变频调速
由于E1难于直接控制，当E1和f1较高时，可略去定子阻抗压降近似得出
= 4.44ω1k1Φ （2-4）
为保持电机输出转矩不变以保证电动机的负载能力，就要求气隙磁通Φ不变，因此要求定子端电压与频率成比例变化。即U1/f1为常数，这种控制称为近似的恒转矩变频调速，属于恒转矩调速方式.
图2-3 U1/f1曲线
但在低频时，定子电阻的压降已不可忽略，随着定子电压的增加，最大转矩减小，启动转矩也减小，为了能在低速时输出大的转矩，应当采用
=const （2-5）
的协调控制。此时随着f1的降低，应适当提高U1，以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。如图所示，其中1为U1/f1=C 时的电压、频率关系。实际装置中U1与f1的函数关系并不简单的如曲线2所示。通用变频器中U1与f1之间的函数关系有很多种，使用时可以根据负载性质和运行状况加以选择或设定。
（2）基频以上的弱磁变频调速
当电动机转速超过额定调速时，即f1>f1e，若维持U1/f1=C，。加在定子上的电压势必会超过电机的额定电压，这是不允许的。由于在f1>f1e时，往往采用时定子电压不再升高，保持U1=U1e，这样气隙磁通就会小于额定磁通，导致转矩的减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况。
（科教作文网http://zw.NSEaC.com编辑发布）
从电机学知道，在改变定子供电频率的同时。按关系式
U1= （2-6）
调整定子电压，可使电动机功率等于电动机的额定功率，而转矩随f1/f1e或f1的增加围绕减小，可有如下关系
T= （2-7）
这是一种近似恒功率调速方式。如果将恒转矩调速和恒功率调速结合起来，可得到宽的调速范围。在电机低于额定转速时，采用恒转矩变频调速；高于额定转速时，采用恒功率调速如图所示。
图2-4 变频调速时的控制特性
由上面的讨论可知，异步电动机的变频调速必须按照一定得规律同时改变定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率的可调电源，实现VVVF调速控制。
2.3变频器的基本构成
近几十年来，随着半导体技术和微处理器的发展，变频器在结构上和功能上发生了很大变化，但是变频器的基本原理并没有变。变频器可以分为四个主要部分：整流部分、中间电路部分、逆变部分和控制电路部分，如下图所示。
1.交-直部分
（1）整流电路。整流电路由VD1~VD6组成三相不可控整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流电。整流电路因变频器输出功率的大小不同而不同。小功率的，输入电源多用于单相220V，整流电路为单相全波整流电桥；功率大的，一般用三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。
（转载自http://zw.NSEAC.com科教作文网）
（2）滤波电容CF。整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波。滤波电容CF的作用除了滤除整流后的电压纹波外，还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，这就给为感性负载的电动机提供了必要的无功功率。CF同时还有储能作用，所以又叫储能电容。
（3）限流电阻RL与开关SL。由于储能电容CF大，加之再接入电源时电容器两端的电压为零，所以当变频器接通电源瞬间，滤波电容CF的充电电流很大。过大的冲击电流能使三相整流桥损坏。为了保护整流桥，在变频器刚接通电源的一段时间内，电路串入限流电阻RL，限制电容的充电电流。当滤波电容CF充电到一定程度时，令SL接通，将RL短接。
（4）电源指示HL。HL除了指示电源是否接通以外，还有一个功能，即变频器切断电源后，显示滤波电容CF上的电荷是否已经释放完毕。
2.直-交部分
（1）逆变管V1~V6。VI~V6组成逆变桥，把VD1~VD6整流后的直流电“逆变”成频率、幅值都可调的交流电。这是变频器实现变频的执行环节，是变频器的核心部分。常用的逆变管有绝缘栅双极晶体管、大功率晶体管、可关断晶闸管、功率晶体管、集成门级换流晶体管等。
（2）续流二极管VD7~VD12。续流二极管VD7~VD12的主要功能是：
①电动机的绕组是感性的，其电流具有无功分量。续流二极管VD7~VD12为无功分量返回直流电源提供“通道”。
②当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过续流二极管VD7~VD12返回直流电源。
③逆变管V1~V6共同完成逆变的基本工作过程：同一桥臂的两个逆变管处于不停地交替导通和截止的状态，在交替导通和截止的换相过程中，需要续流二极管VD7~VD12提供通道。
（科教作文网http://zw.ΝsΕAc.com发布）
（3）缓冲电路。不同型号的变频器，缓冲电路的结构也不尽相同，图中是比较典型的一种。它由C01~C06,R01~R06,VD01~VD06构成，其功能如下：逆变管V1~V6每次由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极和发射极间的电压UCE由近乎0V迅速上升至直流电压值UD，这过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。因此，C01~C06的功能是降低VT1~VT6在每次关断时的电压增长率。V1~V6每次由截止状态切换为导通状态的瞬间，C01~C06上所充的电压将向V1~V6放电，次放电电流的初始值是很大的，并且将叠加到负载电流上，导致V1~V6损坏。因此，电路中增加可R01~R06，其功能是限制逆变管在接通瞬间C01~C06的放电电流。
R01~R06的接入，又会影响C01~C06在V1~V6关断时，降低电压增长率的效果。在电路中将VD01~VD06接入后，使V1~V6的关断过程中R01~R06不起作用；而在V1~V6的接通过程中，又迫使C01~C06的放电电流流经R01~R06。这样就可以避免R01~R06的接入对C01~C06工作的影响。
3 硬件设计
单片机变频调速系统的硬件是由单片机控制系统、变频器电路、信号检测电路和电源电路等四大部分组成。其中，单片机控制系统用来接收变频器输出的状态及脉冲信号，通过软件方式控制变频器的输入，从而控制提升机按照速度图运行，并且能在故障时有相应的动作；键盘及LED显示也通过单片机的输入输出口的信号进行工作。变频器电路由单片机发出的信号，通过控制继电器线圈得电，实现电机的正、反转，复位等动作；并能检测系统运行状态，将其发送到单片机，从而实现单片机控制的变频调速。
图3-1 系统结构图
3.1单片机控制系统
3.1.1 单片机控制系统框图
单片机控制系统由80C51，复位电路、时钟电路、键盘电路和显示电路构成，其系统组成框图如下所示。其中，键盘电路用来实现对系统的操作是自动还是手动，显示电路用来显示提升机负载的运行速度及位置，使得操作工人能更好的观察系统的运行状况，便于下一步操作。 （科教范文网 lw.AsEac.com编辑整理）
图3-2 单片机控制系统框图
MCS-51系列单片机是8位的单片机，具有兼容性强、性能价格比高等特点。80C51单片机属于MCS-51系列中的低功耗型，其在一个IC芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、多功能I/O口等单元。80C51包含下列几个部件：一个8位的CPU，主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传送、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等；一个片内振荡器与时序电路；4K字节的ROM程序存储器；128字节RAM数据存储器；两个16位定时器/计数器；可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器空间的控制电路；32条可编程的I/O线；一个可编程全双工串行口，4个准双向I/O端口；具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
