三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計

張雅坤

（大同煤礦有限責(zé)任公司供水分公司， 山西 大同 037003）

引言

由于三相一步電動機(jī)具有制造方便、價格合理、結(jié)構(gòu)牢固、運(yùn)行可靠等眾多優(yōu)勢，所以容易做成高轉(zhuǎn)速、大電流、高電壓以及大容量的電動機(jī)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。同煤集團(tuán)供水分公司泵站中各類水泵都是由三相異步電動機(jī)作為原動機(jī)拖動的。隨著當(dāng)前工業(yè)控制要求的發(fā)展，對于電動機(jī)速度控制的要求也在不斷的提升，三相異步電動機(jī)擁有多種調(diào)速方法。從熱動力學(xué)的角度探討使用變頻調(diào)速系統(tǒng)，PLC 控制器與其他計算機(jī)實現(xiàn)無縫銜接，并且還可以對電機(jī)實現(xiàn)自動控制，從而進(jìn)行人機(jī)交互[1]。

1 變頻調(diào)速技術(shù)的原理

電機(jī)的主磁通Φ=E/（4.44·f·N1），其中E 為感應(yīng)電動勢，近似等于定子繞組電壓U；f 為頻率，N1為繞組匝數(shù)是常數(shù)。這樣磁通與電壓成正比，與頻率成反比，可以導(dǎo)出Φ=U/f，而隨著頻率的變化，磁通Φ也會隨之改變。勵磁電流增大導(dǎo)致鐵心和線圈過熱，如果時間較長將會損壞設(shè)備。所以，在設(shè)計的過程中，不僅需要降頻，還需要降壓，而實現(xiàn)這一目的需要電壓和頻率之間相互協(xié)調(diào)控制。另外，在特殊情況下，電動機(jī)產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩必須要保持恒定，也就意味著磁通量保持不變，通過協(xié)調(diào)控制電壓和頻率實現(xiàn)，該類型的調(diào)節(jié)就是頻率控制[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

圖1 所示為本系統(tǒng)的設(shè)計示意圖。本系統(tǒng)的設(shè)計是由編碼器對三相異步電機(jī)的速度進(jìn)行測量，然后將速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為電流信號，向PLC 傳輸，PLC 會對變頻器的輸出信號進(jìn)行計算，而變頻器可以通過改變頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)中添加觸摸屏，通過屏幕實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制電機(jī)。在啟動電機(jī)之后，編碼器測速系統(tǒng)會直接將速度信號傳遞給PLC，而PLC 會將相應(yīng)的數(shù)字量輸入到觸摸屏，并由屏幕顯示出電機(jī)的速度。另外，在觸摸屏上設(shè)置參數(shù)可以將數(shù)據(jù)直接傳遞到控制系統(tǒng)中，之后通過PLC 的輸出通道把數(shù)據(jù)傳遞給變頻器，從而實現(xiàn)設(shè)置電機(jī)速度的目的。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計圖

2.1 硬件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，控制裝置硬件采用西門子S7-200系列PLC，該P(yáng)LC 數(shù)字量輸入為14 點，輸出則是10點，同時自帶模擬量輸出點和輸入點。另外，變頻器電源電壓范圍在380～480 V 以內(nèi)。

變頻器的三個數(shù)字量輸入端口分別標(biāo)記1、2、3。其中，每一個數(shù)字的輸入端口的功能都非常多，用戶可以根據(jù)自己的實際需求進(jìn)行設(shè)置。在原始狀態(tài)下，數(shù)字輸入功能默認(rèn)值是1，但是其可以設(shè)置0～99 這一范圍。命令信號參數(shù)P0701～P0703 對應(yīng)端口數(shù)字輸入1 功能、2 功能以及3 功能，通過修改這三個參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多段速的控制[3]。

對變頻器的模擬輸入端口進(jìn)行標(biāo)記，分別標(biāo)記為ALN+、ALN-。通過設(shè)置P0701、P0702 的參數(shù)值，可以使數(shù)字輸入5 端口實現(xiàn)正轉(zhuǎn)控制；使數(shù)字輸入6端口具備反轉(zhuǎn)控制能力，而模擬輸入3 和4 的端口輸入是來源于PLC 所輸出的0～10 V 直流電壓，能夠?qū)敵鲱l率的大小進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電動機(jī)無級調(diào)速。而這表示電動機(jī)轉(zhuǎn)速的方向是利用數(shù)字輸入端控制，而轉(zhuǎn)速的大小主要是由模擬輸入端控制[4]。圖2 所示為無級變頻調(diào)速。

圖2 無級變頻調(diào)速示意圖

2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計

I0.0 為系統(tǒng)的啟動鍵，而I0.1 則是系統(tǒng)的停止鍵。定時器T37 能夠?qū)τ谶\(yùn)行時間起到控制的作用，置位復(fù)位指令則可以隨意組合和排列三個數(shù)字量輸出點，從而選擇最優(yōu)的頻率。

在該結(jié)構(gòu)中，PLC 本身自帶模擬量輸出。測試時，電壓輸出值在0～10 V 之間，對應(yīng)0～32 000 的模擬量，而變頻器的輸出模擬量則是0～50。因此，變頻器輸出頻率如果是采用公式進(jìn)行計算的話，其公式為：，其中，f0意味著PLC 給定頻率值。

假設(shè)在VW100 中給定頻率值f0存在，那么圖3所示為PLC 模擬量輸出部分程序。

3 測試內(nèi)容與測試結(jié)果

3.1 測試內(nèi)容

主要是對控制信號波波行進(jìn)行檢測，同時對電機(jī)三相的波形、功率因素、最大功率以及LCD 顯示是否正常、準(zhǔn)確等進(jìn)行測試。其中通過利用示波器對單片機(jī)輸出I/O 口進(jìn)行直接測量，所測得的波形為PWM波，其左右之間相差120°。

3.2 測試條件及結(jié)果

圖3 PLC 模擬量輸出部分程序

由于采用三相交流電具有一定程度上的危險性，所以在進(jìn)行測試的過程中，不采用三相交流電，而是采用直流電直接為逆變模塊進(jìn)行供電，等到程序調(diào)試成功之后，硬件工作能夠正常工作，再開始向系統(tǒng)供交流電。在每次測試前，首先需要檢查單片機(jī)輸出是否為正常的六路波，等到波形正常之后進(jìn)行合閘，而測試的地點必須要具有電流保護(hù)裝置，測試儀器采用萬用表示波器。測試結(jié)果一切正常[5]。

4 結(jié)論

變頻調(diào)速可以在低速狀態(tài)下啟動，甚至能夠在零速狀態(tài)下啟動，而在極為低速的狀態(tài)下啟動的話，此時的電機(jī)啟動電流處于最輕微的狀態(tài)，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)均勻減速和減速，不僅節(jié)能作用良好，同時還可以提高電機(jī)的使用時長。本文通過以PLC 為控制核心，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，所設(shè)計的系統(tǒng)PLC 的控制程序具有較高的可靠性。