三相异步电机变频调速系统实验装置设计

三相异步电机变频调速系统实验装置设计

闫强波

南阳防爆电气研究所  河南省南阳市  473000

摘要：随着现代工业的发展，电机在各行各业中的地位日益突出。由于传统的电机结构比较复杂，对运行要求比较高，后期的操作和维修工作压力也比较大。三相异步电机的运行方式与常规电机的运行方式不同，因此要对三相异步电动机的调速系统实验装置进行设计，确保三相异步电机运行水平全面提升。本文对三相异步电机变频调速系统实验装置的性能指标、电磁设计、结构设计等进行详细分析，以期对目前国内电机设计与开发有一定的借鉴意义。

关键词：三相异步电机；变频调速系统；实验装置

引言

三相交流异步电机变频调速控制系统主要由4个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、编码器、变频器和电机机组共同组成。三相异步电机转速是由变频器控制的，这种变频器的运行频率与工频之间存在着一定的差异，很可能会影响到系统的工作效率。另外，变频三相异步电机的制冷模式和工作频率也是影响其正常运转的关键因素，因此需要通过三相异步电机变频调速系统的实验装置进行有效优化，从而更好地检验三相异步电机变频调速的效果。

1变频电机性能指标

1.1恒转矩负载

三相异步电机采用供电频率进行转速调节，但按装置的机械性能又可分为两类。恒转矩是指设备的工作负荷与转子转速之间没有直接的关系，它的工作状况总是保持不变。这要求设备必须严格地控制电压，工作在较低的工作状态。比如传送带、搅拌机等设备，在运转时力矩都是恒定的，所以当速度发生变化时并不会对复合转矩产生任何影响。这主要是因为设备工作负荷低于50 Hz，其输出功率与转速有直接关系。

1.2恒功率负载

恒力负荷是指电动机的输出功率保持不变，当转速改变时电动机的转矩与转速成负相关。这就说明了在恒定负荷下，在装置转速很低时电动机的转矩趋于无限大。这样的载荷方式在关键时刻会变成一个大约50 Hz的恒定转矩负荷。比如开卷机、数控机床等，对运行频率的要求很高，所以在设计时一般都要使用恒定的电源，以保证运行频率永远高于基础频率。

2变频电机的电磁设计分析

2.1电磁负载的控制

在调速时由于设备工作频率和转速不同，导致谐波很容易导致磁路饱和。这样会导致电动机产生空载，从而影响到电动机的寿命。特别是在低速运行时更是如此。为了解决这个问题，需要在电磁设计中把磁通量控制在一个很小的范围之内。该设计方案既能有效地减少设备的工作噪声，又能加快设备的加热和加热。如果温度升高的范围很大，那就说明产品的稳定性不够，在投入生产后就会加速老化。反之，如果温度一直维持在一个合理的区间，则对电机的散热更为有利，从而提高了机组的运行效率。在设计时要根据实际的实际情况，确定合适的负载。

2.2降低转矩脉动

当电机运转时电机的转矩会在额定范围内上下起伏，这就是转矩脉动。而转矩波动幅度较大，表明这种装置的稳定性较差。然后，在旋转时会有一个很大的震动，这样做不但要耗费大量的电力，还会影响到运行的速度。由于大部分电机的转矩波动都是由谐波引起的，因此，设计者必须选用具有较大漏抗的频率。这样，在装置中谐波的取值越低，对装置的工作电流的影响就越少。例如，在电机的设计中，采用了转子的槽型来实现对谐波的控制，以保证转矩的变化。同时作者也注意到，目前业内普遍使用上宽下窄的设计方式，并且可以根据槽数的大小来进行有效的控制。然而，转子沟槽数目和转矩并非呈单调变化的趋势，随着转子数目的增大，转子的转矩会先减小后增大。因此，在进行电机的设计时必须先确定最优的漏抗范围，以便为电机的转矩脉冲控制提供可靠的参考。

2.3调整设备功率

功率因数是变频电动机的重要性能指标之一，直接关系到机组的工作效率。一些企业对电动机的起动性能比较重视，但其效果并不理想。在设计时应注重提高设备的效能，并在必要时放宽对起动性能的要求。通过减小定子、转子的阻值，可以获得在正常工作状态下的最大转矩。通过减小定子电阻，可以有效地控制装置的铜耗，从而防止因电流发热引起的线圈损失。特别是三相变频电动机存在较大的谐波，且普遍存在较大的铜损耗，必须进行合理的控制。

3三相异步电机变频调速系统实验装置

3.1软件和程序设计

该系统的设计分为三个阶段：设置变频调速装置G120的参数，采用S7-300PLC编制梯形图程序，利用组态王绘制虚拟接口，实时监控三相异步电动机的数据采集。将电机转速闭环控制的 PLC程序分成6个部分，即：电机正反转，编码器脉冲频率采集，转速转换，转速设定值，反馈转速值标准化， PID模块参数设定，仿真量输出。三相异步电动机进行正反方向的控制，程序部分采用SFB48函数模块，对脉冲频率进行了求解。在启用端口 EN上加入一个经常关闭的开关，总是把 EN设置成1。LADDR是在指定的子模组中的 I/0位址，如果输入与输出位址不同，一定会选取其中一个位址。SW_GATE管脚是一个软件门，用来启动和停止频率测量，因此设置为1。JOB_REQ管脚是用来进行工作，正跳沿可以启动。MEAS_VAL管脚是用来测量脉冲频率的，而在运行时则是用来表示频率的。COUNTVAL管脚是用来计算脉冲的。利用新的 I/O装置，实现了S7-300PLC与组态王的连接。要按照 PLC的程序和要设置的图片，在数据字典中添加可变的内容。总共添加了9个变量，即：控制正反方向开关 M3.0，控制电机启动的总开关 M3.1，转速反馈值 PV，转速给定值 SP, PID参数 P和 I, PID控制模块中的初始化编程开关 M4.5, PID控制模块中的积分操作开关 M4.4, PID控制模块中的 I输出值。通过新增加的变量，可以绘制出一个虚拟图像。通过对屏幕上的开关和各个参数进行数字设置，可以直接控制马达的速度，并能直观地看到实时速度和设置值的不同，从而方便了对系统的控制。

3.2系统仿真和实际系统的调试

采用 MATLAB/Simulink对控制系统进行仿真，将给定的速度值（1200）与速度反馈值相比较，将该比较值输入到速度调节器的控制电压，然后将该控制电压输入到该触发器，该触发器输出控制可控硅的导通角，以控制可控硅的输出电压，由此调整到定子绕组上的电压，由此，电动机的调速控制可以通过改变给定的速度值来完成。可以实现旋转速度的正反两个方向，PID调节器的速度负反馈、单闭环控制，在需要远距离位移时，采用分级调速。该三相异步电机变频控制试验装置是一种具有代表性的闭环控制系统设计，电机原理分析，变频器原理分析， PLC编程等的应用。通过设计和仿真，使学员对实际闭环反馈控制有一个清楚的认识；透过常用仪器的运用及控制，能让学员对马达、变频等装置的工作原理有更深入的了解；利用STEP7级组态王编程，使学员能够利用 PLC进行马达的速度控制，并能较好地掌握应用于实际的应用，并能较好地解决问题；通过对电机控制系统的实际接线操作，学生基本掌握了电机闭环控制系统的工作原理，并将闭环控制系统和 PLC程序设计应用于实际工作程中，从而对电机工作原理、变频器工作状态、闭环控制系统等有一个全面、详尽的理解。

结语：

随着现代工业的发展，电机的应用越来越广泛。与常规电机设备相比，三相变频电机的内部构造更为简洁，可以有效地减少设备的制造成本。三相异步电机变频调速系统实验装置设计包括软硬件部分和系统仿真调试部分，通过对电磁负荷控制、转矩脉动控制、设备功率调整、绝缘部件优化、散热方式创新、轴承局部接地等方面控制，能够确保三相异步电机变频调速的效率显著提高，确保生产的安全和稳定。

参考文献

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