变频器对电动机调速控制

变频器对电动机调速控制

变频器对电动机调速控制

摘要：变频调速可以使用标准电机如不需维护的笼型电动机，可以连续调速，改变转速方向可通过电子回路改变相序实现。其优点是启动电流小，加减速度可调节，电机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全等，随着控制技术和电力电子技术的发展，变频调速技术的应用越来越广泛。由于PLC的功能强大、使用容易、可靠性高，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，在工控机上可开发出友好的人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能化”控制。电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高性能、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。利用组态软件实现变频器的参数设置，在现场进行电机的启动、停止及增减速等的操作。

关键字：PLC；变频器；变频调速；组态软件

目录

第一章、概述 (1)

1.1 交流调速的发展概况 (1)

1.2 变频器技术的发展趋势 (2)

1.3 PLC技术的发展概况 (3)

第二章电动机变频调速系统 (3)

2.1 变频器简介 (3)

2.1.1 变频器的工作原理 (3)

2.1.2 变频器的构成与功能 (4)

2.2变频器的控制方式 (5)

2.3 变压变频调速的基本控制方式 (7)

第三章交流异步电动机变频调速原理及方法 (9)

3.1 三相异步电动机的基本原理 (9)

3.2 异步电动机变频调速原理 (9)

第四章硬件与软件的选择 (11)

4.1 硬件设计 (11)

4.1.1 变频器的选择 (11)

4.1.2 变频器参数的设置 (14)

4.1.3 3.1.2FR-S500基本功能参数一览表 (16)

4.1.4 PLC的选择 (17)

4.2 软件设计 (19)

4.2.1 工程设备配置 (19)

4.2.2 创建监控画面 (19)

4.2.3 数据库 (21)

4.2.4 画面命令语言 (22)

总结 (24)

致谢 (25)

参考文献 (25)

第一章、概述

1.1 交流调速的发展概况

交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就己被人们所认识，但受到器件的限制，未能推广。50年代初，中小型感应电动机多采用晶闸管调压调速；大中型绕线式感应电动机采用晶闸管静止型电气串级调速系统。70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好。交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。它们最大的不同之出主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的机械向器--整流子。

交流调速系统大致经历过以下几个阶段：

1）异步电动机调压调速系统：调压调速过去常用的方法是在定子回路中串入饱和电抗器，或在定子侧加自耗铜材料，体积小，控制方便。用晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的调压器，通过控制触发脉冲的相位角，便可控制加在负载上的电压大小，很快成为交流调压器的主要形式，但由于相位控制时，晶闸管导通后负载上获得的电压形不是电网提供的完整的工频电压波形，因此产生了成分复杂的谐波。

2) 串级调速系统：绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种经济、高效的调速方法，改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同的电阻以获得不同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。这种方法简单方便，但是调速是有级的、不平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上，效率低，自大功率器件问世后，人们采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统。由于晶闸管的逆变角的可以平滑连续的改变，使得电动机转速也能平滑连续的调节。另外转差功率又可以通过逆变器回馈到交流电网，提高了效率。串级调速的缺点是功率因数较低，采用强迫换流、改进型三相四线逆变器、逆变器的不对称控制以

及转子直流回路加斩波器控制等，可以提高功率因数。其中采用强迫换流方式可使用门极可关断晶闸管(GTO)构成，这样可以省去关断晶闸管用的储能电路，使逆变电路简单、体积小。

1.2 变频器技术的发展趋势

在进入21世纪的今天，电力电子器件的基片已从Si（硅）变换为SiC（碳化硅）,使电力电子新元件具有耐高压、低功耗、耐高温的优点；并制造出体积小、容量大的驱动装置；永久磁铁电动机也正在开发研制之中。随着IT技术的迅速普及，以及人类思维理念的改变，变频器相关技术的发展迅速，未来主要朝以下几个方面发展：

1.网络智能化

智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。利用互联网可以实现多台变频器联动，甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。

2.专门化和一体化

变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。除此以外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以使体积更小，控制更方便。

3.环保无公害

保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。21世纪的电力拖动装置应着重考虑：节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。

4.适应新能源

现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角，有后来居上之势。这些发电设备的最大特点是容量小而分散，将来的变频器就要适应这样的新能源，既要高效，又要低耗。现在电力电子技术、微电子技术和现代控制技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。这种进步集中体现在交流调速装置的大容量化，变频器的高性能化和多功能化，结

构的小型化一些方面。

1.3 PLC技术的发展概况

可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

第二章电动机变频调速系统

2.1 变频器简介

2.1.1 变频器的工作原理

变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。

2.1.2 变频器的构成与功能

结构：变频器实际上就是一个逆变器.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.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。

1. 整流电路

整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块.

2. 平波电路

平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，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)，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。

3. 控制电路

现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。

变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路

变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式

4 逆变电路

逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电

压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压。

功能：1、变频节能

变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。

2、功率因数补偿节能

无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

3、软启动节能

电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。

2.2变频器的控制方式

转差频率控制

转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的

动态性能。

矢量控制

矢量控制，也称磁场定向控制。它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic。通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流， It1相当于直流电动机的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的话题。

直接转矩控制

转矩控制的优越性在于，转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。

恒转矩负载

多数负载具有恒转矩特性，但在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，例如挤压机，搅拌机，传送带，厂内运输电车，吊车的平移机构，吊车的提升机构和提升机等。选型时可选V/f控制方式的变频器，但是最好采用具有恒转矩控制功能的变频器。要求控制系统具有良好的动态，静态性能

由于被控对象的千差万别，性能指标要求的各不相同，变频器的选择及配置远不如上述所列几种。要做到熟练应用还应在工程实践中认真探索。变频器的控制方式代表着变频器的性能和水平，在工程应用中根据不同的负载及不同控制要求，合理选择变频器以达到资源的最佳配置，具有重要的意义。

2.3 变压变频调速的基本控制方式

在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量Φm 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。

对于直流电机：励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，Φm 保持不变是很容易做到的。对于交流异步电机：磁通Φm 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。

定子每相电动势

式中Eg—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；

f1—定子频率（Hz）；

Ns—定子每相绕组串联匝数；

kNs—基波绕组系数；

Φm—每极气隙磁通量（Wb）。

由式可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通Φm 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。

2.3.1 基频以下调速

由上式可知，要保持Φm 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使

即采用恒电动势频率比的控制方式。

然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us ≈ Eg，则得

这是恒压频比的控制方式。

但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这

时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。如图1所示。

图1 恒压频比控制特性曲线

2.3.2 基频以上调速

在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。如图2所示。

图2 异步电机变压频调速的控制特性曲线

第三章交流异步电动机变频调速原理及方法

3.1 三相异步电动机的基本原理

三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场，转速的大小由电动机极数和电源频率而定。转子在磁场中相对定子有相对运动，切割磁杨，形成感应电动势。转子铜条是短路的，有感应电流产生。转子铜条有电流，在磁场中受到力的作用。转子就会旋转起来。第一：要有旋转磁场，第二：转子转动方向与旋转磁场方向相同，第三：转子转速必须小于同步转速，否则导体不会切割磁场，无感应电流产生，无转矩，电机就要停下来，停下后，速度减慢，由于有转速差，转子又开始转动，所以只要旋转磁场存在，转子总是落后同步转速在转动。

3.2 异步电动机变频调速原理

交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。

交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。

交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速，用表示：

（3-1）

式中：为三相交流电源频率，一般是50Hz；为磁极对数。当 =1是， =3000r ／min； =2时， =1500r／min。

由上式可知磁极对数越多，转速就越慢，转子的实际转速比磁场的同步转速要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率表示：

（3-2）

三相异步电动机的变频开环调速实验面板如图3：

图3 三相异步电动机的变频开环调速实验面板

第四章硬件与软件的选择

4.1 硬件设计

4.1.1 变频器的选择

FR-S500系列如图4：

图4 FR-S500系列实物图

简单介绍：

功率范围：

0.2-1.5KW（单相200V FR-S520S系列）。

0.4-3.7KW（三相400V FR-S540系列）。

自动转矩提升,实现6Hz时150%转矩输出。

·数字式拨盘,设定简单快捷。

柔性PWM,实现更低噪音运行。

15段速,PID,4-20mA输入和漏源型转换等多功能。

·可提供RS-485通信功能的机型FR-S5K-R,此机型更可通过电缆接FR-PU04面板。FR-S500系列三菱变频器功能参数：

控制特性控制方式可选样V/F控制或自动转矩提升控制(柔性—PWM控制/高载波频率PwM控制)输出频率范围0.5至120Hz(启动频率0至60Hz可变)

频率设定分

辨率

模拟输入最大设定频率的l/500(DC5V输入时)，1/1000(DCl0V，DC4至20mA输入时)

数字输入0.1Hz(未满100Hz)，1Hz(100Hz以上)

频率精度模拟输入最大输出频率的±1%以内(25℃±10℃)

数字输入设定输出频率的±0.5%以内(使用设定拨盘)

启动转矩150%(6Hz时)，在使用自动转矩提升的情况下

加/减速时间设定

0，0.1至999秒(可分别设定加速和减速时间) ，可选择直线型或S-型加/

减速模式

制动转矩

再生(注1)0.2K-150%，0.4K，0.75K-100%，1.5K-50%

直流制动运行频率(0-120Hz)，运行时间(0—10秒)，运行电压(0-15%)

输入信号频率设定信号(0-5(10)VDC)；4-20mA，用拨盘进行数字设定，启动信号，出错复位，多段速选择，第二功能

选择，输出停止，电流输入选择，外部热继电器输入，Pu运行/外部运行切换

运行功能上下限频率设定，频率凋变运行，外部热继电器选择，瞬时掉电后重起，正反转运行保护，滑差补偿，运行

模式选择，PID控制，计算机连接运行(RS-485)(注5)

输出信号运行功

能

可以从以下几种信号中选择一种集电极开路的输出：频率到达，频率检测，过载

报警，零电流检测，输出电

流检测，PID上限，PID下限，PID正反作用，准备完毕，最小误差，以上信号可选择一个触点输出(1C触

点，230VAC 0.3A，30VDC 0.3A)

指示仪

表

可从输出频率和电机电流中选择一种，模拟输出(DC0-5V，lmA)

保护报警功能过电流断路(正在加速，减速，恒速)，再生过电压断路(正在加速，减速，恒速)，电压不足(注2)，

过负荷断路(电子过电流保护)，失速防止，散热片过热，风扇故障(注4)，PU脱落(注5)，启动时接

地出错保护(注7)，外部热继电器输入(注6)，再试次数溢出，通信出错(注5)，

CPU出错。

环境周围温度与湿度-10℃十50℃(不结冰)，(-10℃+40℃企封闭结构规格)，90%RH以下(不结露)保存温度(注3)-20℃至+65℃

周围环境屋内(应没有腐蚀气体，易燃气体，油雾，尘埃等)

海拔高度，振动最高海拔，1000m以下，5.9m/S2(0.6C)以下(JIS C 0911标准)

1.表中所示的制动转矩是电机本身从60Hz起减速时的平均转矩(随电机的损

耗而变) ，不是连续再生转矩，如果从高于基频的情况下减速,制动转矩会低于这个平均值

2.当电压不足，瞬时停电时，异叙显示和输出不动作，变频器自保护。根据运行状态{负荷的大小等} ，再次通电时，过电流保护,再生过电压保护等有可能动作

3.在运输时等等短时间内可以使用的温度。

4.此功能仅适用有内置制冷风扇的型号。

5.此功能仅适用带RS485功能的型号。

6.此功能仅在Pr.60到Pr.63设定选择了外部热继电器后有效。

7.此功能仅在Pr.40(启动时间接地出错检测选择)设定为1。

4.1.2 变频器参数的设置

表1 变频器参数设定表

显示/按钮功能备注

RUN显示状态运行时点亮/闪灭

点亮：正在运行中

慢闪灭（1.4S/次）：反运行

中

快闪灭（0.2S/次）：非运行

中

PU显示PU操作模式时点亮

计算机连续运行模式时，为慢

闪亮

监视用3位LED 表示频率，参数序号等

EXT显示外部操作模式时点亮

计算机连续运行模式时，为慢

闪亮

设定用按钮变更频率设定、参数的设定值不能取下

PU/EXT键切换PU/外部操作模式

PU:PU操作模式

EXT：外部操作模式

使用外部操作模式（用另外连接的频率设定按钮和启动信号运行）时，请按下此键，使EXT显示为点亮状态

RUN键运行指令正转反作用（pr.17）设定STOP/RESET 进行运行的停止，报警的

SET键确定各设定

MODE键切换各设定

4.1.3 3.1.2FR-S500基本功能参数一览表

参数名称表示设定范围单位出厂设定值

0 转矩提升P00~15%0.1% 6% 5% 4%

1 上限频率P1 0~120HZ 0.1HZ 50HZ

2 下限频率P2 0~120HZ 0.1HZ 0HZ

3 基波频率P3 0~120HZ 0.1HZ 50HZ

P4 0~120HZ 0.1HZ 50HZ

4 3速设定(高

速)

P5 0~120HZ 0.1HZ 30HZ

5 3速设定(中

速)

6 3速设定(低

P6 0~120HZ 0.1HZ 10HZ

速)

7 加速时间P7 0~120HZ 0.1S 5S

8 减速时间P8 0~999S 0.1S 5S

4.1.4 PLC 的选择

在实现异步电动机的变频调速的过程中，常常采用计算机或单片机，这就要求用户有较高的计算机技术水平。可编程控制器(PLC)是一种常用工业数控手段。PLC 采用与继电器控制线路图非常接近的梯形图作为编程语言，它有继电器电路清晰直观的特点，容易开发，程序改变也十分容易，对用户的计算机水平几乎没有什么要求。在使用环境要求不太高的情况下，用PLC 实现异步电动机的变频调速，不但技术上可行，而且成本低廉，也易于推广。

FX2n 系列是FX 系列PLC 家族中最先进的系列。如图3.2.1所示。由于FX2n 系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

三菱FX2n 系列实物如图5： 9 电子过电流

保护 P9 0~999S 0.1A 额定输出电流

30 扩展功能显

示选择 P30 0~50A 1 0

79 操作模式选

择 P79 0~4,7,8 1 0