基于PLC的10吨桥式起重机电气控制系统设计(4)

图2.3-1 控制方案简图

3 变频调速系统的设计

3.1 变频器的选择和参数设定

3.1.1 变频器的基本原理及接线端子的介绍

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。变频器按变换环节分为两大类：交—直—交变频器，交—交变频器。

交—交变频器是把固定频率的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。其主要有点是没有中间环节。但连续可调的频率范围窄，一般在额定频率的1/2以下，故它主要用于低速大容量的拖动系统。

交—直—交变频器是先把交流电变换成直流电，然后再把直流电变换成频率连续可调的交流电。交—直—交变换是常见变频器采用的变换方式。

交—直—交变频器是由整流器、中间滤波器和逆变器三部分组成。整流器是三相桥式整流电路，其作用为将特定的电压和频率的交流电变换为直流电，然后作为逆变器的直流供电电源；中间滤波器由电抗器或电容组成，其作用是对整流后的电压或电流进行滤波；逆变器也是三相电桥式整流电路，但它的作用与整流器相反，是将直流电变换为可调的交流电，它是变频器的主要组成部分。图3.1.1-1是变频器的构成简图，其中DC框为滤波器。

图3.1.1-1 变频器的构成简图V/F通用变频器的控制方式及其原理

在异步电动机中，当给定子绕组通上三相交流电定子三相绕组就会产生旋转磁场，其磁感线通过定子和转子的铁心而闭合，旋转磁场不仅在转子的每项绕组中会感应出电动势E2，而且在定子的每项绕组中也感应出了感应电动势E1。设定子和转子的每项绕组的匝数为N1和N2，定子每项绕组的感应电动势E1的幅值为

E1?4.44KN1f1N1?m (3.1.1-1)

式中：f1为电网的频率；KN1为定子绕组的系数；?m为通过每项绕组的刺痛量最大值，在数值上等于旋转磁场的每极磁通?。即???m。

在异步电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通Φ为额定值，因为在式 (3.1.1-1)中，KN1和N1是不变的，而E1、f1和?m是可变的。

如果不是保持没极磁通Φ为额定值，而使欲保持每相绕组感应电动势E1不变时，f1和Φ之间有什么关系呢？如果f1变大，大于电动机的额定频率，定子内阻抗变大，定子电流变小，导致气隙磁通最大值变小Φm小于额定气隙磁通。这样电动机铁芯的效能没有得到充分利用，而且磁通减小也会使电动机的输出转矩下降。如果f1变小，小于电动机的额定频率，定子内阻抗变小，定子电流变大，导致气隙磁通最大值Φm变大，大于额定气隙磁通。这样，电动机铁芯产生过饱和，这就意味着励磁电流过大，导致绕组过分发热，造成系统的功率因数下降，电动机的效率也随之下降，严重时会使定子绕组过热而烧坏。因此要实现交流电动机的变频调速，应保持气隙磁通Φm不变，即E1/f1=常数，这就就是V/F控制。 1. 变频器的主电路

变频器的主电路主要由整流电路、中间直流滤波电路、制动电路和逆变电路三部分组成。主电路的基本结构如图3.1.1-2所示。

图3.1.1-2 主电路的基本机构 （1）变频器的整流电路

从图3.1.1-2中可以看出整流电路由整流二极管VD1~VD6或整流二极管模块组成不可控全波整流桥，其作用是采用全波整流将三相交流电变成直流电。当三相交流电线电压U为380V时，整流后的峰值为1.35U=537V,平均电压513V.

(2)滤波电路

整流电路输出的整流电压时脉动的直流电压，必须经过滤波，图3.1.1-2电路中滤波元件是电容器CF，电容器滤波的基本原理是利用电容器的充放电功能，让它在电压高的时候充电，在电压低的时候放电，从而得到一个相对稳定的直流电压。由于收到点解电容的容量和耐压能力的影响，滤波电容器通常由若干个电容器并联成一组，再由两组CF1和CF2串联而成。因为电解电容器容量的离散性很大，因而CF1和CF2电容组的电容量不完全相等；从而造成电容器组CF1和CF2承受的电压值不完全相等，使承受电压较高的一侧电容器组容易损害，而另一侧也会相继损坏。为了解决这个问题，在电容器组CF1和CF2旁个并联一个电阻RC1和RC2，两者的阻值相等，起均压作用。

电容器器组的作用除了滤波以外，还有另外的作用：在整流电路和逆变电路之间起去耦作用，消除两电路之间的相互干扰；为整个电路的感性负载（电动机）提供容性无功功率；电容器组还有储能的作用。

（3）限流电路

变频器接通电路的瞬间，滤波电容的充电电流很大，此充电电流可能损坏整流桥。 图3.2.1-1限流电路图，当电路中串入限流电阻RL后，就限制了电容充电电流，对整流桥起保护作用。但当电容器组CF1和CF2冲电到一定程度时，限流电阻RL就起反作用了，会妨碍电容器组CF1和CF2进一步充电。为此，在RL旁并了一个短路开关，当电容器组CF1和CF2充电到一定程度时，让其接通，将RL短路。但在很多变频器中已由晶闸管SL所代替。

（4）制动电路

如图3.1.1-2 中变频器的制动电路由制动电阻RB和晶闸管VB组成。电动机在工作频率下降的过程中，其转子的转速会超过此时的同步转速，处于再生制动状态，拖动系统的动能反馈到直流电路中，但直流电路能量无法回馈给交流电网，只能由电容器组CF1和CF2吸收，使直流电压不断上升（程为泵升电压），升高到一定程度，就会对变流器件造成损害。为此，在电容器组CF1和CF1旁并联了制动电阻RB和制

动单元（功率开关管）相串联的的电路。当再生电能经过逆变器的续流二极管反馈到直流电路时，将电容器的电压升高，触发导通与制动电阻RB相串联的功率开关管VB, 让电容放电电流流过制动电阻RB，再生电能就会消耗在电阻上，放电电流的大小由功率开关管VB控制。此方法适用于小容量系统。另一种方法就是整流电路中设置反并联逆变桥，将再生电能回馈给交流电网。此方法适用于大容量系统。

(5) 逆变电路

三相逆变电路时由V1~V6晶闸管构成的三相逆变桥电路和续流电路组成，如图3.1.1-2所示。逆变桥电路的功能是把整流滤波后的直流电逆变成频率、幅值都可调节的交流电。除晶体管以外，其他的电力电子器件都可使用。续流电路是由VD7~VD12二极管构成。其主要功能是：一是为电动机的感性无功电流返回直流电源提供通道；二是，当频率下降时，随之同步转速也下降时，电动机处于回馈制动状态，再生电流将通过续流二极管D7~D12返回直流电源；三是，在逆变过程中，同一桥臂的两个逆变管以很高的频率交替导通和截止，在交替导通和截止的换相的过程中也需要续流二极管D7~D12提供通道。 2. PWM控制技术

PWM（Pulse Width Modulation）控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）；面积等效原理是PWM技术的重要基础理论；一种典型的PWM控制波形SPWM：脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形称为SPWM波。逆变桥式电路就是通过PWM的控制得到了电压和频率可调的交流电。

SPWM型脉宽调制是这样实现的，在开关元件的控制端加上两种信号：三角载波和正弦调制波，如图3.1.1-3上部分所示。当正弦波的值在某点上大于三角波的值时，开关元件导通，输出矩形脉冲，反之，开关元件截止。输出的矩形脉冲如图3.1.1-3下部分所示。而根据面积等效原理，矩形脉冲可以等效成正弦波，如图3.1.1-4所示。改变正弦波调制波的幅值（不超过三角的幅值）就可以改变输出电压脉冲的宽度，从而改变输出电压在相应时间间隔内的平均值大小，当改变正弦调制波的频率时，就可以改变输出电压的频率。

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