三相異步電動機變頻調速控制系統的設計

張雅坤

（大同煤礦有限責任公司供水分公司， 山西 大同 037003）

引言

由于三相一步電動機具有制造方便、價格合理、結構牢固、運行可靠等眾多優勢，所以容易做成高轉速、大電流、高電壓以及大容量的電動機，已經廣泛應用于工業生產領域中。同煤集團供水分公司泵站中各類水泵都是由三相異步電動機作為原動機拖動的。隨著當前工業控制要求的發展，對于電動機速度控制的要求也在不斷的提升，三相異步電動機擁有多種調速方法。從熱動力學的角度探討使用變頻調速系統，PLC 控制器與其他計算機實現無縫銜接，并且還可以對電機實現自動控制，從而進行人機交互[1]。

1 變頻調速技術的原理

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

2 系統設計

圖1 所示為本系統的設計示意圖。本系統的設計是由編碼器對三相異步電機的速度進行測量，然后將速度進行轉換，使其成為電流信號，向PLC 傳輸，PLC 會對變頻器的輸出信號進行計算，而變頻器可以通過改變頻率控制電機的轉速。在系統中添加觸摸屏，通過屏幕實現遠程控制電機。在啟動電機之后，編碼器測速系統會直接將速度信號傳遞給PLC，而PLC 會將相應的數字量輸入到觸摸屏，并由屏幕顯示出電機的速度。另外，在觸摸屏上設置參數可以將數據直接傳遞到控制系統中，之后通過PLC 的輸出通道把數據傳遞給變頻器，從而實現設置電機速度的目的。

圖1 系統設計圖

2.1 硬件設計

在本系統中，控制裝置硬件采用西門子S7-200系列PLC，該PLC 數字量輸入為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。

變頻器的三個數字量輸入端口分別標記1、2、3。其中，每一個數字的輸入端口的功能都非常多，用戶可以根據自己的實際需求進行設置。在原始狀態下，數字輸入功能默認值是1，但是其可以設置0～99 這一范圍。命令信號參數P0701～P0703 對應端口數字輸入1 功能、2 功能以及3 功能，通過修改這三個參數，能夠實現多段速的控制[3]。

對變頻器的模擬輸入端口進行標記，分別標記為ALN+、ALN-。通過設置P0701、P0702 的參數值，可以使數字輸入5 端口實現正轉控制；使數字輸入6端口具備反轉控制能力，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，能夠對輸出頻率的大小進行連續的調節，實現電動機無級調速。而這表示電動機轉速的方向是利用數字輸入端控制，而轉速的大小主要是由模擬輸入端控制[4]。圖2 所示為無級變頻調速。

圖2 無級變頻調速示意圖

2.2 系統程序設計

I0.0 為系統的啟動鍵，而I0.1 則是系統的停止鍵。定時器T37 能夠對于運行時間起到控制的作用，置位復位指令則可以隨意組合和排列三個數字量輸出點，從而選擇最優的頻率。

在該結構中，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行計算的話，其公式為：，其中，f0意味著PLC 給定頻率值。

假設在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 測試內容與測試結果

3.1 測試內容

主要是對控制信號波波行進行檢測，同時對電機三相的波形、功率因素、最大功率以及LCD 顯示是否正常、準確等進行測試。其中通過利用示波器對單片機輸出I/O 口進行直接測量，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行供電，等到程序調試成功之后，硬件工作能夠正常工作，再開始向系統供交流電。在每次測試前，首先需要檢查單片機輸出是否為正常的六路波，等到波形正常之后進行合閘，而測試的地點必須要具有電流保護裝置，測試儀器采用萬用表示波器。測試結果一切正常[5]。

4 結論

變頻調速可以在低速狀態下啟動，甚至能夠在零速狀態下啟動，而在極為低速的狀態下啟動的話，此時的電機啟動電流處于最輕微的狀態，并且還能夠實現均勻減速和減速，不僅節能作用良好，同時還可以提高電機的使用時長。本文通過以PLC 為控制核心，在此基礎上設計了電動機變頻調速系統，所設計的系統PLC 的控制程序具有較高的可靠性。