《毕业设计（论文）基于虚拟仪器的电机变频实验系统.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）基于虚拟仪器的电机变频实验系统.doc（64页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、毕 业 设 计 论 文题 目 基于虚拟仪器的电机变频实验系统 （院）系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 学生姓名 导师姓名 完成日期 2004年6月17日 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 一、 基本任务及要求：设计一个电机变频实验系统，它应由变频电源、PC机、传感器、高速PCI采集卡、扭矩测量装置、电机负载和系统软件等部分组成。能测量电机实验过程中的电压、电流、频率、相位、转矩、转速等物理量,还能进行频谱分析，所有实验数据都生成电子文档，可在计算机屏幕上适时显示也可通过打印机输出实验报告。除了能完成传统的电机实验外，还能完成电机的变频驱动、开环控制和闭环控制（包括U/F控制和矢
2、量控制）等实验。 二、 进度安排及完成时间： （1）第二周至第四周：查阅资料、撰写文献综述和开题报告； （2）第五周至第六周：毕业实习； （3）第六周至第七周：总体方案的确定； （4）第八周至十二周：主电路设计与元器件的选择，软件设计； （5）第十三周至第十四周：装置工艺设计； （6）第十五周至第十六周：装置调试与实验； （7）第十七周至第十九周：撰写设计说明书 （8）第二十周：毕业设计答辩 前言虚拟仪器Virtual Instrument（又称VI）开发是当前自动化仪表领域研究的特点。虚拟仪器主要被用于构建计算机测试分析系统和自动控制系统。它软件取代传统的电子仪器，充分发挥了新一代计算机大容
3、量、高速度的潜能，是CAT、CAE中一个重要的信号采集及分析手段。虚拟仪器是以特定的软件支持取代相应功能的电子线路，充分利用计算机的软硬件资源，用计算机完成传统仪器的部分乃至全部功能，以具备控制、处理分析能力的软件为核心的软仪器。它是传统仪器功能与外形模块化和软件化。在虚拟仪器中，传统电子仪器的绝大部分功能，甚至全部功能都由软件来实现。同时，由于虚拟仪器是以软件为核心的仪器，它不能脱离计算机硬件平台而独立实现其功能。就VI所支持的操作系统而言，包括DOS，WIN9X系列，Macintosh和UNIX。据此，虚拟仪器可以分为基于PC机和工作站两类。其中决大部分VI运行在个人计算机上，操作系统为W
4、indows。借助于软件实现了传统仪器相应功能的虚拟仪器，是计算机化的仪器。也可以认为，VI是硬仪器的虚拟化，软件化和图形化的计算机表达。开发虚拟仪器的目的是为了更快捷方便地进行测试、分析与控制。虚拟仪器是计算机辅助测试分析系统的主体组成部分。一个典型的虚拟仪器CAT系统，一般由以下几个部分组成；计算机，VI软件，数据采集卡，硬件接口，电荷放大器，抗混滤波器，传感器和连线电缆。其中，计算机为虚拟仪器软件运行提供特定环境，在虚拟仪器软件支持下成为过程通信，数据采集与分析的处理中心；信号由传感器拾取，经电荷放大器放大，低通滤波后，由采集卡在软件控制下被采样，再经A/D转换后进入计算机加以保存或处理
5、。从信号在系统中的流向可以看出，在虚拟仪器系统中软件占主导地位。软件支持使计算机具有了信号采集控制、处理与结果输出的能力。系统的核心功能是由其实现的，而硬件则为虚拟仪器的正常运行提供必要的物质基础。目 录前 言摘 要 Abstract第1章 实验系统的整体说明11.1 实验系统的整体框架图11.2 实验系统的主要部分说明31.2.1传感器及其调理电路31.2.2数据采集卡及虚拟仪器平台31.2.3变频器性能介绍41.2.4各主要硬件的选择及设置4第2章 异步电动机变频调速的基本原理92.1 异步电动机调速基本原理92.1.1 V/F控制102.1.2转差频率控制102.1.3矢量控制112.2
6、 变频调速异步电动机的运行特性112.2.1恒电压频率比时的稳态特性112.2.2恒电流的运行性能152.2.3电动机的恒功率和恒转矩运行15第3章 TD3000变频器的介绍163.1 认识变频器163.2 变频器的操作及简单运行173.3 TD3000变频器使用操作流程简介19第4章 虚拟仪器的介绍214.1 Lab VIEW简介214.2 虚拟仪器的基本概念、特点及其构成224.3 虚拟仪器的整体设计244.4 虚拟仪器测量系统的设计254.4.1虚拟仪器的硬件构成254.4.2虚拟仪器的软件体系构成264.5 虚拟仪器软件设计264.5.1数据采集274.5.2虚拟示波器结构与组成274
7、.6 软件设计与实现284.6.1数据采集模块284.6.1.1采集原理与模块简介284.6.1.2数据采集系统的构成314.6.1.3通道的采样方式324.6.2波形显示模块374.6.3频谱分析模块374.6.3.1各VI的介绍374.6.3.2信号的产生384.6.3.3数字信号处理39第5章 实验指导书415.1交流变频调速装置参数设定与运行试验415.2电动机空载时系统正/反转试验445.3变频调速实验系统465.4电机变频驱动机械特性试验475.5电机开环矢量控制变频调速试验495.6电机闭环矢量控制变频调速试验505.7额定频率，额定负载下的电机频谱分析51致 谢53参考文件54
8、附录55摘 要：本文论述了基于虚拟仪器概念的信号采集系统的实现方案。使用自主开发的数据采集卡，最终实现了基于PC平台的，具有频率计和频谱分析仪功能的数字存储示波器系统。由于使用了LabVIEW进行系统的软件开发，使得本系统具有很好的通用性和灵活性。本文主要讨论在信号采集过程中的数据传输、显示和处理的方法以及实现过程中的关键技术。 介绍了基于虚拟仪器对变频调速电机的系统、给出了硬件设计方法、软件模块构成。提出了几种提高测试准确度的方法及其实现措施、它与传统测试方法比较，具有硬件简单、软件应用灵活、测试准确度高等特点。关键词：虚拟仪器；数据采集；变频调速电机；交流采样。Laboratory sys
9、tem for variable-frequency and variable-speed motor based on virtual instrumentABSTRACT： This dissertation discusses the implementation of a signal acquisition system，based on the concept of VI。With a self-developed data acquisition card connected to PC，a digital storage oscilloscope（DSO）with the fu
10、nction of cymometer and spectrum analyzer is developed。The usage of Lab VIEW，the specialized VI softwareplatform，gives the system more flexibility and wider application。This dissertation focuses on key techniques in data transmission，display and processing。 The system which is used to measure the el
11、ectric parameters of variable-frequency and variable-speed motor using virtual instrument is introduced。 The hardware and software are described。The methods of increase measuring accuracy are introduced in detail。Compared with old methods, it has many advantages, such as, flexible application of sof
12、tware , high accuracy of measuring, simple cuicirt of hardware.Keywords: Virtual Instrument；Data Acquisition；variable-frequency and variable-speed；alternation sampling。第1章实验系统的整体说明1.1 实验系统的整体框架图本实验系统是利用PC计算机显示器（CRT）的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果利用PC计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完
13、成各种测试功能的一种计算机仪器系统。下图是本实验系统的前面板图：图1-1此实验系统可以将实验过程中的电压、电流等实验参数显示出来，并且可以通过PC计算机和控制面板上的功能键实现对三相异步电动机的控制。下图是本实验系统的整体框架图：图1-2这个实验系统的整体思路是：利用传感器获得信号，它将被测量参量转换成相应的可用输出信号。来自传感器的输出信号通常是含有噪声的微弱信号或非电压信号，故要经过信号调理。输出信号再经过数据采集卡，转换为数字信号后送入PC计算机，由Labview进行数据处理。电机控制方面由变频电源、速度编码器和Labview共同完成。图1-3上图实验系统的原理图。1.2 实验系统的主要
14、部分说明：1.2.1 传感器及其调理电路只有那些数值大小合适的电压信号可以直接进入虚拟仪器平台外，大多数被测信号要经由传感器及其调理电路才能进入虚拟仪器系统，也可以说虚拟仪器的输入信号大多数来自传感器及其调理电路。（1）传感器。传感器完成信号的获得，它将被测参量转换成相应的可用输出信号。被测参量可以是各种非电气参量，如压力、温度、加速度等，也可以是电气量，如电力输电线互感器将电网大电流变为5A电流后在采用电压、电流传感器或变送器将100V、5A分别转换成5V低电压送到虚拟仪器。（2）信号条理。来自传感器的输出信号通常是含有噪声的微弱信号或者是非电压信号，如电流、电荷、电参量（电阻、电容、电感等
15、）信号，故调理电路的基本作用有三个：a.放大：将微弱小信号放大。b.转换：将非电压输出信号转换为电压信号。c.滤波：滤除高频干扰，限制信号的最高频率fmax，避免产生混淆/叠。1.2.2 数据采集卡及虚拟仪器平台虚拟仪器硬件平台由PC计算机与数据采集卡组成。数据采集卡由以下几部分组成：（1）多路开关。将各路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。（2）放大器。将前一级多路开关切换进入待采集信号放大至采样环节的量程范围内。通常实际系统中放大器做成增益可调的放大器，可根据输入信号的不同的幅值选择不同的增益倍数。（3）采样/保持器。取出待测信号在某一瞬时的值（即实现信号的时间离散
16、化），并在A/D转换过程中保持信号不变。如果被测信号变化很缓慢，也可以不用采样/保持器。（4）A/D转换器。将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展，目前通常将采样/保持器同A/D转换器集成在一块芯片上。以上四个部分都处于PC计算机的前向通道，是组成数据采集卡/板的主要环节与其它有关电路如定时/计数器、总线接口电路等在一块印刷电路板上，即构成数据采集卡，完成对信号数据的采集、放大及模/数转换任务。很多数据采集卡印刷电路板上，还装有数模转换器（D/A）。D/A处于PC计算机的后向通道，即输入通道，用于将计算机输入的数字量转换为模拟量，从而实现控制功能。1.2.3
17、变频器性能介绍TD3000是高品质、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器。通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。具有电机参数自动调谐、零侍服控制、速度控制和转矩控制在线切换、转速跟踪、内置PLC、内置PID控制器、编码器和给定及反馈信号断线监测切换、掉载保护、故障信号追忆、故障自动重起、内置制动单元、内置PG接口、28种故障监控、丰富的I/O端子和多达十种速度设定方式，能满足各种负荷对传动控制的需求。键盘由LED显示运行数据和故障代码，LCD显示中/英文状态信息和操作说明，并能进行参数的上传拷贝和下传复写功能；功能强大的后
18、台调试监控软件可通过内置的RS485接口组网监控运行；通过TDS-PA01总线适配器接入符合国际标准的PROFIBUS现场总线控制系统。紧凑的结构，可灵活安装；按照国际标准进行设计和测试，保证产品的可靠性；丰富的选配件。1.2.4 各主要硬件的选择及设置传感器的性能参数及要求:传感器的优劣，一般通过若干主要性能指标来表示。除了前面已在一般检测系统中介绍的特性参数如灵敏度、线性度、迟滞、重复性、零点、分辨力、准确度、频率特性、阶跃特性外，还常有值、漂移、过载能力、稳定性、可靠性以及与环境相关的参数、使用条件等。不同的传感器常常根据实际需要来确定其主要指标参数。有些指标可以低些或可不考虑。下面简介
19、阀值、漂移、过载能力、稳定性的定义，可靠性的指标内容以及传感器工作要求。（1）阀值。指能够使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。（2）漂移。指一定时间间隔内传感器输出量存在着有与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。漂移有分时漂和温漂，时漂指在规定条件下零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂指周围温度变化引起的零点或灵敏度漂移。（3）过载能力。指传感器（或测量系统）在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力。一般用允许超过测量上限（或下限）的被测量值与量程的百分比。（4）稳定性。传感器在具体时间内保持其性能的能力。稳定性一般
20、以及室温条件下经过一规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期表示，可用相对误差，也可用绝对误差。（5）可靠性。它可包括以下指标：工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压等。（6）传感器工作要求。各种传感器的变换原理、结构、使用目的、环境条件虽各不相同，但对他们的主要性能要求都是一直的。这些要求是：高精度、低成本；高灵敏度；稳定性能好；工作可靠；抗干扰能力强；动态性能好；结构简单，维修方便。根据上述的传感器性能指标和参数，此实验系统选择的电压传感器和电量传感器分别为：三相电压传感器VBT300-3NND1B4和电量传感器BLYT-NN
21、D1D7系列。三相电压传感器的选择理由为：原边额定电压(三相)：300V；副边输出电压：0-5V；原边电压测量范围(三相)：120%。另外还有一些参数在下列表格中：表1-1动态性能参数精度(TA = 25, +24V, RL = 0 )0.5 %线性误差0.2%零点误差(25)60mV电源变动影响0.1%输出负荷影响0.1%电磁干扰影响(400A/m)0.2%温漂160ppm响应时间 90 % of IP max350ms频带405k Hz电量传感器的选择理由为：原边额定电流：10A；副边输出电流：4-20mA；原边电流测量范围：120%。其他参数如下表所示：表1-2动态性能参数精度(TA =
22、 25 ,+24V,RL=0 )1%线性误差0.5%电源变动影响0.2%输出负荷影响(0300 )0.2%温漂 (2570 )(-10+25 )0.1mA0.1mA响应时间 90 % of IP max350ms频带(-1dB)405KHz传感器各项功能参数都符合实验系统的要求，而且结构简单，容易安装。速度编码器：表1-3型号E6A2生产厂家欧姆龙脉冲数10,20,60,100,200,300,360,500电源电压5-12VDC/12-24VDC频率30KHZ电动机:电动机的选择比较简单，没有太多要求。实验系统选择的是额定电压为380V的三相异步电动机。选用的数据采集卡为：ADLINK PC
23、I-9118 系列 PCI 333KS/s高速多功能数据采集卡。 数据采集卡的安装：数据采集卡通常都是插卡式结构，一般采用PC计算机本身的PCI总线或ISA总线，故称它组成的虚拟仪器为PC-DAQ/PCI插卡式虚拟仪器。在使用数据采集卡以前需要进行硬件安装和软件设置。硬件安装就是将DAQ卡插入PC机相应的总线扩展插槽内。需要注意的是确认好插槽和采集卡的接口是相称的，两者能够严密结合。如果没有接触好，可能造成识别不出的情况发生。数据采集卡的参数设置:凌华科技高速多功能数据采集卡特性： 32位PCI总线，即插即用；12位或16位分辨率；最高333KHz A/D 采样频率 ；16个单端或8个差动模拟
24、量输入通道；单极性或双极性输入 ；突发方式扫描；可编程增益选择：X 1、2、4、8（9118 DG/HR），X 1、10、100、1000（9118 HG）；两个12位高速模拟量输出通道；4个数字量I/O通道；三种A/D触发源：软件触发、可编程定时器触发、外部脉冲触发；50-pin SCSI-II 连接器 ；紧凑的半长卡结构。在进行数据采集卡软件驱动前应进行参数设置，LabVIEW提供了Measurement & Automation软件。该软件可以自动检测到与系统相连的设备，并可调用相应设备软件对设备参数进行设置。（1）Measurement & Automation 图标在Windows桌
25、面上，它是安装完LabVIEW后自动产生的。其调用方法是，双击图标。（2）检测方法是，双击浏览窗口下的Deviecs and Interfaces子目录，在右侧会出现硬件列表，表示安装成功。（3）参数设置则是双击硬件列表项，出现对话框。a.System设置项Device1：LabVIEW分配给采集卡的设备号为，如果没有接入其他的I/O设备则为1。Resources：Input/Output Range：PC计算机分配给采集卡的输入/输出地址范围为0x1400x15FInterrupt Request：PC计算机分配给采集卡的中断号为5Direct Memory Acces：PC计算机分配给采集
26、卡直接访问内存的地址号为3 b.AI设置项Polarity/：极性选择，实指量程，根据输入信号是单极性还是双极性；相应选择适合量程。此系统选择双极性信号，量程为5+5V。Mode：模拟信号的输入方式，有三种方式选择：Nonreference Single Ended 单端无参考地输入Reference Single Ended 单端有参考地输入Differential 差分输入此系统选择单端无参考输入。c.AO设置项 d.Accessory设置项用于设置对应传感器有关的调理模块。PCI采集卡硬件接线端子示意图：图1-4U_CMMD端子：用户定义控制模式；AIn 端子：模拟量输入通道；AIHn
27、端子：高模拟量输入通道；AILn 端子：低模拟量输入通道；DIn 端子：数字量输入通道；Don 端子：数字量输出通道；DACn 端子：模拟量输出通道；SSHO 端子：SSHO量输出通道。该系统选用的模拟量输入控制模式是：Sigle-ended mode，工作原理图如下：图1-5它采用的端口是AI0AI15，总共16个输入端口。AI0AI15对应的端口数字是2633和29，他们分别与三相电流和三相电压的传感器相连。A相电流传感器与AI0相连接；B相电流传感器与AI1相连接；C相电流传感器与AI2相连接；A相电压传感器与AI3相连接；B相电压传感器与AI4相连接；C相电压传感器与AI5相连接；速度
28、编码器与AI6相连接。七个模拟数字量由D/Achannel1输出，它的输出端口为DA0DA6。D/AOutput地址：BASE+10属性：只写表1-4Bit78543210Base+10DA7DA6DA5DA4DA3DA2DA1DA0Base+11DA11DA10DA9DA8Base+12Base+14第2章异步电动机变频调速的基本原理2.1 异步电动机调速基本原理异步电动机的同步转速n1与极对数P及频率f1之间关系可用下式表示： （1）异步电动机转子转速n2与同步转速n1是有转速差的，速度差与同步转速的比值s称为“转差率”可用下式表示 : （2）改写为： （3）采用变频器进行调速控制时，根据
29、（1）式，改变f1就可以改变同步转速n1，从而即可改变转子转速n2，根据（3）式改变转差率s，即可改变转子转速n2，在改变频率的同时，必须改变电压，所以有时称VVVF控制，即“Variable Voltage Frequency Inverter”的缩写。电动机如何满足变频器控制的要求，在电动机设计上应适当考虑。变频器设计上也应考虑电动机实际可能需增加其功能，做为相互补充，使功能完善。异步电动机适用控制方式:异步电动机调速传动时，需要根据电动机的特性对供电电压、电流及频率进行适当的控制，以达到所需的转速及转矩。控制方式可分为两种，开环控制和闭环控制。图2-12.1.1 V/F控制异步电动机的转
30、速由电源频率和极对数决定。所以改变频率电动机就可以调速运转。但是改变频率后，电动机内部的阻抗也改变，将产生微小励磁引起转矩下降；由于励磁引起的磁饱和等现象，是电动机因素、效率显著下降。为此，在改变频率的同时，始终要保持电动机端电压协调控制，二者的比值为一常数，目的是为保证气隙磁通不变，故V/F控制方式又称恒压频比控制方式。V/F控制时异步电动机的机械特性如图2-2所示：图2-2从图2-2中可以看出，当频率降低时，曲线向纵坐标平移，最大转矩点下降。如在低频时，转矩不够，可以采取电压补偿的办法提高转矩，这个补偿可由变频器完成，通常不超过10%，还可以从电动机设计上予以考虑。这样可以使各频率下的最大
31、转矩基本不变。如上图虚线所示。V/F变频调速的特点是变频装置结构简单，造价低，运行可靠，调试方便。但不能进行转矩控制，另外调速范围小，一般为1：10。2.1.2 转差频率控制转差频率控制，是检出电动机的转速，然后以电动机的转速与转差频率的和给定逆变器的输出频率。能够任意控制与转矩、电流有直接关系的转差频率。与V/F控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外它有速度控制器，可利用速度反馈进行速度闭环控制，适用于自动控制系统。与V/F控制相比，转差频率控制增加了控制电动机转差频率的功能，异步电机产生的转矩就可以控制。调速范围可达1：20。适用于单电机控制。2.1.3 矢量控制V/F控制
32、，转差频率控制，存在共同的问题是调速范围不宽，调速性能还不尽人意，而直流电动机电枢电流控制方式具有最优良的传动特性。将异步电动机放在旋转的坐标轴系分析其数学模型，找出类似直流电动机的激磁电流分量和转矩电流分量，分别控制。即激磁电流分量为恒定值。根据负载大小控制转矩电流分量，在经过坐标变换电路的作用将这两个标量（直流量）变换成交流量，对异步电动机供电，从而达到对异步电动机转矩控制的目的。变异步电动机非线性机械特性为线性的，从而扩大调速范围。由于该系统要随时控制转子磁链的大小和方向、故称为矢量控制。异步电动机矢量控制与直流机相同产生转矩机理，即磁场同与其相垂直的电流的积为转矩这一基本原理。直流电机
33、利用整流子和电刷在机械上保持两者垂直关系，并且可以分别供电。而异步电动机定子电流在电动机内部，利用电磁感应作用在电气上被分解为激磁电流和垂直的转矩电流，分别进行任意控制，同时将两者合成后作为定子电流供给电动机。矢量控制的特点:（1）控制特性比其它控制方式格外优越，能实现比直流电机更好的控制特性。（2）调速范围广，可达1：100以上，同时可频繁急加减速运转和连续4象限运转等用途，采用矢量控制异步电动机适合任何场合。（3）可以进行转矩控制。在电动机静止状态，能控制它所产生的静止转矩，即可零速制动。控制运算中要使用电动机的参数。对于电动机来讲是特定的。2.2 变频调速异步电动机的运行特性2.2.1
34、恒电压频率比时的稳态特性按照工频异步电动机的基波等值电路图，可以分析出电动机的稳态特性。由于电源电压中谐波对电动机特性影响很小，因此，分析时采用了平衡的正弦电压。如果忽略集肤效应，则电阻与频率无关，电抗与频率成正比。气隙中的旋转磁通在定子绕组中感应的反电势为E1，由于存在定子漏抗压降，因而反电势E1小于端电压V1，相电势的有效值可以表示为： （1）式中 KW定子绕组系数；f1定子电源频率；N1每相串联匝数；每极磁通。从式（1）中可以看出，每极磁通与E1和f1之比成正比。如果磁通减小，势必引起电动机输出转矩的下降，影响过载能力。如果维持E1不变而减小f1，则磁通将增加，会引起磁路饱和，励磁电流增
35、加，电动机将发热严重，这也是不允许的。因此，变频调速电动机就必须在调频的同时，等比例地改变定于电源电压，以维持气隙磁通不变，这就是电压频率比恒定的运行方式，即=常量。转矩特性：根据基波的等值电路还可以得出下列向最方程： （2） （3）已知转差率S为： （4）电动机的转矩公式为： （5）将以上4式联立，则转矩可以用外加电压V1、频率f1和f2表示，其最终表达式为： （6）式中，为电源频率f1时的定子总电抗，而，则为同一电源频率下转子的总电抗。对于恒电压频率比的运行方式，值为常数。当电动机的参数巳知时，可以画出转矩特性；下图为几种频率下电动机转矩与转子频率f2的关系曲线转矩用标么值表示，以额定转矩
36、作为基值：图2-3电压频率比为常数时异步电动机变频运行的转矩恃性从图2-3中的曲线族可以看出、当定子频率降低时，异步电动饥的转矩迅速减小。这是因为在额定频率时，定子电阻压降可以忽略不计。在低频时，端电压也相应较低，电抗压降也随频率的降低等比下降，而电阻压降不变，因此，定子的电阻压降占的比例较大，漏抗压降比例增大，使E/f的值下降，气隙磁通下降比较严重，转矩随之降低。图2-4中画出了一台异步电动机的最大转矩和起动转矩与电源频率的关系。其中的最大转矩是由式（6）的最大值求出，而起动转矩则由式（6）中的当入f1=f2时求出。由图显然可见，这两种转矩在频率低于 10HZ时都严重下降。为了改善低频特性，
37、在低速时必须使电压频率比加大。这种调节方式在使用变频机组供电时是做不到的，但在使用静止变频器时却很容易实现，因为静止变频装置可以独立地调节输出电压和频率。图2-4电压频率比为常数时异步电动机变频运行的起动转矩和最大转矩的特性增大电压频率比时的低频特性:如上所述，在恒电压频率比的变频调节方式下，异步电动机的低速特性不能令人满意。因此，在低频时，为了保持气隙磁通不变，必须提高电压。使用闭环反馈系统可以做到这一点。在这样的控制系统中，检测出气隙磁通对应的电压值，并把它和所要求磁通值的基准电压迸行比较，把所得的电压偏差放大后再来控制端电压，以便在整个负载和定子频率范围内保持气隙磁通不变。这种方法对于一
38、般的调节系统显得过于复杂，只适用于大型的调节性能要求高的场合。通常使用的是一种简单的开环系统。这种系统采用一个具有固定电压频率比输出特性的频率变换器，其特性在高频时是线性的，在低频时增大输出电压。端电压的大小与负载无关，因而在低速轻载时，电动机的磁饱和程度可能增加。采用基波的等值电路可以计算端电压增加时的低频特性。尽管磁路饱和，但由于定子频率低，铁心损耗仍可忽略不计，必须考虑磁饱和引起的励磁电抗Xm的变化。当运行频率降低时，定子电阻压降相应地增大，Xm被移至电路入端的近似等值电路已不很合适，此时，应注意可能会出现的一些反常现象。图2-5a和图2-5b的向量图分别表示空载和满载时的情况。空载时，
39、定子的电阻压降比漏抗压降要大得多，而且励磁电流Im滞后于气隙电势E1900。因此，从图中可以看出，电势E1的大小几乎等于外加电压V1。由于电机磁路处于高度饱和状态，产生一个很大的励磁电流，从而使电动机的空载电流有可能等于或超过满载电流。加负载以后，转子电流I2和电动势E1间的相位角减少，因而电势减小，如图1b所示。从图中还可看出，在负载电流增加时，励磁电流会迅速减小，而且励磁电流的减小多于负载电流的增加值。因此，定子电流反而减小。图2-6是一台异步电动机在5Hz时测得的转矩和定子电流的关系曲线。从图2-6曲线（b）中看到，增加电压后，出现了随着负载（转矩）的减小，而定子电流增大的反常现象，显然
40、是由磁路饱和引起的。同时，这些特性也可以说明，只要能够增加电压，在低频时也能产生较大的转矩。 (a)空载向量图 （b）满载向量图图2-5图2-62.2.2 恒电流的运行性能由于电机转矩实际上是取决于气隙磁通和定子电流，因此，直接控制电流比控制电压更有优越性。对干静止变频器，如果能处在恒流源的状态下运行也有很大好处。因为变流器被控制在一定电流数值下运行，没有瞬时的电流冲击，可以不存在大的过流容量，能做到逆变器经济设计，晶闸管经济运行。把式（3）、式（4）和式（5）联立求解，则电动机的转矩可用定子电流和转子频率表示，从而得出：式中，是转子的总漏电感。从上式中可以看出，在任何定子频率下，只要有一个大
41、的定子电流，就能产生一个大的转矩。因此，控制定子电流也可以获得较好的转矩性能。2.2.3 电动机的恒功率和恒转矩运行从上面的分析中可以知道，电动机在基本频率以下变频调速时，要求加到电动机上的电压必须随定子频率成正比改变，以保证气隙磁通为常数，在任何转速下，电动机都能产生稳定的转矩。但是，定子电压增加是有一定限度的，到了额定电压以后，电压只能保持恒定，再提高转速，只能使频率增加，也就是说，在基本转速以上，随着频率的增加，气隙磁通将下降，转矩也随之下降。可以明显地看出在电动机的基本转速以下，包络线所显示的转矩范围是不变的，称为恒转矩运行；当超过基本转速以后包络线所显示的转矩范围则下降电动机在恒功率
42、方式下运行。变频调速电动饥的这种运行方式与直流电动机的调压调速和削弱磁场调速的特例非常相似。转差率较小时，异步电动机的转矩方式为：也可以近似地写成：不变的定子电压V1和转子频率f2，转矩随电源频率F1平方的增加而减小。如果f2随f1线性增加，则转矩与f1成正比，则电动机输出转矩近似地随转速的倒数而变化，这就是恒功率运行区。第3章 TD3000变频器的介绍3.1 认识变频器本实验系统使用的变频器是艾默生网络能源公司的TD3000高性能矢量控制变频器，TD3000是高品质、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器。通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。具有电机参数自动调谐、零侍服控制、速度控制和转矩控制在线切换、转速跟踪、内置PLC、内置PID控制器、编码器和给定及反馈信号断线监测切换、掉载保护、故障信号追忆、故障自动重起、内置制动单元、内置PG接口、28种故障监控、丰富的I/O端子和多达十种速度设定方式，能满足各种负荷对传动控制的需求。键盘由LED显示运行数据和故障代码，LCD显示中/英文状态信息和操作说明，并能进行参数的上传拷贝和下
