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量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 于 感应电动机监控系统设计与实现 玛丽亚 G 劳尔尼兹 摘要： 本文描述了基于可编程控制器技术的感应电动机监控系统的实现 方法 。同时，介绍了通过 对感应电动机的性能 测量实现其速度控制和保护的软件和硬件。在正常操作和出现故障的条件下， 照使用者所要求的速度运行参数监控系统的运行。对由变换器驱动和 制的感应电动机系统进行了测试，结果表明与常规的 V/f 控制系统相比，前者在速度调节上具有更高的精确性。在高速时， 5%。因此， 通过 试验证明了 电气驱动控制方面是一个通用性和有效性的工具。 关键词： 计算机控制系统，计算机化监控，电气驱动，感应电动机，运动控制，可编程控制器（ ,变频驱动器，电压控制 I 前言 随着电气驱动器运动控制技术的广泛应用，可编程控制器（ 随着工业电子学在电机中的应用被引进到自动化制造业中来 1, 2。这种应用具有在 启动 时电压下降较低、控制电动机和其他设备实际整功率因数等优点 3。很多工厂在自动化生产过程中使用 49。其他应用包括应用 机的计算机数字控制精确度 10。 为了获得精确的工业电气驱动系统，将 人计算机（ 其他电气设备连接起来是必要的 1113。然而，这 些技术的应用， 使设备变得更加完善、复杂和昂贵 14, 15。 很少看到关于 们的文章都是关于使用 发电机组速度控制的模糊方法 16与基于自校正调节器技术的自适应控制装置和现有的工业 17。其它类型的设备与 要连接。因此，使用一个工业 轴转 子位置、方向和速度 控制步进电机，简化了电路结构、降低了成本和提高 了 可靠性 18。为了把磁阻电动机转换为可调速度的直流或者交流驱动器，使用了一个单片逻辑控制器控制扭矩和速度，并通过 19。其他的应用有：在乘客电梯的线性感应电动机的控制中，应用 20；为了监控电源状态量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 确认破坏电气车间生产的干扰 ， 使用两个 21。 在利用 制感应电动机领域只有很少的文章发表。他们主要在以下方面：三相感应电动机的功率因数控制器利 用 改进功率因数和保持它的电压在整个控制条件下频率比率稳定 3；矢量控制集成电路使用复杂逻辑控制器件(电压整数算法或者三相脉宽调制 (换器的 电流 /电压 调节 22。 感应电动机的很多应用除了需要电机控制的函数性之外，还要有多个详细的模拟和数字 I/O 操作，进站标志，差错信号，打开 /关闭 /反向命令。在这种情况下，一个包括 控制单元必须添加在系统结构中。本文介绍了一个基于 三相感应电动机监控系统，描述了系统的软件和硬件配置的设计和实现 方法 。依据对感应电动机性能测试获得的结果 表明 ： 在变量装载恒速控制操作中，改进了工作效率，提高了精确性。因此，在正常操作和出现故障的条件下， 据和控制运行参数达到用户所需要的设定值并监控感应电机系统的运行。 一个在工业环境中为自动化生产过程而设计的基于微控制器的控制系统。它利用可编程存储器内部存储用户指令，执行具体的操作，比如：算法、计算、逻辑运算、排序和定时 23, 24。可通过编程使 断、触发和控制工业设备。因此， 有与电气信号接口的一定数目的 I/O 点。在加工过程中，输入设备和输出设 备与 连接，控制程序则下载到 储器中（图 1）。 图 1 在我们的应用中，依据模拟和数字输入， 出 的 变化控制感应电机恒定负荷速度的操作。同时， 停的监控输入和依据控制程序启动输出。本 以直接插入专用总线：一个中央入 控制 程序 输出 量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 理单元（ 电源供给单元、输入输出模块和可编程终端。这样一个模块化处理的优点是，随着将来的应用可以扩展初始配置、构成多机系统或者与计算机相连等。 应电机控制系统 实验系统的结构 图见图 2。配置如下所述： a) 一个恒速运行的闭环控制系统由速度反馈和负载电流反馈组成。由变换器馈送的感应电机驱动的变动负荷， 。 b)一个变速运行的开环控制系统。由变换器恒定 V/ c) 标准变速运行。恒定恒压频率标准三相电源馈送的感应电机驱动变动负荷。 将闭环配置 a)去掉速度和负荷反馈后，可得到开环配置 b)。另一方面，将整个控制系统旁路后，就是操作 c)。 针对绕线转子感应电机，对控制系统进行了 试验 和测试，其详 细技术说明见表 I。感应电机驱动提供可变载荷的直流发电机。三相供电电源与三相主开关连接后与的三相热过载继电器相连接。三相热过载继电器提供电流过载保护。继电器的输出与整流器相连接。整流器校正三相电压并对绝缘栅场效应晶体管（ 换器提供直流输入。它的详细技术说明总结如表 25。 驱动 感应电机定子。另一方面，变换器与基于 表 I 感应电机的详细技术说明 连接类型 /Y 输入电压 380/660 V 入电流 额定功率 入频率 50极数目 4 额定速度 1400量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 2. 实验系统的电气框图 量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 变换器详细技术说明 输出电压 380,460 V 出频率 出电流 输出过载 150% 60s 电源供给电压 380,460V 入电流 3A 耗散功率 46W 本控制器 是 在一个标准模块系统上 完成的 5, 2628。 。作为一个基于微控制器的系统， 2937。 中央控制单元 ( 离散输出模块 ( 离散输入模块 ( 模拟输出模块 ( 模拟输入模块 ( 电源； 有关 使用一个速度传感器作为速度反馈，而电流传感器则作为负荷电流反馈，另一个电流传感器与定子电路相连接。因此，通过使用负荷电流传感器、速度传感器和 测速发电机（永磁铁直流电机）用来测速。感 应式电机机械地驱动轴旋转，并产生与旋转速度成正比的电压输出。极性取决于旋转的方向。测速发电机 输出的电压信号必须与指定的 0C 200阻）。其他 4 为了人工控制，本方案设计了启动、停止和差错按键，同时还有正向和反向选择开关。如图 2所示，所有描述的部分：主开关、自动三相开关、自动单相开关、三相热过载继电器、负荷自动开关，信号灯（正向、反向、启动、停止、差错），点动开关（启动、停止、切断）、选择开关（正向和反向旋转选择），速度 选择量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 、增益选择器， 序通过个人电脑的 且程序的执行是支配逻辑而不是数字计算机的规则系统。大部分的编程操作是简单的双态“开或关”，这些交替的可能性分别与“真或假”（逻辑形式）“ 1或 0”相对。因此，对组建使用模拟设备的基于电气电路继电器的控制系统， 图 表 可用数目 使用 数 离散输入（ %I） 32 8 离散输出（ %Q） 16 9 模拟输入（ % 8 7 模拟输出（ % 8 6 寄存器存储（ %M） 540 编程方法使用的是梯形图语言。 这个环境中，可以开发、检验、调试和诊断并在主机终端上运行。 首先，用梯形图控制模式 停止 模式 扫描输入 存储状态 梯形程序执行： 速度控制软件 保护软件 切断 /重启电机软件 刷新输出 扫描循环 量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 写高级程序 33, 34。然后，将梯形图转换为二进制指令代码存储在 每一个与 出点作为 I/据与输入、输出和存储器的直接关联方法是建立三个区域：输入映像存储器（ I）、输出映像存储器（ Q）和内部存储器（ M）。每一个存储单元可以用 %I, %Q, 和 %表 表 块和 I/O 描述 母板 模块 1 模块 2 模块 3 模块 4 模块 5 模拟输入模块( 离散输入模块 (模拟输出模块( 离散输出模块( 入） 1. 速度反馈信号（显示） 2. 电源 2. 速度设定点信号（显示） 行） 入） 示） 4. 速度设定点信号 载继电器 6. 点 8. 24样对输入的变化进行周期性的监视（图 3）。程序循环对系统输入进行扫描并把他们的状态存储在固定存储器的特定量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 域（输入映像存储器）。梯形图程序 就 这样循环执行。 决定输出的状态。实时的输出状态存储在固定存储区域（输出映像存储器）。输出值保存在存储器中，在 时输出到 于给定的 成一圈的扫描时间或者扫描时间是 (1000步 )并且最大的程序容量是 1000步。 开发系统的主机 (过 机提供文本编辑、存储、打印和程序操作监控的软件环境。程序的开发过程是使用编辑器编写梯形图程序源代码并转换为可以在 过 控制机械系统时， A. 速度控制软件流程图见图 4。 图 软件调节速度并监视等速控制而忽略 扭矩的变化。同时，作为电机电源的变换器也开始执行，并且由 有 制回路的反馈，仅一个变换器无法保持速度恒定。 在控制面板上，操作者选择速度设定点 后，通过按下手动启动按键就可以启动电机。如果按下停止按键，电机 将被 停止。相应的输入信号与 出信号与 表 读取输入： 正向 /反向信号 启动信号 速度设定信号 速度反馈信号 停止信号 计算速度误差信号 误差 =0？ N 校正 V/f 刷新变换器 Y 量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 定子电流传感器接收差错信号 速发电机的速度反馈信号和来自控制面板的 号。这样， 取设定速度和电机的实际速度。操作者的设定速度与电机的实际速度的差值给出误差信 号。如果误差信号不为零，是大或者小，据 计算执行减小或增大变换器的 就 这样校正了电机的速度。 图 5.执行 的 控制是比例和整型（ （也就是错误信号要乘以增益 综合和添加到所要求得速度）。结果，控制信号传送到 且连接到变换器的数字输入去控制 V/f 的变化。首先，操作者通过安装在控制面板上（增益调节）的可变电阻器选择增益 且由 取其电压降落作为控制器的增益信号（ 0 通过一个可变电 阻器选择设定速度 且由 取这个信号。这个值被发送到 在控制面板上显示（速度设定点显示）。控制面板上的第二个显示器指示了来自速度反馈信号的计算的实际速度。第三个显示器指示了来自负荷电N Y Y N N N Y Y Y N N Y 读取输入： 正向 /反向信号 启动信号 速度设定信号 负荷电流 定子电流 速度反馈信号 锁定旋转方向 500 切断电机 N 速度控制模式 量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 信号的负荷扭矩，以牛顿 N*m）表示。他们的通信信号输出到 B. 监控和保护软件 软件的流程图见图 5。在电机操作过程中，不可能通过改变开关的位置使其旋转方向反向。在改变方向前，必须先按下停止按键，使电机停下来。为了保护电机，防止在启动和装载时电流过载，在软件中编写了如下命令。 i)正向 /反向信号输入到 速度设定信号 荷电流 子电流 在没有负载 果速度调整点低于 20%或者 度控制 模块 Y 点亮差错指示灯 打开自动三相开关 将实际速度显示设 0 关闭启动指示灯（绿色） 打开停止指示灯（红色） 打开负荷自动开关 等待 3s 关闭差错指示灯（黄色） 释放热继电器 启动电机 监控和保护模式 量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 ，配置 a)比配置 b)具有更高的效率。同时，在负荷高于 70%下操作，标准化效率(1，意味着 80V,50据图形显示， 0从理论的观点来看，如果我们忽略磁化电流，效率的近似值为： 1 1 图 7可以看出， a）只有很缓慢的滑移，近似于 0。在所有速度和载荷条件下，配置 a)比配置 b）的滑移更小。因此，证明了其具有更高的效率，尤其是在高速和高频下。在低频时，磁通量增大，因此导致了磁化电流的增加，损耗也随之增加。 图 9显示了与图 7在相同的速度和转矩范围内，利用 子电压和定子频率之间是常数关系。然而，这种与电机通量相关的关系，随着频率由 502从 图 10 图 7. 扭矩试验性能 量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 率 所示。因此，由图 7可以看出，有效转矩由 50 100% 减少到 20 0%，当电压和频率都增加时，磁通量随着增加同时最大有用转矩减小了。 图 9. 有 在图 11中，绘出了在所有速度和转矩 范围内调整器的增益 曲线。结果显频率 定子电压 量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 ，在可变载荷下， 在每个曲线之间有很小的位移。 图 10. 定子电压与定子电流的比率 图 11. 速度设定点 增益 频率 量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 统在利用 V/现出相似的动态响应。它的瞬态响应性能由于扭矩的震动而受到限制，并且这种现象限制了这个系统只能在低速度变化的情况下应用。 由 前 面描述的方案获得的成功 实验结果表明 ： 变换器驱动和 基于 6%。使用 的感应电机的开环配置有了增加。尤其是在高速和负载下， 0尽管使用简单的速度控制方法，本系统提出： 在变化负荷扭矩时恒速； 在较宽的范围内全扭矩有效； 在闭环速度控制方案中很好的精确性； 较高的效率； 过载保 护； 因此，证明了 感谢 作者对雅典国 家 技术大学在经济上和实验系统的构建、实验室测试和测量等方面的支持表示非常感激！ 参考 文献 1 G. “992. 29, 4748, 1992. 2 , “993. 30, 5860, 1993. 3 A. R. M. M. . “A a 3 2, 2000, 10651072. 4 A. . M. “of a 1997, 2025. 量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 5 K. T. “ 15, 1417, 1996. 6 B. S. . “ 3, 1997, 12861291. 7 A. . “ 111999, 106113. 8 J. E. . M. “of , 1995, 395400. 9 Z. D. X. . “in , 1 3, 1996, 15511556. 10 K. S. . “of on NC 3, 1994, 18981905. 11 D. P. “ 1, 1998, 125128. 12 J. J. J. D. . M. “A LC PU to 162, 1995, 874877. 13 T. . “A 1998, 399402. 14 M. . “of 373, 1998, 33053310. 15 P. F. . B. “ANs 1, 1997, 2328. 16 A. M. . “LC 4, 2000, 24752480. 量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 17 A. A. M. E. . E. “of an a DC an LC 313, 1996, 15671574. 18 A. S. l “LC in 2, 1996, 974978. 19 A. . “A 303, 1995, 19171921. 20 J. F. P. D. I. J. . “of an a 54, 1993, 58. 21 V. E. A. A. . P. “ 26, 620626, 1990. 22 “A WM 29 1, 262268. 23 : 1992. 24 N 611311994. 25 1997. 26 N. Y. S. T. . “A 231, 1997, 187199. 27 I. “ 14, 5359, 1994. 28 0 1997. 29 : 1994. 30 N 611311995. 31 A. J. 2nd 量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 感应电动机监控系统设计与实现 08854$ 2004 1997. 32 M. G. . J. “C 6, 469475, 1991. 33 : 1993. 34 N 611311993. 35 M. G. . M. 2000. 36 L. . “LC of 1998. 37 M. G. P. J. . A. “C 61990, 975979. 玛丽亚 G 劳尔尼兹 (S85M860)毕业于 希腊雅典 的 雅典国家技术大学（ 子工程系 。现在，她是 驱动器教授。她的研究方向包括电子机构控制，可更新能源系统，小型或特种电 动机，电磁器件和电动机新材料， 境、影响、人的冒险因素和电气动力工业的影响。她是许多期刊、会议学报，论著、专利、技术报告和社论的作者。她 也 是希腊政府、欧共体和美国在很多研究项目中的 首席负责人和顾问。
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