变频器在工业洗衣机的调速系统中的应用Word文档下载推荐.doc
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2.2.3矢量控制原理 16
2.3变频器的选择 22
2.3.1变频器的选择 23
2.3.2MM4系列通用变频器简介 24
2.3.3MM440变频器相关知识的介绍 26
2.3.4MM440在洗衣机系统中的作用 32
2.4热敏电阻的选择 32
2.4.1热敏电阻 32
2.4.2PTC热敏电阻 33
3洗衣机系统的工作原理及电路设计 35
3.1系统运行要求 35
3.2工业洗衣机的工作过程 36
3.3电路设计及原理图 37
4交流调速系统的参数设定及控制系统的论述 39
4.1电机参数的设定 39
4.2变频器参数的设定 39
4.3单片机与PLC应用于洗衣机系统的论述 40
结论 41
致谢 41
前言
工业洗衣机在宾馆、酒店、医院、学校、服装厂、水洗厂、工矿企业等场所被广泛的应用。
但通常工业洗衣机的传动系统相当复杂，由于在洗净和脱水时电动机转速差很大，一般为多台鼠笼电机采用离合器切换运转或使用变极电机，以获得多档转速，这使得传动系统复杂化，需要加皮带轮、离合器及制动闸等机械装置。
另外，由于工业洗衣机的负载惯性一般很大，为获得大的起动转矩，往往要采用特殊的大电阻电机。
随着大功率开关器件制造技术及计算机控制技术的发展，采用变频调速控制电机已渗透到各种电力传动系统。
在工业洗衣机的传动系统中引入这一技术，就可以用一台普通交流电动机实现大范围调速，而且传动装置可以做得很小，控制及操作性能都大幅度提高。
采用西门子MM440变频器组成的变频控制系统，可以很好的解决这些问题。
MM440应用高性能的矢量控制技术，采用微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出元件。
因此，它具有很高的运行可靠性和功能的多样性。
而且采用脉冲频率可选的专用脉冲调制技术，可使电机低噪声。
全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护，降低了系统维护量，提供了洗涤质量。
采用MM440变频器组成的变频调速控制系统，洗衣机开始运行时通过变频器启动，洗涤开始时时5HZ启动，在洗涤过程中150HZ高速运行。
传动装置时通过数字量输入来控制系统的起停，正反转，固定频率设定以及加减速时间。
另外，在此系统中，电机上带一个内PTC温度检测器，作为热电阻保护，PTC直接接到变频器上，当电机过热时装置就会停止输出并产生报警信号。
本设计分为五个部分，第一部分为交流变频调速系统概论及工业洗衣机系统简介；
第二部分为交流调速系统方案论证和系统组成；
第三部分为工业洗衣机系统的工作原理及电路设计；
第四部分为交流调速系统的参数设定及控制系统论述；
第五部分为本系统设计的优点与不足。
1交流变频调速系统的概述和工业洗衣机的简介
1.1交流变频调速系统的原理
随着电力电子技术的进步，计算机技术的飞速发展，以此为基础的交流电机调速技术也取得了长足的进步。
矢量控制技术在速度控制和转矩控制方面使得交流调速系统可与直流调统相媲美，而无速度传感器控制技术由于可以省去传感器，使相应的交流系统变得简便、可靠，所以成为近年来的研究热点。
由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。
矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。
具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。
矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。
这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。
矢量控制算法已被广泛地应用在Siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。
采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。
由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。
鉴于电机参数有可能发生变化，会影响变频器对电机的控制性能，目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。
矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。
具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。
变频调速系统原理：
异步电动机的基本公式
同步转速即旋转磁场的转速，计算公式如下：
（1.1）
式中n0—同步转速（r/min）；
f—电源电压的频率（Hz）；
p—磁极对数。
式（1.1）表明，当电动机的磁极对数一定时，同步转速与电源电压的频率成正比；
而在额定频率下，同步转速与磁极对数的关系见下表1.1。
表1.1同步转速与磁极对数的关系
Tab.1.1therelationshipbetweenthepolesynchronousspeedandthelogarithm
磁极对数
1（2极）
2（4极）
3（6极）
4（8极）
6（12极）
同步转速（r/min）
3000
1500
1000
750
500
②转差即转子转速与同步转速之差。
（1.2）
式中—转差（r/min）；
—转子转速（r/min）。
转差率转差与同步转速之比，称为转差率
（1.3）
式中s—转差率。
转子转速由式（1.1）和（1.3）推导如下：
（1.4）
由（1.4）可知，改变电源电压的频率f，就改变了旋转磁场的转速（同步转速），也就改变了电动机输出轴的转速：
所以，调节频率可以调速，并且可以无级调速。
变频器就是一种可以任意调节其输出电压频率，使三相交流异步电动机实现无级调速的装置。
生产机械常常需要无级调速，而在变频器问世之前，异步电动机是无法实现无级调速的。
这使它的调速性能远逊于直流电动机。
其实，变频可以调速的原理，是从异步电动机发明之日起就知道了的。
但异步电动机发明于1898年，而变频器达到能够普及应用的阶段，却直到20世纪80年代才得以实现，中间相隔了近一个世纪。
1.2交流变频调速系统的发展概述
直流电气传动和交流电气传动在19世纪诞生，在直流调速系统中，控制电机的方法十分简单，调节电枢电压和励磁电流大小就可以控制转速与转矩，并且利用电流、转速双闭环系统很容易获得良好的动静态特性。
而鉴于当时技术，交流调速中，决定电动机转速调节的交流电源频率的改变和电动机转矩控制都是极为困难的。
因此在二十世纪很长一段时间里，高性能调速传动系统都采用直流电机。
但是随着工业生产的发展，直流电机的薄弱环节逐渐暴露出来。
由于电刷和换向器的存在，直流电机工作环境、最高转速、单机容量受到极大限制，已不能满足现代调速系统发展的要求。
而异步电机结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉，因而从20世纪30年代，人们就致力于交流调速技术的研究。
随着电力电子技术、计算机技术及自动控制技术的不断发展和电力电子器件的更新换代，交流变频调速技术已由最初的变压变频控制的变频调速发展到了高性能的矢量控制变频调速，使得交流电机的调速性能达到甚至超过了直流电机的调速性能。
以后随着计算机技术的发展，人们又克服了矢量控制计算量大而复杂的缺点，使得矢量控制成为目前所有调速系统中性能最优越的一种，它不但控制连续、平滑，而且调速范围很宽。
但它自身也有一些缺点，如对电机参数的依赖很强等。
矢量控制技术提出以后，各国学者又致力于异步电机无速度传感器矢量控制系统的研究。
无速度传感器矢量控制系统是利用检测定子电压、电流等易于测量的物理量进行电机速度的估算以取代速度传感器，其关键是如何在线获取速度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制要求。
无速度传感器控制不需要检测硬件，也避免了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统的可靠性，降低了成本，因而引起了各国学者的关注，成为现代交流调速控制领域中最受重视的课题之一。
在高性能的异步电动机控制系统中，转速的闭环控制环节一般是必不可少的。
普通情况下，采用光电码盘等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。
但是，由于速度传感器的安装给系统带来一下一些缺陷：
⑴增加了系统的成本；
⑵使电动机轴向上体积增大，而且给电动机的维护带来一定困难，同时破坏了异步电机简单坚固的特点，降低了系统的机械鲁棒性；
⑶若安装码盘，存在同心轴问题，安装不当将影响测速精度；
⑷增加了系统的复杂性，降低了系统的可靠性；
⑸有些场合不容许外装任何传感器。
如此种种，影响了异步电机调速系统的简便性、廉价性及系统的可靠性。
无速度传感器矢量控制系统可以获得接近闭环控制的性能，同时省去了速度传感器，具有较低的维护成本。
异步电机无速度传感器矢量控制的研制可以解决上述的缺陷，使控制系统的成本更加低廉，可靠性更高自20世纪70年代，德国西门子公司的EBlasehke提出了“磁场定向控制的理论”和美国PC.Custmna与A．AQark申请了专利“感应电机定子电压的坐标交换控制”，矢量控制技术发展到今天己形成了各种较成熟并已产品化的控制方案，且都已实现无速度传感器控制，即用转速估算环节取代传统的速度传感器（如测速发电机、编码盘等）。
矢量控制的理论根据就是电机统一理论，在实现上将异步电动机的定子三相交流电流ia，ib，ic，通过坐标变换变换到同步旋转坐标系de-q轴系下的两相直电流。
实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量，用来产生旋转磁动势的励磁分量和用来产生电磁转矩的转矩分量。
然后像控制直流电机那样在同步旋转坐标系上设计和进行磁场与转矩的独立控制，再由变换方程把这些控制结果转换为随时间变化的瞬时变量，达到控制电机转速和转矩的目的。
1.3该课题研究的目的及意义
洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电，已经成为人们生活中不可缺少的家用电器。
在工业生产中应用中也比较广泛。
广泛应用于各类服装水洗厂，印染厂，医院，宾馆，化工厂，部队，矿山，消防等企事业单位。
但是传统的调速方式已经不能满足人们对工业洗衣机的自动化要求了。
如变极调速具有有极调速，不能平滑调速的，且级差较大的缺点。
串极调速适用于调速范围不大（70﹪～95﹪）的绕线式异步电机的场合。
又如定子调压调速的方式效率低，对电网有危险等危害。
因此，变频调速在洗衣机的控制中得到了广泛的应用。
变频调速在调速范围，静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实现自动控制和过程控制等诸多方面都是以往调速方式无法比拟的。
它是公认的交流电动机最有理想最有前途的调速方案。
因此本系统选用的西门MM440标准变频器作为此系统中的变频器，且采用的是无传感器的矢量控制方式调节电机的速度。
此系统有以下特点：
⑴通过变频器传动可减少机械和电气噪音；
⑵通过SVC矢量控制，降低了系统维护量，提供了洗涤质量；
⑶优化洗涤速度，降低了功率损耗；
⑷减少了旋转部件的机械压力，增加了系统的运行寿命；
⑸通过人机界面设定变频器速度和监控。
1.4工业洗衣机的简介
1.4.1工业洗衣机
工业洗衣机是指大容量的洗衣机，具有超负荷洗涤，连续工作时间能超过12个小时以上，容量一般在30千克每次以上的洗衣机，现有的工业洗衣机的最大容量可以达到300千克，而普通的家用洗衣机的容量最多也就在7千克左右。
也正是为了适应大容量的要求，其结构与普通的家用洗衣机有所差别。
工业洗衣机一般以不锈钢材料，钢铁材料，工业电机制造，区别与家用洗衣机的塑料制作，具有洗衣量大，连续工作时间长等特别，而且耐腐蚀，耐高温特点，是各类酒店洗衣房，宾馆洗衣房，医院洗衣房，企业洗衣房，学校洗衣房的首选设备。
1.4.2工业洗衣机的发展历史
1874年，“手洗时代”受到了前所未有的挑战—有人发明了木制手摇洗衣机。
发明者是美国人比尔·
布莱克斯。
布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在木筒里装上6块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣”的目的。
这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快。
1880年，美国又出现了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。
之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。
1911年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机。
电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。
电动洗衣机几经完善，在1922年迎来一种崭新的洗衣方式“搅拌式”。
搅拌式洗衣机由美国玛依塔格公司研制成功。
这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。
搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。
不过10年之后，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。
这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步！
直至今日，滚筒式洗衣机在欧美国家仍得到广泛应用。
随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。
首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。
1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。
至此，波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。
20世纪60年代以后，洗衣机在一些发达国家的消费市场开始形成系列，家庭普及率迅速上升。
此间洗衣机在日本的发展备受瞩目。
60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。
70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。
70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机横空出世，让人耳目一新。
到80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚……进入90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。
此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。
在中国，由于历史原因，洗衣机工业起步较晚，直到1978年才正式生产家用洗衣机。
工业洗衣机更晚。
国外最早工业洗衣机有德国兄弟公司及意大利的工业洗衣机都是著名的工业洗衣机生产商。
为节能，隧道式洗涤机是20世纪60年代在欧洲研制成功的。
经过几十年的不断改进完善，目前在欧美国家已广泛应用。
它比较适合洗涤轻度污渍和类似的物品，其节能降低成本的效果非常明显。
1.4.3工业洗衣机的结构
工业洗衣机主要由外筒、转筒、传动部分、电器控制柜、左右密封罩、管路仪表及放水阀等部件组成。
工业洗衣机结构一般采用卧式滚筒型，内外筒均采用优质不锈钢精制而成，平整光亮，耐腐蚀，对织物的磨损小且无损伤，机器使用寿命长；
工业洗衣机内筒门盖均装有不锈钢安全锁紧机构，外筒门盖上设有行程开关，运转安全可靠。
外筒的轴承座上设计有密封装置，其密封程度可用压紧圈调节，压盖轴承座下方钻有小孔，少量漏水可由此孔流出机外，且轴承内的润滑油不会进入外轴。
设有行程开关，运转安全可靠。
转筒采用优质不锈钢板制成，有双舱室结构和单舱室结构两种，运转平稳，取衣方便。
一般采用滚筒式的洗衣方式。
利用电动机的机械做功使滚筒旋转，衣物在滚筒中不断地被提升摔下，再提升再摔下，做重复运动，加上洗衣粉和水的共同作用使衣物洗涤干净。
因为衣物在洗涤过程中不缠绕、洗涤均匀、磨损小，所以就连羊绒、羊毛、真丝衣物也能在机内洗涤，做到真正的全面洗涤性能。
工业洗衣机具有设计新颖、操作方便、运转平稳可靠、性能优良、结构合理、密封、保温、美观大方等优点。
2交流调速系统的方案论证与系统组成
工业洗衣机要求变频器能提供高转矩、多段速、宽电压范围、自动转差补偿和方便的通讯方式；
性能稳定，能适应各种宾馆、酒店洗衣房的高温、高湿的环境；
总之，要求变频器能适应工业洗衣机特定的洗涤工艺要求。
2.1方案论证
2.1.1控制方案的比较
实际应用于工业洗衣机的控制系统主要有三种：
以离心器为主的控制系统、单片机控制系统、模糊控制系统、PLC控制系统等。
⑴离心器控制系统
以往的工业洗衣机控制系统是由离合器、多台电机等构成。
根据洗净、脱水等所需要的转速准备数台电机，采用离合器切换使用。
脱水作业由高速脱水及中速脱水两台电机分担，或者采用变极电机。
这使传动装置变得复杂，需要离合器、带轮及制动闸等。
现在由于工业洗衣机控制系统的逐步提高，仍采用传统的控制系统已不能满足更高性能的要求，因此随着电子逻辑器件、大规模集成电路的出现；
诸如像单片机、PLC在控制系统上的应用也越来越多。
⑵模糊控制系统
工业洗衣机模糊规则库是模糊控制系统研制的关键。
利用原型机对典型被洗衣物进行正交实验，通过对实验数据的处理和分析来确定模糊规则库，它直接反映典型洗涤物的布质、布量与洗涤转速和水位的对应关系。
根据模糊规则,通过模糊推理与计算，采用最佳策略针对洗涤程序和洗涤参数进行优化。
但模糊控制的原则不精确，使洗衣机系统调速不够准确，不够分明。
⑶单片机控制系统
以往以单片机为中心控制系统工作的工业洗衣机中，由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低。
可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活。
由于现存有许多已经设计很完善的子程序，在系统软件设计中可以直接调用，减少较大工作量。
单片机适合于实时工业控制，相对于微机它价格较为低廉，可编程性和可扩展性强。
存在着一些本身不能克服的缺点，系统硬件设计相对比较复杂，电路设计工作量相对较大，且单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序也相对复杂；
其次，在设计控制系统硬件时，要有多种电路保护装置，如电流保护电压保护、过载保护、过热保护及欠压保护等等，这样不但增加了硬件的复杂性，而且隐含较高的故障率，还无形地增加了维修成本费用。
⑷PLC控制
如果在工业洗衣机的控制系统中采用PLC来控制将能克服单片机的这些缺点。
因为它是整体模块中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能。
所以在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修方便，更可以提高控制系统的设计的灵活性及控制系统的可靠性。
可编程控制器是以计算机为核心的通用自动控制装置，它的功能强、可靠性极强、编程简单、使用方便、体积小。
现已广泛应用于工业控制的各个领域，它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、记数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。
但PLC有其应用的局限性，比如说输入输出对电源电压的要求、价格高等因素，因此在工业洗衣机的控制上采用PLC并不是最理想的。
2.1.2控制方式的比较
⑴V/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。
但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。
另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。
因此人们又研究出矢量控制变频调速。
V/F控制方式是最早实现的调速方式。
其属于转速开环控制，无需转速传感器，控制电路比较简单，电机选择通用标准异步电动机，因此它通用性比较强，性价比也相对较高。
而且该控制方案结构简单，通过调节逆变输出电压实现电机的速度调节，根据电机参数，设定V/F曲线，其可靠性高。
但是，由于科学技术的发展，工业对调速系统的要求越来越高，V/F控制方式存在着很多不可克服的弱点：
①不能恰当地调整电动机的转矩补偿和适应负载的转矩变化；
②无法准确地控制电动机的实际转速；
③转速极低时，由于转矩不足而无法克服较大的静摩擦力。
尤其是在低速区域由于定子电阻的压降不容忽视而使电压调整比较困难，不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。
异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以实现很高的控制精度，所以采用这种控制的通用变频器的变频调速只适用于一般要求不高的场合。
所以它的运用将逐渐被矢量控制所取代。
⑵直接转矩控制（DTC）方式
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。
该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到
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