电力拖动课程设计变频器在印染机械多电机同步调速系统中应用.docx

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电力拖动课程设计变频器在印染机械多电机同步调速系统中应用

本科生课程设计

题目：

变频器在印染机械多电机同步调速系统中应用

第一部分

任

务

书

电力拖动自动控制系统课程设计任务书

一、课程设计的目的

通过电力拖动自动控制系统的设计、了解一般交直流调速系统设计过程及设计要求，并巩固交直流调速系统课程的所学内容，初步具备设计电力拖动自动控制系统的能力。

为今后从事技术工作打下必要的基础。

二、课程设计的要求

1、熟悉交直流调速系统设计的一般设计原则，设计内容以及设计程序的要求。

2、掌握控制系统设计制图的基本规范，熟练掌握电气控制部分的新图标。

3、学会收集、分析、运用自动控制系统设计的有关资料和数据。

4、培养独立工作能力、创造能力及综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力。

三、课程设计的内容

完成某一给定课题任务，按给出的工艺要求、运用变频调速对系统进行控制。

四、进度安排：

共1.5周

本课程设计时间共1.5周，进度安排如下：

1、设计准备，熟悉有关设计规范，熟悉课题设计要求及内容。

（1.5天）

2、分析控制要求、控制原理设计控制方案（1.5天）

3、绘制控制原理图、控制流程图、端子接线图。

（2天）

4、编制程序、梯形图设计、程序调试说明。

（1.5天）

5、整理图纸、写课程设计报告。

（1.5天）

五、课程设计报告内容

完成下列课题的课程设计及报告（课题工艺要求由课程设计任务书提供）

1、退火炉温度控制系统

2、变频液位自动控制系统设计

3、变频流量自动控制系统设计

4、变频供水系统设计

5、变频调速恒张力控制系统设计

6、变频器在温度控制系统中的应用

7、线缆设备恒张力变频器控制设计

六、参考书

1、陈伯时主编电力拖动自动控制系统（第二版）机械工业出版社1992

2、陈伯时,陈敏逊交流调速系统机械工业出版社1998

3、张燕宾著SPWM变频调速应用技术  机械工业出版社1997

4、王兆义主编《可编程控制器教程》主编

5、徐世许主编《可编程控制器教程原理、应用、网络》主编

6、《工厂常用电气设备手册》（第2版）上、下册中国电力出版社

第二部分

课

程

设

计

报

告

目录

一印染机械多电机同步调速系统方案设计6

（一）概述6

（二）系统控制要求6

（三）系统控制方案设计7

二系统硬件选型10

（一）PLC选型10

（二）变频器选型12

（三）传感器选型13

（四）同步控制器选型13

三印染机械多电机同步调速系统的原理图16

（一）主电路16

（二）PLC控制电路17

（三）变频器控制电路19

四印染机械多电机同步调速系统变频器的故障分析………………………20

五设计小结21

六参考文献22

一、印染机械多电机同步调速系统方案设计

（一）概述

随着电力电子技术以及工业自动控制技术的发展,使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。

另外,由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性,常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。

此处的设计就是利用变频器和PLC实现印染机械多电机同步调速系统的控制。

变频器技术是一门综合性的技术,它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。

它与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制,有许多优点,如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。

容易实现电动机的正反转切换,可以进行高额度的起停运转,可以进行电气制动,可以对电动机进行高速驱动。

完善的保护功能:

变频器保护功能很强,在运行过程中能随时检测到各种故障,并显示故障类别（如电网瞬时电压降低,电网缺相,直流过电压,功率模块过热,电机短路等）,并立即封锁输出电压。

这种“自我保护”的功能,不仅保护了变频器,还保护了电机不易损坏。

本课题就是应该PLC和变频器，设计印染机械多电机同步调速系统。

PLC的作用是对系统进行控制，而变频器的作用则是对电机进行调速，最终达到维持多电机同步运行的目的。

（二）系统控制要求

变频调速在印染行业中应用有以下特点：

1、运行环境差

印染设备运行环境一般很差，潮湿度大（相对湿度可达90%以上），环境温度高（有时变频器周围温度可达50℃以上），“织物尘”多，这就要求变频器的防护等级要高，同时变频器及相应的控制设备尽量与印染机械隔离，并增加通风降温设施。

2、工作制式是长期连续工作制

印染机械是长期连续运行的，即要求“常年不停机”，每次停机除减少产量外，还会产生大量的次品，因此要求变频器及相应的电控设备具有长期不出故障的高可靠性。

3、起动平稳且各电机的起动时间应一致

印染机械一般是多电机同步运行，各电机功率差别较大（从几百瓦到几十千瓦），所带负载差别亦较大，要想使电机同时起动并在相同的时间内达到工艺要求的转速，即各电机在起动阶段就达到同步运行，就要根据电机功率大小及所带负载情况对各变频器的加速时间、起动频率、转矩提升等进行合理的设置。

4、快速制动

由于各电机负载差别较大，若停车时各电机自由运行，会由于惯性差别较大而使各电机完全停车的时间不一致，造成布料撕裂或布料堆积引起机械故障，同时还会对下次开车增加难度。

因此除对变频器的有关参数进行合理的设置外，还要根据各变频器的功率配备合理的制动电阻，使各电机快速停车。

（三）系统控制方案设计

印染机械有烧毛机、退浆机、退煮漂联合机、打底机、显色皂洗机、水洗机、印花机、布铗丝光机、烘干机等多种，品种千差万别，功能各不相同，电机数量及功率差别较大（电机功率一般在0.6kW～40kW范围内），但就其电气传动原理而言，却是大同小异。

现以比较简单的LMH101烘干机为例来说明，如图1-1所示。

布料经上浆槽由轧车电机拖进1#烘干机，在进行烘干之前，先经过张力架（也叫松紧架），布料从1#烘干机出来之后再经张力架进入2#烘干机，从2#烘干机出来之后经张力架和落布架落入出布车，整个工作过程结束。

在烘干机中通常将轧车电机作为主令单元，而其它电机全部作为从动单元，主令单元没有张力架，是全机速度的基准，各从动单元都有各自的张力架，要根据布张力的大小调整相应电机变频器的给定频率，使之与主令机同步运行。

张力架可以上下活动，布料太紧时，张力加大，张力架向下移动，需要使张力架后面的电机变慢或张力架前面的电机变快；布料松时张力减小，张力架向上移动，需要使后面的电机变快或使前面的电机变慢。

应当注意，不一定将第一台电机作为主令机。

哪台电机作为主令机应根据电机功率和工艺要求由印染机械制造厂决定，张力架是控制前面的电机还是控制后面的电机应根据主令机的位置及张力架的位置决定。

烘干机四台电机功率为：

轧车5.5KW，1#烘干2.2KW，2#烘干2.2KW，落布1.1KW，主电路如图1-2所示。

电机容量由印染机械厂提供，为便于同步，一般选用容量较大的电机，即存在着大马拉小车现象，除非机械有故障不会出现过载现象，因此变频器的容量只须与各单元的电动机容量相符即可。

图1-2LMH101烘干机同步调速系统的主电路

印染机械的同步控制并非纯理论上的使各电机的线速度完全一致。

布料在加工过程中，要进行蒸、煮、酸洗、碱洗、上浆、水洗、上色等多种工艺。

由于布料的品种不同，加工工艺不同，存在着布料缩水及伸长现象。

有些工艺要缩水，有些工艺要伸长，实际上各电机的线速度并不完全相同，要根据布的张力来调节各电机的速度。

反馈信号是不断变化的。

因此，在稳定时除了UG1保持不变外，其它各变频器的频率给定信号（UG2、UG3、UG4、UG5）也是不断变化的。

整个系统维持动态平衡，达到所谓的同步运行。

由图1-1可知，布料的张力可以从张力架的位置反映出来，然后通过传感器得到偏差信号UF，反馈到控制中心，控制中心将反馈信号UF与标准给定信号UG比较后给出各变频器的频率给定信号，控制各变频器运行。

同步控制示意图如图1-3所示。

反馈信号UF可以是电阻、电流或电压信号，信号的种类及大小随传感器品种不同而异，同步控制中心的任务是根据反馈信号UF提供各变频器的给定信号，对于不同的反馈信号，控制中心对信号的处理方式有区别，但最终都是处理成变频器能接受的直流电压信号（例如0～10V）或直流电流信号（例如4～20mA）。

另外，也可以用专用的同步控制器来完成，但当实际的反馈信号与同步控制器所要求的反馈信号不一致时，需要先对反馈信号进行处理。

图1-3同步控制示意图

二、系统硬件选型

（一）PLC的选型

1、机型的选择

PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。

在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。

对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。

而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现ＰＩＤ运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。

其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。

对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。

这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。

2、输入/输出的选择

PLC的输入/输出选择包括以下几部分：

1）确定I/O点数

根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。

对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。

2）开关量输入/输出

通过标准的输入/输出接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。

典型的交流输入/输出信号为24～240V，直流输入/输出信号为5～240V。

3）模拟量输入/输出

模拟量输入/输出接口一般用来感知传感器产生的信号。

这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。

这些接口的典型量程为－10～＋10V、4～20mA或10～50mA。

4）特殊功能输人/输出

5）智能式输入/输出

3、PLC存储器类型及容量选择

PLC系统所用的存储器基本上由PROM、E-PROM及PAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的最大存储能力低于6kB，中型机的最大存储能力可达64kB，大型机的最大存储能力可上兆字节。

使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。

PLC的存储器容量选择和计算的第一种方法是：

根据编程使用的节点数精确计算存储器的实际使用容量。

第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表4的公式来估算。

为了使用方便，一般应留有25%～30%的裕量，获取存储容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。

知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。

4、软件选择

在系统的实现过程中，PLC的编程问题是非常重要的。

用户应当对所选择PLC产品的软件功能有所了解。

通常情况下，一个系统的软件总是用于处理控制器具备的控制硬件的。

但是，有些应用系统也需要控制硬件部件以外的软件功能。

例如，一个应用系统可能包括需要复杂数学计算和数据处理操作的特殊控制或数据采集功能。

指令集的选择将决定实现软件任务的难易程度。

可用的指令集将直接影响实现控制程序所需的时间和程序执行的时间。

5、支撑技术条件的考虑

选用PLC时，有无支撑技术条件同样是重要的选择依据。

支撑技术条件包括下列内容：

1）编程手段

2）进行程序文本处理

3）程序储存方式

4）通信软件包

6、PLC的环境适应性

（二）变频器选型

1、变频器简介

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电电源变换为另一频率的电能控制装置。

可分为交——交变频器，交——直——交变频器。

交——交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电；交——直——交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。

为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。

把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”（逆变器）。

一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。

对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。

变频器主要是由主电路、控制电路组成。

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

2、变频器选型

通用变频器的选择包括通用变频器的型式选择和容量选择两个方面，选择的原则是：

首先其功能特性能保证可靠地事项工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。

通用变频器类型的选择要根据负载特性进行。

对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择专用或普通功能型通用变频器。

对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，这种通用变频器低速转矩、静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。

为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大通用变频器容量的办法。

对于要求精度高、动态性能好、速度响应快的生产机械（如造纸机械、注塑机、轧钢机等），应采用矢量控制或直接转矩控制型通用变频器。

此次课程设计选择两台变频器，互为备用，保证系统可靠运行。

变频器选FR—E540—2.2KW三菱变频器。

（三）传感器选型

要用张力架的上下移动来直接控制变频器是不可能的，必须用传感器来将张力架的上下移动变成相应的物理量变化，如电阻、电压或电流的变化。

用于印染机械的传感器可根据是否与张力架有机械连接分为接触式与非接触式两大类。

接触式传感器是由张力架的上下移动而带动旋转的电位器、旋转变压器及各类专用的传感器等，优点是稳定性好，线性度较高；缺点是除旋转变压器外，多数都是由张力架带动线绕电位器旋转，不同的传感器，只是对电阻信号的处理方式不同（可处理成正负电压信号或正负电流信号），电位器体积小，机械强度差，再加上每日24小时连续工作，很容易损坏，故障率较高，并且电位器长期放在潮湿、灰尘多且含有酸碱蒸气的环境中，也是容易损坏的原因之一。

非接触式传感器主要有超声波传感器、涡流式线位移传感器等，靠非接触式来探测张力架的位置，变成相应的电压信号输出，一般将传感器整体用环氧树脂密封在塑料容器中，与外界彻底隔离，又没有机械接触，故障率很低，被广泛采用，缺点是对温度比较敏感，温度变化对参数影响较大，因此应尽量避免在温差较大的场合使用。

为了保证设备的安全，在张力太大或太小时应全机停车，停车由限位开关来完成，除了主令电机外，其它电机的拖动系统都安装张力架，限位开关和传感器安装在一起，限位开关动作时，发出停车信号，使全机停车。

非接触式传感器也可以不装限位开关，根据传感器信号的大小由模拟电子线路驱动中间继电器，再由中间继电器的触点控制停车。

（四）同步控制器选型

一、SLC04C22A（B）同步控制器的功能

功能实用，抗干扰能力强，稳定可靠。

具有如下特点：

1、该设备由四个单元组成，一路内部主给定，一路外部主给定，四路外部反馈给定反馈采用0-10V内部电源。

2、内部主给定GD可采用UP、DOWN键调整。

3、参数自动记忆，掉电不丢失。

二、端子说明

1#：

L工作电源端（220V～）。

2#：

N工作电源端（220V～）。

3#：

TC继电器J的常开触点，系统开机时动作。

4#：

TA继电器J的公共端。

5#：

TB继电器J的常闭触点。

6#：

GND四单元地。

7#：

V4第四单元输出端（0-10V）。

8#：

GND第三单元地。

9#：

V3第三单元输出端（0-10V）。

10#：

GND第二单元地。

11#：

V2第二单元输出端（0-10V）。

12#：

GND第一单元地。

13#：

V1第一单元输出端（0-10V）。

14#：

VF1反馈给定一输入端（A型-5V～+5V/B型0～10V）。

15#：

VF2反馈给定二输入端（A型-5V～+5V/B型0～10V）。

*16#：

GND反馈给定电源（A型-5V/B型地）。

*17#：

+10V反馈给定电源（A型+5V/B型+10V）。

18#：

VF3反馈给定三输入端（A型-5V～+5V/B型0～10V）

19#：

VF4反馈给定四输入端（A型-5V～+5V/B型0～10V）。

20#：

GND反馈给定三、四输入地。

21#：

+10V外部主给定电源。

22#：

GI外部主给定输入端。

23#：

GND外部主给定电源地。

24#：

UP升速端子。

（公共端为GND）

25#：

DOWN减速端子。

（公共端为GND）

26#：

RS启动控制端子。

（公共端为GND）

*特别提示：

04C22A型与04C22B型的区别在于B型的16#端子为GND、17#端子为+10V。

A型的16#端子为-5V、17#端子为+5V。

三、印染机械多电机同步调速系统的原理图

（一）主电路

烘干机四台电机功率为：

轧车5.5KW，1#烘干2.2KW，2#烘干2.2KW，落布1.1KW，主电路如图3-1所示。

电机容量由印染机械厂提供，为便于同步，一般选用容量较大的电机，即存在着大马拉小车现象，除非机械有故障不会出现过载现象，因此变频器的容量只须与各单元的电动机容量相符即可。

图3-1主电路

（二）PLC控制电路

LMH101轧水烘干机电控柜控制电路的接线图如图3-2所示。

图中按钮SB11为外部停车按钮，SQ2～SQ4为限位开关。

控制线路的工作过程读者自行分析。

在电机数量较多的同步调速控制系统中，一般采用PLC的输出控制中间继电器，再用中间继电器的触点控制变频器和信号灯。

以上电路使用施耐德PLC控制后，图3-1所示的主电路改为图3-3，图3-2所示的控制电路如图3-3所示。

在图3-3中，1SB～4SB为各电机的预选按钮，增加了按钮SB5为电机全选按钮，在系统正常运行与停车时，SB5用得较多。

SB3为外部停车按钮，当外部停车按钮较多时，各停车按钮可以串联，也可以全部都接在PLC的输入端，并相应修改程序。

图3-2PLC控制电路图

图3-3PLC端子接线图

（三）变频器控制电路

变频器的作用是用于电机的起、停和调速控制，其控制电路图图3-4。

图3-4变频器控制电路接线图

四、印染机械多电机同步调速系统变频器的故障分析

当变频器出现故障（或设置为电机过载）或者松紧架越位时，迅速全机停车，相应的信号灯亮作为指示，我们还可以用蜂鸣器报警。

根据图3-4可以画出PLC的参考梯形图如图4-1所示。

图中的S13的作用是在突然断电恢复供电后系统不能自动运行，保证系统安全。

图4-1PLC参考梯形图

五、小结

为期一周半的电拖课程设计已经接近尾声了。

通过这次的课程设计，我对变频器的性能和应用有了进一步的了解，了解了一般交直流调速系统设计过程及设计要求，并巩固了交直流调速系统课程的所学内容，初步具备设计电力拖动自动控制系统的能力。

在本次课程设计的过程中，通过自己思考，动手实践，我对电力拖动的控制理论有了更为深刻的理解，之前在书本上学到的知识得以结合实践。

我达到了课程设计的要求与目的，熟悉了交直流调速系统设计的一般设计原则，设计内容以及设计程序的要求；也掌握了控制系统设计制图的基本规范，熟练掌握电气控制部分的新图标；又学会收集、分析、运用自动控制系统设计的有关资料和数据；还培养了独立工作能力、创造能力及综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力。

同时，通过设计调速系统，我对PLC的应用和计算机控制技术有了更多的了解。

之前我们学习到的知识基本都是抽象的，而这次的课程设计，很好地将理论结合实际，将PLC、计算机控制技术和电力拖动的知识有效地联系起来，通过实际的设计和分析，从而掌握了相关的知识。

当然，在设计过程中我也遇到了很多问题，之前并没有系统的去学过变频器的工作原理及其相关的应用，所以必须要学习变频器的相关知识，尤其是变频器的使用。

当然，在此过程中，我与同学分工协作，相互讨论，共同努力，并且在老师的悉心指导与帮助下，如期完成了课程设计。

这次课程设计让我学到了不少的东西，可以说是收益匪浅，在课程设计中，两位老师给了我们悉心的指导和帮助，在此谨表示感谢。

六、参考文献

[1]陈伯时主编电力拖动自动控制系统（第二版）机械工业出版社1992

[2]陈伯时,陈敏逊交流调速系统机械工业出版社1998

[3]张燕宾著SPWM变频调速应用技术  机械工业出版社1997

[4]王兆义主编《可编程控制器教程》主编

[5]徐世许主编《可编程控制器教程原理、应用、网络》主编

[6]《工厂常用电气设备手册》（第2版）上、下册中国电力出版社