基于PLC控制的交流电动机的变频调速系统.docx
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基于PLC控制的交流电动机的变频调速系统
基础课程设计（论文）
基于 PLC 的可逆变三相异
步电机调速系统
学生姓名：
指导教师：
学生学号：
专业：
信息技术学院电气工程系
2012 年 12 月 14 日
摘要
摘要
本论文设计了基于 PLC 的可逆变三相异步电机调速系统，实现三相异步电动
机的正反转控制。
与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活
性强等优点。
三相异步电动机的应用广泛，具有机构简单，效率高，控制方便，
运行可靠的优点。
本文研究的这个系统的控制是采用 PLC 的编程语言----梯形图,
梯形语言是在可编程控制器中的应用最广的语言，因为它在继电器的基础上加进
了许多功能，使用灵活的指令，使逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强，所
实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路。
它采用可编程序的存储器，用来
在内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数等操作的指令，并采用数字式，
模拟式的输入和输出，控制各种的机械或生产过程。
关键词：
PLC三相异步电动机可编程控制梯形图
I
引言
摘要.........................................................I
目录.......................................................III
引言........................................................IV
1.频调速系统.................................................1
1.1 变频调速系统....................................................1
1.1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理 ........................1
1.1.2 变频调速原理 ..............................................1
1.1.3 变频调速的基本控制方式 ....................................2
1.2 三相异步电动机的正反转工作过程..................................4
1.2.1 三相异步电动机的原理.......................................4
1.2.2 三相异步电动机的制动 ......................................4
2.异步电动机的 PLC 控制.......................................5
2.1 三相异步电机的正反转 PLC 控制 ....................................5
2.2 PLC 定时器控制电动机正反转互锁的设计 ............................7
2.2.1 PLC 定时器控制电动机正反转电路的主接线图...................7
2.2.2 PLC 定时器控制三相异步电动机正反转的梯形图.................8
2.2.3 定时器控制电动机正反转的指令表程序.........................9
2.2.4 PLC 的 I/O 分配.............................................9
2.2.5 实体框形图 ...............................................10
2.3 三相异步电动机使用 PLC 控制优点.................................11
结论......................................................12
参考文献....................................................13
III
引言
引言
三相异步电动机的应用非常广泛，具有机构简单，效率高，控制方便，运行
可靠，易于维修成本低的有点，几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域,在
这些应用领域中,三相异步电动机运行的环境不同，所以造成其故障的发生也很频
繁，所以要正确合理的利用它。
要合理的控制它。
我研究的这个系统的控制是采用 PLC 的编程语言----梯形图,梯形语言是在可
编程控制器中的应用最广的语言，因为它在继电器的基础上加进了许多功能，使
用灵活的指令，使逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强，所实现的功能也大
大超过传统的继电器控制电路，可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，
它是专为在恶劣工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在内部
存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术等操作的指令，并采用数字式，
模拟式的输入和输出，控制各种的机械或生产过程。
长期以来，PLC 始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动
化设备提供了非常可靠的控制应用，它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比
较完善的解决方案，适合于当前工业，企业对自动化的需要。
进入 20 世纪 80 年
代，由于计算机技术和微电子技术的迅猛发展，极大地推动了 PLC 的发展，使得
PLC 的功能日益增强，目前，在先进国家中，PLC 已成为工业控制的标准设备，应
用面几乎覆盖了所有工业，企业。
由于 PLC 综合了计算机和自动化技术，所以它
发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平，它不但可以很容易的完成逻辑，
顺序，定时，计数，数字运算，数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建
立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动化控制。
特
别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息，网络时代的到来，扩展了 PLC 的功
能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛的运用于众多行业。
IV
课程设计论文
1.频调速系统
1.1 变频调速系统
1.1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理
三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。
一般电动机主要由两部
分组成：
固定部分称为定子，旋转部分称为转子。
三相交流异步电动机的工作原
理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。
当
磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。
电动势的方向由右手定则来确定。
因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条
沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。
在电动势的作用下，闭
合的导条中就产生电流。
该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到
电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。
由电磁力进而产生电磁转矩，转子就
转动起来。
1.1.2 变频调速原理
变频器可以分为四个部分，如图 1.1 所示。
通用变频器由主电路和控制回路组成。
给异步电动机提供调压调频电源的电
力变换部分，称为主电路。
主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、
逆变器。
整流器平波电路逆变器M
控制电路
图 1.1 变频器简化结构图
1
课程设计论文
⑴ 整流器。
它的作用是把工频电源变换成直流电源。
⑵平波回路（中间直流环节）。
由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性
负载。
无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于 1。
因
此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中
间直流环节的储能元件—电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中
间储能环节。
⑶ 逆变器。
与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的
交流功率。
逆变器的结构形式是利用 6 个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器
电路。
通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三
相交流输出波形。
⑷ 控制回路。
控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电
路，驱动电路和制动电路等构成。
其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整
流器的电压控制，以及完成各种保护功能。
控制方式有模拟控制或数字控制。
1.1.3 变频调速的基本控制方式
⑴ 普通控制型 V/f 通用变频器
① 普通控制型 V/f 通用变频器是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路
比较简单；电动机选择通用标准异步电动机，因此其通用性比较强，性价比比较
高，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。
② 具有恒定磁通功能的 V/f 通用变频器
为了克服普通控制型的 V/f 通用变频器对 V/f 的值进行调整的困难，如果采用
磁通反馈，让异步电动机所输入的三相正弦电流在空间产生圆形旋转磁场，那么
就会产生恒定的电磁转矩。
这样的控制方法叫做磁链跟踪控制。
由于磁链的轨迹
是靠电压相加矢量得到的，所以磁链跟踪控制也叫做电压空间矢量控制。
2
课程设计论文
⑵ 矢量控制方式
矢量控制方式的基本思想是：
仿照直流电动机的调速特点，使异步交流电动
机的转速也能通过控制两个互相独立的直流磁场进行调节。
矢量控制方式分为无
速度传感器的矢量控制和有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制。
无速度传感器的矢量控制。
它是对异步电动机进行单电动机传动的典型模式。
主要性能是：
在 1：
10 的速度范围内。
速度精度小于 0.5%，转速上升时间小于
100ms；在额定功率 10%的范围内，采用电流闭环控制的转速开环控制。
工作模
式可采用软件功能选择。
当工作频率高于额定频率的 10%时，进入矢量控制状态。
转速的实际值可以利用由微型机支持的对异步电动机进行模拟的仿真模型来计算。
有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制。
这种方式的主要特征更是：
在速
度设定值的全范围内，转矩上升时间大约为 15ms，速度设定范围大于 1：
100；
对于闭环控制而言，转速上升时间不大于 60ms。
3
课程设计论文
1.2 三相异步电动机的正反转工作过程
1.2.1 三相异步电动机的原理
图 1-4 三相异步电动机正反转电路
在选择断路器时，我们不仅要关注断路器的延迟曲线等主要指标，还应重视
它的很多次要功能，这些常容易被忽略的性能不仅能为一个良好的设计锦上添花，
而且还能帮助工程师们为其应用设计精密的保护电路。
辅助接点（辅助开关）：
它们是与主接点电隔离的接点，适用于报警和程序
开关。
辅助接点可用于向操作人员或控制系统告警，发出警报，或在重要应用中
接通备用电源。
1.2.2 三相异步电动机的制动
三相异步电动机脱离电源之后，由于惯性，电动机要经过一定的时间后才会
慢慢停下来,但有些生产机械要求能迅速而准确地停车，那么就要求对电动机进
行制动控制。
电动机的制动方法可以分为两大类：
机械制动和电气制动。
机械制
动一般利用电磁抱闸的方法来实现；电气制动一般有能耗制动、反接制动和回馈
发电制动三种方法。
4
课程设计论文
2.异步电动机的 PLC 控制
2.1 三相异步电机的正反转 PLC 控制
在生产过程中 ,往往要求电动机能够实现正反两个方向的转动 ,如起重机
吊钩的上升与下降 ,机床工作台的前进与后退等等。
由电动机原理可知，只要
把电动机的三相电源进线中的任意两相对调，就可改变电动机的转向。
因此正
反转控制电路实质上是两个方向相反的单相运行电路，为了避免误动作引起电
源相间短路，必须在这两个相反方向的单向运行电路中加设必要的互锁。
按照
电动机可逆运行操作顺序的不同，就有了 “正-停-反”和“正-反-停”两种
控制电路 .在正反两个接触器中互串一个对方的动断触点，这对动断触点称为
互锁触点或连锁触点。
这样当按下正转启动按钮SB2 时，正转接触器 KM1 线
圈通电，主触点闭合，电动机正转，与此同时由于KM1 的动断辅助触点断开
而切断了反转接触器 KM2 的线圈电路。
因此，即使按反转启动按钮 SB3，也
不会使反转接触器的线圈通电工作。
同理，在反转接触器KM2 动作后，也保
证了正转接触器 KM1 的线圈电路不能再工作。
图 2-1 三相异步电动机正反转继电器控制
5
指令程序
地址
指令
数据
0000
LD
0001
0001
OR
0500
0002
AND-NOT
0000
0003
AND-NOT
0501
0004
OUT
0500
0005
LD
0002
0006
OR
0501
0007
AND-NOT
0000
0008
AND-NOT
0500
0009
OUT
0501
0010
END（01）
课程设计论文
图 2-2 I/O 三相异步电动机的 PLC 控制接线
图 2-3 三相异步电动机的 PLC 控制梯形
表 2—1 指令程序
PLC 控制的 工作过程的分析 ：
按下 SB2，输入继电器 0001 动合触点闭合，输出继电器 0500 线圈接
6
课程设计论文
通并自锁，接触器 KM1 主触点，动合辅助触点闭合，电动机 M 通电正转。
按下 SB1，输入继电器 0000 动断触点断开，输出继电器 0500 线圈失
电， KM1 主触点，动合辅助触点断开，电动机 M 断电停止正转
按下 SB3,0002 动合触点闭合 ,0501 线圈接通并自锁 ,KM2 主触点 ,动合辅
助触点闭合 ,电动机 M 通电反转
为了避免短路事故的发生所以我们利用接触器连锁保护的接触器电路。
三相
异步电动机的正反转控制线路作为一个基本控制环节，在电气控制线路中应用的
非常广泛。
接触器互锁的三相异步电动机正反转的控制线路更是取代了传统的继
电器控制线路，使电动机的控制有了进一步的提高。
接触器互锁的三相异步电动机正反转控制线路如图 3-1 所示。
线路中采用了
两个接触器，即正转用的接触器 KM1 和反转用的接触器 KM2，它们分别由控制按
钮 SB2、SB3 控制。
这两个接触器的主触头所接通的电源相序不同，KM1 按
L1—L2—L3 相序接线，KM2 则对调了两相的相序。
控制电路有两条，一条由按
钮 SB2 和 KM1 线圈等组成正转控制电路；另一条由按钮 SB3 和 KM2 线圈等组
成的反转控制电路。
2.2 PLC 定时器控制电动机正反转互锁的设计
2.2.1 PLC 定时器控制电动机正反转电路的主接线图
为了在控制的过程中体现科技化和智能化，同时为了在控制过程中克服接触
器互锁的三相异步电动机正反转电路的缺点，本文也可采用定时器控制三相异步
电动机正反转。
利用定时器控制三相异步电动机正反转在工业控制中得到广泛利
用，这种方法使得控制更加简单、方便，而且可以根据不同的需要设定正反转的
时间且易于实现。
用 PLC 定时器控制的三相异步电动机正反转互锁的主接线图如
图 3-4 所示。
其工作原理如下所示。
定时器控制三相异步电动机正反转原理和接
触器控制三相异步电动机正反转的原理基本相同，不同的是当电动机开始正转时，
定时器 T1 开始运行且计时开始，20S 后电动机停止正转，此时定时器 T2 开始运
行并且计时，6S 后电动机开始反转，同时定时器 T3 开始运行并计时开始，20S 后
电动机停止反转，定时器 T4 开始计时，6S 后电动机又开始正转。
如此循环进行，
本文也可根据控制的需要设定不同的正转、反转和停止的时间。
7
课程设计论文
图 2-4
2.2.2 PLC 定时器控制三相异步电动机正反转的梯形图
根据互锁的三相异步电动机正反转控制电路及 I/O 分配表整理后可得到定时
器控制的三相异步电动机正反转的梯形图，如图 3-5 所示。
图 3-5定时器控制的三相异步电动机正反转
2.2.3 定时器控制电动机正反转的指令表程序
PLC 定时器控制三相异步电动机正反转互锁的指令表程序如表 3-2 所示。
8
程序步
编号
指 令
操作数
说明
0
LD
IX0.0
正转启动触点 IX0.0
1
OR
Y0
2
ANDNOT
IX0.1
反转启动触点 IX0.1
3
OUT
Y0
LD
Y0
5
ANDNOT
T4.Q
6
OR
T1
正转定时器，定时 20S
7
LD
T1.Q
8
OR
T2
停止定时器，定时 6S
9
LD
T2.Q
10
OR
T3
反转定时器，定时 20S
11
LD
T3.Q
12
OR
T4
停止定时器，定时 6S
13
LD
Y0
14
ANDNOT
T1.Q
15
OUT
QX0.0
正转输出线圈 QX0.0
16
LD
Y0
17
AND
T2.Q
18
ANDNOT
T3.Q
19
OUT
%QX0.1
反转输出线圈 QX0.1
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表 2-2 接触器互锁正反转电路指令表
2.2.4 PLC 的 I/O 分配
由图 3-1 可以看出，该电路的输入设备有正转启动按钮 SB2、反转启动按钮
SB3、停止按钮 SB1、热继电器辅助动断触点 FR，其输出设备有两个，一个是正转
接触器线圈 KM1，另一个是反转接触器线圈 KM2。
现将 PLC 的输入/输出继电器分
配给上述输入/输出设备，即可列出其用 PLC 控制的 I/O 分配表，如表 3-3 所示。
表 3-3 PLC 控制接触器互锁的正反转控制电路 I/O 分配表
9
输入分配
输出分配
元件名称
PLC 输入点编号
元件名称
PLC 输入点编号
正转启动
I0.0
正转接触器线圈
KM1
Q0.0
反转启动
I0.1
反转接触器线圈
KM2
Q0.1
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2.2.5 实体框形图
由于设计中的仪器不容易画出其具体模型，故用方框图来表示其实体的接线
图，如图 3—6 所示。
图 2—6 PLC 控制线路实体框形
2.3 三相异步电动机使用 PLC 控制优点
本文设计就对三相异步电动机的正反转控制，顺序起动等系统进行了设计，
还有其它的像制动和调速控制在这里我就没有设计，其实主电路都是一样的，
就控制电路有一点小差异，使用 PLC 控制三相异步电动机有很多好处的：
不易
老化，设备简单，结构合理，便于控制价格便宜等。
10
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plc 的通用性 可靠性 检修快速性 安全性 是非常强大的，所以用其控制是
非常方便的，值得一提的是他的价格可能会高一些，但是绝对是物超所值。
11
课程设计论文
结论
本次论文我研究了用 plc 简单地控制三相异步电动机，我感觉这样的设计
使系统很稳定，在工厂或者农业生产中都有很大的作用，达到了研究的目的。
通过概述使大家充分了解了该控制系统的原理和功能。
摘要部分概要介绍了其
可靠性和实用性， 绪论部分介绍了电动机控制方面的背景、本文设计的目的、
意义及主要内容等；第一章三相异步电动机基础 介绍了三相异步电动机的
基本结构、工作原理、几个工作过程的分析等；第二章PLC 基础 PLC 的定义、
与继电器控制的区别、工作原理、应用分类等。
第三章三相异步电动机的
PLC 控制从系统原理的角度得出系统分为模拟和数字两部分；第五部分进行
了总结。
通过本次电路的设计，我对三相异步电动机的PLC 控制系统原理有了进
一步的了解，在三相异步电动机的 PLC 控制分析中对 PLC 产生了浓厚的兴趣，
提高了理论结合实际的能力，由于本人水平有限，时间紧促，对其中的原理和
实际操作方法不是很熟悉。
以后还得更加努力的研究，论文中有不对或者欠缺
的地方请老师斧正。
12
课程设计论文
参考文献
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