PLC变频器在交流电动机调速控制中的应用.docx
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PLC变频器在交流电动机调速控制中的应用
PLC变频器在交流电动机调速控制中的应用
PLCinverterintheapplicationofacmotorspeedcontrol
摘要
随着经济的飞速发展，科技飞跃的进步，工业生产技术伴随科技的进步而前进，在市场经济环境中，企业要生存就要寻求发展，不仅产品的改良和开发要适应市场需要，而且生产设备也要改造。
无论是机床、生产线或是自动控制系统等很多现代化设备都广泛使用交流电动机变速拖动控制，比较传统的控制方法十分复杂的控制线路，许多线路交织在一起，器件繁琐数量多，维修十分不方便，既费时费力又影响生产，使企业效益无法提高。
传统控制线路中电动机调速不精确，生产出的产品质量也不是很好。
为了保障产品的质量和生产效率，要使电动机调速更精确，我设计了采用可编程过程控制器PLC与变频器，自动控制交流电动机转速，自动调节压力的方法。
PLC的通用性、可扩展性优于传统接触器，线路简单利于设备的检修维护，而且控制准确系统误差小。
用变频器调速交流异步电动机的转速，可以精确控制电动机拖动系统的每一个环节，可以节省电能的消耗，把握好生产过程；而且系统的抗干扰性强，控制转速的快速性、准确性、稳定性也很好。
通过PLC程序驱动变频器控制，一台交流三相异步电动机调整转速，以此取代由现场人工调节阀门从而调整压力的控制系统，不但达到同样的控制目的，而且同时也便于设备维护。
关键词：
PLC；变频器；变频调速
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofeconomy,scienceandtechnologyleapprogress,industrialproductiontechnologyalongwiththeprogressofscienceandtechnologyandforward,inamarketeconomyenvironment,theenterprisewantstosurviveseekdevelopment,notonlytheproductimprovementanddevelopmentinordertoadapttotheneedsofthemarket,butalsotoimproveproductionequipment.Whethermachine,productionlineorautomaticcontrolsystemandsoonmanymodernequipmentarewidelyusedacmotorspeedmotioncontrol,comparethetraditionalcontrolmethodisverycomplexcontrolcircuit,manylinemixedtogether,devicetrivalquantity,whichisconvenientformaintenance,bothtime-consumingandaffectproduction,maketheenterprisebenefitcan'timprove.Thetraditionalcontrolcircuitofmotorspeedcontrolinaccuracy,productionoftheproductqualityisnotverygood.Inordertoensureproductqualityandproductionefficiency,tomakethemotorspeedcontrolmoreaccurate,andIdesignedbyusingtheprogrammableprocesscontrollerPLCandfrequencyconverter,automaticcontrolofacmotorspeed,automaticregulatingpressuremethod.PLCgenerality,scalabilityisbetterthantraditionalcontactor,thecircuitryissimplefortheequipmentmaintenance,andcontrolaccuratesystemerrorissmaller.Withfrequencyconverterspeedcontrolacasynchronousmotorspeed,canaccuratecontrolmotordrivesystemineveryaspect,cansaveelectricenergyconsumption,andgraspthegoodproductionprocess;Andtherobustofsystem,thecontrolspeedofrapidity,accuracyandstabilityisalsoverygood.ThroughthePLCprogramdriveinvertercontrol,aacthree-phaseasynchronousmotorspeedadjustment,soastoreplacebytheartificialregulationvalvesoastoadjustthepressurecontrolsystem,notonlytoachievethesamecontrolpurpose,andatthesametimealsofacilitatemaintenance.
Keywords：
PLC;inverter;variablefrequencyspeedregulation
目录
第一章变频器的介绍及其相关知识………………………………
（1）
第一节变频器的简介………………………………………………
（1）
第二节变频器的结构………………………………………………
（1）
第三节变频器种类…………………………………………………
（2）
第四节变频器的应用领域…………………………………………（4）
第五节变频器的维护………………………………………………（5）
第六节变频器的类型分析…………………………………………（6）
第二章可编过程控制器（PLC）的介绍……………………………（7）
第一节PLC定义及发展历程………………………………………（7）
第二节PLC的构成与实现控制的原理……………………………（7）
第三节PLC的基本特点……………………………………………（11）
第四节PLC的运行模式与应用……………………………………（12）
第三章变频器在恒压供水控制系统的应用方案……………（12）
第一节系统构成与选型…………………………………………（12）
第二节控制系统的I/O点及地址分配…………………………（20）
第三节电气控制原理图及程序设计……………………………（21）
参考文献……………………………………………………………（28）
致谢…………………………………………………………………（29）
第一章变频器的介绍及其相关知识
第一节变频器的简介
变频器（frequencychanger/frequencyconverter）是一种用来改变交流电频率的电气设备。
此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。
过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。
随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。
变频器通常包含2个组成部分：
整流器（rectifier）和逆变器（Inverter）。
其中，整流器将输入的交流电转换为直流电，逆变器将直流电再转换成所需频率的交流电。
除了这2个部分之外，变频器还有可能包含变压器和电池。
其中，变压器用来改变电压并可以隔离输入/输出的电路，电池用来补偿变频器内部线路上的能量损失。
不同的变频器能够处理的电源功率是不一样的，从几瓦到几兆瓦都有。
通过变频器把50（或60）Hz的交流电变成频率可调的交流电，供给交流电动机，用以改变交流电动机的运转速度的技术，称为交流电动机的变频调速技术
第二节变频器的结构
变频器主要是由主电路、控制电路组成。
一、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”。
（1）整流器：
最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
（2）平波回路：
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
（3）逆变器：
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
二、控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：
与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：
驱动主电路器件的电路。
它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路:
以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路:
检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
第三节变频器的种类
一、按变换环节分类
变频器根据其变频的原理分为直接变频和间接变频。
直接变频为交——交变频。
交——交变频器把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。
间接变频为交——直——交变频；间接变频是指将交流经整流器后变为直流，然后再经逆变器调制为频率可调的交流电。
这两类变频器的主要特点比较如：
表1-1所示。
交——直——交变频器又分为两种，其区别在于整流器，即可控整流器和不可控
整流。
表1-1
交——交变频器
交——直——交变频器
换能
方式
一次换能，效率较高
二次换能，效率略低
换流
方式
电网电压换流
强迫换流或负载换流
装置元
件数量
比较多
比较少
组件
利用率
比较低
比较高
调频
范围
输出最高功率为电网功率的1/3-1/2
频率调节范围宽
电网功率因数
比较低
如用可控整流，则低频低压是功率因数比较低；用不可控整流PWM方式调压，则功率因数高
适用
场合
低速大功率
用于各种拖动装置、稳压稳频电源和不间断电源
二、按滤波方式分类
（1）电压型变频器
在交——直——交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下可以等效成一个内阻抗为零的恒压源，输出的交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压型变频器。
（2）电流型变频器
在交——直——交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流型变频器。
三、按电压的调制方式分类
（1）PAM（脉幅调制）
所谓PAM，是pulseamplitudemodulation的简称。
PAM是通过调节输出脉冲的幅值来调节输出电压的一种方式。
（2）PWM（脉宽调制）
所谓PWM，是pulsewidthmodulation的简称。
它是通过改变输出脉冲的宽度和占空比来调节输出电压的一种方式。
四、按输入电源的相数分类
（1）三进三出变频器
变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电，绝大多数变频器都属于此类。
（2）单进三出变频器
变频器的输入侧为单相交流电，输出侧是三相交流电，家用电器里的变频器都属于此类，通常容量较小。
五、按控制方式分类
（1）V/f控制（即VVVF变频器控制）
V/f控制的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制。
V/f控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在各个领域得到广泛应用。
（2）转差频率控制变频调速
转差频率控制需检测出电动机的转速，构成速度闭环。
速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。
与V/f控制方式相比，加减速特性和限制过电流的能力得到提高。
另外，还有速度调节器，它是利用速度反馈进行速度闭环调制。
（3）矢量控制变频调速技术
矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它的基本思路是：
将异步电动机的定子电流分为磁场电流的分量（励磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制。
（4）直接转矩控制变频技术
矢量控制在实际应用中比较复杂，使实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
直接转矩控制变频技术在很大程度上解决了矢量控制的不足，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了迅速发展。
六、按用途分类
（1）通用变频器
通用变频器是指能与普通的笼型异步电动机配套使用，能适应各种不同性质的负载，并具有多种可供选择功能的变频器。
（2）高性能专用变频器
与通用变频器相比，其大多数采用矢量控制方式，驱动对象通常是变频器厂家指定的专用电动机。
（3）高频变频器
为了满足高速电动机的驱动要求，出现了采用PAM控制方式的高频变频器，其输出频率可达到3KHz。
七、按变频器的供电电压的高低分类
（1）低压变频器：
低压变频器指输入电源电压为110V-1KV的中、小容量的变频器。
（3）高压变频器
高压变频器指输入电压为1KV以上的变频器。
第四节变频器的应用领域
通用变频器控制异步电动机电力传动，实现被控对象的调速所构成的调速控制系统，在工业生产领域和民用生活领域都得到了广泛的应用。
由于其发挥的作用日益巨大，市场前景广阔，生产厂家展开了技术上和商业上的竞争，变频器的设计和制造还在不断的发展。
从变频器使用的目的和传动的效能来看，其目的和应用领域如表1-2所示。
表1-2
序号
变频器传
动的效能
应用领域
主要相关技术
适用
变频器
1
节能
风机、泵、提升机、挤压机、搅拌机、传送带、工业洗衣机等
调速控制
通用型
2
提高生产率
提升机、起重机、机床、食品机械、挤压机、自动仓库中传动等
运行程序或加工工业的最佳速度、原有设备增速运行、运转可靠性提高
通用型、
专用型
3
产品质量的提高
风机、机床、食品机械、造纸机和薄膜生产线、钢板生产线、高速机械等
平滑加减速、最佳速度选择、高精度转矩控制、高精度定位控制、高速传动
通用型、矢量通用型、高速通用型
4
设备合理化：
少维护、低成本、机械标准化和简单化、全自动化（FA）
搬送机械、金属加工、纤维机械、造纸机和薄膜生产线、钢板生产线等
增速运行、高精度转矩控制、多台电动机联机运行、运转可靠性提高、传送控制
通用型、矢量通用型、矢量专用型
5
改善或适应环境
空调、风机、压缩机、电梯等
静音化、平滑加减速、防暴电动机等安全技术
通用型、
专业型
第五节变频器的维护
一、日常维护和检查
变频器是一种精密的电子装置，虽然在制造过程中，制造商进行了可靠性设计，但是如果使用不当，仍可能发生故障或出现运行不佳等情况，因此日常维护和检查是必不可少的。
（一）日常检查项目
1.安装地点的环境是否有异常。
2.冷却系统是否正常。
3.变频器、电动机、变压器、电抗器等是否过热、变色或有异味。
4.变频器和电动机是否有异常振动、异常声音。
5.主电路电压是否三相平衡，电压是否正常，控制电路电压是否正常。
6.导线连接是否牢固可靠。
7.滤波电容器是否有异味。
8.各种显示是否正常。
（二）定期检查项目
1.清扫空气过滤器，同时检查冷却系统是否正常。
2.检查有关紧固件是否松动，并进行必要的紧固。
3.导体绝缘物是否有腐蚀过热的痕迹、变色或破损。
4.检查绝缘电阻是否在正常范围内，控制电路要使用绝缘电阻表测试绝缘电阻。
5.检查及更换冷却扇叶、滤波电容器、接触器等。
6.检查端子排是否有损伤，继电器触点是否烧蚀。
7.确认控制电压的正确性，进行顺序保护动作实验，确认保护、显示回路有无异常。
8.确认变频器在单体运行时输出电压的平衡度。
二、变频器的保护功能
现代通用变频器不但在产品性能上有很大提高，而且自诊断功能、报警及保护功能也非常齐全。
变频器的保护功能主要有过电流、过电压、欠电压、散热板过热、外部报警输入、逆变器过热、电动机过载、逆变器过载、熔断器烧断、通讯出错、CPU出错和运转出错等功能。
变频器在保护功能动作后，面板上会有相应的显示，指示故障原因。
第六节变频器的类型分析
根据控制功能将通用变频器分为三种类型：
普通功能型V/f制变频器、具有转矩控制功能的高功能型V/f控制变频器和矢量控制高性能型变频器。
直接转矩控制功能型变频器目前正处于推广阶段。
变频器类型的选择，要根据负载的要求来进行。
1．风机、泵类负载，通常可以选择普通功能型。
2．恒转矩类负载，有两种情况：
（1）采用普通功能型变频器。
为了实现恒转矩调速，常采用加大电动机和变频器容量的办法，以提高低速转矩，避免低频补偿的困难。
（2）采用具有转矩控制功能的高功能型变频器实现恒转矩负载的恒速运行，是比较理想的。
（3）对动态性能要求较高的生产机械，采用矢量控制高性能型通用变频器是一种很好的方案。
第二章可编过程控制器（PLC）的介绍
第一节PLC定义及发展历程
可编程序控制器，英文称ProgrammableLogicController，简称PLC。
国际电工委员会（IEC）对PLC作了如下定义：
PLC是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等措作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机器或生产过程。
可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
在20世纪60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。
当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。
随着生产的发展，汽车型号更新的周期越来越短，这样，继电器控制装置就需要经常的重新设计和安装，十分费时、费工、费料。
为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。
1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。
我国从1974年开始研制PLC，于1977年开始工业应用。
自第一台PLC问世以来，已很快被应用到汽车制造、机械加工、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程。
PLC的发展是在继电器控制逻辑基础上，与3C技术（Computer，Control，Communication）相结合并不断完善。
它从过去的小规模、单机、顺序控制，已经发展到包括过程控制、传动控制、位置控制、通信控制等场合的大部分现代工业控制领域和部分商用民用控制领域。
现在的PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展而来的一种新型工业控制装置，是工业控制的主要手段和重要的基础设备之一。
第二节PLC的构成与实现控制的原理
一、组成部分
（一）常见的PLC模块
常见的PLC模块有：
1.CPU模块，它是PLC的硬件核心。
PLC的主要性能，如速度、规模都由它的性能来体现。
2.电源模块，它为PLC运行提供内部工作电源，而且，有的电源模块还可以为输入信号提供电源。
3.I/O模块，它包括输入输出I/O电路，并根据类型划分为不同规格的模块。
4.内存模块，它主要存储用户程序，有的还为系统提供辅助的工作内存，在结构上内存模块都是附加于CPU模块之中。
5.底板、机架模块，它为PLC各模块的安装提供基板，并为模块间的联系提供总线。
（二）特殊功能模块
除了常见的模块，PLC还有特殊功能的模块，如A/D（模数转换）模块、D/A（数模转换）模块、高速计数模块、位置控制模块、温度模块、通信模块等。
这些模块有自己的处理器，可对信号作预处理或后处理，以简化PLC的CPU对复杂的过程控制量的计算。
（三）PLC的外部设备
PLC的外部设备有四大类：
1.编程设备。
简单的为简易编程器，复杂一点的有图形编程器，可用梯形图编程。
有的还有专用的计算机，可用其他高级语言进行编程。
2.监控设备。
小的有数据监视器，可监视数据；大的还可能有图形监视器，可通过画面监视数据。
3.存储设备。
它用于永久性的存储用户数据，使用户程序不丢失。
各种PLC大体都有这方面的配套设施。
4.输入输出设备。
它用以接收信号或输出信号，便于与PLC进行人机对话。
二、PLC实现控制的过程
PLC的用户程序，是从头至尾按顺序循环执行的。
这一过程称为扫描，而这种处理方式称之为循环演算方式。
PLC的循环演算，除中断处理外一直继续下去，直至停止运行为止。
如图2-1所示。
（一）初始化处理
上电运行或复位时处理一次，并完成如下任务。
1.复位输入输出模块。
2.进行自诊断。
3.清除数据区。
4.输入输出模块的地址分配以及种类登记。
（二）刷新输入映像区
用户程序在演算处理之前，先将输入端口接点状态读入，并以此刷新输入映像区。
（三）用户程序演算处理
将用户程序，从头至尾依次演算处理。
（四）映像区内容输出刷新
用户程序演算处理完毕，将输入映像区内容传送到输出端口刷新输出。
（五）END处理
CPU模块完成一次扫描后，为进入下一循环，进行如下处理。
1.自诊断。
2.计数器、定时器更新。
3.同上位机、通信模块的通信处理。
4.检查模式设定键状态。
三、用户程序
程序由用户需要控制的所有必要因素所组成，一般而言PLC程序被储存在CPU内置EEPROM或外部存储模块中。
用户程序的相关功能说明如表2-1所示。
图2-1
表2-1
基本功能
演算处理内容
扫描用户
升级会员 