PLC控制变频调速系统设计Word文档格式.docx
《PLC控制变频调速系统设计Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PLC控制变频调速系统设计Word文档格式.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
2开发清洁电能的变流器;
3缩小装置的尺寸;
4高速度的数字控制;
5模拟与计算机辅助设计技术。
1.2本文设计内容及设计意义
1.2.1设计内容
主要设计PLC控制电机变频调速系统的组成和控制方案。
设计硬件电路，相关梯形图程序。
应用变频控制的原理，以电机控制专用的PLC芯片为核心，设计出基于VVVF变频控制的变频调速系统。
本文设计了整个硬件系统的主电路和控制电路（以PLC芯片为核心的控制电路，以及电流和转速检测电路）。
同时采用电压空间矢量法来实现对异步电机的控制。
1.2.2设计意义
在调研中发现，目前很多工矿企业的调速方案大多数采用继电器接触器控制的转子串电阻调速。
该方案耗能大，占地面积大，已不能适应现代工矿业发展的需要.因此有必要对其调速方案进行改造。
本文调速系统控制单元采用目前工控适用的可编程控制器来控制，具有编程简单和控制可靠性高的优点。
电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置，运用先进的矢量控制技术，优化了调速系统的性能，这一控制方法目前仍为现代交流调速的重要研究方向之一。
1.3本设计的控制要求及控制方案
1.3.1控制要求
通过PLC控制变频器，使三相异步电动机的运行呈现曲线运行，并通过远程控制电机的起动，停止，可对电机起动时间，减速时间设定调整。
对额定功率在40—600
额定电流在30—350
，额定频率为50
的三相异步电动机进行控制，同时要求通过操作面板实时显示输出频率、输出电流、输出电压、转速等运行数据、运转信息、操作指导、功能码名称、设定数据、故障信息等，且具有过电流、短路、缺相、接地、过压、欠压、过载、过热、电动机过载、外部报警、电涌保护、主器件自保护等保护功能。
1.3.2控制方案
电机在加速和减速阶段采用开环控制，在恒速阶段采用闭环控制，且为防止出现超调或失控现象，系统具有限幅措施。
在恒转速阶段的闭环控制采用PLC内部PID调节指令，而在PLC控制系统中使用的是PID数字调节器。
用PLC对式
=
编程可计算出
经EM235模拟量模块转化为0～20
的电流信号，经AQ0口输出给变频器。
作为变频器的输入电流信号，该电流信号控制着变频器的输出。
变频器输出频率的改变使电机转速得到改变。
电机实际转速经电机转速测速系统转变为直流0～10V的电压信号反馈给PLC.作为PLC的模拟量输入信号，该电压值再转化为数字量与给定值（SPN）比较后作为PID控制器的输入值
。
第二章变频调速系统分析
2.1变频调速的基本原理
异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速，异步电动机的转速表达式：
可知，只要平滑地调节笼型异步电动机的供电频率
就可以平滑地调节笼型异步电动机的同步转速
从而实现笼型异步电动机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。
变频调速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。
2.2变频调速的控制方式
对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。
磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；
磁通太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，为使电动机不过热，负载能力也要下降。
由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为：
式中
——定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值（V）
——定子频率（
）
——定子相绕组有效匝数
——每极磁通量
由上式可见，
的值是由
和
共同决定的，对
进行适当的控制，就可以使气隙磁通
保持额定值不变。
其分为两种情况：
1、基频以下的恒磁通变频调速
这是从基频向下调速的情况。
为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通
不变，这就要降低供电频率的同时降低感应电动势，保持
=常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。
这种控制属于恒转矩调速方式。
2、基频以上的弱磁变频调速
这是由基频开始向上调速的情况。
频率由额定值
向上增大，但电压
受额定电压
的限制不能再升高，只能保持
不变。
必然会使主磁通随着
的上升而减小，相等于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。
由上面的讨论可知，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现VVVF调速控制。
2.3变频器的基本构成
变频器分为交—交和交—直—交两种形式。
交—交变频器只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。
常用的交—交变频器输出的每一相都是一个正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，也就是说，每一相都相等于一套直流可逆调速系统的反并联可逆整流器。
交—直—交变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换可控频率和电压的交流。
由于此类变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式变压变频器。
交—直—交变频器由整流器、中间电路、逆变器、控制电路四个主要部分组成。
1.整流器
整流器与三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。
整流器有两种基本类型：
可控型和不可控型。
2.中间电路
中间电路有以下三种类型：
a.将整流电压变换成直流。
b.使脉动的直流电压变得稳定或平滑。
c.将整流后的固定直流电压变换成可变直流电压。
3.逆变器
逆变器产生可变电压,可变频率的变频交流电供给交流电动机。
a.SPWM逆变器工作原理：
在采样控制理论中有一个重要结论：
“冲量（窄脉冲的面积）相等而波形不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
”名为SPWM逆变器，就是期望其输出电压是纯粹的正弦波形。
把一个正弦半波分作N等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替。
矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。
这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。
同样，正弦波负半周也可用相同方法来等效。
b.SPWM逆变器的调制方式：
在SPWM逆变器中，三角波电压频率
与参考波电压频率
（即逆变器的输出频率）之比
称为载波比，也称调制比。
根据载波比的变化与否，SPWM调制方式可分为同步式、异步式和分段同步式。
实际应用中，多采用分段同步调制方式。
它集同步和异步调制方式之所长而克服了两者的不足。
在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点；
在低频运行时，使载波比有极地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。
4.控制电路
控制电路将控制信号传递给整流器、中间电路和逆变器，同时也接受其反馈信号。
2.4矢量控制变频调速
2.4.1矢量控制理论的提出
交流电动机变频调速控制技术大体经历了以下几个发展阶段：
第一个阶段为电压/濒率恒定控制，这种控制方法在低频时定子电压较低，定子漏抗压降所占的份量不能忽略，因此需要人为地把电压抬高一些，用以补偿定子压降，负载不同时需要补偿的定子压降值也不一样，在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以便用户选择.
第二个阶段是矢量变换控制，它的方法是模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制，通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定的坐标系变换为旋转坐标系解藕后，交流量的控制变为直流量的控制，于是等同于直流电动机。
第三个阶段为直接转矩控制，也叫直接自控，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量模与相角的复杂计算工作，直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，使转矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能更好。
电动机调速的关键是电磁转矩的控制，他励直流电动机由于电枢电流和励磁电流可以分别控制，当励磁电流小变时，控制好电枢电流就可以控制好电磁转矩，因此很容易获得良好的动态性能。
然而三相异步电动机却做不到这一点，因为在异步电动机中，磁通是定子电流和转子电流共同建立的，而与电磁转矩有直接关系的转子电流，则由定子电流以及转速等电动机的状态所决定，是无法直接对其控制的。
1971年德国科学家KHasse提出了交流电动机的矢量变换控制理论。
2.4.2矢量控制的思路
U/F恒定，速度开环控制方式和滑差频率速度闭环控制方式变频器，基本上解决了异步电动机平滑调速的问题。
然而，当机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还咯逊一筹。
原因在于其系统控制的规律是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出的稳态植控制，完全不考虑动态过渡过程，系统在稳定性，起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。
考虑到异步电动机是一个多变量，强耦合，非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩。
但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系之间的变换，则可以把定子电流中的励磁电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。
这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可以等效为一台直流电动机，从而可像直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。
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和产生转矩的电流分量分别加以控制，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为矢量控制。
2.5变频器的保护、显示和预置
2.5.1过电流保护功能
由于变频器件的过载能力较差，变频器的过电流保护至关重要。
变频器中，过电流保护的对象主要指带要突变性质的。
电流的峰值超过了变频器的容许值的情形。
1.过电流的原因
（1）工作中过电流即拖动系统在工作过程中出现过电流，其原因大致来自以下几个方面：
a.电动机遇到冲击负载或传动机构出现“卡住”现象，引起电动机电流的突然增加。
b.变频器的输出侧短路，如输出端到电动机之间的联机发生相互短路，或电动机内部发生短路等。
c.变频器自身工作的不正常，如逆变桥中同一桥臂的两个逆变器件在不断交替导通的工作过程中出现异常。
（2）升速中的过电流当负载的惯性较大，而升速时间又设定的太短时，将产生过电流。
这是因为，升速时间太短，意味着在升速过程中，变频器的工作频率上升太快，电动机的同步转速n0迅速上升，而电动机转子的转速Nm则因负载惯性较大而跟不上去，导致转子绕组切割磁力线的速度太快，结果升速电流太大。
（3）降速中的过电流当负载的惯性较大，而降速时间设定的太短时，也会引起过电流。
2.变频器对过电流的处理
在实际的拖动系统中，大部分负载都是经常变动的。
因此，不论是在工作过程中，还是在升.降速过程中，短时间的过电流总是难免的。
所以，对变频器过电流的处理原则是，尽量不跳闸，为此而配置了防止跳闸的自处理功能；
只有当冲击电流的峰值太大，或防止跳闸措施不能解决问题时，才迅速跳闸。
2.5.2过电压保护功能
1.产生过电压的原因
（1）电源过电压
（2）降速时因反馈量来不及释放而形成的再生过电压。
（3）在SPWM调制方式中，电路是以系列脉冲的方式进行工作的。
由于电路中存在着绕组电感和线路分布电感，所以在每一个脉冲的上升和下降过程中，可能产生峰值很大的脉冲电压。
2.过电压的保护措施
（1）电源过电压对于电源电压的上限，一般规定不能超过额定电压的10%，当电源线电压为380
时，起上限值为420
由于电源电压过高，将直接反映在整流后的直流电压上；
同时，再生过电压也直接反映在直流电压上，所以，进行电压保护的“取样电压”总是从主电路的直流电路中取出。
（2）再生制动时的防止跳闸功能和升速过程中过电流时的防止跳闸功能一样，在降速过程中出现过电压，也可以采取暂缓降速的方法来防止它跳闸。
（3）脉冲过电压的保护对于由线路电感引起的脉冲过电压，采用常规的“检测---判断---保护”的方式是来不及保护的，通常采用吸收的方法来解决。
常见的吸收装置有压敏电阻吸收和阻容吸收电路等。
2.5.3欠电压保护
1.产生欠电压的原因
（1）电源方面:
a.电源电压过低b.电源缺相
（2）电路方面
a、整流器件损坏，如果六个整流二极管中有部分因损坏而断路，则整流后的电压将下降。
b、限流电阻未“切出”电路限流电阻是在电源刚合闸时，用以限制滤波电容CF的充电电流的。
当CF上的电压上升到一定程度时。
晶闸管VT导通，将RL“切出”电路。
如果由于某种原因，使VT不能及时导通，使RL长时间接入电路，负载电流将得不到及时的补充，导致直流电压的下降。
2.关于欠电压的保护
对于电源方面引起的欠电压，变频器设定的动作电压一般都较低，不很严格。
这是因为：
a、欠电压的后果之一，是电动机的转矩下降，而新系列的变频器都有各种补偿功能，使电动机能够继续运行。
b、欠电压的另一个后果是电动机的电流增大，而变频器又具有完善的过载保护功能。
第三章变频调速系统硬件设计
3.1变频器的选择
选择变频器时应以负载特性为基本依据，当负载特性属于恒转矩负载特性。
由于恒转矩负载类设备都存在一定静摩擦力，负载的惯量很大，在启动时要求有足够的启动转矩。
这就要求通用变频器有足够的低频转矩提升能力和短时过流能力。
但当低速时负载较重的情况下，为提高转矩提升能力而使电压补偿提的过高，往往容易引起过电流保护动作。
选型时应充分考虑这些情况，必要时应将通用变频器的容量提高一档，或者采用具有矢量控制或直接转矩控制的通用变频器.采用矢量控制或直接转矩控制通用变频器可以在不过电流的情况下提供较大的起动转矩。
因此要求变频器有一定余量。
选择通用变频器时，恒转矩负载的功率表达式为:
=
式中
—异步电动机的功率（
）；
—异步电动机的转矩（
—异步电动机的速（
）。
系统设计时应注意适当增大异步电动机的容量或增大通用变频器的容量。
通用变频器的容量一般取1.1~1.5倍异步电动机的容量。
目前，市场上流行的变频器大多分为两类：
一类是适于一般负载的一般通用变频器；
另一类是适合于高精度控制的高性能通用变频器。
高性能通用变频器与一般通用变频器相比，在以下几方面具有良好的性能：
1.宽的调速范围：
1：
100以上。
2.良好的低频起动特性。
3.额定电压下的全范围恒转矩输出。
4.变频器系统具有良好的静态特性和动态特性。
5.完整和快速的故障诊断、保护和报警功能。
6.具有网络通讯功能。
7.变频器和其驱动的电动机噪声低。
Micromaster440是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。
该系列有多种型号，额定功率范围从120W到200KW（恒转矩控制方式）。
该变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。
因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。
其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。
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。
Micromaster440具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。
由于Micromaster440具有全面完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。
所以本设计中选用Micromaster440变频器进行调速。
3.2Micromaster440变频器的特性
3.2.1Micromaster440主要特性
1.易于安装，参数设置和调试
2.易于调试
3.牢固的EMC设计
4.可由IT（中性点不接地）电源供电
5.可控制信号的响应是快速可重复的
6.参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置
7.电缆连接简便
8.具有多个继电器输出
9.具有多个模拟量输出（0—20
10.6个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP接线
11.2个模拟输入：
a.AIN1:
0—10
0—20
和-10至+10
b.AIN2:
12.2个模拟输入可以作为第7和第8个数字输入
13.BICO（二进制互连连接）技术
14.模块化设计，配置非常灵活
15.脉宽调制频率高，因而电动机运行的噪音低
16.详细的变频器状态信息和全面的信息功能
17.有多种可选件供用户选择：
用于与PC通讯的通讯模块，基本操作面板（BOP），高级操作面板（AOP），用于进行现场总线通讯的PROFIBUS通讯模块。
3.2.2Micromaster440性能特征
1.向量控制
a.无传感器向量控制（SLVC）
b.带编码器的向量控制（VC）
2.
控制
a.磁通电流控制（FCC）,改善了动态响应和电动机的控制特性
b.多点V/f特性
3.快速电流限制（FCL）功能，避免运行中不应有的跳闸
4.内置的直流注入制动
5.复合制动功能改善了制动特性
6.内置的制动单元
7.加速/减速斜波特性具有可编程的平滑功能
a.起始和结束段带平滑圆弧
b.起始和结束段不带平滑圆弧
8.具有比例，积分和微分（PID）控制功能的死循环控制
9.各组参数的设定值可以相互切换
a.电动机资料组（DDS）
b.命令资料组和设定值信号源（CDS）
10.自由功能快
11.动力制动的缓冲功能
12.定位控制的斜波下降曲线
3.3Micromaster440的控制电路
控制电路是由CPU，模拟输入，模拟输出，数字输入，输出继电器触头，操作板等组成，如图3-1所示。
在图3-1中，端子1，2是变频器为用户提供的10
直流稳压电源。
当采用模拟电压信号输入方式输入给定频率时，为了提高交流变频调速系统的控制精度，必须配备一个高精度的直流稳压电源作为模拟电压输入的直流电源。
模拟输入3，4和10，11端为用户提供了两对模拟电压给定输入端作为频率给定信号，经变频器内模/数转换器，将模拟量转成数字量，传输给CPU来控制系统。
数字输入5，6，7，8，16，17端为用户提供了6个完全可编程的数字输入端，数字输入信号经光耦隔离输入CPU，对电动机进行正反转，正反向点动，固定频率设定植控制等。
输入9，28端是24V直流电源端，用户为变频器的控制电路提供24V直流电源。
输出12，13和26，27端为两对模拟输出端；
输出18，19，20，21，22，23，24，25端为输出继电器的触头；
输入14，15端为电动机过热保护输入端；
输入29，30端为RS—485端。
图3—1Micromaster440变频器电路图
3.4Micromaster440变频器的调试
Micromaster440变频器装有状态显示板（SDP）,利用SDP和制造厂的缺省设置值，就可以使变频器成功地投入运行。
若该缺省值不适合时，可以利用基本操作板（BOP）或高级操作板（AOP）修改参数，使之相匹配。
3.4.1用状态显示屏（SDP）进行调试
SDP上有两个LED指示灯，用于指示变频器的运行状态。
采用SDP进行操作时，变频器的预设定必须与以下的电动机资料兼容：
1.电动机的额定功率
2.电动机电压
3.动机的额定电流
4.机的额定频率
此外，必须满足以下条件：
1.按照线性V/f控制特性，由模拟电位计控制电动机速度
2.频率为50
时最大速度为3000转/分钟，可通过变频器的模拟输入端用电位计控制。
3.斜坡上升时间/斜坡下降时间=10
3.4.2用SDP进行的基本操作
使用变频器上装设的SDP可进行以下操作：
1.动和停止电动机（数字输入DIN1由外接开关控制）
2.电动机反向（数字输入DIN2由外接开关控制）
3.故障复位（数字输入DIN3由外接开关控制）
按图3—2连接模拟输入信号，即可实现对电动机速度的控制。
图3—2用SDP进行的基本操作
3.4.3用基本操作板（BOP）进行调试
利用基本操作面板（BOP）可以更改变频器的各个参数。
用
BOP设置参数时，应先将SDP从变频器上拆卸下来然后装上BOP。
其有五位数字的七段显示，用于显示参数的序号和数值，报警和
故障信息以及该参数的设定值和实际值。
表3—1所示为用BOP操作时的缺省设置
升级会员 