三相鼠笼式异步电动机的Y起动PLC控制 2Word文档格式.docx
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1引言
1.1本文研究的目的和意义
由于三相鼠笼式异步电动机简单、廉价、易维护的优点，已广泛应用于各行各业。
近些年，由于国民经济的飞速发展，用电量的快速增长，对电网的稳定性提出了越来越高的要求。
保守估计，三相鼠笼式异步电动机的用电量占整个电网的一半以上，由此对电动机的控制特别是起动的控制提出了相应的要求。
三相鼠笼式异步电动机是应用最为广泛的用电设备，传统的电机起动方式其局限性，如不能有效减少起动时对电网的大电流冲击，已越来越不能适应现代生产发展的要求。
传统的起动方式有星三角起动、自耦减压起动、电抗器减压起动、延边三角形减压起动等，这些起动方式都属于有极减压起动，他们的共同特点是控制电路简单，但是起动转矩不可调，起动过程中存在较大的冲击电流，使被拖动负载受到较大的机械冲击，且易受电网电压波动的影响，一旦电网电压波动，会造成起动困难，甚至使电机堵转。
PLC控制起动很好地解决了电动机起动时对电网和机械设备的冲击，它还有故障过流保护、过载保护、缺相保护等功能，可广泛应用于冶金、石化、市政、制造等行业。
PLC控制器与传统起动设备相比，性能更可靠，使起动更平滑，对电网冲击更小。
产品具有强抗干扰、经久耐用、智能化三大特点，在国内同类产品中处于领先水平。
1.2国内外发展现状
近年来，随着电力电子技术和计算机控制技术的飞速发展，国内十分重视三相鼠笼式异步电动机的研究和开发。
星形/三角形（Ｙ/△）起动是最常见也是最常用的一种降压起动电路。
所谓Y-△起动，是指起动时电动机绕组接成星形，起动结束进入运行状态后，电动机绕组接成三角形。
在起动时。
电机定子绕组由于是星形接法，所以每相绕组所受的电压降低到运行电压的根号三分之一（约57.7％），起动电流为直接起动时的1/3，起动转矩也同时减小到直接起动的1/3。
现在国内由于电力供应紧张，因此星形/三角形（Ｙ/△）起动在节能方面有突出的表现。
因此三相鼠笼式异步电动机的Y--△起动PLC控制拥有十分广阔的市场。
1.3本文研究内容
先分析继电器控制系统的控制要求，将检测元件、控制元件（如按钮等）合理安排接入PLC的输入口。
然后将被控器件（如接触器线圈）接入PLC的输出与继电接触器系统对应，选择PLC中功能相同的器件。
按接点与器件关系设计出梯形图和编写控制程序。
由于西门子PLC工作可靠，使用简单，所以用它控制三相鼠笼式异步电动机的Y--△起动等功能。
2电机概述
2.1我国电机制造工业发展近况与发展趋势
电动机制造业是我国机械工业中较大的行业之一，它不仅关系到工农业自动化的重要基础产品，而且与人类生活必需品戚戚相关。
电动机是把电能转变为机械能的主要执行部件，国内60％左右的发电量被电机所消耗。
因此，电机的种类、数量和质量及其各种性能的提高直接影响工农业成套设备的发展水平。
20世纪40年代以前，我国电机制造工业处于世界落后阶段。
50年代以仿制国外产品为主，60年代起开始自主研发设计。
在此之前只能生产一般中小型电机，而且批量小，品种单一。
我国所生产的电动机其技术水平、产品质量、结构工艺、制造能力、自动化程度等均偏低，仍有不小的差距。
解放60多年来，国内的电机制造业通过众多工程技术人员的不懈努力研发，在艰苦的环境下逐步建立起较为完整的电机制造工业体系，无论在产品品种、产品质量方面，还是在数量方面，都取得了世人瞩目的成绩，为工农业的迅速发展、人民生活水平质量的提高方面都做出了巨大的贡献。
如今我国已能自主研发和生产各种中小型电机，国内产品已经发展到100多个系列，500多个品种，年生产能力达到5500万kW以上，基本上满足了社会各个方面对电机产品的需求。
随着研制开发技术的不断创新、迅速发展和完善，定能设计出“更快、更精、更净”的产品。
2.2三相异步电动机的分类及优点
1、电机是电能与机械能相互转换的设备。
（1）按结构及工作原理分类：
根据电动机结构及工作原理的不同，可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。
直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。
（2）按工作电源分类：
根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。
（3）按用途分类：
可分为驱动电动机和控制电动机。
（4）按转子的结构分类：
根据电动机按转子的结构不同，可分为笼型电动机和绕线转子电动机。
2、电机具有的优点
（1）电机中能量的转换主要以电磁场为媒介，其运行效率高。
（2）电机可以通过不同设计，使其具有不同性能，满足不同类型生产机械要求的多品种、多规格型号，产品易与系列化。
（3）电机的起动、制动、反向、调速等控制简单、反应迅速，可实现完善的保护。
（4）电机的运行状态易与检测，并可将检测信号输入反馈系统，利于实现生产过程的自动控制和集中管理的分类[1]。
2.3三相异步电动机的基本工作原理和运行特性
2.3.1基本工作原理
三相异步电动机要带负载运行，同直流电动机一样，必须提供一定大小和确定旋转方向的电磁转矩，即需要磁场和电流的共同作用产生电磁转矩。
异步电动机的磁场是旋转磁场，转子电流是感应电流，气隙中的旋转磁场与转子导体的感应电流相互作用产生电磁转矩，如图1所示。
异步电动机的工作原理用箭头式子可以简单的表示如下：
定子绕组通入三相交流电流产生旋转磁场切割转子绕组，转子绕组产生感应电势，转子中产生感应电流，转子电流与磁场作用产生电磁转矩运行[2]。
图1三相异步电动机工作原理示意图
2.3.2三相异步电动机的工作特性
异步电动机的工作特性是指定子电源电压为额定电压和频率为额定频率时，电动机的转速、定子相电流、功率因数、电磁转矩、效率与输出机械功率之间的关系曲线。
①转差率特性
通常把同步转速和电动机转子转速n二者之差与同步转速的比值叫做转差率，用s表示。
S的大小反映电动机转速的快慢。
负载功率与转子电流成正比，故转差率随输出功率增大而增大。
②电流特性
空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。
③功率因数特性
空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；
随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；
在额定功率附近，功率因数达到最大值。
如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大，从而引起功率因数下降。
④转矩特性
异步电动机的输出转矩：
转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降，转矩曲线为一个上翘的曲线（近似直线）。
⑤效率特性
其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；
铁耗和机械损耗近似不变；
效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗时，电机达到最大效率。
异步电动机额定效率载74-94%之间；
最大效率发生在（0.7-1.0倍）额定效率处[3]。
2.4三相异步电动机的起动
1、直接起动
直接起动也称为全压起动是最常用的起动方式，它是将电动机的定子绕组直接接入电源，在额定电压下起动，具有起动转矩大、起动时间短的特点，也是最简单、最经济和最可靠的起动方式。
（1）优点：
无需附加起动设备，操作方便；
（2）缺点：
起动电流大，起动转矩小，须足够大的电源；
（3）适用条件：
小容量电动机带轻载的情况起动。
2、降压起动
电机的起动电流近似与定子的电压成正比，因此要采用降低定子电压的办法来限制起动电流，即为降压起动又称减压起动。
对于因直接起动冲击电流过大而无法承受的场合，通常采用减压起动，此时，起动转矩下降，起动电流也下降，只适合必须减小起动电流，又对起动转矩要求不高的场合。
（1）Y-Δ降压起动
（2）自耦变压器降压起动
（3）电阻降压或电抗降压起动
（4）延边三角形降压起动
3系统硬件的选择与设计
3.1PLC的工作方式
PLC采用循环扫描的工作方式如图2。
在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。
PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。
在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作[5]。
图2PLC循环扫描的工作方式
3.2PLC的应用范围分类
目前，在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着国民经济的不断发展，人们对自动化的不断追求，PLC技术的应用领域在不断扩大。
从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面：
（1）开关量逻辑控制
利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等。
（2）运动控制
大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
（3）过程控制
大中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出。
（4）.数据处理
现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。
（5）通信联网
PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其它智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化系统发展的需要[6]。
3.3PLC的结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
（1）CPU中央处理器：
CPU的功能是完成PLC内所有的控制和监视操作。
中央处理器是由运算器、控制器和寄存器组成的。
（2）存储器：
PLC中使用的存储器有两种随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM。
输入输出接口。
（3）可编程控制器的输入和输出信号是模拟量或数字量。
I/O是PLC内部弱电信号和工业现场强点信号连接的桥梁。
图3PLC的结构图
3.4PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（1）输入处理输入处理又名输入采样，在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式依次对输入状态进行采样，并存入被刷新的输入映像寄存器中。
输入处理结束后，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。
输入状态的变化只有在大于一个扫描周期的输入处理阶段才能读入信息。
（2）程序执行阶段根据PLC程序扫描原则，遵循先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。
当遇到程序跳转指令时，根据跳转条件决定程序是否跳转。
当程序指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出当前状态，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映像寄存器中。
对于元件映像寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。
（3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时才是PLC的真正输出。
3.5PLC的接线设计
将起动按钮SB2、停止按钮SB1和热继电器FIR的辅助触点一端分别接到PLC的输入模块上的输入端子I0.0、I0.1、I0.2，另一端经24V直流电源接人公共端COM。
在输出模块中，相线L经熔断器接输出公共端COM，接触器KM1、KM2、KM3一端分别接到PLC的输出模块上的输出端子I0.0、I0.1、I0.2，另一端接中性线N，如图4所示
图4PLC控制的输入输出接线图
3.6I/O地址分配表
因PLC的类型不同，为方便接线和编程，上述符号地址必须转换为实际地址，建立I/O地址分配表，图4的I/O地址分配表见表1）。
表1I/O地址分配表
输入文件
符号
输入地址
输出元件
输出地址
起动按钮
SB2
I0.0
主接触器
KM1
Q0.0
停止按钮
SB1
I0.1
△起动接触器
KM2
Q0.1
Y起动接触器
KM3
Q0.2
3.7分析继电接触器控制
Y-△起动三相鼠笼式异步电动机全压直接起动时．起动电流是正常工作电流的3—7倍。
当电动机功率较大时，起动电流会对电网造成冲击。
为了限制起动电流过大．对于正常运转时定子绕组作三角形连接的电动机，起动时先使定子绕组接成星形，电动机开始转动．待电动机达到一定转速时。
把定子绕组改成三角形连接，使电动机正常运行。
1．继电器输入输出分配表如表2所示
表2输入／输出分配表
控制开关
用途
交流接触器电机总电源控制
交流接触器三角形连接
交流接触器星形连接
KT
时间继电器延时自动转换
起动按钮起动控制
停止按钮停止控制
2．电机起动的控制要求及动作结果
三相鼠笼式异步电动机的Y-△起动控制电路控制要求。
能够用按钮控制电动机的起动：
电动机起动时定子绕组接成星形，延时5s后，电动机的定子绕组换接成三角形；
具有必要的保护措施，KM2与KM3不能同时吸合．否则将产生电源短路。
采用继电器控制的Y-△起动控制动作结果。
起动后成星形时KM1、KM3得电，KM2失电。
经过延时后成三角形时KM1、KM2得电，KM3失电。
图5继电器控制的星三角减压起动控制图
3.8主电路图与常规控制线路控制流程
（1）合上空气开关QF引入三相电源。
（2）按下起动按钮SB2，交流接触器KM1线圈回路通电吸合并通过自己的辅助常开触点自锁，其主触头闭合接通电动机三相电源，时间继电器KT线圈也通电吸合并开始计时，交流接触器KM3线圈通过时间继电器的延时断开接点通电吸合，KM3的主触头闭合将电动机的尾端连接，电动机定子绕组成Y形连接，这是电动机在Y形接法下起动。
（3）当时间继电器KT整定时间到时后，其延时常开触点打开，交流接触器KM3线圈回路断电，主触点打开定子绕组尾端的接线，KM3的辅助常闭触点闭合为KM2线圈的通电做好准备。
（4）时间继电器KT动作使，其延时常开触点闭合，接通KM2线圈回路，使得KM2通电吸合并通过自己的辅助常开触点自锁，KM2主触头闭合将定子绕组接成三角形，电动机在△接法下运行。
（5）线路中的互锁环节有：
KM2常闭触点接入KM3线圈回路。
KM3常闭触点接入KM2线圈回路。
电机星三角起动运行的常规电路见上图为一个比较典型的电路。
原理简述：
先是KM3得电，将电机绕组接成星形，继之KM1得电，两只接触器的得电，使电机进入星接起动阶段；
由延时继电器KT1控制起动时间的长短，当延时时间到时，KM3失电，同时KM2得电。
KM1与KM2将电机绕组接成三角形，进入正常运行阶段。
KT用作时间调节和星/角切换控制，KM3和KM2有触点互锁控制，严禁其同时接通造成对电源的短路。
4系统软件的选择与设计
4.1S7－200PLC的介绍
S7－200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等[7]。
（1）S7－200系列PLC的特点
①结构紧凑；
②先进的程序结构，扩展性良好；
③灵活方便的寻址方法；
④功能强大、使用方便的编程软件；
⑤简化复杂编程任务的向导功能；
⑥强大的通信功能；
⑦品种丰富的配套人机界面；
⑧有竞争力的价格；
⑨完善的网上支持服务；
成为当代各种小型控制工程的理想控制器[8]。
（2）S7－200PLC硬件介绍
S7－200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。
其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、文本显示器等[9]。
4.2基本功能
STEP7－Micro/WIN为用户创建程序提供了便捷的工作环境，丰富的编程向导，提高了软件的易用性；
同时还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。
此外，还可以用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等[11]。
软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行。
此时，有编程软件的计算机与PLC连接，允许两者之间直接通信，可针对相连的PLC进行操作，如上装和下载用户程序和组态数据等[12]。
部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。
此时，有编程软件的计算机与PLC断开连接，所有的程序和参数存放在硬盘上，等联机后再下载到PLC中[13]。
4.3编程语言
本设计使用了梯形图编程语言，梯形图是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程[14]。
4.4程序设计
PLC中的定时器中有一个当前值寄存器、一个设定值寄存器和一个用来存储其输出触点状态的映像，这3个存储单元使用同一个元件号。
PLC的定时器都有时间基数，在编程时，都有一个初始设定值。
PLC的定时器将时间寄存器设置一个设定值后，在时钟脉冲作用下，进行加一操作。
当时间寄存器的内容等于设定值时，表示定时时间到，定时器输出。
4.4.1PLC控制方式
采用PLC实现三相异步电动机起动控制可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，自60年代末，美国首先研制和使用可编程控制器以后，世界各国特别是日本和联邦德国也相继开发了各自的PLC，因此，与传统的继电接触器控制系统相比较，采用PLC实现三相异步电动机起动控制是最明智的选择。
通过对鼠笼式异步电动机起动的传统控制方法和PLC控制方法的比较，从某种意义上看，PLC控制是从继电接触器控制发展而来的。
两者既有相似性又有很多不同处。
下面就是PLC实现的三相异步电动机Y-△起动，地址分配表（表3）、梯形图、指令程序及工作过程原理。
在PLC中一般都在输入输出接口处设置π形滤波器，它不仅可滤除来自外界的高频干扰，而且还可减少内部模块之间信号的相互干扰。
在PLC系统中CPU和各I/O回路（主要指数字口）几乎都设有光耦合器作隔离，以防止干扰或可能损坏CPU等，PLC通常采用积木式结构，这便于用户检修和更换模板，同时在各模板上都设有故障检测电路，并用相应的指示器标志它的状态，使用户能迅速确定故障的位置。
4.5助记符指令程序
助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。
一般讲，其顺序为：
先输入，后输出；
先上，后下；
先左，后右。
有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。
其中LD是指常开触点与母线相连接的指令，OR是并联常开触点的指令，AND与NOT是串联常闭触点的指令，T*是指实现导通延时操作的定时指令。
图6程序注释
4.6PLC控制的梯形图
PLC是以扫描方式进行工作的，即PLC对信号的输入、数据的处理和控制信号的输出，分别在一个扫描周期内的不同时间间隔里，以
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