基于PLC的交流电动机的调速控制设计课程设计.docx

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基于PLC的交流电动机的调速控制设计课程设计

系部：

机电工程系

学生姓名：

专业班级：

机电10C3班

学号：

101011312

指导教师：

年月日

声明

本人所呈交的基于PLC的交流电动机的调速控制设计，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

作者签名：

日期：

【摘要】

本设计将运用先进的PLC控制技术，配合变频调速装置，设计电机运行工艺，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，系统中从而达到最终准确实现对电机调速的控制。

解决整套电机系统的电力拖动方面的一系列问题。

本文首先，研究交流电动机的工作原理及变频调速控制的原理，对设计方案进行研究、提出设计方法和手段；

然后，根据对设计方案的分析，完成设计由PLC为核心控制变频调速的系统，由PLC完成电机速度的数据采集，达到对变频器的控制，最终实现对电机进行变频转速调节，实现能源充分利用，达到生产的要求。

关键词：

PLC，交流电动机，变频器

引言

课题背景

交流异步电机由于结构简单、维修容易等优点，被广泛应用于工农业及其他生产当中。

然而国内交流电动机绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后。

而且这种控制方式存在着很多的问题:

l）转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费；

2）继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成本较高；

3）交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故；

4）电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。

上述问题使电机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。

因此，需研制更加安全可靠的控制系统。

另外，变频技术是近年来国际家电领域全面开发和应用的一项高新技术，能够将50Hz的固定供电频率转换为30-130Hz的变化频率，实现电动机运转频率的自动调节，达到节能和提高效率的目的。

本设计将在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的PLC控制技术，不但适合电机运行工艺的要求，还将解决整套电机系统的电力拖动方面的一系列问题。

第一章绪论

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。

1.2三相异步电动机的调速方式

可以从交流异步电机的公式

（1-1）

看出（其中p是异步电机的极对数，s是转差率（异步才有转差，同步没有），f是频率，所以可以知道调速的方法就是调频-f，调极对数-p，还有调转差率-s。

变转差率可以通过定子调压，转子串电阻，串级调速等实现）。

异步电动机调速可以分为三大类：

变极调速、变频调速和变转差率调速。

1.2.1变极调速

这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的。

特点如下：

具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。

1.2.2变频调速

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。

变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。

其特点：

效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。

本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

1.2.3变转差率调速

串级调速方法：

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。

大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。

根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速。

其特点为：

可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70％－90％的生产机械上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。

本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。

绕线式电动机转子串电阻调速方法：

绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。

串入的电阻越大，电动机的转速越低。

此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。

属有级调速，机械特性较软。

定子调压调速方法：

当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。

由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。

为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。

为了扩大稳定运行范围，当调速在2：

1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。

调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。

晶闸管调压方式为最佳。

调压调速的特点：

调压调速线路简单，易实现自动控制；调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。

调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。

第二章硬件设计

2.1变频调速原理

异步电机的VVVF调速系统一般简称变频调速系统。

由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步电机调速系统中效率较高，同时性能也最好，故是交流调速的主要发展方向。

交流调速系统的控制量最基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构成各种闭环系统。

对电机的调速有两个方向的能力，线面进行分析：

1.基频以下的恒磁通变频调速

这是考虑从基频（电动机额定频率AN）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Φm不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1=常数，即保持电动势和频率之比为常数进行控制。

这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。

但是，E1难于检测和直接控制。

当El和f1值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如果忽略不计，则可以近似的保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数即可。

这就是恒压频比，是近似的恒磁通控制。

当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）不能再忽略,这种情况下，可以适当的提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响,使气隙磁通基本保持不变。

2.基频以上的弱磁变频调速

这是考虑由基频开始向上调速的情况，频率由额定值.f1n向上增大，但电压U1受额定电压U1N的限制不能再升高，只能保持U1=U1n不变。

必然会使主磁通随着f1的上升而减小，相当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。

综合两种情况，异步电动机变频调速的基本控制方式如图2.1所示，为恒转矩区和恒功率区，低频调速时通过电压补偿的方式来保持恒转矩。

图2.1异步电动机变频调速时的控制特性

2.2变频器结构

变频器可以分为四个部分，如图2.2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。

图2.2变频器简化结构图

（1）整流器。

它的作用是把工频电源变换成直流电源。

（2）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。

（3）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。

（4）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.

2.3变频器的控制方式

电压/频率（U/f）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。

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。

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。

2.4变频器的选择

随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速得到广泛应用。

其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。

所以我选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。

本设计采用的变频器是西门子公司面向世界推出的21世纪通用型变频器MM420。

它可实现平稳操作和精确控制，使电动机达到理想输出，这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。

MM420变频器的特点如下：

包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。

有丰富的内藏与选择功能。

由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。

保护功能完善、维修性能好。

通过LCD操作装置，可提高操作性能。

第三章软件设计

3.1可编程控制器（PLC）简介

可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。

它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。

PLC控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC装置已成为自动化系统的基本装置。

3.1.1PLC的基本特点

PLC的诞生给工业控制带来革命性的飞跃,与传统的继电器控制相比有着突出的特点。

第一,灵活性、通用性强。

继电器控制系统如果工艺要求稍有变化,控制电路必须随之作相应的变动,所有布线和控制柜极有可能重