基于plc的电机变频调速系统设计.docx
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基于plc的电机变频调速系统设计
1绪论
1.1本课题研究目的和意义
PLC具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强、寿命长等到一系列优点[2]。
可编程控制器（PLC）的核心微处理器，通过将计算机技术与传统的继电器控制系统有机结合起来，能够实现高度灵活、高可靠性的工业控制。
为了进一步提高设备的自动化程度，越来越多的企业将PLC技术应用于其工厂设备中。
将原有电机控制系统的技术进行改造，引入电机控制系统的数据自动采集、监控以及变频、组态技术完善并改进电机变频调速机构。
该系统能对电机转速实现精确控制，实用性强，具有一定的推广价值随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用[5]。
交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。
电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式[3]。
本文对如何利用变频器连接PLC和控制对象，利用软件操作来控制电机的转速，达到远程自动控制进行了讨论[4]。
在工业生产中，电机交流变频调速技术以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，被公认为最有发展前途的调速方式。
PLC控制技术在自动控制系统中被普遍采用。
本文构建了一个变频嚣连接PLC和控制对象，利用软件操作来控制电机转速．以达到远程自动控制的系统[8]。
1.2交流变频调速技术的研究情况及其发展
在21世纪电力电子器件的快速发展，使交流变频调速技术优越的性能得到迅速发展，同时控制理论进步，变频调速以其调速精度高、调速控制范围广、回路保护功能完善，响应速度快、节能显著等优点，现在以广泛的用于电力、制造、运输等国民经济领域[6]。
变频调速技术现在被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求以及节约能源、降低生产成本。
用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器[1]。
国外交流变频调速技术高速发展状况：
功率器件的发展：
近年来高电压、大电流的GTR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高低压大功率变频器产品的生产及应用成为现实。
控制理论和微电子技术的发展：
矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制、适应、神经网络等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础,32位高性能微处理器及信号处理器和专用集成电路（ASIC），SLE4520等的快速发展，为实现变频调速传动设备高精度、多功能提供了硬件手段[10]。
基础工业和各种制造业的高速发展，变频调速传动设备相关配套件实现了社会化、专业化生产使得交流变频技术广泛应用。
国内交流变频技术发展现状：
从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距5－10年。
在大功率交－交变频、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统的可靠性方面与国外还有相当差距。
而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷杨方面有很大需求，发展前景比较乐观。
在中小功率变频技术方面，国内学者作了大量的变频理论的基础研究，早在80年代，已成功引入矢量控制的理论，针对交流电机的多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦和非线性解耦的方法，探讨交流电机变频调速的策略控制[7]。
进入90年代，随着高性能单片机和数字信号处理器的使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流感应电机特点，采用高次谐波注入SPWM和空间矢量控制（SVPWM）等方法，控制算法采用模糊控制、神经网络理论对感应电机转子电阻、磁链和转矩进行在线观测，在实现无速度传感器交流变频调速系统的研究上作了大量的基础研究。
随着大功率变频器的推广应用，越来越多的企业在新的建设项目和技改项目中，开始考虑3KV电压等级以上的电机变频调速问题，市场开始升温。
在刚刚起步的高压变频器领域，技术方案包括了高－低－高、高－低、高中多电平H桥主回路、三电平主回路和直接串联电流源型等多个技术流派。
但总的来讲，高压变频调速市场目前在我国仍处于初级阶段，市场容量较小，但是高压变频技术、因其特有的自身功耗小的优势，还是吸引了包括国外许多企业不断加大研发和生产、力度。
电气传动领域因变频技术的发展而焕然一新，电压等级从110～10000V，容量从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率传动系统；从一般要求的调速系统到精度、快响应的高性能的调速系统。
从单机调速到多机协调调速传动，几乎无所不有,实践证明交流调速技术的应用为工农业生产及节能方面带来了巨大的社会效益[9]。
现在交流调速系统以全面、逐步取代直流调速系统，交流调速在电气传动领域中占据了统治地位已是公认的事实。
变频器亦叫电动机变频调速器，是一种静止的频率变换器。
2总体设计
2.1课题研究概述
可编程序控制器原理及其应用课程是一门实用性、工程性和综合性很强的专业课，与工程实际联系紧密，应当通过实验、生产实习和课程设计等实践性教学环节，增强学生的综合运用能力。
在目前很多的PLC的实习教学中，仅仅以可编程序控制器来进行实验教学，而没有控制对象，学生对可编程序控制器进行编程之后，通过观察输出口旷状态来确定程序的运行情况。
在这类教学方式中学生往往只能进行验证性实验，没有条件进行外围设备的连接和控制[11]。
本试验系统采用PLC、变频器和电机，构建一个PLC控制电机变频调速试验系统，通过PLC编程、外围设备之间的连线，可以使我们在试验设计过程中培养实践动手能力，加深对变频调速技及PLC控制技术的理解。
本试验系统要求在于研究开发对电机变频调速的正反转五段调速。
2.2本课题系统功能的设计分析
随着电力电子技术以及交流控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用。
可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制。
本次设计就是基于PLC的变频器调速系统通过PLC和变频器综合来实现电机的正反转五段调速。
因此，该系统必须具备以下三个主体部分：
控制部分、运算部分和执行部分。
控制运算主要由PLC和变频器来完成，执行元件为变频器和电机。
本设计的主要内容是基于松下系列PLC、变频器完成对三相异步电机的变频调速控制的开发，实现对电机的正反转五段速控制[14]。
正反转五段速控制为开环控制，通过外部1—5档和正反转的控制按钮来控制电机按照不同转速正反转运转。
2.3系统的结构及选择硬件
系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。
首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机。
图2.1硬件电路图
表2.1硬件型号表格
PLC的型号
松下FP-C32CT
变频器型号
松下VFO
电机
三相异步电机
2.4本课题要研究的问题
（1）系统的组成（PLC变频器电机）
（2）PLC的选型及I/O分配
（3）PLC与变频器，变频器与电机的连接
（4）变频器的选择和参数设计
（5）硬件设计和PLC的编程
2.5研究方法、步骤和措施
通过查阅利用各种文献资料，在相关理论的基础上设计一套plc的交流变频调速方案并利用实验室现有的硬件和软件设备进行调系，掌握PIC的电机变频调速系统的工作系统和原理。
（1）掌握交流变频调速系统的工作原理和设计方法
（2）掌握PLC的使用方法和编程思路
（3）完成PLC梯形图的编写
（4）掌握变频调速的原理控制方式
2.6本文内容的安排
电机的变频调速为本文的主要内容且详细介绍了相关技术的发展概况并且对相关技术的原理进行了深入理解。
具体包括以下几个方面:
（1）本试验设计的研究背景及意义、相关技术的发展概况以及本课题研究概述；
（2）总体设计；
（3）变频调速原理及松下VFO变频器的介绍；
（4）系统的硬件设计；
（5）系统的软件设计；
（6）电路的调试；
（7）总结。
3变频调速原理及松下VFO变频器的介绍
3.1变频器原理
3.1.1变频器的构成
变频器是一种把工频电源（5OHz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以控制电机的变速运行的装置。
变频器主要由主电路和控制电路两部分构成，其中主电路包括整流电路和逆变电路两部分，控制电路完成对主电路的控制。
整流电路把工频电源的交流电变换成直流电且对直流电进行平滑滤波，逆变电路把直流电再逆变成各种频率的交流电。
对于通用变频器单元，变频器一般是指包括逆变电路、整流电路和控制电路部分的装置[15]。
图3.1交直交变频器系统框图
变频器的它由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成。
（1）整流器：
整流器的作用是把三相或单相交流电变成直流电。
（2）中间直流环节：
由于逆变器的负载为电动机，属于感应负载，其功率因数总不会为一，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，这种无功能量需要考中间直流环节的储能原件来缓冲。
（3）逆变器：
最常用的逆变器是三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中主开关元器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。
（4）控制电路：
控制电路通常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。
其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流的电压控制以及完成各种保护功能等。
控制方法可以采用模拟控制或数字控制。
高性能的变频器目前已经采用微机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。
由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能[10]。
3.1.2变频器调速原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
它的主电路都采用交—直—交电路。
JP6C-T9/J9 系列低压通用变频器工作电压为：
380～690V，功率为0.75～800kW，工作频率为0～400Hz；JP6C-YZ 系列中压通用变频器工作电压为：
1140～2300V，功率为37～1000kW，工作频率为0～400Hz;JCS系列高压变频器工作电压为：
3KV/6KV/10KV，功率为280～20000kW,工作频率为0～60Hz[5]。
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：
n=60f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
由式可知，转速n与频率f成正比，如果不改变电动机的极数，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在（0～50Hz）的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
节能调速原理一般使用的风机、水泵类它们额定风量、水量都超过实际需要，又因工艺的需要，往往运行中要改变风量、水量，而目前多数采用档板或阀门来调节的，虽然方法简单，但实质是人为增加阻力的办法。
因此浪费大量电能，属不经济的调节方式。
从流体力学原理可知，风机的风量、水泵的流量与电机转速及电机功率的关系如下：
当风机转速下降时，电动机的功率迅速降低，例风量下降到80％，转速亦下降到80％时，则轴功率下降到额定的51％，若风量下降到50％，轴功率将下降到额定的13％，其节电潜力非常大，并有下述曲线、阴影部分表示采用变频器调速方式的节电效果，其节电可达30-40％效果十分明显。
对不同使用频率时的节电率N%可查表。
上述原理也基本适用水泵，可见采用变频调速控制实现节电是有效的、惟 一的途径。
变频调速特点是效率高，无附加转差损耗，调速范围大、精度高、无级的。
容易实现协调控制和闭环控制，可利用原有异步电动机对旧设备进行技术改造，它既保留了原有电动机，具有改造简单，可靠、耐用，维护方便的优点，即能达到节电的显著效果，又能恒压力的工艺需求，还能减小机械磨损。
因此，可理论上认为风机、水泵采用交流调速来实现较大幅度的节能（可达20-50％）是种较为理想而实用的方法[25]。
通过流体力学的基本定律可知：
风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：
Q∝n ，H∝ n2 ，P∝ n3 ；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
PWM是英文PulseWidthModulation（脉冲宽度调制）缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。
可获得按正弦包络电压波形输出值调制方式。
PAM 是英文Pulse Amplitude Modulation（脉冲幅度调制）缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。
可获得按一个方波宽窄可变电压波形输出值调制方式[21]。
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。
变频器的电压与电流成比例的改变原因是异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。
因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。
这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器[23]。
电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加;对于变频器驱动，如果频率下降时电压也下降，那么电流是否增加？
频率下降（低速）时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条件下,电流几乎不变。
采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩分析。
采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下（根据机种不同，为125%～200%）。
用工频电源直接起动时，起动电流为6～7 倍，因此，将产生机械电气上的冲击。
采用变频器传动可以平滑地起动（起动时间变长）。
起动电流为额定电流的1.2～1.5 倍，起动转矩为70%～120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。
V/f 模式的意思是频率下降时电压V也成比例下降，这个问题已在回答前面说明。
V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置（ROM）中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。
按比例地改V和f时，电机的转矩变化情况。
频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。
因此，在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。
可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/f 模式或调整电位器等方法[20]。
闭环、开环的意义。
给所使用的电机装置设速度检出器（PG），将实际转速反馈给控制装置进行控制的，称为“闭环”，不用PG运转的就叫做“开环”。
通用变频器多为开环方式，也有的机种利用选件可进行PG反馈。
实际转速对于给定速度有偏差时处理方法。
开环时，变频器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电机的转速在额定转差率的范围内（1%～5%）变动。
对于要求调速精度比较高，即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合，可采用具有PG 反馈功能的变频器（选用件）。
失速防止功能就是如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速（电角频率）的变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。
为了防止失速使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制[9]。
当加速电流过大时适当放慢加速速率。
减速时也是如此。
两者结合起来就是失速功能。
3.2变频器的选型
变频器选型时要确定以下几点：
（1）采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。
（2）变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
（3）变频器与负载的匹配问题：
电压匹配：
变频器的额定电压与负载的额定电压相符；电流匹配：
普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。
对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力；转矩匹配：
这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
（4）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。
因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
（5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
（6）对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡[12]。
综合上面的选型要求我选择松下VF0变频器作为本毕业设计的硬件材料。
3.3松下VFO系列变频器介绍
3.3.1松下VFO变频器
图3.2松下VF0变频器的外观
为了满足各类机器小型化的需要，实现了同类产品中最小型化的目标.0.2KW和0.4KW型，宽78mm×高110mm，体积仅松下公司过去产品的40%～50%.可与PLC直接调节频率、直接接收PLC的PWM信号并可控制电动机频率.采用了新设计的调频电位器，用操作盘就可容易地操作正转/反转.内装8段速控制制动功能（0.2KW无制动功能），再试功能等[15].
图3.3操作面板的详细说明图
表3.1操作面板各个键的功能
3.3.2变频器的接线方法
图3.4变频器的主接线图
接线时的注意事项：
（1）将电源连接到输入端子（L,N）上，电动机连接到输出端子（UVW）上。
（2）电源和电动机的端子请使用带套筒的圆形压紧式端子。
（3）主电路接线后，一定要确认连接的是否牢固。
否则一旦控制电路接线后会因电线的进出收到限制而不能从新拧紧主电路。
（4）以最短的方式连接到大容量电源变压器时（500kv以上），在变频器的输入端一定要设置改善功率因数的扼流圈。
（5）有关连接设备和电线尺寸等参照接线图，变频器的输入端必须设置过电流、短路以及漏电保护设备[17]。
3.3.3VF0变频器工作模式及控制方式
VF0由下列四种模式构成：
.1.输出频率•电流显示模式、2.频率设定•监控模式、3.旋转方向设定模式、4.功能设定模式。
通常情况下使用输出频率•电流显示模式。
施加电源时即是这种模式。
变频器控制方式：
1、U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式，2、电压空间矢量（SVPWM）控制方式，3、矢量控制（VC）方式，4、直接转矩控制（DTC）方式，5、矩阵式交—交控制方式、微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术、自整定技术等。
3.3.4VF0变频器的频率设定
正转运行/反转运行方式（将参数P08设定为“0”）：
按下操作面板上的上升键（正转）或下降（反转）来选择旋转方向,按下RUN键则开始运行.按下STOP键为停止运行，仅按下RUN键时不会运行。
当频率设定为数字设定方式,MOP功能不能使用。
运行/停止旋转方向模式设定方式（参数P08设定为“1”）最初按两次MODE键使其变为旋转方向设定模式,用SET键显示旋转方向数据。
用上升键或下降键改变旋转方向,用SET键进行设定，然后,按下RUN键使用开始运行,按下STOP键使用停止运行[9]。
电位器设定方式（将参数P09设定为“0”）：
旋转操作板上的频率设定钮的角度进行设定.Min的位置是停止,Max的位置是最大设定频率。
数字设定方式（将参数P09设定为“1”）：
按下操作面板上的MODE键,选择频率设定模式（Fr）,按下SET键之后,显示出用上升键或下降键所设定的频率,按下SET键进行设定确定.另外,在运行过程中可以通过持续按着上升键或下降键而改变频率（而称为MOP功能）.但是,当参数P08为“1”时,MOP功能不能使用。
4系统的硬件设计
4.1PLC的介绍
PLC（可编程逻辑控制器）是用于各种自动控制系统和过程的可控网络集线器。
他们包含多个输入输出，输入输出是用晶体管和其它电路，模拟开关和继电器来控制设备的。
PLCS用软件接口，标准计算器接口，专门的语言和网络设备编程[17]。
可编程逻辑控制器I/O通道规则包括所有的输入触点和输出触点，扩展能力和最大数量的通道。
触点数量是输入点和输出点的总和。
PLCS可以指定这些值的任何可能的组合。
扩展单元可以被堆栈或互相连接来增加总的控制能力。
最大数量的通道是在一个扩展系统中输入和输出通道的最大总数量。
PLC系统规则包括扫描时间，指令数量，数据存储和程序存储。
扫描时间是PLC需要的用来检测输入输出模块的时间。
指令是用于PLC软件（例如数学运算）的标准操作。
数据存储是存储数据的能力。
程序存储是控制软件的能力[13]。
用于可编程逻辑控制器的输入设备包括DC，AC，中间继电器，热电偶，RTD，频率或脉冲，晶体管和中断信号输入；输出设备包括DC，AC，继电器，中间继电器，频率或脉冲[15]。
可编程逻辑控制器用各种软件编程语言来控制。
这些语言包括IEC61131-3，顺序执行表（SFC），动作方块图（FBD），梯形图（LD），结构文本（ST），指令序列（IL），继电器梯形图（RIL），流程图，C语言和Basic语言。
IEC61131-3编程环境能支持五种语言，用国际标准加以规范，分别为SFC，FBD，LD，ST和IL。
这便允许了多卖主兼容性和多种语言编程[18]。
SFC是一种图表语言，它提供了编程顺序的配合，就能支持顺序选择和并列选择，二者择其一即可。
FBD用一种大的运行库，以图表形式建立了一些复杂的过程。
标准数学和逻辑运行可以与用户交流和接口运行相结合。
LD是适用于离散控制和互锁逻辑的图表语言。
它在离散控制上与FBD是完全兼容的。
ST是一种文本语言，用于复杂的数学过程和计算，不太适用于图表语言。
IL是与组合编码相似的低级语言。
它用在相对比较简单的逻辑指令。
继电器梯形图或梯形图是适用于可编程逻辑控制器的重要的编程语言。
梯形图编程是设计成继电器逻辑程序的图表表示法。
流程图是一种图表语言，用于在一个控制器或应用软件中描述顺序操作，它用于建立有标准组件的可循环使用的运行库。
C语言是一种高级编程语言，适用于处理最复杂的计算，连续的数据采集任务。
它典型地在PC机上运行调试。
BASIC语言是用于处理数据的连续的数字采集和接口运行的高级语言[5]。
4.2PLC的组成
PLC的内部结构采用了典型的计算机结构，PLC主要是由RAM,CPU,ROM和专设计的输入输出接口电路等组成，如下图所示：
图4.1PLC结构示意图
（1）中央处理机，即PLC的大脑，它由中央处理器（CPU）和存储器等组成。
中央处理器（CPU）一般由运算器、控制电路和寄存器等组成，这些电路通常都集成在一个芯片上。
CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与输入输出（I/O）接口电路、存储单元相连接。
存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放用户程序、系统的程序、逻辑变量和其它一些信息[16]。
（2）电源部件，是将交流电源转换成供PLC的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作，PLC内部电路使用的电源是整机的
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