基于plc的交流电动机的调速控制设计学士学位论文.docx
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基于plc的交流电动机的调速控制设计学士学位论文
基于PLC的交流电动机的调速控制设计
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
目录
目录4
引言5
课题背景5
第一章绪论5
1.1三相交流异步电动机的结构和工作原理5
1.2三相异步电动机的调速方式6
1.2.1变极调速6
1.2.2变频调速6
1.2.3变转差率调速6
第二章硬件设计7
2.1变频调速原理7
2.2变频器结构8
2.3变频器的控制方式9
2.4变频器的选择9
第三章软件设计10
3.1可编程控制器（PLC）简介10
3.1.1PLC的基本特点10
3.1.2可编程控制器的分类11
3.2可编程控制器基础12
3.2.1可编程控制器的结构12
3.2.2可编程控制器的工作原理14
第四章程序设计17
4.1变频器参数设置17
4.2程序18
结论21
谢辞23
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新设计,耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。
因此当工艺过程改变时,只需修改程序即可,外部接线改动极小,甚至可以不必改动,其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。
第二,可靠性高,抗干扰能力强"继电器控制系统中,由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的,大大降低了系统的可靠性。
而在控制系统中,大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的,加之在硬件和软件方面都采取了强有力的措施,使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力可以直接安装在工业现场稳定地工作。
PLC在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施,并利用后备电池对程序和数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。
第三,编程简单,使用方便。
PLC采用面向过程,面向问题的“自然语言”编
程方式,直观易懂,主要采用梯形图和语句表编写程序,使得广大电气技术人员更
容易接纳和理解。
同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言。
标准是编程语言的标准,除了梯形图!
语句表之外,还存在顺序流程图!
结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。
一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述,支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。
第四,功能强大,可扩展。
的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控
制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。
PLC的功能扩展也极为方便,硬件配置相当灵活,根据控制要求的改变,可以随时变动特殊功能单元的种类和个数,再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。
3.1.2可编程控制器的分类
可编程序控制器发展到今天，已经有多种形式，而且功能也不尽相同。
按不同的原则可有不同的分类。
1.按I/O点数及存储器的容量分类
一般而言，处理的I/O点数比较多，则控制关系比较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求PLC指令及其他功能比较多，指令执行的过程也比较快等。
按PLC的输入输出点数可将PLC分为以下三类：
（1）小型PLC
小型PLC的功能一般以开关量控制为主，小型PLC输入、输出总点数一般在256点以下，用户程序存储器容量在4K字以下。
现在的高性能小型PLC还具有一定的通讯能力和少量的模拟量处理能力。
这类PLC的特点是价格低廉，体积小巧，适合于控制单台设备，开发机电一体化产品。
典型的小型机有SIEMENS公司的S7—200系列、Rockwell（AB）公司的SLC500系列、OMRON公司的CPM2A系列、MITSUBISH公司的FX系列等产品。
（2）中型PLC
中型PLC的输入、输出总点数在256—1024点之间，用户程序存储器容量大于8K字。
中型PLC不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能力，它的通讯功能和模拟量处理能力更强大。
中型机的指令比小型机更丰富，中型机适用于复杂的逻辑控制系统以及连续生产过程控制场合。
典型的中型机有SIEMENS公司的S7—300系列、Rockwell（AB）公司的ControlLogix系列、OMRON公司的C200H系列模块式PLC等产品。
（3）大型PLC
大型PLC的输入、输出总点数在1024点以上，用户程序存储器容量达到8—16M。
大型PLC的性能已经与工业控制计算机相当，它具有计算、控制和调节的功能，还具有强大的网络结构和通讯联网能力。
它可以连接HMI作为系统监视或操作界面，能够表示过程的动态流程，记录各种曲线，PID调节参数选择图，可配备多种智能模块，构成一个多功能系统。
这种系统还可以和其他型号的控制器互联，和上位机相连，组成一个集中分散的生产过程和产品质量控制系统。
大型机适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。
2.根据结构形式分
（1）整体式PLC（箱体式PLC）
整体式结构的特点是将PLC的基本部件，如CPU板、输入板、输出板、电源板等紧凑地安装在一个标准机壳内，构成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机）或扩展单元。
基本单元上没有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元相连。
以构成PLC不同的配置。
整体式结构的PLC体积小，成本低，安装方便。
微型和小型PLC一般为整体式结构。
如下图：
（2）模块式PLC
模块式结构的PLC是由一些模块单元构成，这些标准模块如CPU模块、输人模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等，将这些模块插在框架上或基板上即可。
各模块功能是独立的，外形尺寸是统一的，插入什么模块可根据需要灵活配置。
目前，中、大型PLC多采用这种结构形式。
如下图：
3.2可编程控制器基础
3.2.1可编程控制器的结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图3.3所示：
a、中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
b、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
c、电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
d、输入输出接口电路
1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。
2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
e、功能模块
如计数、定位等功能模块。
f、通信模块
图3.3PLC的基本结构图
3.2.2可编程控制器的工作原理
一、扫描周期
当可编程逻辑控制器投入运行后，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，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1、输入采样阶段
在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2、用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
3、输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象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，才是可编程逻辑控制器的真正输出。
2、扫描方式
PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：
内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图3.4所示。
图中当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程。
图3.4PLC循环扫描的工作过程
由于循环扫描机制，可编程控制器在I/O处理方面遵守以下几点：
1．输入映象寄存器的数据，取决于各个输入端子在上一个刷新时间的状态。
2．输出映象寄存器的数据，由输出指令决定。
3．输出锁存寄存器的数据，由上一个刷新时间输出映象寄存器的数据确定。
4．输出端子板上的输出端的状态，由输出锁存寄存器确定。
5．程序如何执行，取决于I/O映象寄存器。
图2.3反映了RUN状态下扫描全部过程。
图3.5RUN状态下扫描的全过程
第四章程序设计
4.1变频器参数设置
变频调速根据输入端的控制信号经过程序运算后由通信端口控制变频器运行。
打开启动开关，变频器开始运行。
首先应对变频器的参数进行设置，如表4.1所示。
表4.1变频器的参数设置
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
1
P0304
230
380
电动机的额定电压（380V）
2
P0305
3.25
0.35
电动机的额定电流（0.35A）
3
P0307
0.75
0.06
电动机的额定功率（60W）
4
P0310
50.00
50.00
电动机的额定频率（50Hz）
5
P0311
0
1430
电动机的额定转速（1430r/min）
6
P1000
2
3
固定频率设定
7
P1080
0
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