电动机软起动控制的设计.docx
《电动机软起动控制的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电动机软起动控制的设计.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电动机软起动控制的设计
电动机软起动控制的设计
目录
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
第1章可编程序控制器概述
1可编程序控制器的主要特点13
2可编程序控制器的工作原理
13
2.1.2可编程序控制器的主要特点13
2.1.3可编程序控制器最新发展趋势15
2.1.4可编程序控制器的工作原理15
2.1.5可编程序控制器的基本结构17
2.1.6可编程序控制器的I/O滞后现象18
2.1.7可编程序控制器编程语言的国际标准18
2.2可编程序控制器特殊功能模块20
2.2.1模拟量输入输出模块20
第2章系统原理及方案设计
4.1基于PLC的大中型软起动控制系统27
4.1.1系统的基本工作原理及结构特点27
4.1.2系统原理分析28
4.2磁控式PLC电动机起动控制系统结构的研究与设计28
4.2.1系统原理及方案设计29
4.2.2硬件设计30
4.2.3软件编程31
4.3基于单台软起动器对多台异步电动机的软起动32
4.3.1主回路图32
4.3.2软件编制33
结束语42
参考文献42
电动机智能软起动控制系统的研究与设计
摘要：
本文阐述了PLC技术在大中型异步电动机软起动自动控制中的应用及其优越性，并给出了具体的实施办法。
即采用PLC来对以串联在笼型电机的转子回路中的电压调节式可漏电抗、A/D、D/A转换模块、电力电子装置、PID调节等共同组成的一套起动系统加以控制，大致原理即电机起动时由于串联了可调电抗，起动电流较小。
起动过程中通过PLC调节装置调节可调电抗的控制电压，使之电抗逐渐减小至零，电机由起动状态平稳过渡到正常运行状态再将可调电抗旁路后退出运行，电机起动过程完成。
此外，本文针对目前在变频器输出切换问题上存在的情况，试图从技术和经济实用的角度出发，对变频器的同步切换问题进行了分析和探讨。
关键词：
可编程序控制器（PLC）；电动机；软起动；变频器；同步切换
Anelectricmotorissofttostart
theresearchandthedesignofcontrolthesystem
Abstract:
Thistextintroducedanelectricmotorofbigandmedium-sizeddifferencesofttheconceptandthemovementprinciplesthatstart,elaboratedtheprogrammableprefacecontroller（PLC）techniqueinanelectricmotorofbigandmedium-sizeddifferencesoftlystartautomaticcontrolofapplicationanditssuperiority,andgiveconcreteimplementway.AdoptthePLCnamelytoturninanelectricalengineeringofcagebyestablishtheelectricvoltageinthesub-backtrackregulatetypecantheelectricleakage,A/D,theD/Aconversionmoldpiece,theelectricpowerelectronicsequip,thePIDregulatesetc.toconstitutetogetherasetoftostartthesystemtocarryoutthecontroltocarryonsoftstart,thusattainthepurposeofprotecttheelectricmotor.Mostlyprinciplenamelytheelectricalengineeringstartbecauseofestablishingtheadjustableelectricity,startingtheelectriccurrentsmaller.Starttoregulatetoequiptoregulatethecontrolelectricvoltageoftheadjustableelectricityanti-throughaPLCintheprocess,theelectricityanti-thatmakeletsuptozerothgradually,electricalengineeringfromstarttheappearancesteadytransferthenormalmovementappearancetoretreattheadjustableelectricitybypassagainamovement,theelectricalengineeringstartstheprocesstocomplete.Inaddition,thistextaimatcurrentlyexistentcircumstanceinchangingthefrequencymachinetooutputtocutovertheproblem,tryfromthetechniqueandeconomiesthepracticalanglesetout,cuttingovertheproblemtocarryontheanalysisandstudiestowardschangingthefrequencymachinesynchronously.
Keyword:
Theprogrammableprefacecontroller（PLC）；Motor；Soft-starting；Changingfrequencymachine；InverterOutputswitching
第1章可编程序控制器概述
1可编程序控制器的主要特点
1）可靠性高
PLC的MTBF（MeanTimeBetweenFailures）平均故障间隔时间一般在40000-50000h以上，三菱、西门子、ABB、松下等微小型PLC可达10万h以上，而且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。
2）模块化组合灵活
可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合。
I/0点数从8^8192点，有多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。
3）功能强,性能价格比高
PLC应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能。
基本型式再加上模拟I/0、基本算术运算、通信能力等。
复杂型式除了具有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络通信能力、远程I/0、多处理器和高速数据处理能力。
一台可编程序控制器可以同时控制几台设备，也可以通过联网通信，实现分散控制，集中管理。
4）编程方便
PLC适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图（SFC）编程，不需要太多的计算机编程知识。
新的编程工作站配有综合的软件工具包，并可在任何兼容的个人计算机上编程。
5）适应工业环境，可靠性高，抗干扰能力强
PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。
6）安装、维修简单
与计算机系统相比，PLC安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。
使用时只要各种器件连接无误，系统便可正常工作。
各个模件上带有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换，使用户可以在最短的时间内查出故障并排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。
一些PLC外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成，结构简单，上面带有散热槽，在高温下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率（RF高频）电磁干扰、防火等。
7）运行速度快
随着微处理器的应用，PLC的运行速度增快，使它更符合处理高速度复杂的控制任务。
8）总价格低
PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。
另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。
2可编程序控制器的工作原理
在继电器控制电路中，当某些梯级同时满足导通条件时，这些梯级中的继电器线圈会同时通电，这是一种并行的工作方式。
PLC是采用循环扫描的工作方式，在PLC执行用户程序时，CPU对梯形图自上而下、自左向右地逐次进行扫描，程序的执行是按语句排列的先后顺序进行的，是一种串行的工作方式，不会出现多个线圈同时改变状态的情况，这样有利于避免触点竞争和时序失配的问题。
PLC上电后首先进行初始化:
I/0、内部辅助、特殊辅助、辅助记忆继电器区域清零;定时器预置;识别扩展单元。
然后进入循环扫描工作过程，扫描过程如图2-1所示。
这个工作过程分为内部处理、外设端口服务、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。
内部处理阶段:
CPU都要进行复位监视定时器、硬件检查、用户内存检查等操作。
通信操作服务阶段:
PLC与一些智能模块通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。
当PLC处于停止（STOP）状态时
只进行内部处理和外设端口服务操作等内容。
在PLC处于运行（RUN）状态时从内部处理、外
设端口服务、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
图2-1PLC工作扫描流程图
1）输入处理阶段
输入处理也叫输入采样。
在此阶段，PLC以扫描方式读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器，在此输入映像寄存器被刷新，接着进入程序执行阶段。
自此输入映像寄存器就与外界隔离，即使输入信号发生变化其映像寄存器的内容也不发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息，也就是说，各输入映像寄存器的状态要保持一个扫描周期不变。
2）程序执行阶段
在程序执行阶段，根据梯形图程序先左后右、先上后下的扫描原则，PLC逐句扫描执行用户程序，遇到跳转指令，则根据转移条件来决定程序的走向。
从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器中读出对应映像寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。
对每个器件而言，器件映像寄存器中所寄存的内容会随着程序执行过程而变化。
执行用户程序阶段的扫描时间是影响扫描周期时间长短的主要因素，而且不是固定的，其原因主要取决于以下几方面因素:
①用户程序中所用语句条数的多少。
②每条指令的执行时间不同。
③程序中有改变程序流向的指令。
3）输出刷新阶段
程序执行完以后，将所有输出继电器的元件映像寄存器的状态传送到相应的输出锁存电路中，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，形成PLC的实际输出，驱动相应外设。
3可编程序控制器的基本结构
可编程序控制器主要是由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。
1、CPU模块
CPU模块主要是由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。
在可编程序控制器控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏。
它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。
2、I/O模块
输入模块和输出模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号，输入信号有两类：
一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的模拟量输入信号。
可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。
CPU模块的工作电压一般是5V，而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。
从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使可编程序控制器不能正常工作。
在I/O模块中，用光电耦合器、光电可控硅、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载，I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。
3、编程器
编程器除了用来输入和编辑用户程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时各种编程元件的工作状态。
4、电源
可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。
可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的电路供电。
某些可编程序控制器可以为输入电路和外部电子检测装置（如接近开关）提供24V直流电源，驱动现场执行机构的直流电源一般由用户提供。
第2章基于PLC的大中型电动机软起动控制系统
1系统的基本工作原理及结构特点
开关变压器式高压电机软起动控制系统的基本工作原理如图4-1所示，是用开关变压器来隔离高压和低压，开关变压器的低压绕组与晶闸管和控制系统相连，通过改变其低压绕组上的电压来改变高压绕组上的电压，从而达到改变电动机端电压的目的，实现电动机的软起动。
其特点如下（图4-1）：
图4-1基本工作原理图
1、电压和电流能从零起连续可调，对电动机无操作过电压伤害，无转矩冲击，对电网无冲击；转速慢慢上升，有利于润滑，能延长电动机及机械设备的使用寿命；高压开关合闸时电流（或电压）为零，能显著提高开关寿命。
2、控制灵活，重复精度高。
3、在起动过程中，能在额定电流以内给电动机以充分加速，因此能最大限度的降低起动电流最大值，最大值保持时间短。
4、该装置本身功耗很小，可以连续起动，可以一拖多（容量可不同）。
5、开关变压器具有很大的电感值，晶闸管产生的高次谐波大部分加在它上面，加到电源和电动机上的高次谐波很少。
系统原理分析
系统原理如图4-2
图4-2系统原理图
电动机可以是同步机或异步机，开关变压器控制部分由PLC主控模块、A/D、D/A转换器、电流互感器、可控硅交流调压装置及其触发单元构成。
开关变压器高压侧串联在高压回路中，输出端与电动机相串联，通过调节低压侧电压而达到调节高压侧电压的目的。
反馈电流是通过电流互感器取电机的三相电流的平均值或一相电流值，经A/D变换后送人PLC，电机起动前1QF断开，2QS闭合使开关变压器串联在电动机定子回路中。
起动时PLC发出指令使2QF闭合，电动开始起动，电机电压、电流都从零起调，与此同时，A/D将电流互感器反馈回的电流值转换为数字量输入PLC，PLC接到反馈信号后经过内部的控制运算控制输出，经D/A变换后控制晶闸管的触发角，调节低压侧电压达到调节高压侧电压的目的随着电机端电压的不断升高电机的转速逐步达到额定值，当电机电流迅速下降说明电机已经完成起动，此时PLC发出控制指令使1QF闭合，后延时断开2QF和2QS使开关变压器旁路，起动结束。
2磁控式PLC电机起动控制系统结构的研究与设计
磁控式电机软起动装置是近年来开始在工业上逐渐被认可的一种大型电机软起动装置。
它投资较小，起动效果好它的基本工作原理是将电压调节式可调电抗串联在笼型电机的转子回路中，电机起动前可调电抗值为其最大值L0，电机起动时由于串联了可调电抗，起动电流较小。
起动过程中通过PLC调节装置调节可调电抗的控制电压，使之电抗逐渐减小至零，电机由起动状态平稳过渡到正常运行状态，再将可调电抗旁路后退出运行。
电机起动过程完毕。
以下为具体工作原理和启动过程。
（1）系统原理及方案设计
1.系统原理框图及主电路图
磁控式可调电抗原理圈如图1所示，电抗原始值为LO，可调电源的电流值改变时，由于互感的作用，电抗的输出值也随之变化，合理选择电感参数，可使电源电压由小到大变化时电抗输出值在L0~O之间变化（图4-3）。
图4-3磁控式可调电抗原理图
在实际装置中电抗有三组，分别串联在电机的三相绕组中。
可调电源为可控硅，通过改变可控硅的触发角来改变输出电压，从而改变电抗的输出电抗值。
系统原理框图如图4-4所示：
图4-4磁控式PLC电机起动控制系统主电路图
图4-4中M为笼型电机．电抗控制部分由PLC主控模块，A/D模块、电流互感器、可控硅及其触发单元、可调电抗等构成。
磁控式可调电抗的输出端串联在笼型电机的转子回路中，控制端口接可控硅的输出端。
PLC控制系统中给定值为电机额定电流值，反馈电流值是用电流互感器取电机的一相转子电流，经A/D转换后送入PLC。
电机起动前旁路开关KM2断开，可调电抗开关KM1闭合，使可调电抗串联在电机的转子回路中，电机断路器QFO在断开位置。
此时可调电抗的值为其最大值LO。
起动时PLC发出信号先合上断路器QF0，电机开始起动，电流迅速增大。
A/D模块将电流互感器送来的电流量模拟值转换为反馈数字信号送入PLC。
PLC得到反馈信号后开始进行PID运算。
运算的结果是数字量，经过D/A转换后输出电流模拟量，控制可控硅触发角，使可控硅输出电压逐渐增大，从使而可调电抗值L0逐渐减小。
随着电机的起动，反馈值I0不断减小，因此PLC的输出电流模拟量值不断增大，使可控硅输出电压值不断增大，可调电抗值不断减小。
当可调电抗值减小到零时，电流反馈值与给定值相等，电机的转子电流由最大值减小到额定值。
此时PLC发出信号，合上KM2，可调电抗被旁路，电机正常运行，这时断开KM1，使可调电抗平稳退出，起动过程结束。
（2）硬件设计
根据装置工作需要，选用性价比较高的日本三菱公司的FX2N系列的FX2N-16MR-001可编程控制器来构建控制系统。
采用交流220V电源供电，主模块本身带有8路开关量输入，用于检测控制命令和开关状态；6路继电器型开关量输出，用于各操作开关的控制。
同时扩展了一块模拟量输入模块和输出模块FX2N-3A，各通道可分别指定选用DC0~10V的输入/输出电压或DC4mA~20mA的输入/输出电流。
它有8路模拟输入，用于检测起动过程中的转子电流；1路模拟输出，用于将PLC主机中运算处理得到的控制信号转换为模拟量输出至触发控制板，从而调整可调电抗器的等效电抗，达到控制启动电流的目的。
PLC模块配置如图4-5所示：
图4-5PLC模块配置形卡
为了使操作过程简单、可靠，本装置尽可能减少了输入、输出量。
PLC主模块上输入开关量有6个，其中三个为控制命令，它们是：
X0（主机启动）、X1（主机急停）、X2（试验启动），另三个为开关状态：
X3（QF0开关合）、X4（KM1开关合）、X5（KM2开关合）。
6个输出开关量分别为：
Y0（QF0合）、Y1（KM1合）、Y2（KM1分）、Y3（KM2合）、Y4（KM2分）、Y5（故障报警）。
QF0开关的分闸由外部停止命令直接控制，当起动过程中故障时，Y5也可以用于QF0开关的跳闸。
-A/D模块上仅有AIW0（模拟量输入）、AQW0（模拟量输出）两个量。
表4-1可编程控制器输入输出端口（DI/0）地址分配表
端口地址
注释
X0
主机启动
X1
主机急停
X2
试验启动
X3
熔断器开关合闸
X4
KM1开关合闸
X5
KM2开关合闸
Y0
熔断器合闸
Y1
KM1合闸
Y2
KM1分闸
Y3
KM2合闸
Y4
KM2分闸
Y5
故障报警
（3）软件编程
大型电机软起动装置软件部分主要包括模块自检、开机判断、PID运算、超时及故障保护、开关量顺序控制等软件采用模块化思想编程，程序流程圈如图4-6所示。
PLC首先进行模块自捡．若模块有故障则发出警告程序不往下执行，直接退出，若模块无误，则将各变量置初值，等待起动信号。
当检测到起动信号时开始起动过程、并将检测到的转子电流信号与设定值进行比较，通过PID运算后调整输出到触发控制板的模拟信号的大小，尽量使实际转子电流与设定值一致。
当转子电流大于设定值时，则减小输出的模拟控制电压以增大等效的电抗值；当转子电流小于设定值时，则增大输出的模拟控制电压以减小等效的电抗值；当转子电流小于或等于设定值时，且等效电抗已减小为0时，则执行相关的开关量顺序控制，使可调电抗退出运行，起动过程结束。
为防止采集数据的误差引起PLC输出调节量不准确而导致起动时间过长，可在软件中设置起动超时保护，即设置一个起动最大时限，到了这个时限后若检测的转子电流仍大于改定值．PLC将发信号结束起动过程，保证电机的正常工作，软件编制流程如下图所示：
图4-6PLC控制程序流程图
3基于单台软起动器对多台大中型异步电动机的软起动
在实际的生产应用当中，往往需要实现一台软启动器对多台电动机的起动，所以，用PLC实现“一拖多”就具备了极其实用的意义。
软起动器可设置为软起动、软停止，限流起动和智能制动等工作方式，软起动器特别适用于大容量电动机的起动、停止控制，它实际上是一种很智能的产品。
（1）主回路图
电动机的软起动和软停止是一种新型的起动方式。
软起动使电动机输入电压从0V开始，按预先设置的方式逐步上升，直到全电压结束。
电动机的软停止使电动机从额定转速开始，按预先设置的方式逐步减速，直到停止。
软起动和软停止依赖于串接在电源和电动机之间的软起动器，用它控制软启动器内部晶闸管的导通角。
从而控制其输出电压或电流，达到有效地控制电动机的起动和停止。
ROCKWELL的SMCPLUS软启动器标准单元在主电路中的接线如图10所示。
图10中，在软起动器的输入和输出两端，并联接触器KMn1（n=1、2、3、4以下同）的常开触点，在软起动器输入和输出端串联接触器KM和接触器KMn2的常开触点。
当软起动时，触点KM和触点KMn2闭合，触点KMn1断开，起动电流经软起动器流向电动机。
软起动完成后，触点KMn1闭合，触点KM和触点KMn2断开，软起动器不工作。
工作电流通过KMn1送至电动机。
当软停止时，触点KM和触点KMn2闭合，触点KMn1断开，实现软停止，直到电动机停止运行，然后断开触点KM和KMn2。
该方法大大提高了软起动器的使用寿命。
同时避免了电动机运行时软起动器产生的高次谐波。
因为接触器通断时，触点两端电压基本为零，也提高了接触器的使用寿命。
起动、停止的控制过程可由PLC的顺序控制完成，并能实现用一台软起动器起动多台电动机。
图4-7起动多台电动机的主回路
（2）软件的编制
开关变压器式高压电机软起动装置控制软件主要包括模块自检、电源电压检测、开机判断、运算、各种保护、开关量的顺序控制等。
程序编制的主导思想是模块化，流程如图4-8所示。
图4-8软件编制流程图
结束语
本文针对大中型异步电动机的智能软起动问题，设计了以PLC为核心的智能控制系统，使其达到除了完成软起动功能以外，还具有多种保护功能。
如断相、短路、过流、漏电闭锁等，同时对变频器用于软起动的安全同步切换问题进行了探讨。
该设计采用了PLC、可调电抗、电流互感器、A/D、D/A转换模块等元器件。
采用PLC控制的串连可调电抗的方法进行大型电动机的软起动，可将起动冲击电流最大值控制在额定值的3倍以下，且起动过程平稳迅速，使电网电压波动
升级会员 