基于组态王变频器系统控制.docx
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基于组态王变频器系统控制
基于组态王变频器系统控制
第一章变频调速的基本知识1.1交流电动机调速方式
降压调速:
只适用于专门设计的高转差率电机，机械特性软。
串电阻调速:
只适用于绕线式电动机，有级调速，低速时机械特性软。
串级调速:
只适用于绕线式电动机。
变极调速:
只适合于变极电机，有级调速。
变频调速:
高动态性能的交流调速，有取代直流调速趋势。
在研究开发阶段，人们从多方面探索调速的途径，因而种类繁多是很自然的。
现在交流调速的发展已经比较成熟，为了深入掌握其基本原理，就不能满足于这种表面上的罗列，而要进一步探讨其本质，认识交流调速的基本规律。
按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分:
一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率;另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。
即Pm=Pmech+Ps
Pmech=（1–s）Pm
Ps=sPm
从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。
从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。
1.1.1转差功率消耗型调速系统
这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的前两种调速方法属于这一类。
在这两类异步电机调速系统中，系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载
时）。
可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。
1.1.2转差功率馈送型调速系统
在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第三种调速方法属于这一类。
无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。
1.1.3转差功率不变型调速系统
在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述最后两种调速方法属于此类。
其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。
只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速;但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。
1.2变频调速系统的效率分析
变频器效率是指其本身变换效率。
就变频器的两种形式而言。
交-交变频器尽管效率较高，但调频范围受到限制，应用受到限制，目前通用的变频器主要是交-直-交型，其工作原理是先把工频交流电通过整流器变换成直流，然后用逆变器再变换成所需频率的交流电。
所以变频器的损耗有三部分组成，整流损耗约占40%，逆变损耗约占50%，控制回路损耗占10%。
其前两项损耗是随着变频器的容量、负荷、拓扑结构的不同而变化的，而控制回路损耗不随变频器容量、负荷而变化。
变频器采用大功率自关断开关器件等现代电力电子技术，其整流损耗、逆变损耗等都比传统电子技术中整流损耗力量小，根据文献[1>提供资料，变频器在额定状态运行时，其效率为86.4%~96%，随着变频器功率增大而得以提高。
1.2.1变频调速后电动机效率的变化
变频调速后，电动机的各种损耗和效率均有所变化，根据电机学理论，电动机的损耗可分为铁芯损耗（包括磁滞损耗和涡流损耗）、轴承摩擦损耗、风阻损耗、
定子绕组铜耗、转子绕组铜耗、杂散损耗等几种。
铁芯中的磁滞损耗表达式为:
说明磁滞损耗Pn与磁通的交变频率f成正比，与磁通密度的幅值Bm的α次方成正比，α对于一般硅钢片，当Bm=0.8,1.6W/m2时，α=2。
由风机和泵类理论，其流量Q与所需电动机轴功率P与转速n的关系为:
Q?
n;P?
n3;P?
Q3
变频调速后，磁滞损耗减少速度比电动机有功减少，速度慢，损耗所占比例有所提高。
涡流损耗表达式为:
Pe?
af2;
式中a=（Bm）2d2/rw;Bm磁通密度的幅值Bm;d铁心厚度;rw涡流回路等效电阻。
轴承摩擦损耗:
Pz?
f1.5
风阻损耗:
Pf?
f3
定子绕组铜耗和转子绕组铜耗其大小与电源频率f没有直接关系，但高次谐波及脉动电流增加了电动机的铜耗。
杂散损耗及附加损耗:
不论何种形式的变频器，变频后除基波外，都产生现谐波，这些附加的高次谐波，许多谐波的转矩方向是与基波转矩方向相反的，另外高次谐波也会增加涡流损耗。
综上所述，变频调速后，电动机的磁滞损耗、涡流损耗、轴承摩擦损耗、定转子铜损及杂散损耗在功率中所占比例都有所增加，有关文献指出，变频调速后电动机电流增加10%，温升增加20%。
1.3变频器的应用领域
节能方面的应用:
恒压供水，风机，中央空调，变频冰箱。
自动化系统中的应用:
化纤工业，玻璃工业，电梯控制系统。
产品工艺和质量的应用:
各种机械设备控制领域。
第二章异步电机变压变频调速系统2.1变压变频调速的基本控制方式
在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是:
希望保持电机中每极磁通量,m为额定值不变。
如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费;如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。
对于直流电机:
励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，,m保持不变是很容易做到的。
对于交流异步电机:
磁通,m由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。
定子每相电动势
E,4.44fNkΦg1sNmS
式中Eg—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）;f1—定子频率（Hz）;
Ns—定子每相绕组串联匝数;
kNs—基波绕组系数;
m—每极气隙磁通量（Wb）。
由式可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通,m的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。
2.2电压,频率协调控制的机械特性
当定子电压Us和电源角频率,1恒定时，异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式如下形式:
2',,,UsRs1r,,T,3nep'222'2,,,（sR，R），s,（L，L）,1,sr1lslr参数定义
Rs、Rr—定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻;
Lls、Llr—定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感;
Lm—定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感;Us、,1—定子相电压和供电角频率;
s—转差率。
当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则
2
,Us,s1,,T,3n,sep',,R,1r,,
也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te=f（s）是一段直线，见图三。
当s接近于1时，可忽略式分母中的Rr'，则
2',,,UR1s1r,,T3n,,ep22'2,,,s,s[R（LL）]，，1,,s1lslr
即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。
当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图一所示。
图2.1
2.3交-直-交变压变频器
如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）装置。
图2.2
最早的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。
自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组已经无例外地让位给静止式的变压变频器了。
312T,nUNemaxp22'22,,,R，R，,（L，L）1ss1lslr
由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。
具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图三所示。
图2.3
PWM变压变频器的一系列优点:
1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。
采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。
2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。
3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。
4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。
PWM变压变频器常用的功率开关器件有:
P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。
图2.4
在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。
下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图四。
2.4脉宽调制（PWM）技术
PWM调制原理
以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrierwave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulationwave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。
按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。
这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidalpulsewidthmodulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。
第三章:
可编程控制器简介
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。
3.1PLC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。
PLC以原有的继电器、逻辑运算、顺序控制为基础逐步发展起来的。
与继电器控制系统相比较,它以软器件代替了硬器件,以软触点代替了硬触点,以软接线代替了硬接线,从而使其器件、触点的寿命达数万甚至十万小时,而改变接线的速度则极为迅速。
它是由计算机简化而来的，又有着诸多自身独特的优势。
如下所述:
1.系列化
各大生产公司一般都有小型、中型、大型三种系列产品.
2.多处理器
一般小型机是单处理器系统中型机是双处理器系统,包括位处理器和字处理器大型机则为多处理器系统,由字处理器!
位处理器和浮点处理器等组成.
3.较大的存储能力
4.很强的I/O口
5.智能外围接口
6.网络化
PLC可连成功能很强的网络系统,一般有低速网络和高速网络两种。
这两类网络可级连,网上可兼容不同类型的和计算机,从而组成控制范围很大的局域网络。
7.紧凑及高可靠性
8.通俗化的编程语言和丰富的指令
目前常用的有种3编程语言:
1）顺序控制用的梯形图用以进行逻辑运算,完成时间上的顺序控制2）适用于数值控制的系统流程图,具有算术运算、比较、
滤波等功能;3）类似汇编语言的指令表。
3.2PLC的基本结构
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3.1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
图3.1PLC的基本结构图
3.3PLC的工作原理
PLC一般采用循环扫描的工作方式。
PLC上电后,执行系统程序规定的任务,周而复始地扫描并执行用户程序。
完成一次扫描所用的时间称为扫描周期。
一次循环过程可归纳为五个阶段,循环扫描过程为公共处理执行用户程序扫描周期计算输入输出刷新外设端口服务--公共处理。
1.公共处理
在公共处理阶段,要进行复位监视定时器、硬件检查、用户内存检查等操作。
若有异常情况,故障显示灯亮,判断并显示故障的性质。
若属于一般性故障,则只报警,但不需要停机,可等待处理。
2.执行用户程序
执行用户程序阶段,逐条解释和执行用户程序,其所需的全部信息都是从映像寄存器中读取的.
映像寄存器包括输入映像寄存器和元件映像寄存器。
输入映像寄存器存储着输入继电器的通断状态,输入继电器接通为1,断开为0。
元件映像寄存器存储着输出继电器、各种辅助继电器等的状态,同样用和表示它们的通断状态。
PLC在执行用户程序时所需的外部输入信息,不是直接从输入端读取的,而
是
从输入映像寄存器中读取的。
在每个扫描周期的I/O刷新阶段,CPU从PLC输入端读取一次信息并存入输入映像寄存器中。
在此后的一个扫描周期中,尽管PLC输入端的状态可能发生过变化,但输入映像寄存器中的数据也保持不变。
同样,所需的输出继电器或其他编程元件的状态信息,是从元件映像寄存器中读取的。
在执行用户程序过程中,根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算,运算结果再写入元件映像寄存器中。
可见,在一个扫描周期中元件映像寄存器中的内容是可变的。
3.扫描周期的计算
在扫描周期的计算阶段,若预先设定了扫描周期的值,则进入等待,直至达到该设定值时扫描再往下进行若扫描周期设为不定时,则要进行扫描周期的计算。
4.I/O刷新
在I/O刷新阶段,主要作两件事情.
（1）读各输入点的状态
从输入电路中读取各输入点的状态并将此状态写入输入映像寄存器中,也就是刷新输入映像寄存器的内容"自此输入映像寄存器就与外界隔离,无论输入信号的状态怎样变化,输入映像寄存器的内容都保持不变,一直到下一个扫描周期的I/O刷新阶段,才会写进新内容.
（2）读输出元件映像寄存器中的状态
将对应输出继电器的元件映像寄存器的状态传送到输出锁存器电路中,再经输出电路的隔离和功率放大送到的输出端,驱动外部执行元件动作。
5.外设口服务
在外设口服务阶段,完成与外设口连接的外围设备如编程器或通信适配器的通信处理。
完成上述各阶段的处理后,又返回公共处理阶段,周而复始的进行扫描。
第四章基于组态王变频调速监控系统4.1总体要求
由三菱FR-S500变频器控制一0.4KW的鼠笼式异步交流电动风机，使用组态软件对电动风机的运行情况进行监控。
系统结构参见图五。
组态软件PLC发送模拟量模块给定（MCGS或（FX2N）数据（FX0N-3A）信号组态王）
4-20mA电流
变频器
（FR-S500）
频率可变交流电
交流异步电机
图五变频调速监控系统框图
4.2控制要求
（1）对三菱FR-S500变频器进行参数设置，使得其接收外部4-20mA电流作为控制信号，相应输出20-50Hz的交流电，从而控制电机转速。
（2）使用组态软件开发监控画面，在监控画面上要有输入频率的接口和风机运行状态的显示。
（3）PLC能够接受到组态软件的数据，通过模拟量模块输出4-20mA电流，以控制变频器。
4.3变频器基频设置参数的概念
一、基频参数的概念
变频器基频参数的示意图如图:
图六
基频以下，变频器的输出电压随输出频率的变化而变化，V/F=常数，适合恒转矩负载特性。
基频以上，变频器的输出电压维持电源额定电压不变，适合恒功率负载特性。
二、如何设置基频
基频参数设置应该以电动机的额定参数设置，而不能根据负载特性设置，即使电动机选型不适合负载特性，以必须尽量遵循电动机的参数，否则，容易过流或过载。
例如:
如果电机的额定工作频率为50HZ，基频应设置为50HZ;如果电机的额定工作频率为60HZ，基频应设置为60HZ;如果电机的额定工作频率为100HZ，基频应设置为100HZ。
如果电动机选择专用的交流变频电机，电机一般都标注恒转矩、恒功率调速范围。
如果标注5,100HZ为恒转矩，100,150HZ为恒功率，基频应该设置为100HZ。
二、基频设置的注意点
基频参数直接反映变频器输出电压和输出频率的关系，如果设置不当容易造成电动机的过流或过载。
如图七所示。
图七
如图十三所示，一台交流电动机的额定工作频率为50HZ，额定电压380V。
如果变频器的基频设置低于50HZ（如基频1），V/F比例高，同等频率的输出电压高，输出电流高，在启动时，容易造成过流。
如果变频器的基频设置高于50HZ（如基频2），V/F比例低，同等频率的输出电压低，输出电流低，在启动时，容易造成无法启动而过载。
4.4组态王软件中变频调速监控系的建立
1.组态画面的建立
2.设置串口
4.5三菱PLC—FX2N的程序梯形图
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