基于PLC的三相异步电机变频调速系统的设计论文.doc
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高等教育自学考试本科毕业论文
基于PLC的三相异步电机变频调速系统的设计
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基于PLC的三相异步电机变频调速系统的设计
摘要
随着科技的进步，电机的运用已经深入到各行各业的各个领域。
而现今也是一个资源高度消耗造成能源匮乏的时代，在这个时候考虑如何让其在高可靠性的同时又有效的节约能源耗费提高自身的效率，这不仅可以使企业的生产成本降低，而且对于社会的可持续发展有着重要的意义。
本文所讨论的是利用PLC控制的三相异步电机变频调速的基本原理与实现方法。
三相异步电机一般的调速方法有：
降压调速，转子回路串电阻调速，变极调速，串极调速，变频调速等。
但是这些调速方法都有着各自的缺点，降压调速的调速围很小，没有多大的实用价值；转子回路串电阻调速不利于空载或轻载调速，效率低，经济性差；变极调速调速的平滑性差；串极调速的控制设备复杂，成本高，控制困难。
所以调速性能至少需从两方面考虑。
第一，应从节能和提高效率的角度考虑，应将损耗在转子附加电阻上的能量吸收，转化成别的有用的能量或反馈到电网，以提高传动系统的效率。
第二，应从高性能调速要求考虑，应用控制理论，将其组成闭环调速控制系统，满足调速精度、动态响应等各项指标的要求。
综上所述，利用PLC控制的变频调速系统，是使三相异步电动机实现高性能高效率调速的有效办法。
通过改变定子绕组的供电频率f来实现，当转差率s一定时，电动机的转速n基本上正比于f。
很明显，只要有输出频率可以平滑调节的变频电源，就能平滑的调节异步电动机的转速。
关键词：
变频调速，PLC，异步电机
Thethree-phaseasynchronousmotorvariablefrequencyspeedregulationsystembasedonPLCdesign
Abstract
Humanbeingisseriouslythreatenedbyexhaustingmineralfuel,suchascoalandfossiloil.Asakindofnewtypeofenergysources,solarenergyhastheadvantagesofunlimitedreserves,existingeverywhere,usingcleanandeconomical.Butitalsohasdisadvantages,suchaslowdensity,intermission,changeofspacedistributingandsoon.Thesemakethatthecurrentseriesofsolarenergyequipmentfortheutilizationofsolarenergyisnothigh.Inordertokeeptheenergyexchangeparttoplumbupthesolarbeam,itmusttrackthemovementofsolar.Inthispaper,thesolartrackingsystemofthemechanicalpartandcontrolsystempartaredesigned.
Mechanicalstructuremainlyincludesthemainspindle,steppingmotors,gearsandgearring,andsoon.Whenthesun'srayshasadeviation,smallgeararerotatedbysteppermotoraccordingtothecontrolsignalfromMCU.Andthelargegearandmainspindleisrotatedbysmallgearinordertotracktoachievetheleveldirection.Atthesametime,anothersmallgearisrotatedbyanothersteppermotoraccordingtothecontrolsignal.Andthelargegearandthesolarpanelsarerotatedbythesmallgearinordertotracktoachievetheverticaldirection.Solaristrackedbythetwosteppermotorstogether.
Controlsystemmainlyincludesthesensorspart,steppermotor,MCUsystemandthecorrespondingexternalcircuit,andsoon.Photoelectricdetectionsystemisusedtotracksolar.Sensorsusephotosensitiveresistance.Thetwosamephotosensitiveresistanceswereplacedineastandwestdirectionofthebottomedge.Whenthetwophotosensitiveresistancesreceiveddifferentlightatthesametime,thesignalfromcomparisoncircuitissenttoMCUinordertorotatesteppingmotors.
Keywords:
Frequencycontrol,PLC,asynchronousmotor
目录
中文摘要 I
英文摘要 II
1绪论 1
1.1 本课题的背景及意义 1
1.2异步电机变频调速的发展概况 1
1.2.1电力电子技术的发展 2
1.2.2变频调速控制理论的发展 2
2PLC的运用和发展 4
2.1PLC的历史和发展 4
2.2PLC的特点与应用 4
2.2PLC的工作原理 5
3三相异步电机及其数学模型 6
3.1三相异步电机概述 6
3.1.1基本工作原理 6
3.1.2基本结构 6
3.1.3旋转磁场 8
3.2三相异步电机转矩特性与机械特性 9
3.2.1电磁转矩（简称转矩） 9
3.2.2机械特性曲线 10
3.3异步电机原始数学模型 11
4变频器及变频调速原理 13
4.1变频器 13
4.1.1变频器的功能 13
4.1.2变频器的原理 14
4.2变频调速原理 15
4.3V/F控制原理 16
5变频调速系统总体设计 17
5.1变频调速系统硬件设计 17
5.2变频调速系统软件设计 18
6结论 21
致 22
参考文献 23
1绪论
1.1本课题的背景及意义
随着电力电子技术的发展，以及各种新型控制器件和先进控制方法在电机调速系统中的应用，三相异步电机控制精度得到极大提高。
为了满足高性能和节能环保的要求，三相异步电机以其特有的调速优点，正逐步取代直流调速。
电机的调速被广泛的运用到我们的生产、生活的各个领域中。
例如：
生活用品、工业生产、汽车、飞机、船舶、机床、制冷等等，所以他的运用围极其的广泛。
近年来，我国的冰柜年销量达3000多万台，每台都需要电机调速控制，可见电机调速应用的市场非常的巨大。
电机分为直流电机和交流电机两大类。
直流电机由于其便于控制和控制精度比较高的特点，在很长一段时间被广泛应用，被人们认为难以被其他电机所取代。
但随着电力电子技术的发展，各种新型控制器件和先进控制方法在电机调速系统中的应用，是交流电机的控制精度得到极大的提高。
此外由于交流电机具有成本低廉、结构简单、高可靠性、运行方便可靠、环境适应能力强、高速低转矩时运转效率高、低速时有高转矩，以及有宽泛的速度控制围等优点，过去直流电机占主导地位的调速传动领域已逐渐被交流电机取代。
另一方面，随着世界经济的不断发展，科学技术的不断提高，能源和环保问题日趋成为人们争论的主题。
充分有效的利用能源已成为紧迫问题。
就目前而言，电能是人类运用最多的能源之一，同时也是浪费最多的能源之一，为解决能源问题，必须从电能问题着手。
其中最具代表性的就是电机控制。
在发达国家有一半以上的电能是用于电机的能量转换，这些电机传动系统中有90%是交流异步电机产生的。
而在我国，电机的年耗电量达6000多亿千瓦时，占工业生产的80%以上。
并且使用中的还是中小型异步电机，加之设备旧，管理、控制技术跟不上，所以造成了很多电能的浪费。
因此电机的变频调速越来越受到人们的重视，同时对变频调速驱动系统也提出了高效率、高可靠性、多功能、智能化、小型化、低成本等要求。
由此可见，异步电机的变频调速系统的研究具有重要意义。
1.2异步电机变频调速的发展概况
现代电力电子、微电子技术和计算机技术的高速发展，以及控制理论的完善，各种工具的日渐成熟，尤其是专用集成电路近年来令人瞩目的发展，促进了交流调速的不断发展。
目前交流电机变频调速控制已经成为一门集电机、电力电子、自动化、计算机控制和数字仿真为一体的新兴学科。
1.2.1电力电子技术的发展
电力电子器件是现代交流调速装置的基础，其发展直接决定和影响交流调速的发展。
20世纪50年代出现硅晶闸管SCR；60年代出现门级可关断晶闸管GTO。
70年代出现巨型晶体管GTR和功率场效应晶体管MOSFET。
80年代相继出现绝缘栅双极型晶体管IGBT和绝缘栅双极型门控晶闸管IGBT。
90年代出现智能功率模块IPM。
SCR开关器件输出的电压或电流含有大量的谐波，造成电机转矩脉动大，严重影响了调速系统的性能。
GTO是高压大电流全控型功率器件，容量大，但关断能耗大。
GTR是电流驱动器件，通态压降低，容量没有GTO大，但功耗大，调制频率不高，噪声大。
MOSFET是电压型驱动器件，开关频率高，驱动频率小，安全工作区大，但是耐压不高。
GBT集GTR和MOSFET的优点于一体，是目前变频调速系统和通用变频器中使用最广泛的主流功率器件之一。
IPM是先进的混合集成功率器件，出高速低耗的IGBT和优化的门级驱动及保护电路构成，采用了有电流传感器功能的IGBT，能连续监控功率器件电流，从而实现高效的过电流保护，由于IPM集成了过热保护电路和锁定保护电路，系统可靠性得到进一步提高。
1.2.2变频调速控制理论的发展
第一阶段V/F控制
早期变频系统都是采用开环恒压比（V/F=常数）的控制方式，其优点是控制结构简单、成本较低、缺点是系统性能不高。
具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，电压利用率低，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差等。
因此这种控制方式比较适合应用在风机、水泵调速场合。
随后发展的转差频率速度闭环控制系统虽然说基本上解决了异步电机平滑调速的问题，同时也基本上具备了直流电机双闭环控制系统的优点，结构也不算复杂，已经能够满足许多工业应用的要求。
然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高的要求时，上述系统性能还是不及直流调速系统。
原因在于其控制系统规律是从异步
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