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IEEE能量转换学报2004年9月第3号19卷基于PLC的感应电动机监控系统设计与实现0885-8969/04$20.00©2004IEEE基于PLC的感应电动机监控系统设计与实现玛丽亚G劳尔尼兹IEEE高级成员摘要：本文描述了基于可编程控制器技术的感应电动机监控系统的实现方法。同时，介绍了通过对感应电动机的性能测量实现其速度控制和保护的软件和硬件。在正常操作和出现故障的条件下，PLC按照使用者所要求的速度运行参数监控系统的运行。对由变换器驱动和PLC控制的感应电动机系统进行了测试，结果表明与常规的V/f控制系统相比，前者在速度调节上具有更高的精确性。在高速时，PLC控制感应电机的效率达到同步转速的95%。因此，通过试验证明了PLC在电气驱动控制方面是一个通用性和有效性的工具。关键词：计算机控制系统，计算机化监控，电气驱动，感应电动机，运动控制，可编程控制器（PLC）,变频驱动器，电压控制I前言随着电气驱动器运动控制技术的广泛应用，可编程控制器（PLCs）也随着工业电子学在电机中的应用被引进到自动化制造业中来1,2。这种应用具有在启动时电压下降较低、控制电动机和其他设备实际整功率因数等优点3。很多工厂在自动化生产过程中使用PLCs减少生产成本和增加产品质量和可靠性49。其他应用包括应用PLCs改进了工作母机的计算机数字控制精确度10。为了获得精确的工业电气驱动系统，将PLCs与功率变换器、个人计算机（PC）和其他电气设备连接起来是必要的1113。然而，这些技术的应用，使设备变得更加完善、复杂和昂贵14,15。很少看到关于PLCs控制直流电动机的文章。他们的文章都是关于使用PLC改变电枢电压实现直流电动机/发电机组速度控制的模糊方法16与基于自校正调节器技术的自适应控制装置和现有的工业PLC的结合17。其它类型的设备与PLCs同样也需要连接。因此，使用一个工业PLC在5轴转子位置、方向和速度控制步进电机，简化了电路结构、降低了成本和提高了可靠性18。为了把磁阻电动机转换为可调速度的直流或者交流驱动器，使用了一个单片逻辑控制器控制扭矩和速度，并通过PLC和功率控制器执行控制逻辑19。其他的应用有：在乘客电梯的线性感应电动机的控制中，应用PLC实现驱动系统的控制和数据获取20；为了监控电源状态IEEE能量转换学报2004年9月第3号19卷基于PLC的感应电动机监控系统设计与实现0885-8969/04$20.00©2004IEEE和确认破坏电气车间生产的干扰，使用两个PLCs确定设备的灵敏度等21。在利用PLC控制感应电动机领域只有很少的文章发表。他们主要在以下方面：三相感应电动机的功率因数控制器利用PLC去改进功率因数和保持它的电压在整个控制条件下频率比率稳定3；矢量控制集成电路使用复杂逻辑控制器件(CPLD)和电压整数算法或者三相脉宽调制(PWM)变换器的电流/电压调节22。感应电动机的很多应用除了需要电机控制的函数性之外，还要有多个详细的模拟和数字I/O操作，进站标志，差错信号，打开/关闭/反向命令。在这种情况下，一个包括PLC的控制单元必须添加在系统结构中。本文介绍了一个基于PLC的三相感应电动机监控系统，描述了系统的软件和硬件配置的设计和实现方法。依据对感应电动机性能测试获得的结果表明：在变量装载恒速控制操作中，改进了工作效率，提高了精确性。因此，在正常操作和出现故障的条件下，PLC依据和控制运行参数达到用户所需要的设定值并监控感应电机系统的运行。II.PLC作为系统控制器PLC是一个在工业环境中为自动化生产过程而设计的基于微控制器的控制系统。它利用可编程存储器内部存储用户指令，执行具体的操作，比如：算法、计算、逻辑运算、排序和定时23,24。可通过编程使PLC判断、触发和控制工业设备。因此，PLC具有与电气信号接口的一定数目的I/O点。在加工过程中，输入设备和输出设备与PLC相连接，控制程序则下载到PLC存储器中（图1）。图1PLC的控制行为在我们的应用中，依据模拟和数字输入，PLC输出的变化控制感应电机恒定负荷速度的操作。同时，PLC不停的监控输入和依据控制程序启动输出。本PLC系统是采用详细硬件构成单元的模块化类型，可以直接插入专用总线：一个中央PLC输入控制程序输出IEEE能量转换学报2004年9月第3号19卷基于PLC的感应电动机监控系统设计与实现0885-8969/04$20.00©2004IEEE处理单元（CPU）、电源供给单元、输入输出模块和可编程终端。这样一个模块化处理的优点是，随着将来的应用可以扩展初始配置、构成多机系统或者与计算机相连等。III感应电机控制系统实验系统的结构图见图2。配置如下所述：a)一个恒速运行的闭环控制系统由速度反馈和负载电流反馈组成。由变换器馈送的感应电机驱动的变动负荷，PLC控制变换器的V/f输出。b)一个变速运行的开环控制系统。由变换器恒定V/f控制模块馈送的感应电机驱动变动负荷。PLC是不工作的。c)标准变速运行。恒定恒压频率标准三相电源馈送的感应电机驱动变动负荷。将闭环配置a)去掉速度和负荷反馈后，可得到开环配置b)。另一方面，将整个控制系统旁路后，就是操作c)。IV.硬件描述针对绕线转子感应电机，对控制系统进行了试验和测试，其详细技术说明见表I。感应电机驱动提供可变载荷的直流发电机。三相供电电源与三相主开关连接后与的三相热过载继电器相连接。三相热过载继电器提供电流过载保护。继电器的输出与整流器相连接。整流器校正三相电压并对绝缘栅场效应晶体管（IGBT）变换器提供直流输入。它的详细技术说明总结如表II25。IGBT变换器将直流电压输入转换为三相电压输出，驱动感应电机定子。另一方面，变换器与基于PLC的控制器相连接。表I感应电机的详细技术说明连接类型/Y输入电压380/660VAC输入电流1.5/0.9A额定功率0.6kW输入频率50Hz磁极数目4额定速度1400rpmIEEE能量转换学报2004年9月第3号19卷基于PLC的感应电动机监控系统设计与实现0885-8969/04$20.00©2004IEEE图2.实验系统的电气框图