基于PLC的三相异步电机设计

]。而且能够长时间可靠地运行，单价也更便宜、维护周期长，在很多地方被大量采用，如：机床工作台的电机、传送带电机、工业空调的送风机电机、小功率的通风机等。3.1三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本组成部件如图3.1所示。图3.1三相异步电动机的组成部件图由上图3.1可以看出，三相异步电动机的核心部件是：固定的定子和旋转的转子。3.1.1定子基本结构定子顾名思义它是固定不动的，它是由三个主要部件构成的，分别是定子铁心、经线圈绕制成的定子绕组、用于固定的基底。（1）定子铁心：定子铁心也属于电机磁路的一种，通过铁心片的内槽来内嵌定子绕组。为降低铁心中的损耗，通常所采用的铁心是由足够数量的硅钢片经过叠装工艺处理得到的，并在其表面涂加一层绝缘材料，在经过铁心片里面的空槽来嵌入定子进行绕组。（2）定子绕组：它的工作原理是将定子铁心空槽里的嵌入的线圈按一定的规律和方式连接在一起的，在通入三相对称交流电的过程中生成一个理想的旋转磁场。（3）机座：它的主要作用是将定子绕组和定子铁心固定住，同时为体内的转子提供支撑作用，并对整个电机起到保护的作用。3.1.2转子基本结构转子作为电动机的核心部件，是电动机内的唯一转动零件，它的基本结构和定子很相似，核心部件也是有三个部分组成：转子铁心、转子绕组以及起散热作用的风扇。（1）转子铁心：作为电机磁路的另一种铁心，同时由铁心片的内部空槽经过嵌入金属导线来连接转子绕组的。与上面介绍的定子铁心一样，它也由足够数量的涂有绝缘材料的硅钢片为材料经过叠装的工艺制得到的。（2）转子绕组：在转子形成的旋转磁场中，转子在连续旋转的过程中会不断地切断旋转磁场，从而产生所需的感应电流，即电动势，也会产生电磁矩，即这就是马达转动的原因。（3）风扇：用于冷却电动机。3.2三相异步电动机的工作原理当三相电源通过三相定子绕组时，产生一个沿定子和转子内部空间顺时针旋转的同步转速为n1的旋转磁场。旋转磁场保持旋转，转速为n1，转子初始静止，转子将切断定子绕组的旋转磁场。磁场产生感应电动势。短路环起着连接转子两端的作用。在切割旋转磁场的过程中，转子作为导体，在电动势的作用下产生感应电流。感应电流的方向与旋转磁场中产生的感应电动势相同。转子在定子磁场中运动时，载流导体受到电磁力的影响，使转子轴产生的电磁力矩作用在转子上，带动转子转动。旋转方向与第一旋转磁场相同。图3.2三相异步电动机的机械特性曲线以下是三相异步电动机运行机理的总结：电动机与三相电源连接后，电动机的定子产生固定方向的旋转磁场，转子绕组在DR下切断旋转磁场。转子轴的转动惯量。这一过程的结果是转子绕组中的感应。电流，定子旋转磁场作用在转子载流导体上产生另一电磁力，在电机轴上产生电磁力矩，电机始终旋转。而且电动机在之后的转动过程中其转动的方向固定不变和旋转磁场的方向保持一致。三相异步电动机的机械特性曲线如下图3.2所示。从上图我们能够看出有四个特殊点，而这四个特殊点决定了曲线的大致走向，同时也反应了电动机的运行状态，下面就从4个点进行分析。（1）T=0，n=n0，S=0电动机此时处于理想中的空载状态，此时电动机的转速为理想的空载转速。（2）T=TN，n=nN，S=SN此时电动机处于额定的工作状态，转速和转矩均等于额定值，即T=TN。（3）T=Tst，n=0，S=1此时电动机处于启动工作点，转矩等于起动转矩，即T=Tst。（4）T=Tmax，n=nm，S=Sm此时此刻电动机到达临界工作点，电动机转矩为最大转矩，即T=Tmax。（2-1）上式中的Km为与电机结构有关的常数，Φ为旋转磁场每个级的磁通量，I2为转子绕组电流的有效值，为转子电流滞后于转子电势的相位角。（2-2）上式中的K为常数，S为转差率，R2位转子每相绕组的电阻，U1为定子绕组的相电压，X20为转子禁止时每相绕组的感抗。再将各个状态点代入得到：（2-3）（2-4）（2-5）上式中的PN为电机在额定工作状态下输出的功率，在实际中通常是以KW为单位，这里将其转化为以W为单位。3.3三相异步电动机正反转控制的电路设计电动机在实际的生产工作过程中，如何来控制机床工作台的前进和后退呢？这自然是需要通过稳定的、高效率的、便捷的掌控电动机的正反转来实现的。当然传送带的电机的正反转过程，和电梯的上升和下降过程等等这些工艺过程都是这个原理。改变电机旋转方向的原理是通过改变所连接电机定子绕组的三相电源来实现，而不是通过改变三相中两相的相序来实现。具体来说就是对调电源进线中的其中两相的相序，但是最方便的方法就是采用交流接触器来改变电动机的三相电源中的相序，由此来实现了电动机的正反转控制的。为确保电机的正常使用，采取以下措施来保护电机。（1）通过硬件联锁的设计即接触器联锁，可以避免误操作等使KM1和KM2同时得电，造成两相电源短路事故而损坏电机。在正向运行电路中加入一个对应的反转接触器的常闭触头这就构成了一个接触器联锁了：采用同样的原理在反向的运行电路中接入一个对应的正转接触器来实现的。此时，它由启动按钮SB2关闭。此时电路接通，KM1线圈通电，实现电机的正旋转。同时，在逆操作电路中，由于KM1常闭触点，逆接触器km2的线圈电路处于分断状态，没有通过线圈的电路。因此，不可能旋转。即使由于SB3导致反向接触器闭合，也不会使电机从正反转。这是因为反向接触器的线圈仍然断电。当电机处于反转状态时，接通接触器km2，再接通线圈，断开正向回路中的接触器km2，可合理有效地避免两相间短路的发生。（2）人们通过在输入端加入一个电路的方法，利用电流的热效应来避免电动机因过热而烧坏电机，当电机一旦出现电机无法承受的过热状态就会自动切断电动机的主回路，由此来保护电机。电动机过热产生的原因是当机械处于不正常的工作状态时候，比如电路出现故障使得电机超负荷工作时候，这就会导致电动机转速不断下降，绕组中流动的电子势必增大，即电流增大，电机发热。对于过载有时可以分为如下几种：第一种，由于电机过载时间比较长，电动机温度不断升高，并且过载电流较大，最终可以使得电动机的绕组随着时间的不断推移，其开始出现老化，从而影响电动机的寿命，另外还会使得电动机出现自燃的情况；第二种，工作时间较短而出现过载的情况，由于过载电流比较小，因此电动机内部的温度不会超过设定的数值，因此不会对电动机构成较大的影响。（3）加入熔断器在短路时通过熔体熔断切断电路从而保护电路。（4）当特殊情况发生时，当电机电源电压低于设定值的4/5时，接触器将处于断电状态，使电机断电，电机停止工作。能耗制动普遍应用到电动机制动中，其工作的原理：当电动机断开电源之后，选择两个绕组接通直流电，这时能够形成一个静止的磁场。当电动机失电之后，转子在惯性力的作用下，依然会进行转动。在这个过程中，转子可以在磁场中进行切割运动，而感应产生的电流，通过相应的判断标准，能够知道电动机的转动会受到反向的电磁转矩作用，这样电机就快速停止了。除此之外还可以通过时间继电器KT来实现不同电机的制动，正反转控制线路图如下图3.3所示。图3.3正反转控制线路图

4三相异步电动机正反转的PLC控制设计4.1系统的硬件设计4.1.1系统的I/O分配在系统中一般存在FR，其属于热继电器的触点，停止控制开关SB1以及控制电动机正反转的开关：SB2和SB3；KM1表示输出正转、KM2表示反转、KM3表示制动。系统的输入/输出分配表如下表4.1所示。表4.1输入/输出分配表端口I/O端子电路器件作用输入I0.0FR过载保护I0.1SB1电机停止按钮I0.2SB2电机正转启动按钮I0.3SB3电机反转启动按钮输出Q0.0KM1正转接触器Q0.1KM2反转接触器Q0.2KM3制动接触器4.1.2系统的流程图系统的流程大致可分为自检、正转启动、反转启动和停机制动4个主要步骤，系统流程图如下图4.1所示。4.1.3系统的PLC选型在对PLC进行选择型号的过程中，一般依据PLC的具体功能以及内部构造。另外还要考虑维护的功能以及相应的扩展等情况进行详细的规划。首先输入/输出的点数一般要多于实际值，留有一定量的I/O口方便日后扩展；其次PLC存储容量要长远考虑，假如出现模拟性的数据，这时应该选择容量较大的PLC。在对控制功能进行选择的过程中，一般通过程序以及相应的运算速度等进行选择。S7-200属于可编程控制装置序列，并且能够适应不同的控制系统。其自身具有较多的功能，比如不仅可以通过独立使用，而且能够适应对控制器共同工作的场合。S7-200特点一般有如下几种：图4.1系统流程图（1）可靠性比较强；（2）集成度比较高；（3）便于操作；（4）通用性好；（5）适用的范围比较广；（6）能够进行扩展。从而其具有较高的性能，可以使用复杂的场合，进而能够满足不同的性能要求。CPU224结构组成为：14个输入触点、10个输出出点、24个I/O触点。在工作的过程中能够实现7个模块的扩展，扩展之后可以成为具有168个数字量I/O触点，具有六个30kHz的高速计算功能的计算器，并且能够实现从独立的工作，PID控制器一个，具有能够实现通讯以及编程接口RS485，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。对于I/O端子排，在拆卸的过程中比较方便。本次设计基于各方面的综合考虑特采用S7-200中的CPU224。4.2基于PLC的正反转控制系统的整体方案设计由若干数量继电器组成的传统的继电器控制线路，它们为生产过程中的自动控制提供支持。有的控制系统可能由成百上千个、种类又不相同的继电器构成，这就导致一旦某个继电器的损坏，甚至某个继电器的触点接触不良，就会导致整个系统无法正常工作，达不到原来的控制效果。出现故障后，要进行检查和排除故障又非常困难。而连接如此多的继电器所需的导线是成千上万的，这些继电器的安装又需要众多的继电器控制柜，其在工作的过程中能够产生较大的噪声，而且不便于安装，需要较大的空间。假如需要工作的条件发生改变之后，必须增加相应的控制柜，从而增加工作量，有时需要进行控制系统的重置，这样不能体现经济性的要求。而采用PLC控制不仅安全可靠、维护方便，随着生产要求、生产工艺、生产环境等发生改变，也能通过扩展接口和修改程序来满足新的控制要求。系统的PLC控制线路图如下图4.2所示。4.3系统的软件设计本系统设计的编程语言是一种更直观的梯形图。由PLC控制的三相异步电动机正反向控制，只不过是正启动、逆启动和制动，所以程序可分为以下两部分：（1）启动；（2）制动。系统的详细梯形图如图4.3所示。图4.2系统的PLC控制线路图图4.3系统梯形图4.4系统整体方案的可行性分析4.4.1正转启动当按下向前启动按钮SB2时，向前触点KM1的线圈通电，KM1的正常断开触点闭合，KM1的线圈保持通电，即自锁。同时，一次回路的KM1主触头会闭合，电机的正转启动电路形成回路，电机也就能够正转起来，与此同时，由于联锁的存在断开了KM2、KM3的控制回路。正转启动示意图如下图4.4。图4.4正转启动示意图4.4.2反转启动当按下反转启动按钮也就是SB3时，反转接触器KM2的线圈得电，KM2的常开触头闭合，保持KM2线圈一直得电也就是自锁。同时，一次回路的KM2主触头会闭合，电机的反转启动电路形成回路，电机也就能够反转起来，与此同时，由于联锁的存在断开了KM1、KM3的控制回路。4.4.3停机制动当按下停止按钮也就是SB1时，制动接触器KM3的线圈得电，KM3的常开触头闭合，保持KM3线圈一直得电也就是自锁。同时，一次回路的KM3主触头会闭合，电机的制动电路形成回路，电机也就开始制动，与此同时，由于联锁的存在断开了KM1、KM2的控制回路。图4.5反转启动示意图当达到预定的数值时，时间继电器内部的延时触点就会处于断开状态，这时辅助常开触点处于断开工作模式。当KM3线圈处于失电状态时，其主触点处于断开状态，辅助常开触点能够实现常开，从而电动机完成制动，停机过程示意图如下图4.6所示。图4.6停机示意图

结论从论文的目录开始我就思考了很久，应为这是论文的写作纲要。于是就一个劲地查找资料，翻阅书籍。之后就把目录写了，紧接着把PLC的特点、工作原理、工作过程等都写了。在在这个过程中，我把之前很多的基础知识也巩固了一遍。学会了三相异步电机的正反转控制的接线和操作方法，初步了解了三相异步电动机的基本工作原理、PLC的基本工作过程以及PLC控制技术的优点，熟悉了PLC梯形图编程软件的使用。通过查阅资料、绘制表格、电脑制图等，也锻炼了我的计算机应用水平。然而就在PLC的相关应用中遇到了困难，我查找了资料以后就开始一个劲地看PLC的电气接线图，终于有了些眉目，真准备做的时候遇到插图的问题。很无奈要用CAD来绘图，这就必须重新捡起CAD来画图，就过一段时间的摸索，CAD我终于捡起来了。这个过程中我真的学到了很多，包括电器元件的识别，功能作用，电气图原理以及PLC的原理等，这是我之前都似懂非懂的。其中我也在PLC的实例中更加让我了解了PLC在控制中的强大之处。随着科学技术的不断发展，PLC控制技术将得到更广泛的应用。相信在不久的将来，PLC控制技术将遍布各个角落，为设备提供更高效、更可靠的控制。在这个写作的过程中，刚开始我也是怀疑我自己的，不知道自己是否能真正的能够完成好，然而在独立完成论文以后，内心有一种小小的自豪感，感谢那个曾经努力的自己。这给了我很大的启发：一个人只有敢于面对、敢于思考、坚持不懈、脚踏实地的去做一件事，那么在整个自我学习、自我实践、自我超越的过程中一定会有意想不到的收获，而这份经历一定会给我们以后的学习和生活以莫大的勇气和毅力去面对所遇到的困难和挫折。三相异步电机随着社会的发展与生活节凑的加快已经越来越受欢迎，渐渐的成为智能城市的重要部分。本论文利用可编程控制器S7-200来设计简易的三相异步电机的控制系统，具体从以下几步来实现：（1）通过对三相异步电机的简单介绍来明白其工作工程和基本原理，这是为了便于明白一台三相异步电机最基本的工作要求，便于决定控制系统所需要达到的目的和要求；（2）简单的介绍可编程控制器的基本组成和工作原理，通过介绍PLC的特点来解释单片机式三相异步电机被淘汰的原因。（3）对于未来三相异步电机的前景给出合理的猜想，并且对目前较为流行的三相异步电机的电子支付手段做出简单的介绍。

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