毕业设计（论文）-基于S7-200PLC的变频调速电梯控制系统设计.doc

装 订 线 安徽工业大学 毕业设计(论文)任务书 课题名称基于 s7-200plc 的变频调速电梯控制系统 设计 学 院 电气与信息工程学院 专业班级自动化 101 班 姓 名 学 号 毕业设计(论文)的主要内容及要求： 根据电梯的设计要求和性能指标，确定 plc 的控制任务，完成 plc 的硬件设计、i/o 地址分配、变频器的参数设置，绘制出 plc、曳引系 统、显示系统、旋转编码器、门机电机等模块之间的硬件连接、系统框 图。在此基础上，分模块画出程序流程图，设计 plc 的梯形图。 要求具备以下能力： （1） 熟练使用 step7 编程软件 （2） 查阅相关文献了解电梯变频控制系统的组成及原理 （3） 基于 s7-200 plc 和 fr-a540 通用变频器的实现六层电梯的 控制，并运用与之相配的 step7 编程软件，通过 stl 和 lad 两 种编程语言编制控制程序。 指导教师签字：指导教师签字： 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 页 第 i 页 装 订 线 摘摘 要要 电梯是高层建筑不可缺少的垂直方向的交通运输工具。由于传统的电梯运行逻 辑控制系统采用的是继电器逻辑控制线路。采用这种控制线路，存在易出故障、维 护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点。从技术发展来看，这种系统将逐渐被 淘汰。随着电梯拖动技术、控制技术的快速发展，电梯已从直流电动机拖动到交流 单速、交 流双速电动机驱动，到交流调压调速控制，发展到交流调压调频技术控制，其逻辑 控制也由 plc 代替原来的继电器控制，使得电梯运行的可靠性、安全性、舒适感、 平层精度、运行速度、节能降耗、降低噪音等方面得到了极大的发展。新制造的电 梯都采用了对电动机实现线性调速的调压调频技术，由于 vwf 电梯采用微机控制， 有完善的自检测、自诊断、自保护功能，因而十分安全可靠。 在研究电梯基本结构的基础上，阐述了电梯的拖动原理和控制原理，重点分析 了电梯改造中如何用变频器和 plc 来完善电梯控制系统，研究并提出了基于 plc 和 变 频器的电梯控制系统的实现方案，利用 fr-a540 型变频器可编制速度曲线的特点为 电梯舒适度的提高，提供了技术支持。通过合理分析所得速度控制曲线既可以满足 快速性的要求又避免了重力加速度效应，旋转编码器的使用，使 pi_c 的内部资源和 功能得到了充分的利用。采用 plc 对电梯信号系统进行控制，开发出了完整的电梯 控制软件，提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较 为理想的控制效果。该系统具有先进、可靠、经济的特色。该电梯控制系统具有司 机运行和无司机运行即手动和自动的功能，并且具有指层、厅召唤、选层、选向等 功能。具有集选控制的特点。 关键词：电梯，plc，变频器，控制系统 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 页 第 ii 页 装 订 线 abstract the elevator is indispensable for the high-rise building of vertical transportation tools. as a result of the traditional elevator operation logic control system adopts relay logic control circuit. using this kind of control circuit, easily out of order, maintenance inconvenience, short operating life, and take up the space is large faults. from the point of technology development, the system will gradually be eliminated. with the rapid development of the elevator drive technology, control technology, the elevator from dc motor to drag to the single speed, communication flow two-speed motor drives, ac regulating speed control, development to the ac voltage regulator control frequency modulation technology, the logic control also by plc instead of relay control, make the elevator running reliability, safety, comfort, flat layer precision, speed, saving energy and reducing consumption, reduce noise got great development. in the study based on the basic structure of the elevator, this paper expounds the drag principle and control principle of elevator, analyzed elevator transformation in how to improve the elevator control system with frequency converter and plc, study and put forward based on plc and variable frequency of the elevator control system implementation scheme, using fr - a540 inverter can prepare the speed curve characteristics for the improvement of elevator comfort, provides the technical support. through rational analysis of the speed control curve can be either meet the requirement of quickness and avoids the effect of acceleration of gravity, the use of rotary encoder, make pi_c has made full use of internal resources and function. adopting plc to control the elevator signal system, developed a complete elevator control software, improve the level of the elevator control, and improve the intimacy of the elevator running, make the elevator has reached the ideal control effect. the system has advanced, reliable, and economic characteristics. the elevator control system with the driver operation and no driver is the function of manual and automatic operation, and refers to the layer, the hall call, select the layer, choose to wait for a function. has the characteristics of the set of selected control. key words:elevator,plc,transducer,control systom 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 页 第 iii 页 装 订 线 目录 摘 要 i abstract 目 录1 第 1 章 绪论1 1.1 电梯的历史1 1.2 世界电梯行业发展现状2 1.3 、电梯行业的发展趋势.2 1.4 电梯的结构4 第 2 章 plc 系统与变频器概述 .6 2.1 关于 plc .6 2.1.1 plc 的发展历程 6 2.1.2 的构成.6 2.1.3 plc 的 cpu7 2.1.4 plc 的 i/o 模块.7 2.1.5 plc 的电源模块7 2.1.6 底板或机架.7 2.1.7 plc 系统的其它设备 6 2.2 可编程序控制器的工作方式.8 2.2.1.plc 的扫描工作方式， 8 2.2.2 可编程序控制器的编程语言.9 2.3 关于 fr-a540 变频器9 2.3.1 fr-a540 变频器的基本结构.9 2.3.2 三菱 fr-a540 系列变频器的特点：9 2.3.3 三菱 fr-a540 系列变频器的接线原理10 2.3.4 变频器的选择主要考虑的额定值和频率指标.11 2.3.5 变频器的调速原理12 2.3.6 变频器的主电路.13 2.3.6 变频器分类.14 2.3.7 变频器的主要功能15 2.3.8 变频调速电梯的特点：.16 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 页 第 iv 页 装 订 线 2.4 step 7-micro/win 软件窗口组件17 2.4.1 step 7-micro/win 的窗口组件17 2.4.2 step 7-micro/win 软件的使用18 第三章 系统设计19 3.1 电梯模型结构简介.19 3.2 常用的位置检测方法：21 3.3fr-a540 及其参数设置：.22 3.3.1 变频器的操作模式.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3.2 变频器频率给定功能选择24 3.3.3 起动控制功能.25 3.4 电梯控制系统实现的功能：.27 第四章 软件设计28 4.1 附加硬件电路说明：28 4.2 编程准备工作.32 第五章 扩展和改进方案56 第六章 设计结论59 参考文献60 致谢61 附录62 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 1 页 装 订 线 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 电梯的历史 很久之前，人们就使用一些原始的升降工具运送人和货物。公元前 1100 年前后， 我国古人发明了辘轳，它采用卷筒的回转运动完成升降动作，因而增加了提升物品 的高度。公元前 236 年，希腊数学家 archimedes 设计制作了由绞车和滑轮组构成的 起重装置。这些升降工具的驱动力一般是人力或畜力。19 世纪初，在欧美开始用蒸 汽机作为升降工具的动力。1845 年，威廉?汤姆逊研制出 1 台液压驱动的升降机， 其液压驱动的介质是水。尽管升降工具被一代代富有革新精神的工程师们进行不断 改进，然而被工业界普遍认可的升降机仍未出现，直到 1852 年世界第 1 台安全升降 机诞生。 1889 年，升降机开始采用电力驱动，真正出现了电梯。电梯在驱动控制技术方 面的发展经历了直流电机驱动控制，交流单速电机驱动控制，交流双速电机驱动控 制，直流有无齿轮、无齿轮调速驱动控制，交流调压调速驱动控制，交流变压变频 调速驱动控制，交流永磁同步电机变频调速驱动控制等阶段。19 世纪末,采用沃德- 伦纳德系统驱动控制的直流电梯出现，使电梯的运行性能明显改善。20 世纪初，开 始出现交流感应电动机驱动的电梯，后来槽轮式（即曳引式）驱动的电梯代替了鼓 轮卷筒式驱动的电梯，为长行程和具有高度安全性的现代电梯奠定了基础。20 世纪 上半叶，直流调速系统在中、高速电梯中占有较大比例。1967 年，晶闸管用于电梯 驱动，交流调压调速驱动控制的电梯出现。1983 年，变压变频控制的电梯出现，由 于其良好的调速性能、舒适感和节能等特点迅速成为电梯的主流产品。1996 年，交 流永磁同步无齿轮曳引机驱动的无机房电梯出现，电梯技术又一次革新。由于曳引 机和控制柜置于井道中，省去了独立机房，节约了建筑成本，增加了大楼的有效面 积，提高了大楼建筑美学的设计自由度。这种电梯还具有节能、无油污染、免维护 和安全性高等特点。 由于传统的电梯运行逻辑控制系统采用的是继电器逻辑控制线路。采用这种控 制线路，存在易出故障、维护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点。从技术发 展来看，这种系统将逐渐被淘汰。随着电梯拖动技术、控制技术的快速发展，电梯 已从直流电动机拖动到交流单速、交流双速电动机驱动，到交流调压调速控制，发 展到交流调压调频技术(vvvf)控制，其逻辑控制也由plc代替原来的继电器控制，使 得电梯运行的可靠性、安全性、舒适感、平层精度、运行速度、节能降耗、降低噪 音等方面得到了极大的发展。新制造的电梯都采用了对电动机实现线性调速的调压 调频技术，由于vwf电梯采用微机控制，有完善的自检测、自诊断、自保护功能，因 而十分安全可靠。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 2 页 装 订 线 1.2 世界电梯行业发展现状 电梯技术的发展在现代化城市的高速发展中,一幢幢高楼拔地而起。电梯是楼房 里上下运送乘客或货物的垂直运输设备。随着电梯技术的发展,绿色化、低能耗、智 能化、网络化、蓝牙技术的电梯一定能为人类提供更好的服务。无齿轮,远程监控技 术将是电梯工业的主要研究方向。 2000 年 5 月，迅达电梯公司发布 eurolift 无机房电梯。它采用高强度无钢丝 绳芯的合成纤维曳引绳“schindleraramid”牵引轿厢。永磁电机无齿轮曳引机驱动。 每根曳引绳大约由 30 万股细纤维组成，其曳引绳比传统的钢丝绳轻 4 倍，绳中嵌入 了石墨纤维导体，使得能够监控曳引绳的轻微磨损等变化。 2000 年 5 月，据 elevatorworld 报道，意大利 maspero 电梯公司在意大利伯尔 尼亚冬季滑雪地安装了一台斜行电梯，轿厢在倾斜的井道中沿导轨运行，斜行电梯 是一种坡道交通工具。 2000 年，奥的斯公司发布 gen2 无机房电梯。它采用扁平的钢丝绳加固胶带牵 引轿厢，钢丝绳加固胶带（外面包裹着聚氨酯材料）柔性好。无齿轮曳引机呈细长 形，体积小，很容易安装在井道顶部侧面的钢梁上。 2002 年 4 月 1720 日，三菱电机公司在第 5 届中国国际电梯展览会上展出了 倾斜段高速运行的自动扶梯模型。可铰接伸缩的驱动齿条结构在运行时可使梯级的 间隔发生变化，从而使速度也产生变化。其倾斜段的速度是出入口水平段的速度的 1.5 倍，这样既缩短了乘客的乘梯时间，也提高了乘客上下扶梯的安全性与平稳性。 2002 年，台北国际金融中心大厦安装日本东芝电梯公司速度为 1010m/min（16.8m/s）的超高速电梯。该电梯连接地下 1 层和第 89 层观光层，提升 高度为 388m。 2003 年 2 月，奥的斯公司发布新型的 nextstep?自动扶梯，它采用 guarded?踏 板设计，梯级踏板和围裙板成为协调运行的单一模块；它还采用了其它一些提高自 动扶梯安全性的新技术，自动扶梯技术又一次更新。 1.3 、电梯行业的发展趋势 据中国电梯协会统计，1980 年我国电梯产量为 2,249 台，2007 年达 21.6 万 台，是 1980 年的 96 倍，26 年中平均每年增长约 19%。2007 年我国的电梯产量超 过全球总量的一半。我国不但是全球最大的电梯市场，而且形成了全球最强的电梯 生产能力，成为电梯领域的世界工厂和制造中心。尽管电梯产量飞速增长，我国电 梯的市场需求远未达到饱和的程度。电梯行业的市场容量与建筑和基础设施等社会 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 3 页 装 订 线 固定资产的投资，以及与社会生活品质的提高有密切的关联。未来电梯行业的发展 趋势如下： 一、未来无机房电梯的需求将成为电梯发展亮点，将有更多的开发商选择无机 房电梯，而无机房电梯价格稳中有升，特别是安全可靠的第四代无机房电梯，将成 为购买热点。同时电梯企业之间的合作将有更好的趋势。 二、观光电梯的式样将一改过去半园及菱形的局面，象 waless 平面观光电梯只 在原来价格上增加 8000 元的产品更受用户欢迎，还有 waless 的 1/4 园无机房观光 电梯可以让建筑设计与施工更简单，成本更低，成为未来观光电梯的抢手货。为此 在未来观光电梯的式样将从原来 2 种增加到 5-6 种，让用户可以选择更多的观光式 样，并满足低价用户选择观光电梯以及别墅观光电梯的需求。 三、住宅电梯的多样性及综合成本选择为未来的发展趋势。在未来住宅电梯的 多样性表现在有机房与无机房电梯并存；住宅廉价电梯与高档电梯并存；普通住宅 电梯与住宅观光电梯并存的局面。同时开发商为了开发利益，在电梯井道土建设计、 施工及电梯设备采购安装上将多方面考虑，为此不再只比较电梯设备的价格，而综 合考虑成本将逐步成为选择住宅电梯的基本要求之一。 四、未来电梯企业的广告费用将比以前增多，而且将更多地考虑广告的实用性 和有效性。 五、电梯标准化生产将在一些企业实施，通过标准化生产来降低生产成本服务 用户、提高产品质量是电梯产品发展的另外一个趋势，而这个趋势可能将从中国开 始走向全球。 六、安装和售后服务质量将成为未来的另外一个重要提高的趋势，而且重视培 养安装队伍也将成为今后几年重要的教学重点之一。 七、同时本人认为在未来一些原来的知名品牌将受到新崛起的有新技术品牌的 威胁，中国电梯行业将更多地参与国际竞争，而更多的投资商将分享电梯这份蛋糕。 八、节能电梯是未来几年发展的主要趋势。电梯行业发展趋势也迫使采购趋势 的改变，采购趋势的更新也将迫使电梯行业发展趋势符合采购需要，在今后几年无 论是行业发展和采购趋势。 随着社会经济水平的提高和人口老龄化程度的加剧，既有建筑加装电梯的需求 已引起政府的高度重视。据上海有关部门预测，2006-2010 年间上海约有 20 余万 栋多层旧楼房将加装电梯。从全国来看，此部分需要的住宅电梯总量每年至少 10 万台以上。如果我国的电梯总量达到了 150 万台，电梯的平均寿命按 20 年计，则 每年仅更新就有 7.5 万台的需求。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 4 页 装 订 线 1.4 电梯的结构 图 1-1 电梯结构图 电梯是机电合一的大型复杂产品,机械部分相当于人的躯体,电器部分相当于人 的神经.机与电的高度合一,使电梯成了现代科学技术的综和产品.对于电梯的结构而 言,传统的方法是分为机械部分和电气部分,但以功能系统来描述,则更能反映电梯的 特点.下面简单介绍电梯机械部分的结构,而我们的主要目的是怎样来控制它. 一.曳引系统 曳引系统的主要功能是输出与传递动力,使电梯运行. 曳引系统主要由曳引钢丝绳,导向轮,反绳轮组成. 二.导向系统 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 5 页 装 订 线 导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度,使轿厢和对重只能沿着导轨作 升降运动. 导向系统主要由导轨,导靴和导轨架组成. 三.轿厢 轿厢是运送乘客和货物的电梯组件,是电梯的工作部分. 轿厢由轿厢架和轿厢体组成. 四.门系统 门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口. 门系统由轿厢门,层门,开门机,门锁装置组成. 五.重量平衡系统 系统的主要功能是相对平衡轿厢重量,在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持 在限额之内,保证电梯的曳引传动正常. 系统主要由对重和重量补偿装置组成. 六.电力拖动系统 电力拖动系统的功能是提供动力,实行电梯速度控制. 电力拖动系统由曳引电动机,供电系统,速度反馈装置,电动机调速装置等组成. 七.电气控制系统 电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制. 电气控制系统主要由操纵装置,位置显示装置,控制屏(柜),平层装置,选层器等组成. 八.安全保护系统 保证电梯安全使用,防止一切危及人身安全的事故发生. 由限速器,安全钳,缓冲器,端站保护装置组成. 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 6 页 装 订 线 第第 2 章章 plc 系统与变频器概述系统与变频器概述 2.1plc 的历史和结构介绍的历史和结构介绍 2.1.12.1.1 plcplc 的发展的发展 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作， 并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这 些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 gm（通用汽车）公司提出 取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子 技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序 控制器，称 programmable controller（pc） 。 个人计算机（简称 pc）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功 能特点，可编程序控制器定名为 programmable logic controller（plc） ，现在， 仍常常将 plc 简称 pc。 plc 的定义有许多种。国际电工委员会（iec）对 plc 的定义是：可编程控制器 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序 的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等 操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩 充其功能的原则设计。 2.1.22.1.2 plcplc 的构成的构成 从结构上分，plc 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 plc 包括 cpu 板、i/o 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。 模块式 plc 包括 cpu 模块、i/o 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可 以按照一定规则组合配置。 2.1.32.1.3 plcplc 的的 cpucpu cpu 是 plc 的核心，起神经中枢的作用，每套 plc 至少有一个 cpu，它按 plc 的 系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装 置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 plc 内部电路的 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 7 页 装 订 线 工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取 指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 cpu 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线 构成，cpu 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及 数据，是 plc 不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析 cpu 的内部电路，但对各部分的工作机制还是 应有足够的理解。cpu 的控制器控制 cpu 工作，由它读取指令、解释指令及执行指 令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥 下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 cpu 速度和内存容量是 plc 的重要参数，它们决定着 plc 的工作速度，io 数量及软 件容量等，因此限制着控制规模。 2.1.42.1.4 plcplc 的的 i/oi/o 模块模块 plc 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（i/o）完成的。i/o 模块集成了 plc 的 i/o 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 输入模块将电信号变换成数字信号进入 plc 系统，输出模块相反。i/o 分为开关量 输入（di） ，开关量输出（do） ，模拟量输入（ai） ，模拟量输出（ao）等模块。 开关量是指只有开和关（或 1 和 0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的 量。常用的 i/o 分类如下： 开关量：按电压水平分，有 220vac、110vac、24vdc，按隔离方式分，有继电 器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20ma,0-20ma） 、电压型（0-10v,0-5v,- 10-10v）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 io 外，还有特殊 io 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按 i/o 点数确定模块规格及数量，i/o 模块可多可少，但其最大数受 cpu 所能 管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 2.1.52.1.5 plcplc 的的电源模块电源模块 plc 电源用于为 plc 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电 路提供 24v 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220vac 或 110vac） ，直流电 源（常用的为 24vac） 。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 8 页 装 订 线 2.1.62.1.6 底板底板或或机架机架 大多数模块式 plc 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系， 使 cpu 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一 个整体。 2.1.72.1.7 plcplc 系统系统的其它设备的其它设备 1、编程设备：编程器是 plc 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于 编程、对系统作一些设定、监控 plc 及 plc 所控制的系统的工作状况，但它不直接 参与现场控制运行。小编程器 plc 一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行 编程软件）充当编程器。 2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一 体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普 及。 3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如 eprom、eeprom 写入器、条码阅 读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 图 2-1 plc 基本结构 2.2 可编程序控制器的工作方式可编程序控制器的工作方式 2.2.1.plc2.2.1.plc 的扫描工作方式，的扫描工作方式， 可编程序控制器在进入 run 状态之后，采用循环扫描方式工作。从第一条指令 开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 9 页 装 订 线 序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地 重复进行。可编程序控制器工作时的扫描过程如图 1 所示，包括五个阶段：内部处 理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。plc 完成一次扫描过程所需的时 间称为扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。 2.2.22.2.2 可编程序控制器的编程语言可编程序控制器的编程语言 plc 共有 5 种标准编程语言，其中有三种图形语言，即梯形图（ld，ladder diagram） 、功能块图（fbd，function block diagram） ，和顺序功能图 （sfc，sequential function chart） ，两种文本语言，即结构化文本 （st，structured text）和指令表(il，instruction list)。其中梯形图是最早使 用的一种 plc 语言，也是现在最常用的编程语言。它是由继电气控制系统原理图的 基础上演变而来的，它继承了继电气控制系统中的基本工作原理和电器逻辑关系的 表达方法，梯形图预计电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号 和表达方式上有一定区别，所以在逻辑控制系统中得到了广泛的使用。它的最大特 点就是直观、清晰。 2.3 关于关于 fr-a540 变频器变频器 2.3.12.3.1 fr-a540fr-a540 变频器的基本结构变频器的基本结构 变频器是把工频电源(50hz 或 60hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的 变速运行的设备，目前，我们所使用的变频器主要采用交-直-交方式，即先把工频 电源（50hz）经过整流装置整流成直流，再把直流电源转换成频率、电压均可变的 交流电。它一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4 个部分组成。整流由整流桥 实现，将方向不断改变的交流电变成方向单一的直流电，中间直流环节起滤波、储 能、缓冲无功功率的作用，逆变器为 igbt 三相桥式逆变器，输出 pwm 波形。 三菱变频器是采用矢量控制技术、pwm 原理和智能功率模块（ipm）的高性能变 频器。其功率范围为 0.4315kw。为满足不同工业现场的应用，推出了三个系列的 变频器： fr-a540 系列：适用于一般生产机械； fr-f540 系列：适用于风机泵类负载； fr-a241e 系列：适用于势能负载。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 10 页 装 订 线 2.3.22.3.2 三菱三菱 fr-a540fr-a540 系列变频器的特点系列变频器的特点： 1控制方式 采用矢量控制技术，无速度反馈开环控制的调速范围为 1:120。采用速度反馈闭环 控制的调速范围可达 1:1000，且低速运行时转速均匀。 2逆变波形 采用 spwm 技术和智能型功率模块（ipm），使变频器输出波形好、低噪声、抗干扰 能力强。 3主要功能 （1）具有停电减速停止功能、pid 控制功能、变频/工频切换功能和顺序控制功能 等； （2）具有符合国际标准的现场总线通信功能； （3）具有过电流、过载、过电压、欠电压、漏电流、输出短路和防止失速等保护功 能； （4）附设累计功率监视及累计运行时间的监视功能，使用户可自行分析节能效果。 2.3.32.3.3 三菱三菱 fr-a540fr-a540 系列变频器的接线原理系列变频器的接线原理 1主回路接线端子 （1）rst 工频交流电输入端子。经接触器或空气开关与三相交流电源连接（ac 380v480v）。 （2）uvw 变频器输出端子,接三相异步电动机。当电动机采用工频和变频两种方式工作时，应 在电动机与变频器之间串入热继电器。需要注意的是，绝对不能连接在电力电容器 或浪涌吸收器上。 2外接选件及其它端子 （1） r1. s1 控制回路电源端子。用于给内部控制电路供电。出厂时已用短路片连接 r-r1 和 s- s1。 使用时拆下 r-r1，s-s1 之间的短路片，与交流电源 r、s 连接. （2）p/+、pr 外接制动电阻端子。变频器内部装有制动电阻，联接在 p/+、pr 之间。按变频器技 术手册和工程实际要求，当起动频繁或带势能负载时，内部电阻容量有可能不够， 需外接制动电阻。出厂时已用短路片连接 pr-px，使用时拆下 pr-px 之间的短路片， 在 p/+、pr 之间接入制动电阻。 （3）p/+、n/- 外接制动单元端子。连接 fr-bu 型制动单元或电源再生单元。 （4）p/+、 p1 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 11 页 装 订 线 外接电抗器端子。为提高功率因数和抗电磁干扰，可外接电抗器。使用时， 折下 p/+和 p1 之间的短路片。 （5）pr、px 内部制动回路端子。用短路片将 pr 和 px 连接时，内部制动有效。 （6）接地端子 安全和降低噪声的需要，防止漏电和干扰，必须可靠接地。 2.3.42.3.4 变频器的选择主要考虑的额定值和频率指标变频器的选择主要考虑的额定值和频率指标 主要有: 1 输入侧的额定值，主要是电压和相数，在我国的中小容量变频器中，输 入电压的额定值有以下几种：380/50hz，220230v/50hz 或 60hz。 2 输出侧的额定值，主要由输出电压 、输出电流 、输出容量 、配 用电动机容量 、过载能力。 3 频率指标，主要考虑频率范围、频率分辨率、频率精度等指标。频率范围 指变频器能够输出的最高频率和最低频率. 图 2-2 fr-a540 外部接口 控制信号输入端子中，又可分为如下几种。 （1）基本开关控制信号输入端子 stf 正转启动端子。当 stf 闭合（on）时正转，断开（off）时停止。 str 反转启动端子。当 str 闭合（on）时反转，断开（off）时停止。 当 stf 和 str 同时闭合（on）时，相当于停止。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 12 页 装 订 线 jog 点动方式选择端子。当 jog 闭合（on）时，点动运行。 stop 启动保持端子。当 stop 闭合（on）时为启动自锁状态。此端子通过参数设 置可有第二功能。 （2）可编程控制信号端子 rh.、rm.、rl 多档转速选择端子。通过三个端子的不同组合，可选择多档转速 控制。此端子通过参数设置可有第二功能。 rt 第二加/减速时间选择端子。当 rt 处于闭合（on）时选择第二加速时间。 （3）功能设定端子 mrs 输出停止端子。当 mrs 处于闭合（on ）20ms 以上时，变频器输出停止。用 于电磁抱闸停止电动机或在系统发生故障时停止变频器的输出。 res 复位端子。res 闭合（on）0.1s 以上然后断开，用于解除保护电路的保护状 态。 au 电流输入选择端子。当 au 闭合（on）时，变频器可用 dc 420ma 电流信号 设定频率。此端子通过参数设置可有第二功能。 cs 瞬时停电再启动选择端子。cs 处于闭合（on）时，如果发生瞬时停电，变频 器可自动再启动，出厂时设定为断开（off）。此端子通过参数设置可有第二功能。 sd 输入信号公共端子（漏型）。 pc 输入信号公共端子（源型）。 （4）模拟频率给定信号端子 10e 频率设定电源 dc 10v 端子，允许负载电流 10ma。 10 频率设定电源 dc 5v 端子，允许负载电流 10ma。 2 模拟电压频率设定端子。输入 dc 05v 或 010v 时，所对应的变频器输出频 率为 0fmax，输入电压与变频器输出频率成比例关系。 4 模拟电流频率设定端子。输入 dc 420ma 电流时，所对应的变频器输出频率 为 0fmax，输入电流与变频器输出频率成比例关系。 1 辅助频率设定端子。 5 频率设定公共端子。 2.3.52.3.5 变频器的调速原理变频器的调速原理 三相异步电动机的转速公式为: 60 (1) f ns p 从公式可知，改变电源的频率、电动机极对数或电动机转差率即可实现调速。 变频器是通过改变电源的频率实现的调速，也因此得名。 对异步电动机实行调速时，希望主磁通保持不变，因为主磁通太弱，铁芯利 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 13 页 装 订 线 用不充分，同样转子电流下，电动机的负载能力下降；若主磁通太强，铁芯发热， 波形变坏。为了保持磁通不变，必须使电动机定子的每相电动势与定子频率成正 比。因为: 4.44 efnm e-电动机定子每相电动势； f-电动机定子频率; n-定子相绕组有效砸数; -每极磁通量m 从公式可知，要使 保持基本不变，必须保持 e 和 f 的比例不变或者微小m 变化。因此，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律，同时改变其定子电压和 频率，即必须通过变频器获得电压和频率均可调节的供电电源。 2.3.6 变频器的主电路变频器的主电路 给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,称为主电路。由二部分构成,将 工频电源变换为直流功率的交一直变换部分也称为整流器,吸收在变流器和逆变器产 生的电压脉动的能耗电路,以及将直流功率变换为交流功率的直一交变换部分(逆变器)。 另外,异步电动机需要制动时,有时要附加制动回路. 图 2-3 变频器主电路 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 14 页 装 订 线 图 2-4 变频器控制电路 上面的图从左到右依次是交直变换，能耗电路，直交变换。其中 viv6 组成逆 变桥,把 vdi 一 vd6 整流的直流电逆变为交流电。这是变频器的核心。逆变管在导 通和判断的瞬间,其电压和电流的变化率是比较大的,可能使逆变骨受到损害。因此, 每个逆变管旁边还接入缓冲电路,其作用就是减缓电压和电流的变化率。 给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,称为控制电 路。控制电路由以下电路组成:频率、电压的运算电路、电路的申压、电流检测电路, 电动机的速度检测电路,将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路,以及逆变器和电 动机的保护电路。 图 2-5 变频器控制系统 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 73 页 第 15 页 装 订 线 在点划线内,无速度检测电路,为开环控制。在控制电路增加了速度检测电路,即 增加速度指令,可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。 通用型 fr 一 a540 系列变频器采用先进磁通矢量控制方式,实现在线自动调整 功能,调速比可达 1:120(0.5 一 60hz)。可拆卸风扇和接线端子,维护方便。柔性 pwm,实现更低噪音运行。内置 rs485 通信口,可插扩展卜符合全世界主要通信标准。 pid 等各种功能适合各种应用场合。 2.3.6 变频器分类变频器分类 变频器的分类方法非常丰富，按照变换环节来分，可以分为“交-直-交”类型 和“交-交”类型。 “交-交”类型是将工频交流电直接变换为电压和频率可控的交 流电，没有中间整流环节。 按照逆变环节调制方式的不同，分为脉冲幅度调制（pam）和脉冲宽度调制 （pwm）两类。pam 变频器是使逆