电力拖动课程设计.doc

本科生课程设计题 目： 变频调速恒张力控制系统设计 课 程： 电力拖动自动控制系统课程设计 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2015.3 电力拖动自动控制系统课程设计计划、任务与指导书一、课程设计的目的通过电力拖动自动控制系统的设计，了解一般交直流调速系统设计过程及设计要求，并巩固交直流调速系统课程的所学内容，初步具备设计电力拖动自动控制系统的能力。为今后从事相关技术工作打下必要的基础。二、课程设计的要求1、熟悉交直流调速系统设计的一般设计原则，设计内容以及设计程序的要求。2、掌握控制系统设计制图的基本规范，熟练掌握电气控制部分的新图标。3、学会收集、分析、运用自动控制系统设计的有关资料和数据。4、培养独立工作能力、创造能力及综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力。三、课程设计的内容完成某一给定课题任务，按给出的工艺要求、运用变频调速对系统进行控制。四、进度安排： 共1.5周本课程设计时间共1.5周，进度安排如下：1、设计准备，熟悉有关设计规范，熟悉课题设计要求及内容。（1.5天）2、分析控制要求、控制原理，设计控制方案。（1.5天）3、绘制控制原理图、控制流程图、端子接线图。（2天）4、编制程序、梯形图设计、程序调试说明。（1.5天）5、整理图纸、写课程设计报告。（1.5天）五、课程设计报告内容完成下列课题的课程设计及报告（课题工艺要求由课程设计任务书提供）1退火炉温度控制系统2变频液位自动控制系统设计3变频流量自动控制系统设计4变频供水系统设计5变频调速恒张力控制系统设计6变频器在印染机械多电机同步调速系统中应用7线缆设备恒张力变频器控制设计8空气压缩机变频调速的设计目录第1章 绪论31.1课题背景及意义31.2张力控制研究的现状与发展4第2章交流电机变频调速52.1交流电机调速系统原理52.1.1同步电动机调速原理52.2变频调速62.3通用变频器72.3.1通用变频器简介72.3.2通用变频器的工作原理72.4 变频器选型92.5变频器主要参数选定9第三章 传感器选型10第四章 PLC 控制电路103.1 PLC选型103.1.1机型的选择103.1.2输入/输出的选择113.1.3 PLC存储器类型及容量选择113.1.4 软件选择123.1.5支撑技术条件的考虑123.2 主电路图123.3 控制电路图133.4 变频器控制143-5梯形图程序15第五章 小结16参考书目17第1章 绪论 随着电力电子变换技术的快速发展，交流变频技术在工业控制领域得到了广泛应用。各种功能的变频器不断涌现，张力控制手段也因此得到了发展。目前张力控制系统研究的重点是:线速度恒定、张力基本稳定且高效节能的控制手段。1.1课题背景及意义张力控制广泛应用于金属制品、印染、造纸、纺织等行业，在传统的电力拖动领域中，张力控制是非常经典的控制环节。同时因为控制对象工艺要求及控制精度、效果的不同，存在相应的难点。张力控制的目的就是保持生产材料上的张力恒定，这就依赖于两个方面:一方面是收线电机的速度与主电机的速度差，我们知道，随着收线长度的增加，收线轮的直径的逐步变大的，如果要保持收线轮的线速度恒定，收线电机的转速必须随着半径的增加而减小。因此，当主电机的速度不变时，收线轮的转速只有逐渐减小才能满足要求。另一方面，随着收线轮的直径、重量的不断增加，收线电机的转矩也要不断地增大，才能保持收线张力的稳定。如果收线轮的转速、转矩不改变的话，就会出现张力太小而能保持张力恒定，设备就无法正常运行。自上世纪80年代变频调技术被引进中国以来，变频调装置速作为节能应用与速度控制领域中的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。变频技术具有调速性能好、功率因数高、可实现软启动等优点，这些优点使变频器在实际应用中具有显著的节能效果。变频调速是目前交流电动机最理想、最节能的调速方案。基于交流电机调速的恒张力控制系统在工业生产上有其广泛的应用前景，特别是变频技术在交流电动机调速方面广泛应用的今天，是交流电动机最理想、有发展空问的控制系统，具有卓越的调速性能和显著的节能作用。可调性能高和节能效果好是基于变频传动的张力控制系统的研究的主要意义。该系统的制动张力不需通过外部的摩擦力提供，所以就大大减少了固易耗件和发热量。在变频传动系统中，多台电机同时起动有利于克服启动时相对较大的静磨擦力，而且使起动更平稳快捷;而减速过程中，所有的电机处于制动减速状态，其多余的电能既可以通过滤波器反馈到电网，也可以通过制动斩波器、制动电阻消耗掉。1.2张力控制研究的现状与发展 一般来讲张力控制就是要能控制电机输出多大的转矩，有多高的转速。以模拟量器件为主的早期的张力控制系统，系统复杂，可设置选项少，系统的控制精度不高，调试困难。随着检测技术的不断发展，计算机实时控制技术，电力电子技术，张力控制系统逐渐由模糊控制转向精确控制。 根据控制系统的被控制对象分，目前市场上主要有以下两种张力控制系统:一种就是以磁粉制动器(离合器)为主要执行部件的张力控制设备，由于磁粉制动器的输出转距与通过其电感线圈的电流具有很好的线性关系，因而只要通过相应的张力检测器件检测现场的张力值，对应此输出相应的通过磁粉制动器的激励电流就能实现动态控制，保持现场张力的恒定。这类张力控制系统主要用于低张力控制的造纸，纺织等行业中。另外一种是以变频电机为执行部件的张力控制系统，其主要特点就是通过控制变频器的输出电流或者输出电压来实现电机转速的控制，从而实现现场张力的恒定，该类系统只要应用于对速度和张力都有较高要求的大规模工业系统中，如钢铁行业，电缆制造业等。 张力控制是指能够持久地控制材料在设备上输送时的张力的能力。这种控制对机器的任何运行速度都必须保持有效，包括机器的启动、停止、加速、减速和正常运行时。即使在紧急停车情况下，它也有能力保证料不产生丝毫破损。张力控制的发展基本上经历了分手动张力控制，开环式半自动张力控制和闭环式全自动张力控制三个阶段。第一阶段，手动张力控制就是在收卷或放卷过程中，当卷径变化到某一阶段，由操作者调节手动电源装置，使电机速度改变，从而达到控制张力的目的。不过在高速连续生产的设备中手动张力控制系统己基本被淘汰，而仅仅作为闭环式全自动张力控制系统中的一种操作模式存在。第二阶段，开环式半自动张力控制又称卷径检测式张力控制，它是用安装在卷轴处的接近开关或在电机上面安装编码器，检测出卷轴的转速，并通过所设定的卷轴直径初始值和材料厚度，累积计算求得收卷或放卷筒当前的直径，相应卷径的变化输出相应的控制信号，以控制收卷转矩或放卷制动转矩，从而调整张力。因为收线轮每排完一层，卷径会发生变化。此种张力控制一般不受外界刺激的影响，能实行稳定的张力控制。但是，由于受传动装置的转矩变化、线性变化和机械损耗等因素影响，这种张力控制的绝对精度较差。第三个阶段，闭环式全自动张力控制是由张力传感器直接测定材料的实际张力值，然后把张力数据转换成张力信号反馈回张力控制器，通过此信号与控制器预先设定的张力值对比，计算出控制信号，自动控制执行单元则使实际张力值与预设张力值相等，以达到张力稳定目的。它是目前较为先进的张力控制方法。另外，张力执行机构上，由于设备速度越来越高就对张力控制提出了更高的要求，因此在高速设备中已被交、直流电机执行单元所取代，实现了更加先进的张力伺服控制。这正是基于交流电机调速的恒张力控制系统研究的意义。在变频传动系统中，变频器本身就是一个集自动控制理论和计算机技术于一身的高性能控制器，它有良好的接口可与外部控制信号对接，它可很容易构建闭环控制系统提高控制精度，并真正实现全自动控制3-圈。 近年来，张力控制系统结合了最新的电力电子技术，检测技术，数字控制技术于一身，向着多功能，一体化，产品系列化的方向发展。相对来说，国外张力控制系统设备不仅对于卷取过程中张力有严格精确的控制，而且对于初始建立张力、抛尾过程张力都有较好的控制，并且有友好的人机界面，完善的功能，如缓冲启动，防松卷功能、手动/自动控制、模式选取、控制参数的保存和调用、自诊断模式、多种通讯接口等，但是价格却相对昂贵。国内的张力控制系统基本停留在手动随机、半自动控制的水平上，有部分采用模拟检测、模拟放大控制输出的产品，可控性和人机界面效果不好，控制精度不高，迫切需要更新换代。第2章交流电机变频调速2.1交流电机调速系统原理 自上世纪so年代变频调速被引进中国以来，变频调速作为速度控制领域中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。变频技术具有调速性能好、功率因数高、可实现软启动等优点，这些优点使变频器在实际应用中具有显著的节能效果。变频调速是日前交流电动机最理想、最节能的调速方案。2.1.1同步电动机调速原理由电机学可知同步电动机的转速公式为 （2-1）式中，为电机定子供电频率;为电机极对数。由式(2-1)可知同步电机唯一依靠改变电机定子供电频率调速。2.1.2异步电动机调速原理由电机学可知异步电机转速公式为 （2-2）式中，为电机定子供电频率;为电机极对数:人为定子供电角频率(角速度);为电机转差率，其中，为电机同步转速。由式( 2-2 )可知，当电机极对数和转差率确定后，如果均匀地改变异步电机的定子的供电频率，就可以平滑地调节电机的转速。变频器所运用的调速方法就是改电机变定子供电频率进行调速。2.2变频调速从异步电动机的转速公式可知，若改变电源频率f，则可平滑地改变异步电动机的同步转速，异步电动机的转速也随之改变，所以改变电源频率可以调节异步电动机的转速。变频调速属于转差功率不变型调速类型，具有调速范围大、平滑性好等特点，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。而且随着电力电子技术的发展，许多简单可靠。性能优异、价格便宜的变频调速装置已得到广泛应用。 在异步电动机调速时，总希望保持住磁通为额定值，这是因为磁通太弱，电动机的铁芯得不到充分利用。是一种浪费;而磁通太大，又会使铁芯饱和，导致过大的励磁电流，严重时甚至会绕组过热而损坏电动机。对于直流电动机，其励磁系统是独立的，只要对电枢的补偿合适，容易保持不变。而在异步电动机中磁通是定子和转子磁势共同作用的结果，所以保持。不变的方法与直流电动机的情况不同。根据异步电动机定子每相电动势有效的公式: （2-3)如果略去定子阻抗压降，则定子端电压，即有 (2-4) 上式表明，在变频调速时，若定子端电压不变，则随着频率的升高，气隙磁通将减小。又从转矩公式可知，在相同的情况下,的减小势必导致电动机输出转矩的下滑。使得电动机的利用率恶化，同时，电动机的最大转矩也将减小，严重时会使电动机堵转。 反之，弱碱性频率，则将增加，使磁路饱和，励磁电流上升，导致导致铁损急剧增加，这也是不允许的。因此，在变频铁损过程中应同时改变定子电压和频率，以保持主磁通不变。而如何按比例的改变电压和频率，这要分基频(额定频率)以下和额定频率以上两种情况讨论。2.3通用变频器2.3.1通用变频器简介变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。能够适用于所有负载的变频器，就是通用型变频器。但如果有专用型变频器的场合，还是建议使用专用型变频器，专用型变频器，是根据负载的特点，进行了优化，具有参数设置简单，调速、节能效果更佳的特点。2.3.2通用变频器的工作原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”。（1）整流器：大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、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”组成。按照功能，电路各部分又分为：（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏。图1 基于DSP的通用变频器的结构原理框图2.4 变频器选型通用变频器的选择包括通用变频器的型式选择和容量选择两个方面，选择的原则是：首先其功能特性能保证可靠地事项工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。通用变频器类型的选择要根据负载特性进行。对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择专用或普通功能型通用变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，这种通用变频器低速转矩、静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大通用变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、速度响应快的生产机械（如造纸机械、注塑机、轧钢机等），应采用矢量控制或直接转矩控制型通用变频器。 此次课程设计选择两台变频器，互为备用，保证系统可靠运行。变频器选FRE5402.2KW三菱变频器。2.5变频器主要参数选定根据控制要求，设置变频器的运行模式为外部运行模式，运行频率为外部运行频率设定方式，Pr.79=2;模拟频率输入电压信号为05V，所以，Pr.73=0;其余参数根据电机功率、额定电压、负载等情况进行设定。第三章 传感器选型要用张力架的上下移动来直接控制变频器是不可能的，必须用传感器来将张力架的上下移动变成相应的物理量变化，如电阻、电压或电流的变化。接触式传感器是由张力架的上下移动而带动旋转的电位器、旋转变压器及各类专用的传感器等，优点是稳定性好，线性度较高；缺点是除旋转变压器外，多数都是由张力架带动线绕电位器旋转，不同的传感器，只是对电阻信号的处理方式不同（可处理成正负电压信号或正负电流信号），电位器体积小，机械强度差，再加上每日24小时连续工作，很容易损坏，故障率较高，并且电位器长期放在潮湿、灰尘多且含有酸碱蒸气的环境中，也是容易损坏的原因之一。 非接触式传感器主要有超声波传感器、涡流式线位移传感器等，靠非接触式来探测张力架的位置，变成相应的电压信号输出，一般将传感器整体用环氧树脂密封在塑料容器中，与外界彻底隔离，又没有机械接触，故障率很低，被广泛采用，缺点是对温度比较敏感，温度变化对参数影响较大，因此应尽量避免在温差较大的场合使用。为了保证设备的安全，在张力太大或太小时应全机停车，停车由限位开关来完成，除了主令电机外，其它电机的拖动系统都安装张力架，限位开关和传感器安装在一起，限位开关动作时，发出停车信号，使全机停车。非接触式传感器也可以不装限位开关，根据传感器信号的大小由模拟电子线路驱动中间继电器，再由中间继电器的触点控制停车。第四章 PLC 控制电路3.1 PLC选型3.1.1机型的选择 PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。3.1.2输入/输出的选择 PLC的输入/输出选择包括以下几部分：1）确定I/O点数根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加10%20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。2）开关量输入/输出通过标准的输入/输出接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入/输出信号为24240V，直流输入/输出信号为5240V。3）模拟量输入/输出模拟量输入/输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为1010V、420mA或1050mA。4）特殊功能输人/输出5）智能式输入/输出3.1.3 PLC存储器类型及容量选择 PLC系统所用的存储器基本上由PROM、E-PROM及PAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的最大存储能力低于6kB，中型机的最大存储能力可达64kB，大型机的最大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。PLC的存储器容量选择和计算的第一种方法是：根据编程使用的节点数精确计算存储器的实际使用容量。第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表4的公式来估算。为了使用方便，一般应留有25%30%的裕量，获取存储容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。 3.1.4 软件选择 在系统的实现过程中，PLC的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择PLC产品的软件功能有所了解。通常情况下，一个系统的软件总是用于处理控制器具备的控制硬件的。但是，有些应用系统也需要控制硬件部件以外的软件功能。例如，一个应用系统可能包括需要复杂数学计算和数据处理操作的特殊控制或数据采集功能。指令集的选择将决定实现软件任务的难易程度。可用的指令集将直接影响实现控制程序所需的时间和程序执行的时间。3.1.5支撑技术条件的考虑 选用PLC时，有无支撑技术条件同样是重要的选择依据。支撑技术条件包括下列内容：1）编程手段2）进行程序文本处理3）程序储存方式4）通信软件包3.2 主电路图3.3 控制电路图变频调速恒张力控制系统控制电路的主接线图如图3-3-1所示。图中按钮SB1E为外部停车按钮，SB2E为开启按钮。图3-3-1在电机数量较多的同步调速控制系统中，一般采用PLC的输出控制中间继电器，再用中间继电器的触点控制变频器和信号灯。以上电路使用施耐德PLC控制后，图3-3-1所示的控制电路如图3-3-2所示。图3-3-23.4 变频器控制变频器的作用是用于电机的起、停和调速控制，其控制电路图如图3-4。图3-43-5梯形图程序第五章 小结通过这次课程设计，让我更加深刻了解课本知识，和以往对知识的疏忽得以补充，在