三相异步电动机的PLC控制论文

摘要 本论文文设计了 2 个三相异步电动机的 PLC 控制电路，分别是三相异步电动机的正反转控制和 两台电动机顺序起动联锁控制，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强 等优点。非常实用。 关 键 词 PLC; 三相异步电动机; 继电器 山东劳动职业技术学院 2 目录 摘要.I 绪论.1 1 三相异步电动机基础.2 1.1 三相异步电动机的结构.2 1.2 三相异步电动机的工作原理.2 1.3 三相异步电动机的工作过程.3 2 PLC 基础6 2.1 PLC 的定义6 2.2 PLC 与继电器控制的区别6 2.3 PLC 的工作原理6 2.4 PLC 的应用6 3 三相异步电动机的 PLC 控制.8 3.1 三相异步电动机的正反转控制.8 3.2 两台电动机顺序起动联锁控制.9 3.3 三相异步电动机使用 PLC 控制优点.10 结论12 致谢13 参考文献14 山东劳动职业技术学院 3 绪论绪论 三相异步电动机的应用非常广泛，具有机构简单，效率高，控制方便，运行可靠，易于维修成 本低的有点，几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域,在这些应用领域中,三相异步电动机运 行的环境不同，所以造成其故障的发生也很频繁，所以要正确合理的利用它。要合理的控制它。 我研究的这个系统的控制是采用 PLC 的编程语言-梯形图,梯形语言是在可编程控制器中的 应用最广的语言，因为它在继电器的基础上加进了许多功能，使用灵活的指令，使逻辑关系清晰直 观，编程容易，可读性强，所实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路，可编程控制器是一种 数字运算操作的电子系统，它是专为在恶劣工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用 来在内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术等操作的指令，并采用数字式，模拟式 的输入和输出，控制各种的机械或生产过程。 长期以来，PLC 始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化设备提供了非常 可靠的控制应用，它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业， 企业对自动化的需要。进入 20 世纪 80 年代，由于计算机技术和微电子技术的迅猛发展，极大地推 动了 PLC 的发展，使得 PLC 的功能日益增强，目前，在先进国家中，PLC 已成为工业控制的标准设 备，应用面几乎覆盖了所有工业，企业。由于 PLC 综合了计算机和自动化技术，所以它发展日新月 异，大大超过其出现时的技术水平，它不但可以很容易的完成逻辑，顺序，定时，计数，数字运算， 数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实 现生产过程的自动化控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息，网络时代的到来，扩展 了 PLC 的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛的运用于众多行业。 山东劳动职业技术学院 4 三相异步电动机基础三相异步电动机基础 1.1 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机由定子和旋转的转子两个重要部分组成，定子和转子之间由气 隙分开。图 1-1 为三相异步电动机结构示意图。 (a) 外形图； (b) 内部结构图 图 1-1 三相异步电动机结构示意图 1.1.11.1.1 定子定子 定子主要由定子铁心、定子绕组、机座三部分组成。机座的主要作用是用来支撑电机各部件， 因此应有足够的机械强度和刚度，通常用铸铁制成。为了减少涡流和磁滞损耗，定子铁心用 0.5 mm 厚涂有绝缘漆的硅钢片叠成，铁心内圆周上有许多均匀分布的槽，槽内嵌放定子绕组，如图 1-2 所 示。 图 1-2 三相异步电动机的定子 山东劳动职业技术学院 5 1.1.21.1.2 转子转子 转子由转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等组成。转子铁心也用 0.5 mm 厚硅钢片冲成转子冲片 叠成圆柱形，压装在转轴上。其外围表面冲有凹槽，用以安放转子绕组。按转子绕组形式不同，可 分为绕线式和鼠笼式两种。 1.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 图 1-3 为三相异步电动机工作原理示意图。 图中用一对磁极来进行分析。 当向三相定子绕组中 通过入对称的三相交流电时， 就产生了一个以同步转速 n1 沿定子和转子内圆空间作顺时针方 向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以 n1 转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将 切割定子旋转磁场而产生感应电动势。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作 用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁 场中受到电磁力的作用。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转 图 1-3三相异步电动机工作原理图 1.3 三相异步电动机的工作过程三相异步电动机的工作过程 1.3.11.3.1 三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动 三相异步电动机接通电源， 使电机的转子从静止状态到转子以一定速度稳定运行的过程称为电动 机的起动过程。起动方法有直接起动和降压起动两种。 1.直接起动直接起动又称为全压起动，起动时，将电机的额定电压通过刀开关或接触器直接接到 电动机的定子绕组上进行起动。直接起动最简单，不需附加的起动设备，起动时间短。只要电网容 量允许，应尽量采用直接起动。但这种起动方法起动电流大，一般只允许小功率的三相异步电动机 进行直接起动；对大功率的三相异步电动机，应采取降压起动，以限制起动电流。 2.降压起动通过起动设备将电机的额定电压降低后加到电动机的定子绕组上， 以限制电机的起动 电流，待电机的转速上升到稳定值时，再使定子绕组承受全压，从而使电机在额定电压下稳定运行， 这种起动方法称为降压起动。 起动转矩与电源电压的平方成正比，所以当定子端电压下降时，起动转矩大大减小。这说明降压 起动适用于起动转矩要求不高的场合，如果电机必须采用降压起动，则应轻载或空载起动。常用的 降压起动方法有下面三种。 (1) Y-降压起动这种起动方法适用于电动机正常运行时接法为三角形的三相异步电动 机。电机起动时，定子绕组接成星形，起动完毕后，电动机切换为三角形。 山东劳动职业技术学院 6 图 1-4 Y-降压起动控制线路 图 1-4 是一个 Y-降压起动控制线路，起动时，电源开关 QS 闭合，控制电路先使得 KM2 闭合， 电机星形起动，定子绕组由于采用了星形结构，其每相绕阻上承受的电压比正常接法时下降了。当 电机转速上升到稳定值时，控制电路再控制 KM1 闭合，于是定子绕组换成三角形接法，电机开始稳 定运行。定子绕组每相阻抗为|Z|，电源电压为 U1，则采用连接直接起动时的线电流为 采用 Y 连接降压起动时， 每相绕组的线电流为 则 （1-5） 由式（1-5）可以看出，采用 Y-降压起动时，起动电流比直接起动时下降了 1/3。电磁转矩与 电源电压的平方成正比，由于电源电压下降了，所以起动转矩也减小了 1/3。 以上分析表明，这种起动方法确实使电动机的起动电流减小了，但起动转矩也下降了，因此， 这种起动方法是以牺牲起动转矩来减小起动电流的，只适用于允许轻载或空载起动的场合。 (2)自耦变压器降压起动这种起动方法是指起动时， 定子绕组接三相自耦变压器的低压输出端， 起动完毕后，切掉自耦变压器并将定子绕组直接接上三相交流电源，使电动机在额定电压下稳定运 行。 1.3.21.3.2 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动 三相异步电动机脱离电源之后，由于惯性，电动机要经过一定的时间后才会慢慢停下来, 但有 山东劳动职业技术学院 7 些生产机械要求能迅速而准确地停车，那么就要求对电动机进行制动控制。电动机的制动方法可以 分为两大类：机械制动和电气制动。机械制动一般利用电磁抱闸的方法来实现；电气制动一般有能 耗制动、反接制动和回馈发电制动三种方法。 1.能耗制动正常运行时，将 QS 闭合，电动机接三相交流电源起动运行。制动时，将 QS 断开，切 断交流电源的连接，并将直流电源引入电机的 V、W 两相，在电机内部形成固定的磁场。电动机由于 惯性仍然顺时针旋转，则转子绕阻作切割磁力线的运动，依据右手螺旋法则，转子绕组中将产生感 应电流。又根据左手定则可以判断，电动机的转子将受到一个与其运动方向相反的电磁力的作用， 由于该力矩与运动方向相反，称为制动力矩，该力矩使得电动机很快停转。制动过程中，电动机的 动能全部转化成电能消耗在转子回路中，会引起电机发热，所以一般需要在制动回路串联一个大电 阻，以减小制动电流。这种制动方法的特点是制动平稳，冲击小，耗能小，但需要直流电源，且制 动时间较长，一般多用于起重提升设备及机床等生产机械中。 2.反接制动反接制动是指制动时，改变定子绕组任意两相的相序，使得电动机的旋转磁场换向， 反向磁场与原来惯性旋转的转子之间相互作用，产生一个与转子转向相反的电磁转矩，迫使电动机 的转速迅速下降，当转速接近零时，切断电机的电源，如图 1-6 所示。显然反接制动比能耗制动所 用的时间要短。 (a) 接线图； (b) 原理图 图 1-6 反接制动示意图 正常运行时，接通 KM1，电动机加顺序电源 UVW 起动运行。需要制动时，接通 KM2， 从图 可以看出，电动机的定子绕组接逆序电源 VUW，该电源产生一个反向的旋转磁场，由于惯性， 电动机仍然顺时针旋转，这时转子感应电流的方向按右手螺旋法则可以判断，再根据左手定则判断 转子的受力 F。显然，转子会受到一个与其运动方向相反，而与新旋转磁场方向相同的制动力矩， 使得电机的转速迅速降低。当转速接近零时，应切断反接电源，否则，电动机会反方向起动。反接 制动的优点是制动时间短，操作简单，但反接制动时，由于形成了反向磁场，所以使得转子的相对 转速远大于同步转速，转差率大大增大，转子绕组中的感应电流很大，能耗也较大。为限制电流， 一般在制动回路中串入大电阻。另外，反接制动时，制动转矩较大，会对生产机械造成一定的机械 冲击，影响加工精度，通常用于一些频繁正反转且功率小于 10 kW 的小型生产机械中。 3.回馈发电制动回馈发电制动是指电动机转向不变的情况下，由于某种原因，使得电动机的转速 大于同步转速，比如在起重机械下放重物、电动机车下坡时，都会出现这种情况，这时重物拖动转 子，转速大于同步转速，转子相对于旋转磁场改变运动方向，转子感应电动势及转子电流也反向， 于是转子受到制动力矩，使得重物匀速下降。此过程中电动机将势能转换为电能回馈给电网，所以 称为回馈发电制动。 山东劳动职业技术学院 8 2 2 PLCPLC 基础基础 2.1 PLC 的定义的定义 可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类 可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向 用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 2.2 PLC 与继电器控制的区别与继电器控制的区别 1.控制方式继电器的控制是采用硬件接线实现的， 是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继 电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。PLC 采用存储逻辑，其控制逻辑 是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。 2.控制速度继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有 抖动现象。PLC 是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。 3.延时控制继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制， 而时间继电器定时精度不 高，受环境影响大，调整时间困难。 PLC 用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生， 精度高，调整时间方便，不受环境影响。 2.3 PLC 的工作原理的工作原理 当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三 个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重 复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将 它们存入 I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在 这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。 因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下， 该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段， PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯 形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后 右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻 辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或 者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区 内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是 用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数 据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则可以直接存取 I/O 点。即使用 I/O 指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直 接从 I/O 模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O 山东劳动职业技术学院 9 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。 2.4 PLC 的应用的应用 目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交 通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 1.开关量的逻辑控制这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻 辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印 刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2.模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等 都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之 间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟 量控制。 3.运动控制PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关 量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或 伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛 用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4.过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节 方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用 的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5.数据处理现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、 排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中 的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制 表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造 纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6.通信及联网PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展， 工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。 新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 3 3 三相异步电动机的三相异步电动机的 PLCPLC 控制控制 3.1 三相异步电机的正反转控制三相异步电机的正反转控制 在生产过程中,往往要求电动机能够实现正反两个方向的转动,如起重机吊钩的上升与下降,机 床工作台的前进与后退等等。由电动机原理可知，只要把电动机的三相电源进线中的任意两相对调， 就可改变电动机的转向。因此正反转控制电路实质上是两个方向相反的单相运行电路，为了避免误 动作引起电源相间短路，必须在这两个相反方向的单向运行电路中加设必要的互锁。按照电动机可 逆运行操作顺序的不同，就有了“正-停-反”和“正-反-停”两种控制电路 山东劳动职业技术学院 10 图 3-1 正反转继电器控制图 图 3-2 I/O 接线图 图 3-3 梯形图 指令程序 地址指令数据 0000LD0001 0001OR0500 0002AND-NOT0000 0003AND-NOT0501 0004OUT0500 0005LD0002 山东劳动职业技术学院 11 0006OR0501 0007AND-NOT0000 0008AND-NOT0500 0009OUT0501 0010END(01) PLC 控制的工作过程的分析： 按下 SB2，输入继电器 0001 动合触点闭合，输出继电器 0500 线圈接通并自锁，接触器 KM1 主 触点，动合辅助触点闭合，电动机 M 通电正转。 按下 SB1，输入继电器 0000 动断触点断开，输出继电器 0500 线圈失电，KM1 主触点，动合辅助 触点断开，电动机 M 断电停止正转 按下 SB3,0002 动合触点闭合,0501 线圈接通并自锁,KM2 主触点,动合辅助触点闭合,电动机 M 通 电反转 3.2 两台电动机顺序起动联锁控制两台电动机顺序起动联锁控制 在装有多台电动机的生产机械上，有时必须按一定的顺序起动电动机，才能满足工作的需要。例 如某个设备要求:“必需首先起动甲电动机，然后才能起动乙电动机，当甲电动机停止后，乙电动机自 动停止”。这种要求可采用下面的控制线路来实现。 图 3-4 顺序启动继电器控制图 山东劳动职业技术学院 12 图 3-5 I/O 接线图 图 3-6 梯形图 指令程序 地址指令数据 0000LD0000 0001OR0500 0002AND-NOT0001 0003OUT0500 0004LD0002 0005OR0501 0006AND0500 0007AND-NOT0003 0008OUT0501 0009END(01) PLC 控制的工作过程的分析： 按下 M1 的起动按钮 SB1,输入继电器 0000 动合触点闭合,输出继电器 0500 线圈接通并自锁,接 触器 KM1 得电吸合,电动机 M1 起动运转;同时连接在 0501 线圈驱动电路的 0500 动合触点闭合,为起 动电动机 M2 作准备。可见,只有电动机 M1 先起动,电动机 M2 才能起动。这时如果按下 M2 的起动按 钮 SB3,0002 动合触点闭合,0501 线圈接通并自锁,接触器 KM2 得电吸合,电动机 M2 起动运转。按下 M1 的停止按钮 SB2，0001 动断触点断开，使 0500 线圈失电，并且由于连接在 0501 线圈驱动电路的 0500 动合触点的断开，使得 0501 线圈同时失电，两台电动机都停止运行。若只按下 M2 停止，按钮 SB4 时，0003 动断触点断开；使得 0501 线圈失电，M2 停止运行，而 M1 仍运行。 山东劳动职业技术学院 13 3.3三相异步电动机使用三相异步电动机使用 PLC 控制优点控制优点 本文设计就对三相异步电动机的正反转控制，顺序起动等系统进行了设计，还有其它的像制动 和调速控制在这里我就没有设计，其实主电路都是一样的，就控制电路有一点小差异，使