基于S7200的变频调速控制柜设计与实现毕业论文.doc

基于S7-200的变频调速控制柜设计与实现毕业论文目 录前 言11、绪论11.1课题研究背景及其意义11.2国内外研究现状21.3论文研究的主要内容32、控制系统硬件设计42.1硬件总体框架42.2 电动机概述与选取62.2.1 电动机结构62.2.2 电动机选取72.3 PLC概述与选取72.3.1 PLC特点及其工作过程82.3.2 西门子200 PLC组件的选取92.3.3模拟量输入输出模块（EM235）122.4变频器结构与选型162.4.1变频器概述162.4.2西门子变频器选择172.4.3 MM440变频器基本操作192.5设计用到的变送器222.5.1 压力变送器232.5.2 温度变送器242.6控制柜内部基本元器件243、控制系统软件设计 263.1 STEP 7 Micro/WIN 编程软件介绍263.2 USS通讯协议263.2.1 USS通讯概述273.2.2 USS 通讯的参数设置283.2.3 USS库中指令介绍283.3 PID算法介绍333.3.1 PID控制算法333.3.2 PLC中的PID实现333.3.3 PID参数的自整定373.4 程序设计383.4.1 I/O分配及其内存地址分配表383.4.2 梯形图编写393.4.3 变频器基本参数设置493.5 抗干扰措施504、 控制系统组态设计514.1组态软件介绍514.2组态界面的设计514.3 系统调试过程57结 论58致谢59参考文献60V山东交通学院毕业设计前 言变频调速系统具有精度高、范围宽和效率高的特点，是目前运用最广和最有发展前途的电机调速方式。交流电机变频调速系统种类很多，从上世纪提出的电压源型变频器开始，相继发展出了电流源型、脉宽调制型各种变频器。目前变频调速主要方案有：交流-交流变频，交一直一交变频，同步电动机自控式变频，直接转矩控制，正弦波脉宽调制，矢量控制等，同时无速度传感技术日益的成熟，许多智能技逐渐的渗透到其中，如模糊控制、自适应控制、神经网络、专家系统等，与这些控制方式相结合，提高了变频器调速系统的控制效果。变频控制柜主要用于调节设备的工作频率，减少能源损耗，能够平稳启动设备，减少设备直接启动时产生的大电流对电机的损害。同时自带模拟量输入（速度控制或 反馈信号用），PID控制，泵切换控制（用于恒压），通信功能，宏功能（针对不同的场合有不同的参数设定），多段速等等。可广泛适用于工农业生产及各类建筑的给水、排水、消防、喷淋管网增压以及暖通空调冷热水循环等多种场合的自动控制。变频控制柜是技术人员充分吸收国内外水泵控制的先进经验，经过多年生产和应用，不断完善优化后，精心设计制作而成。变频控制柜产品具有过载、短路、缺相保护以及泵体漏水，电机超温及漏电 等多种保护功能及齐全的状态显示，并具备单泵及多泵控制工作模式，多种主备泵切换方式及各类起动方式。可广泛适用于工农业生产及各类建筑的给水、排水、消防、喷淋管网增压以及暖通空调冷热水循环等多种场合的自动控制。变频控制柜内在质量优良，外形美观耐用，安装操作方便，是各类水泵安全可靠的伴侣。典型应用：恒压供水、空压机、风机水泵、中央空调、港口机械、机床、锅炉、造纸机械、食品机械等等。 本文通过对变频调速控制系统的设计，包括了可编程序控制技术应用、工业控制技术应用、变频器技术应用、触摸屏技术及组态软件技术的应用。并且重点对 PLC 和变频器的通信作了完整的研究，将通信程序作了标准化设计。有一定适用价值，缩短了项目开发的周期。本设计基于“PLC+变频器+触摸屏”的控制思想，实现SIEMENS S7-200 PLC 对变频调速装置的控制，上位机采用 SIEMENS smart 700触摸屏 。变频控制柜主要用于调节设备的工作频率，减少能源损耗，能够平稳启动设备，减少设备直接启动时产生的大电流对电机，泵等用电设备的损害。同时自带模拟量输入（速度控制或反馈信号用），PID控制，泵切换控制（用于恒压），通信功能，宏功能（针对不同的场合有不同的参数设定），多段速等等。可广泛适用于工农业生产及各类建筑的给水、排水、消防、冷热水循环等多种场合的自动控制 。51、绪论1.1课题研究背景及其意义 在工业生产中各种用电设备并不是所有时间都是满负荷的运转，同时这些用电设备在启动时瞬间产生的大电流，强电压会对设备的一些精密部件产生损害，甚至影响设备的使用寿命。变频控制柜主要用于调节设备的工作频率，减少能源损耗，能够平稳启动设备，减少设备直接启动时产生的大电流对电机，泵等用电设备的损害。同时自带模拟量输入（速度控制或反馈信号用），PID控制，泵切换控制（用于恒压），通信功能，宏功能（针对不同的场合有不同的参数设定），多段速等等。可广泛适用于工农业生产及各类建筑的给水、排水、消防、冷热水循环等多种场合的自动控制 。可编程控制器(以下简称PLC)是一种取代继电器盘的新的控制装置，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。PLC系统构成灵活，以开关量控制尤为突出；同时能进行连续过程PID的多回路控制；实现生产过程综合自动化。而且使用方便，编程简单，采用简单明了的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，通俗易懂，系统开发周期短，现场调试容易。能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力很强，可靠性很高，远远胜于其他各种控制机型。伴随着可编程序控制器的突飞猛进，HMI（人机界面）也在不停发展。它不仅可以用于参数的设置、数据的显示和存储，还可以以曲线、图形等形式直观反映工业控制系统的流程，其稳定性与可靠性可以与PLC相当，能够在恶劣的工业环境中长时间运行，是现代工业控制系统中不可或缺的辅助设备。在价格方面，随着科学技术的突飞猛进，各种可编程序控制器与触摸屏的价格日趋低廉，但是功能日益强大。本文中所提到的触摸屏就是属于HMI，现在触摸屏几乎成为人机界面的代名词。1.2国内外研究现状 国外交流变频调速技术现如今具有以下主要几点特点：(1)在功率器件方面，近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为了现实。(2)在微电子技术方面，16位、32位的高速处理器以及DSP技术的快速发展，为实现变频器多功能化、高精度提供了硬件基础。(3)在控制理论方面，矢量控制、磁通控制、转矩控制、智能控制等新的控制理论为研究高性能变频器的发展提供了相关理论上的基础。 (4)在产品化生产方面，基础工业和各种制造业的高速发展，促进了变频器相关配套产品的社会化、专业化生产。在国家“八五”、“九五”科技攻关计划中，交流调速技术受到重视，被列为重点科技攻关项目。但是我国电力半导体器件虽然经过好长时间的发展，其发展总体水平仍然很低，几乎不具备新型高科技产品的独立开发能力。IGBT、GTO器件的生产虽然引进了一些国外技术，但一直未形成规模化的经济效益，变频器产品所使用的半导体功率器件的制造也几乎是空白，一定程度上影响了变频调速技术的发展。我国电气传动的技术水平从总体上看较国际先进水平差距10-15年。还有在大功率交-交变频技术、无换向器电机等等方面，国内虽然已经有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统的可靠性方面与国外相比起来，还有相当一段差距。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是采用普通V/F控制，仅有少量采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场的需要，只能依靠大量进口产品满足市场的需求。同时,国外相关产业的工人成本相对很高,近几十年内,交流调速的制造业有向发展中国家转移的趋势,对于我国来说是一个难得的机遇。而我国国内也有一个巨大的市场,因此必须大力发展变频调速技术,把我国变频调速技术提高到一个新的发展水平,缩小与世界水平的差距,提高自主开发的创新能力,满足国民经济的重点工程建设和市场的需求。同时应该规范我国的变频调速技术方面的标准,提高产品的可靠性及工艺水平,实现标准化、规模化的生产。变频控制柜是技术人员充分吸收国内外水泵控制的先进经验，经过多年生产和应用，不断完善优化后，精心设计制作而成。变频控制柜产品具有短路、过载、缺相保护以及泵体漏水，电机超温及漏电等多种保护功能及齐全的状态显示，并具备单泵及多泵控制工作模式，多种主备泵切换方式及各类起动方式。可广泛适用于工农业生产及各类建筑的排水、给水、消防、喷淋管网增压以及暖通空调冷热水循环等多种场合的自动控制。变频控制柜内在质量优良，安装操作方便，外形美观耐用，是各类水泵安全可靠的伴侣。典型应用：恒压供水、中央空调、空压机、风机水泵、港口机械、机床、锅炉、造纸机械、食品机械等等。1.3论文研究的主要内容 本文通过对变频调速控制柜的设计，涵盖了可编程序控制器技术、工业控制计算机技术、触摸屏技术、变频器技术及组态软件技术。并且重点对 PLC 和变频器的通信作了很完整的研究，将通信程序作了标准化设计。设计主要是针对小型自动化控制系统所作的一种控制方案，有一定适用价值，缩短了项目开发周期。本设计基于“PLC+变频器+触摸屏”的控制思想，实现S7-200 PLC 对变频调速装置的控制，上位机采用 西门子 smart 700触摸屏 。本设计具体实现的功能有： 、启、停控制功能：变频调速柜面板上设置变频启动按钮，变频停止按钮，用于变频装置运行控制，便于现场操作。 、手动调整：变频柜面板上设置频率调整电位器，可以方便手动调节变频器的输出频率，用以手动控制电机转速 。 、表头显示：变频柜面板上设置电流表,电压表和各种指示灯如电源指示，运行指示，报警指示，工频指示，实现对变频器输入电压、输出电流和各种工作状态监测。 、备用工频切换：当变频模式满足不了系统要求时，自动将电动机切换至工频运行。、多种控制功能：可根据系统工况在变频柜面板上设置多种控制按钮和指示灯如正转、反转、手动/自动、电机增速、电机减速、变频/工频、紧急停止等。、PID连续调节：选用适当的压力变送器可实现系统恒压力的调节，本设计以某城市生活小区为例，对小区恒压供水的控制系统做了详细的设计与介绍。供水管道内的水压由压力传感器的信号4-20mA送入PLC控制器，利用S7-200软件内的PID编程向导，与用户设定的压力值进行比较，并将PID运算结果通过USS协议传送到变频器，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵的转速。西门子软件内部自带的PID指令采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑和稳定。另外还有一路温度的采集，用于调节变频控制柜内部的温度，防止温度过高影响控制效果。 具体内容安排如下：第1章 ：详细概述课题研究背景、意义及其国内外目前的发展趋势。 第二章: 主要介绍本次设计的具体任务及硬件的选型部分。 第三章: 重点介绍控制系统的软件设计，包括用到的通讯协议、编程算法、PLC程序、变频器参数设置等等。 第四章：详细介绍了系统的组态设计过程。 第五章：结论与总结。2、控制系统硬件设计2.1硬件总体框架 控制系统设计是本设计的核心技术部分,包括硬件系统设计和软件编程设计,本章讨论的是控制系统的硬件设计。 本控制系统的控制思路为:基于“PLC+变频器+触摸屏”的控制思想，通过PLC来实时监控与改变变频器的频率，从而控制交流异步电动机的速度。具体可以分为手动变频控制与自动变频控制两种工作模式。手动变频控制由PLC外部开关量的加减操作来实现频率的变化，自动变频控制由外部压力传感器模块的压力采集，送至PLC处理，从而能控制频率的变化，实现电动机的平滑调速。自动变频控制用到了经典的PID算法。具体可实现恒压恒温或者是恒流量的控制，取决于外部连接变送器的类型，本文中仅采用压力变送器与温度变送器示例，用以实现恒压供水的控制，温度变送器用于采集控制柜内部的温度信号，及时给控制柜降温，防止温度过高影响PLC或是变频器的控制效果。控制系统中的参数及其运行状态都可以通过触摸屏可视化，而且也可以通过触摸屏面板直接操作控制系统的运行。控制系统总体框图如图2.1所示。图2.1控制系统框图Fig. 2.1 block diagram of control system2.2 水泵与电动机的选取 本控制系统的自动模式可实现变频恒压供水功能，现以小区供水为例选取相应的水泵及其电动机具体型号。2.2.1 水泵选择 理论依据：流量Q(m3/h)计算 Q=(mq)/tK （2.1）即最大每小时流量(m3/h)=【(用水人数用水标准)】/(用水时间1000)小时变化系数 。 其中，K变化系数(一般为1.5-2.5) q用水标准(华南一般采用300升/人.日，高级住宅采用400升/人.日) ； t用水时间(一般采用12小时/日)； m用水人数(一般一户按4-5人计算)； 1000升与m3/h之间的单位换算率。 扬程H(m)计算 ： 建筑层数123456789. 最低水压1519232731353943.每增加一层扬程增加4米 。 说明：建筑物所需有效供水压力减除市政供水或外来水压即为设备的扬程。 验证流量： 在保证计算不出错的情况下，若计算出的流量小于自来水管道流量即计算正确。 假如某城市小区，共有8栋楼每栋15层，楼房标高67米，每层8户，自来水管道压力为0.15-0.35Mpa，市政工程水管管径为DN250。则该小区的最大供水量和扬程分别计算如下： 流量Q的计算： Q=(用水人数48栋15层8户小时变化数2人均用水标准300L/人)/时间12小时进率1000 。 则Q=192m3/h，取整为Q=200m3/h 。 扬程H的计算： 小区市所需水压力H=67米，减去市政管道压力0.15MPa，每10米为0.1MPa，即减去15米 ，最终设备所需扬程为H=67-15米=52米，取整扬程=60米。 验证水量是否高于市政供水量： 按照GB50015-2003国家建筑给排水设计规范要求，生活给水管道的水流速取1.0-1.5m/s，此处去V=1.2m/s。 故市政管道流量Q=rrV=3.140.125*0.125*3600=212m3/h由此市政供水量大于小区所需供水量，选型合理。（4） 泵功率的计算： 根据功率的计算公式：P=mgh/t =（v/t)gh=(v/t)gh =Qhg （2.2）得出泵的轴功率为：P泵轴=Qhg/（1000）其中各参数的单位如下：功率Kw密度kg/dm3流量l/s扬程m重力加速度9.8m/s2经过以上的计算，水泵流量为200m3/h，扬程为60m，泵的效率为0.80。则水泵的轴功率为： P=1.0*200*60*9.8/（0.80*1000）=147KW根据水泵的轴功率参照选型手册，最终选取水泵型号为150DL150-20*(2-8)型立式多级离心泵。（5） 泵的具体参数： 流量范围为5360m3/h,扬程范围为22300m,配套功率范围为1.5220KW,口径范围为40200m。同一台泵的出口可设15个出口。使用温度-15120；最大系统工作压力2.5MPa。2.2.2 电动机选取 在变频电机中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。因此，在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用交流电动机。与单相异步电动机相比，三相异步电机结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜。在交流电动机中，笼型异步电动机结构简单，运行最可靠，维护最方便，对起动性能无过高要求的调速系统，应优先考虑。在电机工作中起动、制动比较频繁，为提高生产率，又要求电动机具有较大的起动、制动转矩以缩短起动制动时间，同时还有一定的调速要求，所以本设计采用Y2-315L1-4-160KW三相鼠笼型异步电动机，其参数为：电压：380V；接法：角接；转速：1490r/min;功率：160KW；电流：287A；频率：50HZ；功率因数：0.89绝缘等级：F2.3 PLC概述与选取 PLC是一种为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子装置。采用可以编写程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 PLC的硬件主要有电源、中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口等部分组成。其中CPU是PLC的核心,输入单元和输出单元是连接工业生产现场的生产设备与CPU之间的接口电路,通信接口用于连接编程器、上位机或者其他外部设备,一般常用的小型S7-200系列PLC多采用整体式,即所有部件都安装在同一机壳内,如图2-4所示。图2.4 PLC内部结构Figure 2.4 PLC internal structure2.3.1 PLC特点及其工作过程 特点：（1） 可靠性高，抗干扰能力强 ；（2）配套齐全，适用性强，功能完善 ；（3）易学易用，深受工程技术人员的欢迎 ；（4）维护方便，容易改造，系统的设计、建造工作量小 ；（5）体积小，重量轻，能耗低 。PLC的工作过程： PLC执行程序的过程可分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。 输入采样阶段： 在输入采样阶段，PLC以其扫描的工作方式按照一定顺序的对所有输入端的输入状态进行实时采样，并存入相关的输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。然后进入了程序处理阶段，需要注意的是在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生了变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入阶段才能被采样接收。 程序执行阶段 ： 在程序执行阶段，PLC对程序按照顺序进行扫描执行操作。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行操作。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转是否满足条件来决定程序是否发生跳转。当程序指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出来，根据用户程序进行运算操作，运算的结果再存入元件映象寄存器之中。对于元件映象寄存器来说，其内部内容会随程序执行的过程而发生相应的变化。 输出刷新阶段 ： 当所有程序执行完毕之后，会进入了输出处理阶段。在这一阶段里面，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的运行状态转存到输出锁存器中，并通过一定方式的输出，驱动外部负载工作。 2.3.2 西门子200 PLC组件的选取 S7-200系列PLC是西门子公司推出的整体式小型可编程控制器,结构紧凑、功能强,有极高的性价比,因此在中小规模的控制系统中应用广泛。它适用于各行各业、各种场合中的自动检测、监测及控制的自动化。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥了其强大功能,使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的自动化控制,其应用领域极其广泛,包括机械、电力设施、水利工程、民用设施、工控设备、环境保护设备等。S7一200系列是整体式的,CPU模块、I/O模块和电源模块都在一个模块内,该集中模块被称为CPU模块,如果项目中有扩展模块,各模块与CPU模块之间是通过模块正上方的数据接头连接的,软件方面是采用STEP7-Minero/WIN32软件,编程语言有三种,即语句表(STL)、梯形图(LAD)、功能块图(FBD)。 根据工业现场的控制任务,需要在PC机上用语句表、梯形图或者功能块图编程语言在STEP7-Mincro/WIN32环境中编写程序,借助西门子公司的专用的通信PC/PPI电缆,将PC机和PLC连接,如图2.5所示,并且按照要求统一配置,就可以完成程序的下载和监控等功能。图2.5 PLC电缆连接Figure 2.5 PLC cable connections在进行PLC系统设计时,一般都会按照图2.6所示的步骤进行。图2.6 PLC设计流程图Figure 2.6 PLC design flow chart 通过对控制系统工作过程的仔细分析,数字量输入点主要来源于电控柜上的按钮信号,数字量输出点主要来源于电动机、变频器、电磁阀和报警器,模拟量只有控制电动机输出转速的变频器电压信号,PLC与触摸屏、变频器必须同时实时通讯，所以必须有两个通讯接口。统计得出控制系统中有数字量输入点6个、数字量输出点6个,模拟量输入点1个。为了既满足控制的需要,又避免造成资源浪费,选用CPU224XPCN AC/DC/DC PLC一台，模拟量输入输出扩展模块EM235 24VDC一台。CPU224XP 的主要技术指标如表2.1所示:表2.1CPU224XP 的主要技术指标Table 2.1CPU224XP main technical indicators技术规范224XP集成的数字量输入/ 输出14 入/10 出可连接的扩展模块数量 (最大)7 个最大可扩展的数字量输入/ 输出范围168 点最大可扩展的模拟量输入/ 输出范围38 点用户程序区12 KB数据存储区10 KB数据后备时间 (电容)100 小时后备电池 (选件)200 天编程软件Step 7-Micro/WIN布尔量运算执行时间0.22 s标志寄存器/ 计数器/ 定时器256/256/256高速计数器6 个100 KHz高速脉冲输出2 个100 KHz通讯接口2 个RS-485外部硬件中断4支持的通讯协议PPI, MPI, 自由口, Profibus DP模拟电位器2 个8 位分辨率实时时钟内置时钟外形尺寸 (长 X 宽 X 高, mm)140 x 80 x 622.3.3模拟量输入输出模块（EM235） EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。下面以EM235为例讲解模拟量扩展模块接线图，如图2.7所示。图2.7 EM235Figure 2.7 EM235 图示演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X和X；对于电流信号，将RX和X短接后接入电流输入信号的“”端；未连接传感器的通道要将X和X短接。表2.2给出了EM235的常用技术参数。对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。 表2.2 EM235的常用技术参数Table 2.2EM235 common technical parameters模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压（单极性）010V 05V 01V 0500mV 0100mV 050mV电压（双极性）10V 5V 2.5V 1V 500mV 250mV 100mV 50mV 25mV电流020mA数据字格式双极性 全量程范围-32000+32000单极性 全量程范围032000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出 10V电流输出020mA数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12位电流11位表2.3详细说明了如何用DIP开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。表2.3 DIP开关设置Table 2.3 DIP switch SettingsEM235开关单/双极性选择增益选择衰减选择SW1SW2SW3SW4SW5SW6ON单极性OFF双极性OFFOFFX1OFFONX10ONOFFX100ONON无效ONOFFOFF0.8OFFONOFF0.4OFFOFFON0.2由表2.3可知，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选择。根据上表6个DIP开关的功能进行排列组合，所有的输入设置如表2.4所示。表2.4 DIP开关输入设置Table 2.4 DIP switch input Settings单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5VOFFONOFFONOFFON0到100mV25VONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250vONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mV双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFOFF25mV12.5VOFFONOFFONOFFOFF50mV25VOFFOFFONONOFFOFF100mV50VONOFFOFFOFFONOFF250mV125VOFFONOFFOFFONOFF500250VOFFOFFONOFFONOFF1V500VONOFFOFFOFFOFFOFF2.5V1.25mVOFFONOFFOFFOFFOFF5V2.5mVOFFOFFONOFFOFFOFF10V5mV2.4变频器结构与选型 变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。 n=60f(1-s)/p （2.1） 对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，故电机的转速n与电源的频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机的调试目的。2.4.1变频器概述 变频器是通过对电力半导体器件(如IGBT)的通断控制，将电压和频率固定不变的交流电工频电源，变换为电压和频率可变的交流电的电能控制装置，为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC），我们把实现这种转换的装置称为“变频器”（inverter）。对于交直交型的变频器来说，为了产生可变的电压和频率。首先要把工频(50Hz或60Hz)的交流电源，变换为直流电(DC)再转换成各种频率(0Hz50Hz、0Hz60Hz及0Hz400Hz)的交流电，最终实现对电机的调速运行。 变频器的基本结构：变频器一般包括：整流电路部分、中间直流电路部分、平波电路部分、控制电路部分、驱动电路部分、逆变电路部分等几大部分，其中控制电路部分主要完成对主电路的控制。整流电路将工作频率固定的交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。交直部分：整流:由三相整流桥组成，将电源的三相交流电全波整流成直流电。在电源的线电压为380V(AC)的情况下，三相全波整流后直流电压为513V，峰值直流电压为537V。滤波:滤波电路由若干个电容器并联成一组再由两个或两个以上的电容器组串联而成，使直流电压保持平稳。限流电阻:减少冲击电流,保护三相整流桥的二极管。直交部分：逆变:电路主要包括逆变模块和驱动电路。逆变模块与逆变桥：常见的低压变频器通常由IGBT(逆变管)组成逆变桥,根据驱动电路的驱动信号，把整流所得的直流电再逆变成频率可调的交流电,这是变频器实现变频的具体执行环节,也是变频器的核心部分。驱动电路：驱动电路作为逆变电路的一部分,对变频器的三相输出有着巨大的影响。驱动电路一般有:分立插脚式元件驱动电路、光耦驱动电路、后膜驱动电路、专用集成驱动电路。其中光耦驱动电路是现代变频器设计时广泛采用的一种驱动电路。续流二极管:逆变桥中每只逆变管旁都有一只续流二极管,其主要作用是为无功电流返回直流电源时提供“通道”,也为在同一桥臂的两个逆变管交替导通和截止的换相过程中提供“通道”。制动：包括制动电阻和制动控制单元。制动电阻:电动机在工作频率急速下降时,被拖动系统的动能要反馈到变频器的直流回路中,使直流电压不断上升,可能达到危险地步。因此必须将再生到直流回路的能量消耗。制动电阻就是用来消耗再生能源的。制动单元:由GTR或IGBT及其驱动电路构成开关作用,为再生能源流经制动电阻提供通路。2.4.2西门子变频器选择 西门子变频器是由德国西门子公司进行研发、生产、销售的国际知名变频器品牌，主要用于控制三相交流异步电机的运行速度。并以稳定的性能、丰富的组合功能、高性能的矢量控制技术、低速高转矩输出功能、良好的动态特性、超强的过负载能力以及无可比拟的灵活性，在变频器市场始终占据着重要的地位。西门子变频器以其强大的品牌效应，打破了以前日本品牌变频器在中国市场上的垄断地位，据有关专业市场调研机构的统计，西门子的高低压变频器在中国市场上已位居第一。现在西门子在中国市场上的主要机型就是MM4系列、6SE70/71系列。MM4系列是西门子近些年在中国销售的主力通用变频器，与其6SE70/71系列形成低高搭配，MM4在功率上是250KW以下，6SE70/71可以覆盖2.22300KW 范围；MM4侧重通用，价格相对便宜，而6SE70/71侧重高性能和多机传动解决方案，价格高。在MM4内部又分为：MM410/420/430/440，用以瞄准多个不同的市场方向，降低其配置和成本，加强其竞争力。其中：1、MM420 功率范围是：0.12-11kw，主要用于OEM行业的中小功率变频器配套，如纺织、印刷、包装等2、MM430 功率范围：7.5-90KW,主要用于风机水泵的应用3、MM440 功率范围：0.12-250KW，是MM4系列中性能、功率最全的产品，可以覆盖MM410/420/430不能满足要求的场合，具备更优越的性能，采用了多种控制方案包括矢量控制，能满足大多数行业的需要。 变频调速器的容量选择不能以电动机额定功率为依据。电动机的容量选择要考虑最大负荷、富裕系数、电动机规格等因素，往往富裕量较大，工业用电动机常常在50%60%额定负荷下运行。若以电动机额定电流为依据来选择变频调速器的容量，留有富裕量太大，造成经济上的浪费，而可靠性并没有因此得到提高。对于鼠笼式电动机，变频调速器的容量选择应以变频器的额定电流大于或等于电动机的最大正常工作电流1.1倍为原则，这样可以最大限度地节约资金。对于重载起动、高温环境、绕线式电动机、同步电动机等条件下，变频调速器的容量应适当加大。对于一开始就采用变频器的设计中，变频器容量的选择以电动机额定电流为依据无可厚非。这是因为此时变频器容量不能以实际运行情况来选择。当然，为了减少投资，在有些场合，也可先不确定变频器的容量，等设备实际运转一段时间后，再根据实际电流进行选择。本设计电动机额定电流287A，287*1.1=315A，所以本次设计采用性能完善的MM440变频器作为变频装置具体订货号为6SE6440-2UD41-6GB1。主要技术参数如下：电源电压及功率范围：380V600V 3AC 160KW输入电流：354A 输出电流：370A电源频率：47Hz63Hz 功率因数： 0.95固定频率：15，可编程 数字量输入:6模拟量输入：010V 020mA -1010V 模拟量输出：420mA西门子MM440控制端子如表2.5所示。表2.5 MM440控制端子Table 2.5 MM440 control terminal端子名称功能1+输出+10V2-输出0V3ADC1+模拟输入1（+）4ADC1-模拟输入1（-）5DIN1数字输入16DIN2数字输入27DIN3数字输入38DIN4数字输入49+隔离输出24V10ADC2+模拟输入2（+）11ADC2-模拟输入2（-）12DAC1+模拟输出1（+）13DAC1-模拟输出1（-）14PTCA连接PTC/kty8415PTCB连接PTC/kty8416DIN5数字输入517DIN6数字输入618DOUT1/NC数字输出1（常闭）19DOUT1/NO数字输出1（常开）20DOUT1/COM数字输出1（转换触点）21DOUT2/NO数字输出2（常开）22DOUT2/COM数字输出1（转换触点）23DOUT3/NC数字输出3（常闭）24DOUT3/NO数字输出3（常开）25DOUT3/COM数字输出3（转换触点）26DAC2+模拟输出2（+）27DAC2-模拟输出2（-）28-隔离输出0V29P+RS485接口30P-RS485接口2.4.3 MM440变频器基本操作（1） 操作面板概述显示/按钮功能功能说明状态显示LCD屏显示变频器当前设定值起动变频器按此键启动变频器。默认值运行时此键被封锁。为了使此键操作有效，应设定P0700 = 1。停止变频器OFF1：此键变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车。默认值运行时此键禁用的；为了允许此键操作，应设定 P0700 = 1。OFF2：按此键两次（或一次，但时间较长）电动机将在惯性作用下自由停车。此功能总是“使能”的。改变电动机的转动方向按此键可以改变电动机的转动方向。电动机的反向用负号（）表示或用闪烁的小数点表示。默认值运行时此键是禁用的，为了使此键的操作有效，应设定 P0700 = 1。电动机点动在变频器无输出的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设定的点动频率运行。释放此键时，变频器停车。如果变频器/电动机正在运行，按此键将不起作用。功能键1.此键用于浏览辅助信息。变频器运行过程中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不动 2秒钟，将显示以下参数值（在变频器运行中，从任何一个参数开始）：（1） 直流回路电压（用 d 表示， 单位：V）（2） 输出电流（A）（3） 输出频率（Hz）（4） 输出电压（用 o 表示 ， 单位：V）（5） 由 P0005 选定的数值（如果 P0005 选择显示上述参数中的任何一个（3，4，或 5），这里将不再显示）。连续多次按下此键，将轮流显示以上参数。2. 跳转功能在显示任何一个参数（rXXXX 或PXXXX）时短时间按下此键，将立即跳转到r0000，如果需要的话，可以接着修改其他的参数。跳转到 r0000后，按此键将返回原来的显示点。访问参数按此键即可访问参数增加数值按此键可增加面板上显示的参数数值减少数值按此键可减少面板上显示的参数数值（2） 常用参数介绍P0003 此参数用于定义用户访问级。P0003的设定值与对应的功能如下：P0003=1 标准级，可以访问最经常使用的参数。P0003=2 扩展级，允许扩展访问参数的范围。P0003=3 专家级，只供专家使用。P0003=4 维修级，只供授权的维修人员使用， 具有密码保护。P0004 此参数用于按功能的需求筛选(过滤)出与该功能相关的参数，这样可以更方便地进行调试。P0004的访问级为1，即在P0003=1时，可以访问和设置P0004的值。P0004的设定值与对应的功能如下：P00040 全部参数。P00042 变频器参数。 P00043 电动机参数。P00047 命令，二进制 I/O P00048 ADC（模 - 数转换）和 DAC（数 - 模转换）。 P000410 设定值通道 / RFG（斜坡函数发生器）。 P000412 驱动装置的特征。 P000413 电动机的控制 。P000420 通讯。 P000421 报警 / 警告 / 监控。 P000422 工艺参量控制器（例如 PID）P0010 此参数用于变频器工作方式的设定。P0010的访问级为1，即在P0003=1时，可以访问和设置P0010的值。P0010的设定值与对应的功能如下：P0010=0 为变频器运行工作方式。P0010=1 为变频器快速调试工作方式。P0010=30 将变频器恢复为工厂默认的设置值。在P0010 = 1时，变频器的调试可以非常快速和方便地完成。这时可以设置一些常用的参数（例如P0304电机的额定电压，P0305电机的额定电流等）。P0100 此参数用于确定功率设定值的单位是“KW” 还是“hp”，以及电动机铭牌上规定的额定频率50Hz或60Hz。P0100只有在变频器工作为快速调试方式（即P0010=1） 时才能被修改，参数的访问级为1（即P0003=1）。P0100的设定值与对应的功能如下：P0100=0 功率设定值的单位为KW， 频率默认值50 Hz。（我国适用）。P0100=1 功率设定值的单位为hp， 频率默认值60 Hz。 P0100=2 功率设定值的单位为KW，频率缺省值 60 Hz。 P0300 此参数用于选择电动机的类型P0300只有在快速调试方式（即P0010=1）时才能被修改，参数的访问级为2(即P0003=2）。P0300=1 异步电动机。P0300=2 同步电动机。 P0304 此参数用于设定电机的额定电压(V)，应根据所控制电动机铭牌上标注的额定电压值来设定。本参数的访问级为1，只有在快速调试P0010=1时才能被修改。 P0305 此参数用于设定电机的额定电流(A)，根据电机铭牌上标注的额定电流值来设定。 P0307 此参数用于设定电动机的额定功率值，应根据电动机铭牌上标注的额定功率值(KW或hp)来设定。 P0308 此参数用于设定电动机的额定功率因数值，应根据电动机铭牌上标注的额定功率因数值来设定。 P0310 此参数用于设定电动机的额定频率，设定值的范围为12650Hz，默认值是50Hz。应根据电动机铭牌上标注的额定频率值来设定。 P0311 此参数用于设定电动机的额定转速(r/min)，应根据电动机铭牌上标注的额定频率值来设定。本参数的访问级为1，只有在快速调试P0010=1时才能被修改。 P0700 选择命令源，即变频器运行控制指令的输入方式。访问级为1。P0700的设定值与对应的功能如下：P0700=0 工厂的缺省设置 P0700=1 由变频器的基本面板BOP设置 P0700=2 由变频器的开关量输入端（DIN1DIN4）进行控制，DIN1DIN4的控制功能通过参数P0701P0704定义。 P0700=4 通过 BOP 链路的USS 设置 P0700=5 通过 COM 链路的USS 设置 P0700=6 通过 COM 链路的通讯板（CB）设置改变这一参数时，同时也使所选项目的全部设置值复位为工厂的缺省设置值。例如：把它的设定值由 1 改为 2 时，所有的数字输入都将复位为缺省的设置值。P0701：数字输入DIN 1的功能P0702：数字输入DIN 2的功能P0703：数字输入DIN 3的功能P0704：数字输入DIN 4的功能P0701P0704的访问级为2，设定值如