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plc
变频
调速
系统
设计
- 资源描述：
-
毕业设计（论文）题目：
PLC变频调速系统设计
毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：
要求：
1.根据原始数据和有关资料，进行文献检索、调查研究工作；
2.综合应用所学基础理论和专业知识，制定最佳设计方案；
3.设计内容要求方案合理，各种参数处理、选取得当，计算正确；
4.设计图纸要求布局合理，正确清晰，符合国家制图标准及有关规定；
5.毕业设计说明书要求内容完整、层次清晰、文理通顺，具体按照晋中学院毕业论文规范撰写；
6.通过毕业设计，掌握变频器调速控制方法及采用PLC进行变频器速度控制的硬件设计与软件编程；
7.结合本课题涉及技术内容查阅并翻译5000～8000印刷字符的PLC或自动化控制英文资料；
8.独立按时完成毕业设计所承担的各项任务，杜绝抄袭。
原始数据（资料）：
0-10V模拟量速度控制；
RS485通讯速度控制；
PLC数据手册 ；
PLC编程手册 。
台达VFD-B变频器手册 ，
毕业设计（论文）主要内容：
1. 变频调速原理分析；
2. VFD-B变频器参数功能分析；
3. PLC性能及选型，变频调速方式及通讯速度控制程序设计；
4. 结合本课题涉及技术内容查阅并翻译5000～8000印刷字符的PLC或自动化控制英文资料；
5.编写设计说明书。
学生应交出的设计文件（论文）：
1. PLC控制原理图，软件流程图，梯形图；
2. 变频器常用参数分类；
3. 毕业设计说明书。
- 内容简介：
-
学 院 本科毕业设计 题 目 PLC 变频调速系统设计 院 系 机械学院 专 业 机械设计制造及其自动化 姓 名 学 号 _ 学习年限 2013 年 10 月至 2015 年 7 月 指导教师 职称 高级工程师 申请学位 工学 学士学位 2015年 5 月 20 日 nts PLC 变频调速系统设计 学生姓名： 指导老师： 摘要 : 随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，电动机的调速已经从继电器控制时代发展到今天的由变频器控制调速。且在工业各个领域中得到了极为广泛的应用。在现在的工业自动化控制系统中，最为常见的是由 PLC控制变频器实现电动机的调速控制。该方法主要通过程序来控制电动机的变频调速，从而实现了自动控制。本文所研究的交流电机调速系统采用 PLC来控制变频器调速，充分发挥可编程控制器的高可靠性、灵活性、通用性、扩展性等优点，通过 PLC的通讯控制变 频器的多功能输入端、实现电机的多级调速，期间并通过 RS485 传输技术建立 PLC与变频器的 PPI通讯进而完成 PLC控制变频器调速系统的方案设计和全部的控制系统设计。 关键词 : 变频器 可编程控制器 PPI通讯 nts PLC Frequency Control System Design Authors Name: g Tutor: ABSTRACT: With the increasing development of electronic technology and automatic control technology, the motor speed control times from the relay has been developed to control the speed of the drive. And it has been very widely used in various fields industry. In todays industrial automation and control systems, the most common is the realization by the PLC to control the drive motor speed control. The method is mainly controlled by an inverter motor program in order to achieve automatic control. This paper studied AC motor speed control system uses PLC to control the frequency inverter, give full play to the high reliability, flexibility, versatility, scalability, etc. PLC, through communication with the PLC control inverter multifunction inputs, to achieve motors, PLC and inverter during and establish transmission technology via RS485 PPI then complete PLC communication to control the drive speed control system design and all of the control system. KEYWORDS: converter PLC PPI communication nts 目 录 1 引言 . 1 1.1 PLC 的发展历史和发展趋势 . 1 1.2 国内外变频技术的发展现状 . 2 1.3 选题的依据 . 3 2 系统的功能设计分析和总体思路 . 4 2.1 系统功能设计分析 . 4 2.2 系统设计的总体思路 . 4 3 PLC 和变频器的型号选择 . 5 3.1 PLC 的性能及选型 . 5 3.2 变频器 . 7 3.3 三相异步电动机的几种调速方式 . 17 4 PLC、变频器的通讯格式及通讯程序设计 . 19 4.1 西门子 S7-200 型 PLC通讯功能介绍 . 19 4.2 变频器与 PLC通信 . 20 5 抗干扰分析 . 31 总结与致谢 . 34 参考文献 . 35 附录 . 36 nts1 1 引言 1.1 PLC 的发展 历史和发展趋势 20 世纪 60 年代以前，汽车生产线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的，当时每次改型都直接导致继电器装置的从新设计和安装，福特汽车的老板曾说过，无论顾客要什么的汽车，福特汽车永远是黑色的，从侧面反应了汽车的更新换代的困难 。为了改变这一现状， 1969年，美国的通用汽车公开招标，要求用新的装置取代继电器装置，并提出十项招标指示，要求编程方便、现场可修改程序、维修方便、采用模块化设计、体积小、可与计算机通信等。同一年，美国数字设备公司研制出了世界上第一台可编程控制器 PDP-14，在美国通用汽车的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器从此诞生。由于当时的 PLC 只能取代继电器继电器控制，功能仅限于逻辑运算、计时、技数等，所以称为“可编程控制器”。伴随着电子技术，控制技术与信息技术的不断发展，可编程控制器的动能不断增强。美 国电气制造协商会与 1980年正式将其命名为“可编程控制器”。简称 pc，由于这个名称和个人计算机的简称相同，容易混淆，因此在我国，很多人仍然习惯称可编程控制器为 PLC。可以说 PLC是继电器控制系统基础上发展起来的。 由于 PLC 易学易用、操作方便、可靠性高、体积小、通用灵活和使用寿命长等一系列优点，因此， PLC 很快就在工业中得到广泛的应用。同时，这一新技术也受到其他国家的重视。 1971 年日本引进该技术，很快制出第一台 PLC，欧洲与 1973年研制出第一台 PLC，我国从 1974年开始研制， 1977 年国产 PLC正式投 入工业应用。 进入 20 世纪 80 年代以来，随着电子技术的迅猛发展，以 16 位和 32 位微处理器构成的微机化 PLC 得到快速发展，使得 PLC 在设计、性能价格比以及应用方面有了突破，不仅控制功能增强，功耗和体积减少，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程 I/O 和通讯网络、数据处理和图像显示的发展，已经使得 PLC 普遍用于控制复杂生产过程。 PLC 以成为三大支柱（ PLC、机器人和 CAD/CAM）之一。 PLC 的发展趋势有如下几个方面： 1.向高性能、高速度、大容量发展。 2.网络化。强化通讯能力和网络 化，向下将多个可编程控制器或者多个 I/O框架nts2 相连；向上与工业计算机、以太网等相连，构成整个工厂自动化控制系统。即便是微型的 S7-200系列 PLC 也能构成多种网络，通讯功能十分强大。 3.小型化、低成本、简单易用。目前，有的小型 PLC的价格只有几百元人民币。 4.不断提高编程软件的功能。编程软件可以对 PLC控制系统的硬件系统的硬件组态，在屏幕上可以直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序可以下载、存盘和打印，通过网络或电话线，还可以实现远程编程。 5.适合 PLC应用的新模块。随着科技的发展，对工业工业控制领域也将提出更高的、更特殊的要求，因此，必须开发特殊功能模块来满足这些要求。 6.PLC的软件化与 PC化。目前已有多家厂商推出了在 PC上运行的可实现 PLC功能的软件包，也称为“软 PLC”，“软 PLC”的性能价格比传统的“硬 PLC”更高，是 PLC的一个发展方向。 1.2 国内外变频技术的发展现状 1.2.1 国内变频调速技术的发展概况 我国电气传动产业始建于 1954年，当时第一批该专业范围内的学生从各大专院校毕业，同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传 动成套公司。现在我国己有 200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。我国是一个发展国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上 80年代水平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司开放。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了生产和生活需要。国内很多合资公司生产当今先进的产品，国内很多公司自行开发、生产产品的能力较弱，对国外公司的依赖严重。 从总体上看我国电气传动的技术水平较国外先进水平差距 10-15 年。在大功率无换相器电机等变频调速技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的 VF控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种质量还不能满足市场需要，每年需大量进口变频控制设备。国内交流变频调速技术产业现状是 : 1.变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术开发能力和生产规模。 nts3 2.变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。 3.相关配套产业及行业落后 。 4.产销量少，可靠性及工艺水平不高。 1 .2 .2 国外变频调速技术的发展概况 在大功率交 交变频调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达 3万千瓦的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利 ABB公司提供了单机容量为 6万千瓦的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司的 Simovert A电流型晶闸管变频调速设备容 10-2600KVA和 Simovert P GTO PWM 变频调速设备单机容量为 100-900KVA，其控制系统已实现全数字化，用于 电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士 BJT变频器最大单机容量为 700KVA, IGBT变频器己形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。 国外交流变频调速技术高速发展有以下特点 : 1.市场需求空间大。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球化短缺，变频技术越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等设备，并取得显著的经济效益。 2.功率器件的发展。近几年来高电压、大电流的 GTR、 GTO、 IGBT,、 IGCT等器件的生产和面世，使高电压、大功率变频 器产品的生产及应用成为现实。 3.控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础； 16位、 32位高速微处理器以及信号处理器 (DSP)和专业集成电路 (ASIC)技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能和智能化提供了硬件手段。 4.基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产。 1.3 选题的依据 随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的迅速发展，电气传动技术正面临一场历史性的革命。经过了二十多年的发展，近代交流传动 逐渐成为电气传动的主流。电机交流变频调速是当今节电改善工艺流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的起动、调速和制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的应用范围等优点被国内为公认为最有发展前途的调速方nts4 式。 变频调速系统有广泛的应用前景，但如何使变频调速系统具有更好的调速性能和更高的控制精度，是我们在选题过程中首先考虑到的问题。交流异步电动机是一个非线性，强耦合的对象，异步电动机变频调速时传递函数的推导过程是相当复杂的，即使作了很多简化 (例如假设磁势是正弦分布的，磁路不 饱和，没有磁滞与涡流损耗等 )所得到的一组微分方程式也是非线性的，一般不能用解析法来求解，而只能借助于模拟计算机去模拟系统的动态方程或者借助于数字计算机去求取一组数值解，这样用常规的控制方法来实现精确度高的变频调速是较困难的。针对这一情况，采取可靠的 PLC和变频器控制交流异步电机方法，并把模糊控制算法引入到该控制系统中，从而有效的提高了系统的静动态特性。 2 系统的功能设计分析和总体思路 2.1 系统功能设计分析 随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用；可编程 控制器 PLC 作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制；组态软件技术作为用户可定制功能的软件开发平台工具，可实现显示电机转速，可实现远程调速控制，在 PC 机上可开发友好人机界面，通过PLC 可以对自动化设备进行“智能”控制。在此，本次设计就是基于 PLC 的变频器调速系统。将现在应用最广泛的 PLC 和变频器综合起来主要功能实现了变压变频调速。电机的启动、停止和变速。因此，该系统用到四个主体触摸屏、 PLC、变频器和电机 来完成；触摸屏来设置频率， PLC通过通讯方式控制变频器，执行元件为变频器和电机。 2.2 系统设计的总体思路 系统主要由四个部分构成，即触摸屏、可编程逻辑控制器件 PLC、变频器和电机。首先我们给触摸屏设置一个频率值，然后传输给 PLC， PLC响应后将数据发送给变频器，变频器在控制电机的转速，从而实现了电机的速度调控。具体控制步骤如下图 2-1： RS485 n 图 2-1PLC 系统控制图 触摸屏 PLC VFD-B 电机 nts5 3 PLC 和变频器的型号选择 3.1 PLC 的性能及选型 3.1.1 PLC 的性能 可编程控制 器的基本性能可用如下八条予以概括： 1.工作速度，工作速度是指 PLC 的 CPU 执行指令的速度及对急需处理的输入信号的响应速度。工作速度是 PLC工作的基础。速度高了，才可能通过运行程序实现控制，才可能不断扩大控制规模，才可能发挥 PLC的多种多样的作用。 2.控制规模，控制规模代表 PLC 控制能力，看其能对多少输入、输出点及对多少路模拟进行控制控制规模与速度有关。因为规模大了，用户程序也长，执行指令的速度不快，势必延长 PLC 循环的时间，也必然会延长 PLC 对输入信号的响应。为了避免这个情况， PLC的工作速度就要快。所 以，大型 PLC的工作速度总是比小的要快。 控制规模还与内存区的大小有关。规模大，用户程序长，要求有更大的用户存储区。同时点数多，系统的存储器输入、输出的信号区（输入输出继电器区或称输入、输出映射区）也大。这个区大，相应地内部器件（解释见后）也要增多，这些都要求有更大的系统存储区。控制规模还与输入、输出电路数有关。如控制规模为 1024点，那就得有 1024条 I/O 电路。这些电路集成于 I/O模块中，而每个模块有多少路的 I/O点总是有数的。所以，规模大，所使用的模块也多。控制规模还与 PLC 指令系统有关。规模大的 PLC 指令条数多，指令的功能也强，才能应付对点数多的系统进行控制的需要。 控制规模是对 PLC 其它性能指标起着制约作用的指标；也是 PLC 划分为微、小、中、大和特大型指标。 3.组成模块， PLC 的结构虽有箱体及模块式之分，但从质上看，箱体也是模块只是它集成了更多的功能。在此，不妨把 PLC 的模块组成当作所有 PLC 的结构性能。这个性能含义是指某型号 PLC 具有多少种模块，各种模块都有什么规格，并各具什么特点。 4.内存容量， PLC 内存有用户及系统两大部分。用户内存主要用以存储用户程序，个别的还将其中的一部分划为系统 所用。系统内存是与 CPU 配置在一起的。 CPU 既要具备访问这些内存的能力，还应提供相应的存储介质。 nts6 5.指令系统， PLC 有多少条指令，各条指令又具有什么功能，是了解与使用 PLC的重要方面。你不懂 PLC指令怎么编程，没有程序， PLC又怎么工作？ PLC的指令越来越多，越来越丰富。功能很强的指令，综合多种作用的指令日见增多。 6.支持软件，为了便于编制 PLC程序，多数 PLC厂家都开发有关计算机支持软件。从本质上讲， PLC 所能识别的只是机器语言。它之所以能使用一些助记符语言、梯形图语言、流程图语言，以至高级语言，全靠 为使用这些语言而开发的种种软件。 7.可靠控制，为使 PLC 能可靠工作，在硬件与软件两个方面 PLC 厂家都采取了很多措施，对一些特殊可靠要求的 PLC，还有相应的特殊的措施，如热备、冗余等等。这在介绍 PLC 的特点时已作了叙述。可靠措施的目的是增加 PLC 平均故障间隔时间、MTBF（ Mean Time Between Failure）及减少 PLC 的平均修复时间、 MTTR（ Mean Time To Repair），以提高 PLC 的有效度 A（ Availability）。 8.经济指标，以上七条讲的都是 PLC 的技术性能。其 实，使用 PLC，还要考虑经济指标。经济是基础，经济上不合算，不能带来经济效益，使用 PLC 也就没有基础。所以，这个指标也是重要的。经济指标最简单的就是看价格。一般讲，同样技术性能的 PLC，价格低其经济指标就好。 3.1.2 PLC 型号选择 在 PLC 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。 PLC 及有关设备应是集成的、标准的，按照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选型所选用 PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统 ， PLC 的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC和设计相应的控制系统。 综合了输入输出（ I/O）点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价比等各方面的因素，在此我为该系统设计选择了 S7-200 PLC一台。 S7-200有 5种 CPU模块、 6 个有 12 种工作方式的高速计数器和两点高速计数器 /和脉冲宽度调制器、直接读写的模拟量 I/O 模块、先进的程序结构、灵活方便的寻址方式以及程序化的 PID编程控制。强大的通讯功能，它支持多种通信协议。价格是它在所有品牌在同一功能nts7 区内很有竞争力的。最重要的是它还提供了完善的的网上支持。这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和方便。例如，高速计数器可以用来测速从而实现速度反馈。如图 3-1： 图 3-1S7-200 PLC CPU 的外形模型图 3.2 变频器 3.2.1 变频器 型号的选择 正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器 的地线的连接也是非常重要的。 变频器在调速系统中的优点： 1.控制电机的启动电流； 2.降低电力线路的电压波动； 3.启动时需要的功率更低； 4.可控的加速功能； nts8 5.可调的运行速度； 6.可调的转矩极限； 7.受控的停止方式； 8.节能； 9.可逆运行控制； 10.减少机械传动部件。 本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器变频器 VFD-B，为我们提供了很好的 BOP控制面板具体如下图 3-2所示： 图 3-2 VFD-B 控制面板 3.2.2 变频调速原理分析 当三相异步电动机定子绕组通入三相 交流电后，定子绕组会产生旋转磁场，旋转磁场的转速 n与交流电源的频率 f和电动机的磁极对数 p有如下关系： n=60f/p （ 3-1） 式中： n为转速； f为交流电的频率； p为磁极对数 电动机转子的旋转速度 n（即电动机的转速）略低于旋转磁场的旋转速度 n（又称同步转速），两者的转速差 s，电动机的转速为： n=(1-s)60f/p （ 3-2） 式中： s为转差； f为交流电的频率； p为磁极对数 从上面的近似公由于转差 s 很小，（一般为 0.01-0.05），为了计算方便，可认为电动机的转速近似为： n=60f/p， 从式中可以看出，三相异步电动机的转速 n与交流nts9 电源的频率 f 和电动机的磁极对数 p 有关，当交流电源的频率 f 改变时，电动机的转速会发生变化。通过改变交流电源的频率 f 来调节电动机转速的方法变频调速，通过改变电动机的磁极对数 p来调节电动机转速的方法称为变极调速。 从电路结构上看，通用变频器大多采用交 -直 -交变频变压方式，其基本构成如下图 3-3所示。 50Hz 频率和电压 交流电 可调的交流电 图 3-3 变频器电路组成部分 1.变频器的主电路，通用变频器的主电路如下图 3-4 所示它主要由以下几部分组成； 图 3-4 变频器的主电路 （ 1）整流部分， 整流部分的作用是将频率固定的三相交流电变换成直流电。包括： 1） 三相整流桥 ， 由整流二极管 VDI VD6 构成三相桥式整流电路。如电源的线电压为 UL整流后的平均电压为： UD=1.35UL 整流电路 直流中间电路 逆变电流 控制电路 nts10 2）滤渡电容器 CF，其作用是滤平桥式整流后的电压纹波，使直流电压保持平稳。 3） 限流 电阻 RL 和开关 S，在变频器电源接通的瞬间，滤波电容 CF 的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管。为了保护二极管在电路中串入限流电阻 RL，从而将电容器 CF的充电电流限制在允许的范围内。当 CF充电到一定程度，令开关 S接通，将 RL短接掉。 在许多新系列的变频器中。 s已由晶闸管代替。 4）电源指示 HL， HL 除表示电源是否接通外，还有 一 个重要的功能，即在变频器切电源后，指示电容器 CF 上的电荷是否已释放完毕。 电容器 CF 的容量较大，而切断变频器电源又必须在逆变电路停 l止工作的状态下进行，所以 CF没有 快速放电电路，其放电时间往往需数分钟，而 CF上的电压又较高，如不放完，将对人身安全构成威胁。故在维修时，必须等 HL完全熄灭后才能接触变频器的内部带电部分。 （ 2）逆变部分 1） 逆变管 V1 V6 构成三相逆变桥，这六个逆变管按一定规律轮流导通和截止，将直流电逆变成频率可调的三相交流电。 2） 续流二极管 VD7-VDl2的主要作用是在换相过程中为电流提供通路。 3） 缓冲电路 (R01-R06、 VD01 VD06、 C01 C06)的作用是限制过高的电流和电压，保护逆变管免遭损坏。 （ 3）制动电阻 RB 和制动单元 VB， 采用了变频器的交流调速系统中，电动机的减速是通过降低变频器的输出频率来实现的。在电动机减速过程中，当变频器的输出频率下降过快时，电动机将处于发电制动状态，拖动系统的动能要回馈到直流电路中，使直流电压上升，导致变频器本身的过电压保护电路动作，切断变频器的输出。为避免出现这一现象，必须将再生到直流电路的能量消耗掉， RB 和 VB 的作用就是消耗这部分能量。如上图所示。 当直流中间电路的电压上升到一定值时，制动三极管 VB 导通将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。 2.变频器的控制电路，为变频器的主电路提供通断控制信号 的电路，称为控制电路。其主要任务是完成对逆变器开关元件的开关控制和提供多种保护功能。控制方式有模拟控制和数字控制两种。目前已广泛采用了以微处理器为核心的全数字控制技术，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种控制功能 ,以充分发挥微处理器计算能力强和软件控制灵活性高的特点，完成许多模拟控制方式难以实现的功能。控制电路主要由以下部分组成。 （ 1）运算电路，运算电路的主要作用是将外部的速度、转矩等指令信号同检测电nts11 路的电流、电压信号进行比较运算，决定变频器的输出频率和电压。 （ 2）信号检测电路将变频器和电动机 的工作状态反馈至微处理器，并由微处理器按事先确定的算法进行处理后为各部分电路提供所需的控制或保护信号。 （ 3）驱动电路，驱动电路的作用是为变频器中逆变电路的换流器件提供驱动信号。当逆变电路的换流器件为晶体管时，称为基极驱动电路；当逆变电路的换流器件为SCR、 IGBT或 GTO时，称为门极驱动电路。 （ 4）保护电路，保护电路的主要作用是对检测电路得到的各种信号进行运箅处理，以判断变频器本身或系统是否出现异常。当检测到出现异常时，进行各种必要的处理，如使变频器停止工作或抑制电压、电流值等。 3.2.3 变频器的 工作原理 变频器的工作原理是把市电（ 380V 、 50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（ GTO、 GTR或 IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。 整流器 : 它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。 中间电路 : 有以下三种作用： a.使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。 b.通过开关电源为各个控制线路供电。 c.可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。 逆变器 : 将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。 1.变频器中的电力半导休器件，目前，变频 器中用作逆变的电力半导体器什主要有晶闸管 (SCR)、门极可关断晶闸管 (GTO)、电力晶体管 (GTR)、功率场效应管 (功率MOSFET)、绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、智能功率模块 (IPM)等。 （ 1）晶闸管 (SCR)晶闸管没有自关断能力，用门极电流触发，关断时要使正向阳极电流减小到维持电流以下，或者在阳极和阴极间加反向电压。因此在逆变电路中使用时需要另设换流电路，造成电路结构复杂，增加了变频器的成本，但由于元件容量大，在 l000 KVA以上的大容量变频器中得到广泛应用。 （ 2）门极可关断晶闸管 (GTO)，门极可关断晶闸管是一种可通过门极信号控制导通和关断的晶闸管，与普通晶闸管不同，它是利用门极反向电流而获得自关断能力，因此不需要外部换流电路。由它构成的变频器具有结构简单，体积小，成本低，损耗少等优点，在变频器中正在逐步代替普通晶闸管。 （ 3）电力晶体管 (GTR),电力晶体管主要是采用达林顿连接的双极型晶体管，它既nts12 扩大了容量，又保持了晶体管的固有特性，用基极电流可控制其关断，不需换流电路，在开关频率为数千赫的中小容量 PWM(脉冲宽度调制 )变频器中被广泛采用。 （ 4） 功率场效应管， (功率 MOSFET)功 率场效应管是根据门极电压的电场效应进行导通、关断的单极晶体管，与电力晶体管相比，具有速度快、损耗小、驱动功率小、抗干扰能力强等优点，广泛应用于小容量变频器中。 （ 5）绝缘栅双极晶体管 (IGBT) ，绝缘栅双极晶体管是通过栅极驱动电压来控制的晶体管，它集功率 MOSFET和 GTR的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度陕、驱动电路简单和通态电压低、耐压高等优点，冈此有取代 GTR和功率 MOSFET 的趋势。目前变频器主要生产厂家推出的中小容量新产品中大都采用 IGBT作为换流器件。 （ 6）智能功率模块 (IPM)智能功率 模块是一种将功率开关器件及其驱动电路、保护电路等集成在同一封装内的集成模块。目前 IPM一般采用 IGBT作为功率开关器件，对接收到的控制信号经光电耦合隔离后对 IGBT 进行驱动，并同时具有过电流保护、过热保护以及驱动电源电压不足时的保护等功能。 2.工作原理过程 (I)逆变的基本工作原理，将直流电变换为交流电的过程称为逆变，完成逆变功能的装置叫逆变器，它是变频器的重要组成部分。电压型逆变器的动作原理可用如下图3-5、 3-6所示机械开关的动作来说明。 S1 S3 E R U S4 S2 图 3-5 电压型逆变器的动作原理开关 ON ON S1、 S2 动作 OFF S3、 S4 动作 图 3-6 电压型逆变器的动作原理 nts13 当开关 S1、 S2 与 S3、 S4 轮流闭合和断开时，在负载上即可得到波形如左图 b 所示的交流电压，完成直流到交流的逆变过程。用功能与机械开关类似的逆变器开关元件取代机械开关，即得到单相逆变电路。改变逆变器开关元件的导通与截止时间，就可改变输出电压的频率，即完成变频。 (2)v f 控制， v f 控制 是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维持电动机磁通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降 。 v f 控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。 三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通处于接近饱和状态从而使铁心材料得到充分利用。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强。在励磁不足时电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于饱和状态，使电动机中流过很大的励磁电流，增加电 动机的功率损耗，降低电动机的效率和功率因数。因此在改变频率进行 调 速时，必须采取措施保持磁通恒定并为额定值。 异步电动机定子绕组的感应电动势 E的有效值为 E=4.44krfNt m （ 3-3） 式中： kr-定子绕组的绕组系数； Nt-每相定子绕组的匝数； f-定子电源的频率 (HZ)； m-铁心中每极磁通的最大值 (Wb) 显然，要使电动机的磁通在整个调速过程中保持不变，只要在改变电源频率的同时改 变电动机的感应电动势 E，使其满足 E/为常数即可。 但由于在电动机的实际调速控制过程中，电动机感应电动势的检测和控制较困难，考虑到正常运行时电动机的电源电压与感应电动势近似相等，只要控制电源电压 U 和频率 ,使 U/为常数，即可使电动机的磁通基本保持不变，采用这种控制方式的变频器称为 v/控制变频器。 由于电动机的实际电路中存在定子阻抗上的压降，尤其是当电动机低速运行时，感应电动势较低，定子阻抗上的压降不能忽略。采用 v，控制的调速系统在工作频率较低时，电动机的输 出转矩将下降。 为了 改 善在低频时的转矩特性，可采用补偿电源电压的方法。即在低频时适当提升电压 U 以补偿定子阻抗 E 的压降，保证电动机在低速区域运行时仍能得到较大的输出转矩，这种补偿也称为变频器的转矩增强功能。 变频器的转矩增强功能可分为起始转矩增强功能和全范围转矩自动增强功能。所nts14 谓起始转矩增强功能指的是在变频器的低频输出区域按某一规则在变频器的输出电压上加上一定的补偿，达到提高输出转矩的目的。而具有全范围转矩自动增强功能的变频器中，电压补偿是在电动机的整个运行范围中进行的：采用这种控制方式的变频器的性能接近于 u/f 控制的变频器，新系列 v/f 控制的变频器大多具有这种功能。 综上所述，对电动机供电的变频器 一般要求兼有调压和调频功能，通常将这种变频器称为变频变压 (VVVF)型变频器。 (3)脉冲宽度调制 (PWM)技术，实现变频变压的方法有种 ,目前应用较多的是脉冲宽度调制技术，简称 PWM 技术。 PWM 技术是指在保持整流得到的直流电压大小不变的条件下，在改变输出频率的同时通过改变输出脉冲的宽度 (或用占空比表示 )，达到改变等效输出电压的一种方法。 PWM的输出电压基本波形如下图 3-7所示。 t1 u UDN O t t2 T 图 3-7 PWM 的输出电压基本波形图 在半个周期内，输出电压平均值的大小由半周中输出脉冲的总宽度决定。在半周中保持脉冲宽度不变而改变脉冲个数，或保持脉冲个数不变而改变脉冲宽度，均可改变半周内输出电压的平均值，从而达到改变输出电压有效值的目的。 PWM 输出电压的波形是非正弦波，用于驱动三相异步电动机运行时性能较差。如果使整个半周内脉冲宽度按正弦规律变化，即使脉冲宽度先逐步增大，然后再逐渐减小，则输出电压也会按正弦规律变化。这就是目前工 程实际中应用最多的正弦 PWM法，简称 SPWM如下图 3-8 所示。 nts15 u um 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 wt u ud 1 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 wt 图 3-8 正弦 PWM 在每半个周期内输出若干个宽度不同的矩形脉冲波，每一矩形 波的面积近似对应正弦波各相应局部波形下的面积，则输出电压可近似认为与正弦波等效。如将一个正弦波的正半周划分为 12等分，每一份正弦波下的面积可用一个与该面积近似相等的矩形脉冲来代替，则这 12个等幅不等宽的矩形脉冲的面积之和与正弦波所包围的面积等效。 3.变频器的功能 下面以通用变频器为例，按用途将变频器的主要功能进行分类并加以简要介绍。 系统所具有的功能 （ 1）全范围转矩自动增强功能 由于电动机绕组中阻抗的作用，采用 V f控制的变频器在电动机的低速运行区域将出现转矩不足的情况。为提高系统的性能，具有全范围 转矩自动增强功能的变频器在电动机的加速、减速和正常运行的所有区域中可以根据负载情况自动调节 v/ f值，对电动机的输出转矩进行补偿。 （ 2）防失速功能 变频器的防失速功能包括加速过程的防失速功能、恒速运行过程中的防失速功能和减速过程的防失速功能三种。 加速过程和恒速运行过程中的防失速功能的基本作用是：当电动机由于加速过快或负载过大等原因出现过电流现象时，变频器将自动降低输出频率，以避免出现变频器因过电流保护电路动作而停止工作。 VFD-B的出厂时交流电机的配线图如下图 3-9所示： nts16 图 3-9 VFD-B 配线图 nts17 3.2.4 变频器常用参数分类 1.用户参数 2.基本参数，基本参数包括：电机的额定频率、电机的额定电机、输出频率上限设定、输出频率下线设定、加减速时间设定。 3.操作方式参数 4.输出功能参数 5.输入功能参数 6.多段速以及自动程序运转参数 7.保护参数 8.电机参数，电机参数包括：电机额定电流设定、转差补偿增益、电机极数设、电机额定转差等。 9.特殊参数 10.通讯参数，通讯参数包括以下几个： (1)通讯地址，每台变频器有且只有一个通讯地址，它是上位机发送指令的目标，是接受上位机发送过来资料 的接收方。 (2)传送速度，是指 RS-485通讯的传输速度，单位为 bit/s。 (3)通讯错误处理，指变频器通讯出现错误时，驱动器的处置状态。 (4)通讯的资料格式，变频器有固定的通讯资料格式， PLC和它进行资料传输时必须设置成和它一样的格式。 (5)通讯回应延迟时间设定，上位机没有发送或接受资料时，此设定来延时驱动器的响应 11.回授控制参数 12.多组电机控制参数 3.3 三相异步电动机的几种调速方式 三相异步电动机转速公式为： n=60f/p（ 1-s）从上式可见，改变供电频率 f、电动机的极对数 p 及转差 率 s 均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调nts18 速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法 （如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。 1.变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电 磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。 2.变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流 -直流 -交流变频器和交流 -交流变频器两大类，目前国内大都使用交 -直 -交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要 求精度高、调速性能较好场合。 3.串级调速方法 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速 70%-90%的生产机械上；调速 装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。 nts19 4.绕线式电动机转子串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。 4 PLC、变频器的通讯格式及通信程序设计 4.1 西门子 S7-200 型 PLC 通讯功能介绍 西门子工业控制产品在国际市场上有很高的市场占有率，功能也比较强大西门，S7 一 200 系列 PLC 是 SIMATIC 家族中小规模的紧凑型 PLC。其通讯口的配置情况如下图 4-1所示 : 图 4-1 PLC 通讯口 表 4-1 通讯口配置 西门子 S7-200 PLC不同型号 CPU通讯口配置情况 CPU型号 221 222 224 224XP 226 通讯接口 1 1 1 2 2 上述通讯口均可通过设置自由口控制寄存器 SM30和 SM130来实现自由口通讯的实现，对于 CPU221. CPU222. CPU224 只有一个通讯口，可通过寄存器 SM30 实现设置 ;对于 CPU224XP. CPU226有两个通讯口 PORTl和 PORT2, PORTl通过 SM30实现设置， PORT2nts20 通过 SM130实现设置。具体的设置内容如表 4-2所示 : 表 4-2 端口 1 描述 SB130格式 自由口模式的控制字节 MSB LSB P P D B B B M M SM130.7、 SM130.6 PP 奇偶选择 00=无奇偶校验 01=偶校验 10=无奇偶校验 11=奇校验 SM130.5 D 每个字符的数据位 0=每个 字符 8位 1=每个字符 7位 SM130.4-SM130.2 BBB 自由口波特率 /（ bit/s） 000=38400 001=19200 010=9600 011=4800 100=2400 101=1200 110=600 111=300 MM 协议选择 00=点到点接口协议 (PPI/从站模式 ) 01=自由口协议 10=
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