变频器控制电动机的正、反转运行 修订版1.doc

变频器控制电动机的正、反转运行实训大作业课程实训报告课程名称： 电气控制与PLC技术项目教程 实训题目： 变频器控制电动机的正、反转运行 专 业： 机电一体化 班 级： 13机电3班 学生姓名：殷盛瑜、冉海雷、廖芮裴树林、白双、李立学 号： 130006、1300057、 1300064、1300049、 1300059、1300068 指导教师： 任艳君 职 称： 副教授 部 门： 机电工程学院 日 期：2014年 12月 10 日教务处 制重庆工商职业学院课程实训报告编写规范每位学生做完实训后均应提交课程实训报告（不少于2000字）或实训作品。格式和内容要求如下：1.页面设置：纸型为A4，纵向，上、下、左、右的边距均为2厘米，行距均设置为1.25行。2.正文：(1)内容要求：（仅作参考，内容可多但不能少）实训题目实训目的电气原理（电气控制部分：含电气原理图的绘制、原理图工作过程的分析等；PLC部分：含面板图的绘制和控制要求等）实训器件（电气控制部分：含各器件的结构、原理等介绍；PLC部分：含PLC的基本组成、PLC软件和PLC工作原理的介绍）详细设计（电气控制部分：含控制电路的布局图、控制电路的布线图、电路的安装与接线等；PLC部分：含I/O端口分配、PLC外部接线图、程序设计等）调试分析（详细写出调试过程，即分析各按钮按下后电路的运行状况）实训总结（含调试过程中出现的故障，如何排除故障，有哪些建议、意见、体会等）参考资料(2)格式要求：“实训题目”这一项以三号黑体居中打印，段前段后均设置为2行；“实训目的”、“电气原理”、“实训器件”、“详细设计”、“调试分析”、“实训总结”、“参考资料”等标题部分均以四号黑体左起打印，段前段后设置为1行；各部分的正文部分均以小四号宋体打印，正文内的标题号用“1.”、“（1）”、“”等依次标出。重庆工商职业学院课程实训成绩评定指导教师评语：实训成绩：指导教师签字： 年 月 日三相异步电动机计数循环正、反转运行的PLC控制 一、实训目的1了解变频器的基本结构及工作原理。2理解变频器各参数的意义。3掌握变频器操作面板的基本操作。4理解变频器各外部端子意义。二、电气原理1电气原理图基于PLC的变频器外部端子的电动机正、反转控制电气原理图如图1所示。图1 基于PLC的变频器外部端子的电动机正、反转控制电气原理图2工作原理分析通过PLC输出端子的指令控制三菱变频器的运行，再通过三菱变频器控制电动机启动/停止、正转/反转，按下按钮“SB1”电动机正转起动，按下按钮“SB1”电动机停止。待电动机停止运转后，按下按钮“SB2”电动机反转。 三、实训器件该实训所需低压电器有三菱FR-D700变频器、三相电动机、按钮开关、三菱FX系列PLC，所需软元件有输入继电器、输出继电器。（1） PLC及软元件相关知识介绍 国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器（PLC)定义如下：“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储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。PLC实物图请参照图2。 图2 三菱FX-2N PLC实物图1FX系列PLC硬件介绍 （1）PLC的外部硬件结构外部结构：外部端子部分、指示部分、接口部分。图3 PLC外部硬件结构图FX2N系列PLC的硬件结构可以参考图2和图3中带扩展模块的PLC，图中表示出主机如何扩展，通信接口位置等。图2为FX2N-64MR的主机外形图。其面板部件如图中注释。详细I/O端子编号请参考图4。采用继电器输出，输出侧左端4个点公用一个COM端，右边多输出点公用一个COM端。输出的COM比输入端要多，主要考虑负载电源种类较多，而输入电源的类型相对较少。对于晶体管输出其公用端子更多，图4为FX2N-64MR的输出输入端子图。 图4 I/O端子分布图 （2）PLC的工作原理 1）PLC有运行（RUN)和停止（STOP)两种基本的工作模式、它的运行方式是扫描工作方式，工作方式示意图5。图 5 PLC扫描过程示意图2）工作阶段：内部处理阶段、通信服务阶段、输入处理阶段、程序处理阶段、输出处理阶段。3）扫描周期:一个周期等于内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输入处理所有时间的总和。 4)PLC的循环扫描工作过程（信号传递过程），请参照图6图 6 PLC的循环扫描工作图2. FX系列PLC的软件系统 1）软件系统系统监控程序：系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块、系统调用程序。用户程序：用户根据自己的要求用PLC的编程软件、编程软元件和编程语言编制的程序。2）PLC的编程语言梯形图：以图形符号及其在图中的相互关系来表示控制关系的编程语言。指令表：指令表语言的集合叫指令表，它可以与梯形图互换。顺序功能图：包含步、动作和转换三个要素，将复杂的程序控制转换成小的程序控制模块。功能块图：逻辑功能符号组合成的程序语言。结构化文本：具备了PASCAL、BASIC和C等高级编程语言的PLC编程方式编程器和编程软件编程器：FX-20P-E手持式编程器（常用的编程器）。编程软件：SWOPC-FXGP/WIN-C和GX-Developer软件。3FX系列PLC的软元件（1）输入继电器 输入继电器是PLC中专门存储系统输入信号的内部虚拟继电器，它可以提供无数个动合和动断触头，供编程使用,FX 2n系列的PLC的输入继电器采用8进制编号，如X000-X007,X010-X017，最多可达184点。 （2）输出继电器输出继电器是PLC中专门用来将运算结果经输出接口电路及输出端子来控制外部负载的虚拟继电器，输出继电器用来与PLC的输出端子相连，在梯形图中，每一个输出继电器的动合触头和动断触头都可多次使用，采用8进制编号如Y000-Y007,Y010-Y017,最多可达184点。但FX-2N系列PLC输入输出继电器的总和点数不得超过256点。 (二）三菱FR-D700变频器变频器的结构如图7所示。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。变频器图片，请参照图7。图7 变频器图片1、变频器的结构种类:按交流环节分为交-直-交型和交-交型、按直流电路的储能环节分为电流型的电压型、按输出电压调节方式分为脉幅调制型、脉宽调制型和正弦脉宽调制型。、按控制方式分U/f控制、转差频率控制和矢量控制变频器。2、外部结构操作面板、前盖板、主机。3、内部结构整流器、逆变器、中间储能环节、主控电路、采样电路、驱动电路、控制电源。4、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。5、 主控制电路 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。（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。（3） 三相电动机 三相异步电机(Triple-phase asynchronous motor)是靠同时接入380V三相交流电源（相位差120度）供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机。下图是三相异步电机图，请参照图8 图 8 三相电机图当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。三相异步电动机工作原理图请参照图9所示。图9 三相异步电机工作原理图当导体在磁场内切割磁力线时，在导体内产生感应电流，“感应电机”的名称由此而来。感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力。我们让闭合线圈ABCD在磁场B内围绕轴xy旋转。如果沿顺时针方向转动磁场，闭合线圈经受可变磁通量，产生感应电动势，该电动势会产生感应电流(法拉第定律)。根据楞次定律，电流的方向为:感应电流产生的效果总是要阻碍引起感应电流的原因。因此，每个导体承受相对于感应磁场的运动方向相反的洛仑兹力F。确定每个导体力F方向的一个简单的方法是采用右手三手指定则(磁场对电流作用将拇指置于感应磁场的方向，食指为力的方向。将中指置于感应电流的方向。这样一来，闭合线圈承受一定的转矩，从而沿与感应子磁场相同方向旋转，该磁场称为旋转磁场。闭合线圈旋转所产生的电动转矩平衡了负载转矩。1、旋转磁场的产生三组绕组间彼此相差120度，每一组绕组都由三相交流电源中的一相供电。绕组与具有相同电相位移的交流电流相互交叉，每组产生一个交流正弦波磁场。此磁场总是沿相同的轴，当绕组的电流位于峰值时，磁场也位于峰值。每组绕组产生的磁场是两个磁场以相反方向旋转的结果，这两个磁场值都是恒定的，相当于峰值磁场的一半。此磁场.在供电期内完成旋转。其速度取决于电源频率(f)和磁极对数(P)。这称作“同步转速”。2、启动与运行(1)当三相异步电机接入三相交流电源(各相差120度电角度)时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场，该磁场以同步转速n0沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转。(2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体(转子绕组是闭合通路)产生感应电动势并产生感应电流（感应电动势的方向用右手定则判定）。(3)根据电磁力定律，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。载流的转子导体在定子产生的磁场磁场中受到电磁力作用(力的方向用左手定则判定)，电磁力对电机转子轴形成电磁转矩，驱动电机转子沿着旋转磁场方向旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。由于没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先，电机转动方向与旋转磁场方向相同。（4） 按钮按钮，是一种常用的控制电器元件，常用来接通或断开控制电路（其中电流很小），从而达到控制电动机或其他电气设备运行目的的一种开关。按钮分为：1、常开按钮开关触点断开的按钮。2、常闭按钮开关触点接通的按钮。3、常开常闭按钮开关触点既有接通也有断开的按钮。4、动作点击按钮鼠标点击按钮。1、工作原理图10按钮工作原理示意 对于常开触头（图10-a）,在按钮未被按下前,电路是断开的,按下按钮后,常开触头被连通,电路也被接通；对于常闭触头（图10-b），在按钮未被按下前，触头是闭合的，按下按钮后，触头被断开，电路也被分断。由于控制电路工作的需要，一只按钮还可带有多对同时动作的触头(图10-c)。2、组成按钮由按键、动作触头、复位弹簧、按钮盒组成。是一种电气主控元件。电气符号SB，按钮（SB）助记符。四、详细设计（一）主电路的工程设计 1基于PLC的变频器外部端子的电动机的正、反转控制PLC控制线路的工程布局布线基于PLC的变频器外部端子的电动机的正、反转控制PLC控制工程布局布线如图11所示。 图11 基于PLC的变频器外部端子的电动机的正、反转控制PLC控制工程布局布线图2电路工程安装与接线规范实训安全操作规程 （1）实训期间，学生必须严格执行本专业的安全操作规程。 （2）认真学习实训指导书，掌握电路或设备工作原理，明确实训目的、实训步骤和安全注意事项。 （3）学生分组实训前应认真检查本组仪器、设备及电子元器件状况，若发现缺损或异常现象，应立即报告指导教师或实训室管理人员处理。 （4）认真阅读实训报告，按工艺步骤和要求逐项逐步进行操作。不得私设实训内容，扩大实训范围（如乱拆元件、随意短接等）。 （5）学生在实训过程中使用的实训设备，人为损坏或丢失的将追究其责任。 （6）使用万用表、毫伏表测量未知电压，应先选最大量程档进行测试，再逐渐下降到合适的量程档。 （7）用万用表测量电压和电流时，不能带电转动转换开关。 （8）万用表使用完毕，应将转换开关旋至空档或交流电压最高档位。（9）给直流供电设备接电源时，应把直流电源电压旋钮调到最低处，接好电源后再把电源开关打开，并调电压至额定值。（10)下课前，必须对所使用的仪器设备进行检查，如有问题应及时报告管理员，并关闭电源，方能离开。（二）PLC部分的设计1、基于PLC的变频器外部端子的电动机的正、反转控制PLC I/O端口分配表和变频器参数表。表1 I/O端口分配表表2 变频器参数表2、基于PLC的变频器外部端子的电动机的正、反转控制PLC的软件编程。下图是编程梯形图图12。图12基于P