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电气电子毕业设计论文
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毕业设计45PLC控制的恒压供水系统,电气电子毕业设计论文
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长春工业大学毕业设计（ 论文） - 1 - 长春工业大学 电气与电子工程学院自动化专业 毕 业 设 计 论 文 PLC 控制的恒压供水系统 The Constant Pressure Water Supply Based On PLC Control 学生姓名：商文宇 指导教师：王霆 2005年 6月 nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 2 - 目 录 摘 要 . - 4 - Abstract . - 5 - 第一章 绪论 . - 6 - 1.1 课题的意义及应用背景 . - 6 - 1.2 本文研究的内容 . - 8 - 第二章 恒压供水原理及系统的技术指标 . - 9 - 2.1 任务 . - 9 - 2.2 系统技术指标 . - 9 - 2.3 系统的组成和基本工作原理 . - 9 - 2.4 主要元器件选型 . - 10 - 第三章 硬件的基本原理及其应用 . - 11 - 3.1 PLC可编程控制器 (FXOS 20MR) . - 11 - 3.1.1 可编程控制器的特点 . - 11 - 3.1.2 可编程控制器的工作原理 与应用 . - 12 - 3.2 变频器的原理与特性 (CIMRG7) . - 17 - 3.2.1变频器简介 . - 17 - 3.2.2变频与变压 (VVVF)原理 . - 18 - 3.2.3变频调速的基本原理 . - 18 - 3.2.4变频调速的升速和启动 . - 19 - 3.2.5变频调速的降速和制动 . - 20 - 3.2.6变频后的电动机的机械特性 : . - 20 - 3.2.7水泵类平方律负载的机械特性 . - 21 - 3.2.8 V/F控制的概念 : . - 21 - 3.2.9矢量控制的概述 . - 22 - 3.2.10 CIMRG7的特性 及其应用 . - 23 - 3.3 压力传感器介绍及应用 . - 33 - 3.4 PID调节仪 . - 34 - nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 3 - 3.4.1 PID调节原理 . - 34 - 3.4.2 PID参数设置 . - 36 - 3.4.3 PID设定值的调整 . - 37 - 第四章 软件设计 . - 38 - 4.1 PLC应用的开发步骤 . - 39 - 4.2 PLC程序 . - 40 - 4.2.1基本步骤 . - 40 - 4.2.2 程序中使用的继电器 . - 40 - 4.2.3程序流程 . - 43 - 4.3 PLC程序的运行和模拟调试 . - 48 - 第五章现场调试和小结 . - 48 - 5.1 硬件功能性调试以及注意事项 . - 48 - 5.2 系统总体调试 . - 49 - 5.3 小结 . - 50 - 致 谢 . - 51 - 参考文献 . - 52 - nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 4 - 摘 要 本文主要针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗严重、可靠性低的缺点加以研究，开发出一种新型的并在这三个方面都有所提高的 PLC 控制的恒压供水系统。 全文共分为五章。第一章阐明了恒压供水系统的应用背景、选题意义及主要研究内容。第二章对本系统的总体方案进行了介绍，其中包括系统的工艺要求，系统的组成和基本工作原理以及主要元器件的选型。第三章着重写控制系统的硬件部分的基本原理。第四章介绍了系统的软件开发工作，对 PLC 程序做了详细描述并介绍了过程控制中占据重要地位的 PID 调节原理及 参数设置依据，方法。第五章是项目调试和小结部分，给出了调试结果。 本论文综合运用了可编程控制器（ PLC）、变频器、 PID 调节仪、传感器等现代工业控制常用的控制部件及其相关程序设计方法。所做的研究对同类系统的研究和开发具有一定的参考价值。 关键词 ：可编程序控制器 变频器 PID nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 5 - Abstract In the thesis, the disadvantages and problems need to be resolved of current supporting water system are briefly analyzed, and a new system, which has great advance in automation, reliability and saving energy, is studied and described. This thesis consists of five chapters Chapter one clarifies the application background and significance of the supporting water system and main contents of research. Chapter two introduces the overall project of the new auto control system, including craft demand, constitution, work principle and the selection of the main electrical devices Chapter three emphasizes the principle of the software and hardware part in control system. Chapter four, we analyze the exploitation of control system, specifying on PLC programmer and introduces the principle, parameter installation of PID control. The last chapter is the conclusion of the whole research and presents some debug result. The research collectively utilized some modern control devices, such as PLC, frequency conversion device, sensor, and their program control method, all of these are of some reference value to the study of relative control system. KEY WORDS： PLC Frequency conversion PID nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 6 - 第一章 绪论 1.1 课题的意义及应用背景 在我国，节电节水的潜力非常大。据有关国际组织发表的资料显示 :中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的 4 倍左右，消耗的水是他们的 2 倍左右。我国的大量用电设备中，风机和泵类电机的耗电量占全国发电量的 50%左右 ,若推广新型电机调速技术 ,可节电 40%左右 ,即可以节约全国发电量的 1/5.由 于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多 ,因此 ,在我国一方面水电供应紧张 ,而另一方面 ,水电的浪费又十分惊人 .节电节水 ,不仅潜力巨大 ,而且意义深远 近十年来，变频技术的应用在我国有很大的发展，并取得了良好的效果。可以说，变频技术已为大多数用户所接受。但是，不能不指出，我国在变频技术的应用方面，与发达国家的水平尚有很大差距。目前，我国在用的交流电动机使用变频调速运行的仅 6%左右，而工业发达国家已达 60% 70%；日本在风机、水泵上变频调速的采用率已达 10%，而我国还不足 0.01%；在日本，空调器的 70%采 用了变频调速，而我国才刚刚起步。从这个现实出发，变频技术尚有很大的发展空间，我们应该锲而不舍地做好推广应用工作。 变频控制技术的进步不仅仅是异步电动机结构简单、坚固、易于维护等优点，更主要的是采用变频调速技术的异步电动机的机械特性达到了直流电动机调压调速的特性。由于计算机技术的介入，使得变频器具有丰富的功能和方便好用的特点，因此人们才有可能按照实际要求，自行构成一个适用和可靠的调速系统。 变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从 90 年代初开始经历了一次飞跃。 恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。 变频恒压供水控制 系统主要有： (1)带 PID 回路调节器和 /或可编程序控制器 (PLC)的控制 系统 在该 系统 中，变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源，实现 电动机的无级调速，从而使管网水压可控。传感器的任务是检测管网水压；压力设定单元为系统提供nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 7 - 满足用户需要的水压期望值；压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部 PID 控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入 PID 回路调节器，由后者进行运算后，输给变频器一个转速控制信号。 由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或 PID 回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入 /输出接口的可编程控 制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入 /数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块 PWM 调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入 /输出的可编程控制器和一个 PID 回路调节器，其成本也和带模拟量输入 /输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID 控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。 (2)新型变频 调速供水设备 针对传统的变频调供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新产品，如华为的 TD2100，施耐德公司的 Altivar58泵切换卡， SANKEN的 SAMCO-I系列， ABB 公司的 ACS600、 ACS400 系列，富士公司的 G11S/P11S 系列等。这些产品将 PID 调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。由于 PID 运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存储容量的要求和对 PID 算法的编程，而且 PID 参数的在线调试非常容易，这不仅降低了 生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的 PID 调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类变频器的价格仅比通用变频器略高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置 PID 功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。在满足工艺要求的情况下应优先采用。 (3)供水专用变频器 供水专用变频器是将普通变频器和 PLC 控制器集成在一起，是集供水管控一体化的系统，内置供水专用 PID 调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的 PID 调节器输入口，而压力设定既可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器以模拟量的形式送入。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。也可设定指定日供水压力。面板可以直接显示压力反馈值 (MPa)。 nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 8 - 系统供水有两种基本运行方式：变频泵固定方式和变频泵循环方式。变频泵固定方式最多可以控制 7 台泵，可选择 “ 先开先关 ” 和 “ 先开后关 ”( 适用泵容 量不同场合 )两种水泵关闭顺序；变频泵循环方式最多可以控制 4 台泵，系统以 “ 先开先关 ” 的顺序关泵。 供水系统采用变频供水技术可改善供水水质，且自动化程度高，又是国家节能推广技术，但若选择使用不当，又会造成电能 浪费 ，因此设计人员在方案确定之前应根据用水性质、用水特点、用水规模、设备投资等因素综合考虑，在保证可靠供水前提下，充分发挥变频调速的节能潜力 1.2 本文研究的内容 本文设计了一个以可编程控制器 (PLC)为控制核心， CIMRG7 系列变频器为执行元件，采用 PID 调节仪控制水泵电机转速，即可调节 出口管网压力，使之达到用户期望的恒定压力的系统。其中主要内容包括恒压供水原理， PLC 原理，变频调速原理，通过设置几个主要器件 I/O 参数，实现 PLC，变频器，压力传感器之间的通讯、控制功能。 nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 9 - 第二章 恒压供水原理及系统的技术指标 2.1 任务 用 PLC，变频器， PID 调节仪，压力传感器及低压部件组成 PLC 控制变频调速恒压供水自动控制系统，并使系统达到工艺要求的性能指标。 2.2 系统技术指标 出口管网压力：恒定在 400KPa（ 4 公斤）左右，可调 水泵运行时间：全天候长期运行 2.3 系统的组成和基本工作原理 系统由水泵机组、变频器， 控制柜（内含 PID 控制器、 PLC 低压电器和 变频器 ） 、压力传感器、管路系统等构成。系统控制 75KW 水泵 3 台， 系统控制组成框图如下： 基本工作原理： 输入电路由传感器及其压力变送器组成，它输出标准的 4-20mA电流，并将其送给 PID 调节仪，经过其 PID 算法的运算，输出作为变频器的的输入来控制电机的转速，以来达到恒压供水的目的。 其工作情况如下： 1 台泵供水不足时，该泵倒为工频运行，变频柜启动第 2 台泵，若流量还不够，nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 10 - 第 2 台泵倒为工频运行， 控制系统再启动第 3 台泵。若用水量减少，按启泵顺序依次停止工频泵，直到最后 1 台泵变频恒压 2.4 主要元器件选型 PLC： FXos 20MR（三菱） 变频器： CIMRG7(安川 ) 压力传感器： TGK（意大利） PID 调节仪： JC 33A（日本神港） 其他低压配件选择施耐德品牌为主 nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 11 - 第三章 硬件的基本原理及其应用 3.1 PLC 可编程控制器 (FXos 20MR) 1969 年，在美国出现第一台可编程序逻辑控制器（ Programmable Logic Controller PLC）以来，经过 30 多年的发展，现在已经成为一种最重要、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。它应用大规模集成电路、微型机技术和通信技术的发展成果，逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、超大型等各种规格的PLC 系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多过程控制领域。可编程序控制器已和数控技术及工业机器人并列为工业自动化的三大支柱。 初期的 PLC 只是用于逻辑控制场合，代替继电器控制系统。随着微电子技术的发展， PLC 以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字 量的控制，它已进入过程控制和位置控制等场合的控制领域。目前，可编程序控制器既保留了原来可编程序逻辑控制器的所有优点，又吸收和发展了其他控制装置的优点，包括计算机控制系统、过程仪表控制系统、集散系统、分散系统等。在许多场合，可编程序控制器可以构成各种综合控制系统，列如构成逻辑控制系统、过程控制系统、数据采集和控制系统、图形工作站等等。 3.1.1 可编程控制器的特点 1可靠性高。由于可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个 PLC 生产厂都将可靠性作为第一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上采取大量的 抗干扰措施，使 PLC 的平均无故障时间达到 30 万小时以上，使用寿命更长。 2 控制功能强。 PLC 具有逻辑判断、计数、定时、步进、跳转、移位、记忆、四则运算和数据传送等功能，可以实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和过程控制等。 3编程方便，易于使用。 PLC 采用与继电器电路相似的梯形图编程，比较直观，易懂易编，深受电气技术人员和电工的欢迎，容易推广应用。 PLC 可取代原继电器控制系统，有利于对老设备的技术改造。 4使用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。 5具有各种接口，与外部设备连接非常方便。 6采用积木式结构 或模块式结构，具有较大的灵活性和可扩展性，扩展灵活方便。 7维修方便。 PLC 上有 I/O 指示灯（ LED），哪个 I/O 元件有故障，一目了然。 8可根据生产工艺要求或运行情况，随时对程序进行在线修改，不用更改硬接线，灵活性大，适应性强。 nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 12 - 3.1.2 可编程控制器的工作原理 一、 PLC 的等效工作电路 PLC 是一种微机控制系统，其工作原理也与微机相同，但在应用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把 PLC 等效成输入、输出和内部控制电路三部分 ，如下图所示。 1输入部分 这部分的作用是接受被控设备的信息或操作命令等外部输入信息。输入接线端是PLC 与外部的开关、按钮、传感器转换信号等连接的端口。每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈号即输入接点号，这个线圈由接收到的输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由 PLC 的电源部件提供 (如直流 24V)，也可由独立的交流电源 (如交流110V)供给。每个输入继电器可以有无穷多个内部触点 (动合、动断形式均可 )(这里使用的是计算机的“ COPY”概念 )，供设计 PLC 的内部控制电路 (即编制 PLC 控制程序 )时使用。 nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 13 - 2内部控制电路 这部分的作用是运算和处理由输入部分得到的信息，并判断应产生哪些输出。内部控制电路实际上也就是用户根据控制要求编制的程序。 PLC 程序一般用梯形图形式表示。而梯形图是从继电器控制的电气原理图演变而来的， PIC 程序中的动合、动断触点、线圈等概念均与继电器控制电路相同。 在 PLC 内部还设有定时器、计数器、移位器、保持器、内部辅助继电器等，继电器控制系统没有的器件，它们的线圈及动合、动断触点只能在 PLC 内部控制电路中使用，而不能与外部电路相连。 3输出部分 这部分的作用是驱动外部负载。在 PLC 内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器 (有继电器、双向硅、晶体管三种形式 )，它也有无限多软件实现的动合、动断触点，可在 PLC 内部控制电路中使用；但对应每一个输出端只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载；如图 2 3 所示。外部负载的驱动电源接在输出公共端 (COM)上。 总之，在使用 PLC 时，可以把输入端等效为一个继电器线圈，其相应的继电器接点 (动合或动断 )可在内部控制电路中使用，而输出端又以等效为内部输出继电器的一个动合触点，驱动外部设备。 二、 PLC 的工作过程 PLC 一般采用循环扫描方式工作。当 PLC 加电后，首先进行初始化处理，包括清除 I O 及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查 I/O 单元的连接等。开始运行之后，串行地执行存贮器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段。 1公共处理阶段 这部分在每次循环开始都要被执行，包括复位系统定时器、检查程序存贮器、检查 I O 总线、检查扫描时间等。如出现异常情况，则通过自诊断给出故障信号，或自行进行相应的处理，这将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。 这部分时间是固定的，对 P 型机来说，为 1.26ms。 2执行外围设备命令阶段 当有简易编程器、图形编程器、打印机等外部设备与 PLC 相连时，则 PLC 在每次循环时，都将执行来自外部设备的命令。 3程序执行阶段 在这个阶段， CPU 将指令逐条调出并执行，即按程序对所有的数据 (输入和输出的状态 )进行处理，包括逻辑、算术运算，再将结果送到输出状态寄存器。 4输入、输出更新阶段 PLC 的 CPU 在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。 CPU 对各个输入端进行扫描，并将输入端的状态送到输入状态寄存器中；同时，把输出状 态寄存器的状态通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。这种对输入、输出状态的集中处理过程，称为批处理，这是 PLC 工作的重要特点。 nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 14 - 电 源 加 电清 楚 I / O 和 内 部 继 电 器 ， 复位 所 有 计 时 器检 查 I / O 单 元 连 接复 位 监 视 计 时 器检 查 硬 件 和 程 序 存 储 器检 查 好 了 吗 ？执 行 外 设 的 命 令复 位 监 视 计 时 器执 行 程 序 指 令复 位 监 视 计 时 器从 输 入 端 读 入 数 据或 对 输 出 端 写 数 据设 置 出 错 标 志 ，出 错 指 示 灯 亮异 常 或 报 警 ？否是是是上电后初始处理共同处理执行外设命令执行指令数 据输 入 /输 出扫描周期上图进一步说明了上述 PLC 内部工作过程。 PLC 工作时，上述过程周而复始，称为扫描周期。 三、 PLC 的扫描时间 PLC 完成一个扫描周期所需要的时间，称为扫描周期时间，简称扫描时间。扫描时间地长短取决于系统的配置、 I O 通道数、程序中使用的指令及外围设备的连接等，循环中每个阶段所需的时间加在一 起就是扫描时间。各部分时间计算如下： nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 15 - (1)公共处理时间 t1。对 P 型机来说，这部分时间是固定的，即 : tl 1.26ms (2)输入，输出更新时间 t2。因为 PLC 的输入通道数一般来说总是大于输出通道数，因此，在计算这部分时间时，可以输入通道数为准，即认为在输入更新时间内，输出一定会更新完毕。这部分时间可按下式计算： t2 0.29 十 0.07N(ms) 其中 N 为输入通道数减 1。需要注意的是，若输出通道数大于输入通道数，则N 应取输出通道数减 1。 (3)程序执行时间 t3。这部分时 间取决于在用户程序中使用的指令的类型和条数。把程序中使用的所有指今的执行时间加在一起，就等于 t3。 (4)执行外设命令所需时间 t4。当有外部设备与 PLC 相连时，其处理时间可按下述方法确定。首先，把上面算出的三个时间相加，再乘以 0.05，即 : t4 (t1 十 t2 十 t3) 0.05 当 t4 1 时，则 t4 1ms；当 t4 1 时，则以 0.5ms 为单位，进行四舍五入。例如，当 t4=1.65ms 时，则 t4 1.5ms；若 T4 1.8ms 时，则取 t4 2ms。 注意：当没有外设与 PLC 相连时 t4 0ms。 将上面四部分时间算出后相加，即为扫描时间 T，即 T t1 十 t2 十 t3 十 t4 在 PLC 内部，系统定时器（俗称“看门狗”）一般在上电时设为 130ms，当扫描时间超过 130ms 时， CPU 将停止工作。但是，既使扫描时间没有超过 130ms，也可能对系统操作产生不良影响；扫描时间大于 10ms 时，高速定时器 TIMH 会出现故障；当扫描时间超过 100ms 时，普通定时器及 0.1 时钟脉 冲发生器将会出错，并且报警。 四、 PLC 的 I/O 响应时间 用 PLC 设计一个控制系统时必须知道有了一个输入信号后 PLC 经过多长时间才能有一个对应的输出信号，否则，就不能正确并精确地解决系统各部件之间的配合问题。从 PLC 的工作过程可知当 PLC 工作在程序执行阶段时，既使输入状态发生变化，即输入状态寄存器的内容发生变化， CPU 执行的输入信号也不会变化，而要到下 个周期的输入、输出更新阶段，才能有效。同理，暂存在输出状态寄存器中的输出信号，也要等到下 个扫描周期的输入、输出更新阶段，才能集中输出给输 出部件。从 PLC 收到一个输入信号到 PLC 向输出端输出一个控制信号所需的时间，就是PLC 的 I O 响应时间。响应时间是可变的，例如，在一个扫描周期的 I O 更新阶段开始前瞬间收到一个输入信号，则在本周期内该信号就起作用了，这个响应时间最nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 16 - 短，它是输入延迟时间、 个扫描周期时间、输出延迟时间三者之和，如下图所示。 扫 描 时 间数 据 输 入 / 输 出指 令 执 行输 入 O N 响 应 时 间输 入输 出C P U 读 输 入 信 号最 小 I / O 响 应 时 间扫 描 时 间指 令 执 行输 入 O N 响 应 时 间如果在一个扫描周期的 I O 更新阶段刚过就收到一个输入信号，则该信号在本周期内不能起作用，必须等到下一个扫描周期才能起作用，这时响应时间最长，它等于输入延 迟时间、二个扫描周期时间与输出延迟时间三者之和，如下图所示。 扫 描 时 间数 据 输 入 / 输 出指 令 执 行输 入 O N 响 应 时 间输 入输 出C P U 读 输 入 信 号最 大 I / O 响 应 时 间扫 描 时 间指 令 执 行输 入 O N 响 应 时 间应用：在本系统中主要用起控制电气开关作用，控制该系统中的逻辑电平。并且手动控制三台电机的起停。 nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 17 - LNC O MX 0X 1X 2X 3 X 4 X 5 X 6X 7X 1 0 X 1 1X 1 2X 1 32 4C O MC O M 0Y 0Y 1Y 2Y 3Y 4Y 5Y 6 Y 7Y 8C O M 1C O M 2C O M 3C O M 4三A C 2 2 0 V上限下限频率到达1 #泵启动1 #泵停止2 #泵启动2 #泵停止3 #泵启动3 #泵停止自动手动M I T S U B I S H IF x o s - 2 0 M RP L C2 4 V0 VLD C M 1F RK M 1NF R 1 F R 2F R 3K M 1K M 2K M 2K M 3K M 4K M 3K M 4K M 5K M 5K M 6K M 6K M 7PLC 在本系统中的连线图 3.2 变频器的原理与特性 (CIMRG7) 3.2.1 变频器简介 变频器的功能是将频率固定的 (通常为 50Hz)的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器的输入端接至频率固定的三 相交流电，输出端输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电。 变频器主要分为间接变频和直接变频两大类，而间接变频又根据中间直流环节的主要储能元件的不同可分为电压型和电流型。电压型变频器主回路由相控整流器，中间nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 18 - 直流环节和逆变器三个部分组成。 相控整流器将交流电压整流为可控的直流电压，经滤波由电容 Cd 输出直流电压Vd,逆变器将直流 Ud 变换成频率可调的交流电源供给电机进行变频调速。由于中间直流环节是 Cd 低阻抗输出相当于是恒压源，故称电压型。 电流型交一直一交变频器与电压型变频器的差别仅在于中间直流环节中的储能元 件用的是电感而不是电容。由于中间直流环节是高阻抗输出相当于电流源，故称电流型。 3.2.2 变频与变压 (VVVF)原理 当在实际利用变频器调节电机转速的过程中，当频率 f 下降时，定子绕组的反电动势 E 有所下降，定子电流增大，但是转子侧的负载并未增加，故转子段电流不变，根据电流平衡方程可知，励磁电流比增大，因而磁通 m 增大。 m 增加将导致铁芯的饱和，进而引起励磁电流波形的畸变，这是不希望的结果，因此希望 m 可以保持基本不变。要实现这个目标，只要在变频过程中使变频器输出电压 Ul/f=const，则磁通 m可保持基本不变。因此变频的同时也要变压，常用 VVVF 表示。怎样实现 VVVF 是变频器必须解决的重要课题之一。 VVVF 实施的基本方法包括 :脉幅调制 (PAM)和脉宽调制 (PWM)。 (1)脉幅调制 (PAM) 实现方法就是调节频率的同时，也改变直流电压的振幅值。 PAM 需要同时调节两个部分 :整流部分和逆变部分，两者之间还必须满足一 定的关系，故控制电路比较复杂，因此比较少用。 (2)脉宽调制 (PWM) 实现方法就是在每半个周期内，把输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为 t1，每个脉冲间的间隔宽度为 t2，则脉冲的占空比 =tl/(t2+tl)。这时电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，同样可以实现变频也变压的效果。 PWM 只需控制逆变电路便可实现，与 PAM 相比控制电路简化了许多，因此在变频调速中比较常用。 3.2.3 变频调速的基本原理 异步电动机的等效变换 nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 19 - 异步电动机的电磁转矩公式： 2212 2 21 1 2 1 232 ( ) ( ) mp s r UTf s r r s x x 其中 :P 为旋转磁场的磁极对数， S 为转差率。 (2)变频调速的原理 异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生。异步电动机的定子主磁通是以一定的转速旋转，旋转磁场实际是三个交变磁场合成的结果。旋转磁场的转速 0n =60f/p， 其中 f 是电流频率， P 是旋转磁场的磁极对数。产生转子电流 的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此转子的转速 1n 必须低于定子磁场的转速 0n (即所谓的“异步， )。两者之间的差异可由转差率表示，转差率 s=( 0n - 1n )/ 0n 根据 0n =60f/p 可知，当频率 f 连续可 调时，电动机的同步转速 0n 也连续可调，而异步电机的转子转速 1n ， 总是比同步转速略低一点，所以当 0n 连续可调时， 1n 也是连续可调 。 3.2.4 变频调速的升速和启动 由于异步电动机在额定频率和电压下直接启动时，其绕组以同步转速切割旋转磁场，转子电流都很大， 其启动电流可达额定电流的 4-7 倍。这将对电源形成冲击，引起电 网电压的波动；而且 启动过程过于快捷，常常对机械负载形成冲击，影响其使用寿；在泵水管道系统中，还会引发水锤效应，使管道受到损害。使用变频器后，由于其输出频率可以从很低频率开始，频率上升的快慢可以任意设定，从而可以有效地将启动电流限制在一定的范围内。设定升速时间的基本原则 :在电动机的启动电流不超过允许值的前提下，尽可能地缩短升速时间。 本次系统能够中启动时间设定为 30s，并且 负载升速方式选择半 S 型。 nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 20 - 3.2.5 变频调速的降速和制动 在泵水管道系统中，由于水的阻尼作用，电动机的转速能够十分迅速地降下来，而不会引起再 生制动的过电流和过电压，但是降速太快，会导致管道系统出现“空化现象”，对管道有害无益，甚至会损害管道。因此，在降速停机时应设定足够的降速时间，使转速缓慢下降，从而保护管道。 在本系统中降速时间设定为 30s。 3.2.6 变频后的电动机的机械特性 : 设变频后的频率为 xf ，电压为 xU ， 电动机的额定相电压和频率为 NU 和 Nf ， 则有 xf fk Nf xU uk NU 其中 fk 为频率可调比 ， uk 为电压可调比。将上述两个公式代入异步 电动机的电磁转矩公式可得变频后的转矩公式： 22212 2 21 2 1 232 ( ) ( ) um f N x x fp s r k UTk f s r r s k x x 其中： xs 为频率为 xf 时的转差率。 在变频器正常工作情况下，即 fk mk 1 时的机械特性入下图所示 由图可知随着 f 的下降，临界转矩 kxT 逐渐减少，电动机的带负载 能力也随之下降。这无疑给变频调速带来了瑕点。所以如何改变变频后的机械特性就成了关注的焦点。在这里我们采用 V/F 控制 方法。 nts长春工业大学毕业设计（ 论文） - 21 - 3.2.7 水泵类平方律负载的机械特性 其含义 :负载的阻转矩与转速的平方成正比。 20L r LT T K n 30L P LP P K n 其中 : 0T 一空载转矩， 0P 一空载时的功率损耗 ， TK 和 PK 为比例常数 。 平方律负载的机械特性和功率特性曲线图如下图所示。 一机械特性 一功率特性 平方律负载主要是泵类和风机，其工作特点是 : (1)大多数在长期连续运行的状态下工作，属于连续恒定负载。 (2)大多数该
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