基于PLC控制的交流电动机的变频调速系统

基础课程设计（论文）基于PLC的可逆变三相异步电机调速系统学生姓名：指导教师：学生学号：专 业：信息技术学院电气工程系2012年12月14日摘要摘要 本论文设计了基于PLC的可逆变三相异步电机调速系统，实现三相异步电动机的正反转控制。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。三相异步电动机的应用广泛，具有机构简单，效率高，控制方便，运行可靠的优点。本文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。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。关键词：PLC 三相异步电动机 可编程控制 梯形图 13引言目录 摘要I目录III引言IV1.频调速系统11.1 变频调速系统11.1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理11.1.2 变频调速原理11.1.3 变频调速的基本控制方式21.2 三相异步电动机的正反转工作过程41.2.1三相异步电动机的原理41.2.2 三相异步电动机的制动42.异步电动机的PLC控制52.1三相异步电机的正反转PLC控制52.2 PLC定时器控制电动机正反转互锁的设计72.2.1 PLC定时器控制电动机正反转电路的主接线图72.2.2 PLC定时器控制三相异步电动机正反转的梯形图82.2.3定时器控制电动机正反转的指令表程序92.2.4 PLC的I/O分配92.2.5 实体框形图102.3 三相异步电动机使用PLC控制优点11结 论12参考文献13引言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。课程设计论文1.频调速系统1.1 变频调速系统1.1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。三相交流异步电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。1.1.2 变频调速原理变频器可以分为四个部分，如图1.1所示。通用变频器由主电路和控制回路组成。给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器。图1.1变频器简化结构图 整流器。它的作用是把工频电源变换成直流电源。 平波回路（中间直流环节）。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。 逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。 控制回路。控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控制。1.1.3 变频调速的基本控制方式 普通控制型V/f通用变频器 普通控制型V/f通用变频器是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路比较简单；电动机选择通用标准异步电动机，因此其通用性比较强，性价比比较高，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。 具有恒定磁通功能的V/f通用变频器为了克服普通控制型的V/f通用变频器对V/f的值进行调整的困难，如果采用磁通反馈，让异步电动机所输入的三相正弦电流在空间产生圆形旋转磁场，那么就会产生恒定的电磁转矩。这样的控制方法叫做磁链跟踪控制。由于磁链的轨迹是靠电压相加矢量得到的，所以磁链跟踪控制也叫做电压空间矢量控制。 矢量控制方式矢量控制方式的基本思想是：仿照直流电动机的调速特点，使异步交流电动机的转速也能通过控制两个互相独立的直流磁场进行调节。矢量控制方式分为无速度传感器的矢量控制和有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制。无速度传感器的矢量控制。它是对异步电动机进行单电动机传动的典型模式。主要性能是：在1：10的速度范围内。速度精度小于0.5%，转速上升时间小于100ms；在额定功率10%的范围内，采用电流闭环控制的转速开环控制。工作模式可采用软件功能选择。当工作频率高于额定频率的10%时，进入矢量控制状态。转速的实际值可以利用由微型机支持的对异步电动机进行模拟的仿真模型来计算。有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制。这种方式的主要特征更是：在速度设定值的全范围内，转矩上升时间大约为15ms，速度设定范围大于1：100；对于闭环控制而言，转速上升时间不大于60ms。1.2 三相异步电动机的正反转工作过程1.2.1三相异步电动机的原理图1-4 三相异步电动机正反转电路在选择断路器时，我们不仅要关注断路器的延迟曲线等主要指标，还应重视它的很多次要功能，这些常容易被忽略的性能不仅能为一个良好的设计锦上添花，而且还能帮助工程师们为其应用设计精密的保护电路。辅助接点（辅助开关）：它们是与主接点电隔离的接点，适用于报警和程序开关。辅助接点可用于向操作人员或控制系统告警，发出警报，或在重要应用中接通备用电源。1.2.2 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。2.异步电动机的PLC控制2.1三相异步电机的正反转PLC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.在正反两个接触器中互串一个对方的动断触点，这对动断触点称为互锁触点或连锁触点。这样当按下正转启动按钮SB2时，正转接触器KM1线圈通电，主触点闭合，电动机正转，与此同时由于KM1的动断辅助触点断开而切断了反转接触器KM2的线圈电路。因此，即使按反转启动按钮SB3，也不会使反转接触器的线圈通电工作。同理，在反转接触器KM2动作后，也保证了正转接触器KM1的线圈电路不能再工作。图2-1三相异步电动机正反转继电器控制图2-2 I/O三相异步电动机的PLC控制接线 图2-3 三相异步电动机的PLC控制梯形 表21 指令程序指令程序地址指令数据0000LD00010001OR05000002AND-NOT00000003AND-NOT05010004OUT05000005LD00020006OR05010007AND-NOT00000008AND-NOT05000009OUT05010010END(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通电反转为了避免短路事故的发生所以我们利用接触器连锁保护的接触器电路。三相异步电动机的正反转控制线路作为一个基本控制环节，在电气控制线路中应用的非常广泛。接触器互锁的三相异步电动机正反转的控制线路更是取代了传统的继电器控制线路，使电动机的控制有了进一步的提高。接触器互锁的三相异步电动机正反转控制线路如图3-1所示。线路中采用了两个接触器，即正转用的接触器KM1和反转用的接触器KM2，它们分别由控制按钮SB2 、SB3控制。这两个接触器的主触头所接通的电源相序不同，KM1按L1L2L3相序接线，KM2则对调了两相的相序。控制电路有两条，一条由按钮SB2和KM1线圈等组成正转控制电路；另一条由按钮SB3和KM2线圈等组成的反转控制电路。2.2 PLC定时器控制电动机正反转互锁的设计 2.2.1 PLC定时器控制电动机正反转电路的主接线图 为了在控制的过程中体现科技化和智能化，同时为了在控制过程中克服接触器互锁的三相异步电动机正反转电路的缺点，本文也可采用定时器控制三相异步电动机正反转。利用定时器控制三相异步电动机正反转在工业控制中得到广泛利用，这种方法使得控制更加简单、方便，而且可以根据不同的需要设定正反转的时间且易于实现。用PLC定时器控制的三相异步电动机正反转互锁的主接线图如图3-4所示。其工作原理如下所示。定时器控制三相异步电动机正反转原理和接触器控制三相异步电动机正反转的原理基本相同，不同的是当电动机开始正转时，定时器T1开始运行且计时开始，20S后电动机停止正转，此时定时器T2开始运行并且计时，6S后电动机开始反转，同时定时器T3开始运行并计时开始，20S后电动机停止反转，定时器T4开始计时，6S后电动机又开始正转。如此循环进行，本文也可根据控制的需要设定不同的正转、反转和停止的时间。 图2-42.2.2 PLC定时器控制三相异步电动机正反转的梯形图根据互锁的三相异步电动机正反转控制电路及I/O分配表整理后可得到定时器控制的三相异步电动机正反转的梯形图，如图3-5所示。 图3-5 定时器控制的三相异步电动机正反转2.2.3定时器控制电动机正反转的指令表程序PLC定时器控制三相异步电动机正反转互锁的指令表程序如表3-2所示。表2-2接触器互锁正反转电路指令表程序步编号指 令操作数说明0LDIX0.0正转启动触点IX0.01ORY02ANDNOTIX0.1反转启动触点IX0.13OUTY0LDY05ANDNOTT4.Q6ORT1正转定时器，定时20S7LDT1.Q8ORT2停止定时器，定时6S9LDT2.Q10ORT3反转定时器，定时20S11LDT3.Q12ORT4停止定时器，定时6S13LDY014ANDNOTT1.Q15OUTQX0.0正转输出线圈QX0.016LDY017ANDT2.Q18ANDNOTT3.Q19OUT%QX0.1反转输出线圈QX0.12.2.4 PLC的I/O分配由图3-1可以看出，该电路的输入设备有正转启动按钮SB2、反转启动按钮SB3、停止按钮SB1、热继电器辅助动断触点FR，其输出设备有两个，一个是正转接触器线圈KM1，另一个是反转接触器线圈KM2。现将PLC的输入/输出继电器分配给上述输入/输出设备，即可列出其用PLC控制的I/O分配表，如表3-3所示。表3-3 PLC控制接触器互锁的正反转控制电路I/O分配表输入分配输出分配 元件名称 PLC输入点编号元件名称 PLC输入点编号正转启动 I0.0正转接触器线圈 Q0.0KM1反转启动 I0.1反转接触器线圈 Q0.1KM22.2.5 实体框形图由于设计中的仪器不容易画出其具体模型，故用方框图来表示其实体的接线图，如图36所示。图26 PLC控制线路实体框形 2.3 三相异步电动机使用PLC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，使用PLC控制三相异步电动机有很多好处的：不易老化，设备简单，结构合理，便于控制价格便宜等。 plc的通用性 可靠性 检修快速性 安全性是非常强大的，所以用其控制是非常方便的，值得一提的是他的价格可能会高一些，但是绝对是物超所值。结 论本次论文我研究了用plc简单地控制三相异步电动机，我感觉这样的设计使系统很稳定，在工厂或者农业生产中都有很大的作用，达到了研究的目的。通过概述使大家充分了解了该控制系统的原理和功能。摘要部分概要介绍了其可靠性和实用性， 绪论部分介绍了电动机控制方面的背景、本文设计的目的、意义及主要内容等；第一章 三相异步电动机基础 介绍了三相异步电动机的基本结构、工作原理、几个工作过程的分析等；第二章 PLC基础PLC的定义、与继电器控制的区别、工作原理、应用分类等。第三章 三相异步电动机的PLC控制 从系统原理的角度得出系统分为模拟和数字两