基础课程设计电气6贾若-改最终

1、基础课程设计（论文）变频调速控制系统 学生姓名：贾若 指导教师：刘羽楠 学生学号： 专 业：电气工程及其自动化信息技术学院电气工程系2011年11月16 日摘要最近几年，随着新型电力电子器件的不断涌现和计算机技术的飞速发展，高性能的交流电动机参数监控系统得到了广泛的应用，它的显著的节能效果和灵活的运行方式，给人们留下了深刻的印象。本文给出了交流异步电动机变频调速实验系统PLC程序设计的基本内容，主要包括对交流电机的监控系统进行了硬件和软件的设计。通过FX2N-4AD模块测量电机中的工作电流，通过变频器的特殊端口测量其工作电压，通过FX2N-4AD测量磁粉制动器的工作电流，通过PLC的内部高速计

2、数器测量电动机的转速；最后通过与监控软件进行联机调试和测量，观察记录各种数据，根据实验数据可以分析电动机和变频器的工作特性，并设计了实验用表和分析计算方法。关键词： 交流电机，变频器，PLC，变频调速监控系统 目录摘要I1 绪论11.1 引言11.2 课题研究的主要意义22 系统方案论证32.1 交流电机变频调速实验系统的构成32.2 电气系统图及系统接线图102.4 变频器参数设置-速度控制模式123 PLC变频调速系统设计143.1 PLC程序设计143.2 PLC调试过程介绍194 数据的测量204.1 变负载时电流与负载转矩的关系测量204.2 恒负载时转差率的测量204.3 变负载时

3、转速转矩的关系测量21参考文献241 绪论1.1 引言最近几年，随着新型电力电子器件的不断涌现和计算机技术的飞速发展，高性能的交流电动机变频调速系统得到了广泛的应用，他显著的节能效果和灵活的运行方式，给人们留下了深刻的印象。在过去的几十年里,世界范围工业进步的一个重要因素是工厂自动化程度的不断提高。工厂里的生产线一般包括一个或多个可变速的电机传动装置,用于大功率传送带、机械手、桥式吊车、钢材扎制生产线以及塑料和合成纤维生产线等。50年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动，交流电机由于其固有的以同步或几乎同步于电源的频率运行，所以难以真正的调节或平滑的改变速度。然而，直流传动存在的诸如运行

4、中产生火花、对环境要求较高、电刷易于磨损、维护麻烦等等的自身结构上的问题促使人们不断寻求更好的解决问题的方法。一般来说，交流传动与相当的直流传动相比通常有价格方面的优势，而且具有较少维护、较小的电机尺寸和更高的可靠性。然而对这些传动系统可利用的控制灵活性是非常有限的，而且它们的应用主要局限在风机、泵和压风机等应用方面，其速度只需要粗略调节而对暂态响应和低速特性没有严格要求。用于机床、高速电梯、测功器、矿井提升机等的传动装置，有更加复杂的要求，而且必须提供允许调节多个变量的灵活性，例如速度、位置、加速度和转矩等。这样的高性能应用，一般在速度闭环下要求高速段保持高于0.5%的调速精度和至少20：1

5、的宽调速范围，以及高于50rad/s的快速暂态响应。以前，这样的传动装置几乎全部是直流电机的应用领域，并根据具体应用的需要配置各种结构的AC-DC变换器。然而，采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已胜过直流传动，并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机器人和自动装置的传动、电动汽车和电动火车传动等等。经过近三十年的发展，交流调速电气传动已上升为电气调速的主流，正在越来越广泛的领域取代传统的直流调速传动。其中变频调速是交流电机调速中发展最快、最活跃的一支。它以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速

6、方式，成为现代调速传动的主流。在冶金、交通、机械、电子、石油化工、纺织、制药、造纸、家用电器、电力牵引等工业领域得到了广泛的应用，产生了巨大的经济效益。同时变频调速传动系统无论在性能、装置体积、设备维护还是在节能乃至环保等方面也都体现了巨大的优势。1.2 课题研究的主要意义电机变频调速运行状态监测对于提高电机运行的可靠性和安全性具有重要意义。本课题对交流电机转速和电流的监控目的在于保护电机装置的安全，对转速和电流分别用传感器来监测，利用编码器来对电机转速进行脉冲计数，然后把脉冲信号传送到PLC，通过SPD的指令编程，把脉冲转换成转速来显示，在上位机上监控转速。用电流互感器对电流进行监测，在测量

7、大的交变电流时,为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，能有效的保护电动机，初级绕组接在电路中，次级绕组接到FX2N-4AD模块中，把电流模拟量传送到FX2N-4AD模块中，把模拟量转换成数字量在上位机上来分析电流的情况。本课题中用PLC的开关量控制变频器，把信号发送给变频器，使电动机进行变频调速度，给电机加减负载，在计算机上可观察电流和转速情况。变频器变频调速在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。三菱变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。设计一套交流电机变频调速实验系统，通过该系统的使用，我们能够熟练掌握三菱变频器，三菱PLC，功能模块以及编码器和互感器的用法和

8、原理，能够自己动手的过程中去了解它们的特点，通过对实验的接线和调试，能够熟悉并掌握PLC的编程，变频器的参数设定，了解电动机的机械特性，从而能综合运用各种相关的知识。2 系统方案论证2.1 交流电机变频调速实验系统的构成本系统由小型异步电动机，三菱PLC及其模块，三菱变频器，磁粉制动器，编码器，互感器，上位机组成。微型异步电动机介绍 本实验系统所用的微型异步电动机的型号和基本参数如下： 型号：YS-6324W 额定功率：250W 额定电压:380v 最大电流不超过0.87A 额定频率：50HZ 额定转速：1400 变频器介绍（1） 本实验系统所使用的是三菱FR-D720变频器 变频调速的优点：

9、 调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速； 启动电流小，而启动转矩大； 启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备； 对电机具有保护功能，降低电机的维修费用； 具有显著的节电效果； 通过调节电压和频率的关系方便地实现恒转矩或者恒功率调速； 目前，变频调速己经成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都得到了广泛的应用：而且随着一些新的交流电机调速理论（如：矢量控制和直接转矩控制）和现代电力电子技术（IGBT、IPM、PIC）以及高效的处理器（如：DSP）等相关技术的发展，它将在很长一段时间内主导电气传动领域，并向更高性能、更大容量以及智能化方向发展。（2） 变频器的构成：图2-1 变频器的

10、构成变频器的作用是通过改变电源的频率来改变电机的转速，也就是通常所说的变频调速。变频器分为交直交和交交变频两大类。目前交直交变频使用比较广泛，下面简单就介绍其工作原理。它由整流器、中间滤波环节、逆变器三部分组成。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（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的。 可编程控制器介绍（1） 本实验系统所使用的是FX系列PLCFX系列PLC为单元型，内含CPU、电源和固定搭配的输入/输出。Q4AR系列为双机热备系列，最大输入输出点数为8192点。A系列PLC的最大输入输出点数为2048点。F系列PLC的最大输入输出点数为256点。三菱小型

11、FX2N系列程控器的输入输出点最大不超过256点。每台主机可连模入、模出、高速记数、定位等特殊功能模块，不超过8个。目前FX系列PLC为中国内地销量最多的小型PLC。FX 系列PLC根据输入输出点数不同及功能分为多个不同的系列：输入出点数在30点以內可使用 FX1S系列，输入出点数在128点以內可使用FX1N系列，输入出点数在256点以內可使用FX2N系列。FX2N是FX2的持续，基本单元 (16128点) 有继电器或晶体管输出,最多可扩展到256点。 內置有8K步RAM (最多可扩展到16K步)可选用存储卡盒, 有RAM, EPROM和EEPROM。FX2N系列PLC的有以下特点：超高速的运

12、算速度，0.08微秒，比FX2的0.48微秒快六倍，容量极大8K步(最大16K步)，比FX2大四倍。机体小型化比FX2小50% 。兼容FX2的编程设计。备有多种不同的FX2N扩展单元及特殊模块。（2） 电源规格：图2-2 电源规格（3） PLC外部接线：图2-3 PLC外部接线（4） PLC的基本结构 PLC由中央处理单元，存储器，输入单元，输出单元，电源五部分组成。其结构框图如下图2-4、2-5所示。图2-4 PLC结构简化框图图2-5 PLC的硬件结构图PLC除上述部分外，随机型的不同还有多种外部设备，其作用是帮助编程，实现监控以及网络通讯，常用的外部设备有编程器，打印机，盒式磁带录音机，

13、计算机等。（5） PLC的特点 可靠性高。 控制功能强。 编程方便，易于使用。 使用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。 具有各种接口，与外部设备连接非常方便。 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。 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。 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。（6） PLC的应用领域及未来展望目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类： 开关量逻辑控制

14、运动控制 闭环过程控制 数据处理 通信及联网21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展

15、方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。模拟量输入/输出模块及其应用现代工程控制项目中，仅仅使用PLC的I/O模块，还不能完全解决工程上的一些实际问题。因此，PLC成产厂家开发了许多特殊功能模块，如模拟量输入模块、模拟量输出模块、高速计数模块、PID过程控制调节模块、定位控制模块、专用通信模块等。有了这些模块与PLC主机一起连接起来，就可以构成功能完善、可满足各种工程要求的控制系统单

16、元，使得PLCD 的应用范围越来越广泛。模拟量输入模块（A/D模块）是把现场连续变化的模拟信号转换成适合PLC内部处理的数字信号。输入的模拟信号经运算放大器放大后进行A/D转换，再经光电藕合器为PLC提供一定位数的数字信号。 模拟量输入模块FX2N-4AD：FX2N-4AD为4通道12位A/D转换模式，它可以将模拟电压或电流转换为最大分辨率为12位的数字量，并以二进制补码方式存入内部16位缓冲寄存器中，通过扩展总线与FX2N基本单元进行数据交换。 FX2N-4AD的设置步骤：图2-6 FX2N-4AD的设置步骤 FX2N-4AD技术指标：图2-7 FX2N-4AD技术指标2.2 电气系统图及系

17、统接线图2.3.1 电气系统图图2-8 电气系统结构图2.3.2 系统接线图图2-9 系统接线图图2-8是交流异步电动机变频调速实验系统PLC程序设计的电气系统原理图，异步电机工作情况是由PLC发送指令给变频器，然后变频器发指令给电机来实现本次实验的目的。电机运行过程中，编码器记录的脉冲传送给PLC来监控电机的转速，PLC的扩展模块FX2N-4AD把互感器的信号进行A/D转换，送入PLC来监测电机运行时候的电压和电流情况。2.4 变频器参数设置-速度控制模式设置变频器的参数，我们要对以下几个参数要进行设置：（1） 输出频率范围（Pr.1、Pr.2、Pr.18），Pr.1为上限频率，（2） 多段

18、速度运行（Pr.4、Pr.5、Pr.6、Pr.24Pr.27），（3） 加减速时间（Pr.7、Pr.8、Pr.20），（4） 电子过电流保护（Pr.9），Pr.9用来设定电子过电流保护的电流值，以防止电动机过热，故一般设定为电动机的额定电流值。（5） 起动频率（Pr.13），（6） 适用负荷选择（Pr.14），（7） 点动运行（Pr.15、Pr.16），（8） 参数写入禁止选择（Pr.77），（9） 操作模式选择（Pr.79）， 具体设置的参数值如下表：表2-1 变频器参数设置速度控制模式参数序号意义初值设定值注0转矩提升6，与初值同1上限频率502下限频率5，与初值同3基准频率50，与初值同

19、4高速50，与初值同5中速30，与初值同6低速10，与初值同7加速时间5，与初值同8减速时间5，与初值同9电子过流保护0.8755频率监视基准50，与初值同56电流监视基准171电机选择0，与初值同79运行模式选择0，与初值同80电机容量0.25P800=20时用初始值81电机极数482电机励磁电流0.8783电机额定电压38084电机额定频率50800控制方法选择20，与初值同125端子2频率设定增益频率50，与初值同模拟电压最大值对应的频率126端子4频率设定增益频率50，与初值同模拟电流最大值对应的频率3 PLC变频调速系统设计3.1 PLC程序设计3.1.1 PLC编程软件介绍FXZN

20、的编程语言是FXGPWIN-MFC，它是用于FX系列PLC进行编程、调试的全新软件，它是在国际标准IEC1131-3的基础上建立的，可以用LAD、CSF和ST来编程。这是一种可以运行于通用微机中，在Windows环境下进行编程的语言。将它通过计算机的串口和一根PC/MPI转换电缆与PLC的MPI口相连，即可以进行相互间的通信。通过FXGPWIN-MFC编程软件，不仅可以非常方便的使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，经过编译后通过转接电缆直接下载入PLC的内存中执行，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，甚至进行在线修改程序中的变量，给调试工作也带来极大的方便。

21、FXGPWIN-MFC软件的一个特点是调试功能很强大，不仅能在线读取数据，而且能在线修改过程数据，对于调试大型复杂控制程序非常有效。FXGPWIN-MFC软件还附带一些控制程序模块，如PID调节模块，这些模块可以从主控制程序中直接调用，实现不同的功能。3.1.2 模块FX2N-4AD初始参数设置（1） 位置为N0.0（0号模块），通道选择：使用1、2、3通道，电压输入范围-10V10V ，故BFM#0单元的设置应为H3000。测量电动机电压接在1通道，测量变频器模拟量接入2通道（验证1通道数据的准确性），测量磁粉制动器的电压接在3通道。三种数据分别保存于D0，D1，D2中。（2） A/D转换的

22、速度选择：可通过对BFM#15写入1或0来选择。（3） 调整增益与偏置量：由系统原理图知，偏移量和增益量无需调整。3.1.3 PLC程序工艺流程图图3-1 PLC程序工艺流程图3.1.4 I/O接口分配及PLC系统运行梯形程序表3-1 I/O接口分配信号名称输入输出A相X0/B相X1/Z相X2/正转X3Y3反转X4Y4低速X5Y5中速X6Y6高速X7Y7复位X10Y10（1） 电压监测模拟量梯形程序：图3-2 电压监测模拟量梯形程序（2） 转速的监测梯形程序：图3-3 转速的监测梯形程序（3） 控制电机变频调速梯形程序：图3-4 控制电机变频调速梯形程序（4） 控制电动机运行操作说明本系统通过

23、PLC来控制异步电机的变频调速，从而在异步电机高中低三种速度运行时测量其转速和电流，然后研究异步电机变频调速时候的机械特性曲线。PLC控制电动机变频调速监控系统要求用FX2N-4AD来进行A/D转换，编码器A相的脉冲信号送入PLC，通过SPD指令来进行对转速脉冲的计数。本系统控制电动机正反转和高中低的运转，根据以上的接线图和对变频器参数的设置。当把变频器调到EXT，则进行外部控制，PLC上的开关量把信号传给PLC来控制电动机的运转，用磁粉制动器给予负载，从计算机上可以观察频率，电流和电压的参数关系，同时在变频器上也可以观察这些参数。空载时： 电机低速运转（10HZ）：在100ms内产生了503

24、个脉冲，则根据公式 (3-1)（编码器每转一周产生1024个脉冲）得n=295r/min此时计算机D0显示479，根据换算得出电压为2.40V，由于分压阻值的有效值为36.43,所以电路总电流： 电机中速运转（30HZ）：在100ms内产生了1527个脉冲，则根据公式3-1（编码器每转一周产生1024个脉冲）得n=895此时计算机D0显示393，根据换算得出电压为1.97V，由于分压阻值的有效值为36.43,所以电路总电流： 电机高速运转（50HZ）：在100ms内产生了2546个脉冲，则根据公式3-1（编码器每转一周产生1024个脉冲）得n=1492此时计算机D0显示367，根据换算得出电压

25、为1.84V，由于分压阻值的有效值为36.43,所以电路总电流：主电源由三菱变频器提供，当交流电机转动时，加在转动轴上的编码器对把脉冲信号通过PLC的X0来计算脉冲，然后通过计算把脉冲转化为转速。互感器把系统电路中的信号传送到FX2N-4AD模块中的电压通道进行A/D转换（在中间串个可调电阻能保证电压的范围在模块要求的电压范围，如果直接接到电流通道则很难保证模块要求的电流范围，所以接入电压通道），本系统也把变频器的AM和5两个接口接入模块中，这样能更准确的在上位机显示参数数据结果。磁粉制动器的电压也通过模块来测量，这样可以计算电动机的负载电流，从而能知道电动机的负载转矩和电动机电流的关系。以上

26、设计要求经实际使用完全达到了预定要求。而在生产实际中对异步电动机实际转速的大小及其变化规律有各种不同的要求，都可以通过设置数字变频器的不同频率及其变化规律，以真正实现PLC控制数字变频器监测异步电动机转速和电流的目的。3.2 PLC调试过程介绍在系统整体接线完成后，先根据变频器说明书设置变频器的参数，把变频器切换至PU模式，再将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。然后开始监控系统，由于一开始用的计数器是FX2N-1HC高数计数模块，把编码器按NPN方式接入模块后，上位机出来的脉冲数跟实际的不符，而且Z相每转一周就复位，如此一来计算电动机的转速非常麻烦，后来在老师

27、的提点下，我把编码器A相直接接入PLC的X0上，然后通过SPD指令来写入PLC，这样一来出来的转速是符合实际情况的，当变频器频率变化，脉冲数也随之变化，转速的显示在计算机D10中显示。测量电机工作电流方法是：由于FX2N-4AD模块的输入电流范围不能超过20mA，所以我采用先测电压再除以电阻的方法来计算。由于电路中的电压也比较大，而模块的输入电压要小于10V，所以我用一个电阻来进行分压，经过测量，调整好后的电阻为36.43。电动机的电流为交流电，所以我用一个整流二极管将其转化为直流，经过查阅手册，中间的损耗为10%，这为后面计算电流做了准备。随后我把变频器上的AM和5两个端子接入模块的2号通道

28、，在上位机观察其模拟量数据，这样测出的数据再根据模拟量输入和输出的换算就是电动机的电压了，如此一来能够验证刚才测量电流的准确性。4 数据的测量4.1 变负载时电流与负载转矩的关系测量（1） 理论上：在负载增加时，负载转矩增加，同时负载电流也增加，电动机的电流也随之增加。（2） 实际测量数据（设置频率恒定为f=50HZ）：表4-1 负载转矩和电流的数据关系测量TL（Nm）1.72.53.44.1755.836.77.58.088.4I(A)0.580.590.610.620.640.670.680.690.710.72根据上组数据得出：负载转矩增加，电动机的电流也随之增加，由于系统存在一定的误差

29、，数据跨度不等，下图4-1是测量的曲线图：图4-1 负载转矩和电流的数据关系4.2 恒负载时转差率的测量（1） 理论上：交流异步电机在额定负载时，n接近于，转差率S很小，一般为0.0150.060之间。转差率S是分析交流异步电机运行情况的主要参数。（2） 实际测量数据（恒定负载为TL=5）：表4-2 转差率、转速、频率之间的数据关系测量f(HZ)5045403530252015105n（r/min）1476132511751031883734590441294147s0.0160.0180.0210.0180.0190.0220.0190.0190.020.017根据此表分析得到电机负载一定情况下，给予不同频率电动机情况下的转速都比较接近其同步转速，从而转差率也非常小接近0.015，下图4-2是根据表格画出关系转速和转差率的关系图：图4-2 转差率、转速、频率之间的数据关系4.3 变负载时转速转矩的关系测量（1） 理论上：在电机频率不变情况下，给电动机增加负载时，电动机转矩增大，转速减小。下图4-3是异步电机理论上的固有机械特性曲线：图4-3 转速转矩的理论关系由特性曲线可以看出，