三相异步电动机PLC软启动控制系统的探讨与研究(完稿)

1、目录第1章 三相异步电动机及起启动方式21.1 三相异步电动机21.1.1 三相异步电动机概述21.1.2 转差，转差率31.1.3 异步电动机的电势平衡方程41.1.4 异步电动机的磁势平衡51.2 三相异步电动机的启动61.2.1 概述61.2.2 三相异步电动机启动方式71.2.3 三相异步电动机全压启动的危害81.2.4 三相异步电动机常用减压启动方式9第2章 软启动102.1 软启动的概念102.2 软启动与传统减压启动方式的不同112.3 软起动器与变频器的区别112.4 软起动的起动方式122.4.1 常用启动方式122.4.2 软起动与传统减压起动方式的比较122.5 软起动运

2、行特点132.6 软起动器具有的保护功能132.7 软起动的应用132.8 几种大中型异步电动机软起动方式在高压电动机软起动应用中的综合比较14第三章 可编程序控制器（plc）173.1 可编程序控制器概述173.1.1 可编程序控制器的概念及其历史173.2 可编程序控制器工作原理及结构特点203.2.1 plc的工作原理203.2.2 循环扫描的特点223.2.3 i/o响应时间223.2.4 plc的基本构成233.2.5 可编程序控制器的主要特点253.3 可编程序控制器特殊功能模块263.3.1 模拟量输入输出模块273.4 plc编程语言的国际标准273.4.1 plc的编程结构功

3、能图283.4.2 梯形图编程语言293.5 plc的性能指标313.6 plc的分类323.6.1 按i/o点数容量分类323.6.2 按结构形式分333.7 plc与继电器控制系统的区别34第4章系统原理及方案设计364.1 基于plc控制的大中型电动机软起动系统364.1.1 系统的基本工作原理及结构特点364.1.2 plc控制的大中型电动机软起动系统原理分析364.2 磁控式plc电机起动控制系统结构的研究与设计374.2.1 系统原理384.2.2 硬件设计394.2.3 软件编程404.3 基于单台软起动器对多台大中型异步电动机的软起动424.3.1 主回路图424.3.2 软件

4、的编制43第5章 大中型异步电动机变频工频同步切换研究455.1 变频器的输出切换方法分类455.2 硬切换的危害性及改进办法465.3 同步切换（软切换）475.4 锁相控制485.5 变频器旁路与软起动器旁路的分析比较495.6 同步切换问题小结50结 论51致 谢52参考文献53附录a 基于plc的磁控式软起动器的主程序55附录b 基于单台软起动器对多台电动机实现软起动的主程序57第1章 三相异步电动机及起启动方式1.1 三相异步电动机1.1.1 三相异步电动机概述一、三相异步电动机的的基本工作原理异步电动机定子上有三相对称的交流绕组，但接到三相交流电源上，有三项对称电流通过三相定子绕组

5、就能在电动机的气隙中产生旋转的磁场。若旋转磁场的转向及瞬时位置如图1所示，则静止的转子绕组便相对磁场运动而切割磁力线，感应出电动势（方向由右手定则判定）。转子绕组是闭合的，就有转子电流产生，不考虑相位移，则感应电动势的方向即为感应电流的方向，该电流再与旋转磁场相互作用，便可以在转子绕组中产生电磁力f（方向由左手定则判定），而转子绕组中每一根导体上的电磁力对转轴的力矩只和即为电磁转矩t，驱动转子沿旋转磁场的方向旋转起来。根据以上电磁感应原理，异步电动机也叫感应电动机。 图11.1.2 转差，转差率切割磁力线是产生转子感应电流和电磁转矩的必要条件。 转子必须与旋转磁场保持一定的速度差，才可能切割磁

6、力线。显然，三相异步电动机的转子转速n最终不会加速到等同与旋转磁场的速度即同步转速n1，所以这就是异步电动机的“异步”的由来。转差（n=n1-n）是异步电动机运行的必要条件，我们把转差（n=n1-n）与同步转速n1的比值叫做转差率，用符号s表示。转差率是异步电动机的一个基本参数，它对电机的运行有极大的影响。我们可以由转差率的大小看出电机的工作状态，即在电动机状态时nn1,s的范围是01;而在发电机运行状态时，nn1,s0.其中s=0，是理想空载状态；s=1，是启动瞬时。1.1.3 异步电动机的电势平衡方程1、定子绕组电势平衡方程异步电动机气隙中的磁场旋转时，定子绕组相对切割磁场，在定子绕组中将

7、产生感应电动势。根据推导，定子绕组每一相的感应电动势公式应为：式中 1 每极基波磁通（wb）； f 电源频率（hz）； n1 每相串联数； kw1 基波绕组因素，它反应了绕组采用分布短距后，基波电动势应打的折扣，一般大于0.9而小于1。漏磁电势（漏抗压降） 定子漏磁通：仅与定子绕组相匝链。 漏抗压将： 电阻压降： 定子电势平衡方程式： 2、转子绕组的电势及电流转子绕组的感应电势 转子绕组切割主磁通的转速 主磁通以同步速度旋转n1转子以转速n旋转 转子绕组导体切割主磁通的相对转速为(n1-n)=sn1 3、转子绕组中感应电势的频率： 公式： 结论：由于s很小，转子感应电势频率很低。0.5-3hz

8、 4、转子感应电势的有效值 公式：感应电势与转差率正比。 对绕线式异步电机，转子绕组每相串联匝数，相数计算方法同定子绕组的计算。对于笼型转子来说，由于每个导条中电流相位均不一样，所以，每个导条即为一相，可见相数等于导条数即转子槽数；每相串联匝数为半匝即1/2。 注意转子不动时（s=1)时的感应电势与转子旋转是感应电势的关系。5、转子绕组的阻抗 由于转子绕组是闭合的，所以有转子电流流过。同样会产生漏磁电抗压降。 漏抗公式：。漏抗也与转差率正比。转速越高，漏抗越小。 考虑到转子绕组的相电阻后： 6、转子绕组中的电流 转子绕组短路，转子电压为0，感应电势全部加在转子阻抗上 转子回路方程： 转子电流：

9、， 1.1.4 异步电动机的磁势平衡1、定子绕组的磁势大小（有效值）转速： 2、转子绕组磁势大小： 转子电流的频率 转子电流产生的旋转磁势的转速： 转子磁势的绝对转速（相对于不动的定子） 结论：转子绕组的磁势与定子绕组的磁势转速相同，在空间相对静止。 3、磁势平衡方程式激磁电流和激磁磁势 产生主磁通所需要的电流称为激磁电流； 对应的磁势称为激磁磁势： 激磁磁势近似不变 由电势方程式：；电源电压不变，阻抗压降很小，电势近似不变； 由公式：，近似不变； 可见，激磁磁势和激磁电流几乎不变。 4、空载运行时，激磁磁势全部由定子磁势提供，即：= 5、负载运行时，转子绕组中有电流流过，产生一个同步旋转磁势

10、，为了保持不变，定子磁势除了提供激磁磁势外，还必须抵消转子磁势的影响，即： 6、异步电动机的磁势平衡方程： 结论：空载运行时，转子电流为0，定子电流等于激磁电流；负载时，定子电流随负载增大而增大。1.2 三相异步电动机的启动1.2.1 概述在电动机带动生产机械的启动过程中，不同的生产机械有着不同的启动情况。有些机械在启动时负载转矩很小，负载转矩随着转速增加而与速度平方似成正比增加；有些机械在启动过程中接近空载，待速度上升至接近稳定时，再加负载；有些机械在启动时的负载转矩与正常运行是一样大，此外，还有频繁启动的机械设备等。以上这些因素都将对电动机的启动性能之一的启动转矩提出不同的要求。与直流电动

11、机一样，衡量三相异步电动机启动性能好坏的最主要的是启动电流和启动转矩，我们总希望在启动电流较小的情况下获得较大的启动转矩。但是一台普通的三相异步电动机不采措施而直接投入电网启动，即全压启动时，其启动电流较大，而启动转矩却不是很大，这对电网或电动机自身均是不利的。启动电流大的原因是,当电动机接入电网的启动瞬时由于n=0，转子处于静止状态，则旋转磁场以n1切割转子导体，故转子电动势及电流到达最大值，因而定子电流即启动电流也到达最大值，约是额定电流的57倍，这样大的启动电流会使电源和供电线路上的压降增大，引起电网电压波动，影响并联在同一电网上其他负载正常工作。对于电动机本身来说，虽然启动电流大，但持

12、续时间不长，损耗引起的温度增加来不及升到过热程度，因而不致起破坏左右。启动转矩不大的原因是：第一，由于启动电流很大，定子绕组中的阻抗压降增大，而电源电压不变，根据定子电路的电势平衡方程式，感应电动势减小，则主磁通1将与感应电动势成比例的减小；第二，启动时s=1，转子漏抗比转子电阻大的多，转子功率因数很低，虽然启动电流很大，但转子电流的有功分量并不大。由转矩公式t=ct1i1cos2可知，起动转矩并不大。一般为额定转矩的1.82倍。根据以上分析可知三相异步电动机启动时的起动电流大主要对电网不利；启动转矩不是很大对负载不利，这是因为若电源电压因种种原因下降较多，则会引起起动转矩按电压平方下降，可能

13、会是电动机带不动负载启动。一般情况下启动是要求尽可能降低起动电流，有足够大的启动转矩，同时启动设备尽可能经济简单，操作方便，且启动时间要短。1.2.2 三相异步电动机启动方式1、全压启动全压启动就是用刀开关或接触器将电动机定子绕组直接接到额定电压的电网中。虽然前面分析了全压启动存在的缺点，但是这种方法最简单，操作最方便。所以，对于一般小容量的电动机，如果电网容量足够大，应尽量用这种方法。2、减压启动减压启动时并不能降低电源电压，只是采取某种方法把加在定子绕组上的电压降低。减压启动的目的是减小启动电流，但是同时也减小了电机的启动转矩，所以这种启动方式对电网是有利的，对负载不利。1.2.3 三相异

14、步电动机全压启动的危害从三相异步电动机固有机械特性的分析中知道，如果在额定电压直接起动三相异步电动机，由于最初起动瞬间主磁通约减少到额定值的一半，功率因数又很低，造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。以普通鼠笼式三相异步电动机为例，起动电流：is=kiin=（4-7）in，起动转矩：ts=kttn=（0.9-1.3）tn。再看对供电变压器的影响，整个交流电网的容量相对于单个的三相异步电动机来讲是非常大的。但是具体到直接供电的变压器来讲，容量却是有限的。配电变压器的容量是按其供电的负载总容量设置的，正常运行条件下，变压器由于电流不超过额定电流，其输出电压比较稳定，电压变化率在允许的范围之内

15、。三相异步电动机起动时，变压器提供较大的起动电流，会使变压器输出电压下降。若变压器额定容量相对很大、电动机额定功率相对很小时，短时起动电流不会使变压器输出电压下降多少，因此也没有什么关系。若变压器额定容量相对不够大、电动机额定功率相对不算小时，电动机短时较大的起动电流，会使变压器输出电压短时下降幅度较大，超过了正常值，这样一来，影响了几个方面：起动电动机本身，由于电压太低起动转矩下降很多，当负载较重时，可能起动不了。电动机较大的起动电流引起电压下降，对电动机本身有着不良影响，因电压太低会使电动机起动转矩下降很多，当负载较重时，电动机可能不能起动。通常电动机起动过程时间很短，短时间过大的电流，从

16、发热角度来看，电动机本身是可以承受的。但是，对于起动频繁的电动机，过大的起动电流会使电动机内部过热，导致电机温升过高，使电机绕组绝缘过热而老化。大中异步电动机直接起动的再一个危害就是影响由同一台配电变压器供电的其他负载。显然，即使是偶尔出现一次，也是不允许的。从上边分析看出，变压器额定容量相对电动机讲不足够大时，三相异步电动机不允许直接起动。直接全压起动的危害性主要有如下几点：电动机在空载全压直接起动时，起动电流会达到额定电流的57倍。当电动机容量相对较大时，该起动电流将引起电网电压急剧下降，电压频率也发生变化，这会破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会引起电网失去稳定，造成更大的事故。电动机直

17、接全压起动时的大电流在电机定子线圈和转子上产生很大的冲击力，会破坏绕组绝缘和造成鼠笼条断裂，引起电机故障，大电流还会产生大量的焦耳热，损伤绕组绝缘， 减少电机寿命。电动机直接全压起动时的起动转矩约为额定转矩的2倍，对于齿轮传动设备来说，很大的冲击力会使齿轮磨损加快甚至破碎；对于皮带传动设备来说，加大了皮带磨损甚至拉断皮带。对于水泵类负荷来说，电动机全压起动时，水流会在很短的时间内达到全速，在遇到管路拐弯时，高速的水流冲击到管壁上，产生很大的冲击力，形成水锤效应，会破坏管道。如果水泵前面的管路比较长，当水泵电机突然停止时，高速的水流会冲击到水泵的叶轮上，产生很大的冲击力，会使叶轮变形或损坏。直接

18、起动时电机速度上升很快，润滑油往往不能及时到位，会引起轴承干磨，降低其使用寿命。电动机在起动时，会产生短时间的谐波电流，使电网的谐波大量增加。电网谐波含量的增加，将导致电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加。同时，还可能引起继电保护和自动装置误动，仪表指示和电度计量不准以及通信受干扰等一系列问题。直接全压起动还会在高压开关关合时产生陡度很大的操作过电压，使定子绕组上电压分布不均匀，对其绝缘造成极大的伤害。许多电机的自身故障都是由于绝缘受到伤害而引起的。以上各点都会使设备增加停工台时，影响生产的正常进行，增加维修费用。综合考虑，在经济条件允许的情况下应尽量避免采用电动机的直接起

19、动方式，以保证电网的供电质量。在这种情况下，大中型异步电动机的软起动作为一个重要的课题被提出来。1.2.4 三相异步电动机常用减压启动方式1、定子串电阻或电抗减压启动电动机启动时，在定子回路中串入电阻或电抗，待启动后再将它切除。显然，串入的电阻或电抗起分压的作用，使加在电动机定子绕组上的相电压低于电源的相电压，使启动电流小于全压启动时的启动电流。这种启动方式的启动优点是启动比较平稳，运行可靠，设备简单。缺点是启动转矩随电压的二次方降低，只适合轻载启动，同时启动时电能损耗较大。2、自耦变压器减压启动自耦变压器用作点击减压启动，称为启动补偿器。启动时，自耦变压器的高压侧接入电网，低压侧接电动机定子

20、绕组。启动完毕，切除自耦变压器，电动机直接接入额定电压的电网运行。这种启动方式的优点是电网限制的启动电流相同时，用启动补偿器减压启动将比其他减压启动方式获得较大的启动转矩，用户可以根据电网准许的启动电流和机械负载所需的启动转矩进行选配。缺点是电路较复杂，设备价格高，不容许频繁启动。3、y/减压启动这种方法只适用于定子绕组在正常工作时是联结的三相异步电动机。电动机电子绕组的六个端头都引出来接到转换开关上。在启动时，电子绕组先是y形联结，这时电机的相电压为（un/）的低压下启动，待电机转速升高以后，再改为联结，使电机在额定电压下运行。这种方法的优点是设备比较简单联结，成本低，运行较为可靠，y系列容

21、量等级在4kw以上的小型三相鼠笼电机都是联结，以便采取y/减压启动。其缺点是只适用与正常运行时定子绕组是联结的电机，并且只有一种固定的降压比，只适合空载或轻载启动。第2章 软启动2.1 软启动的概念软起动（又称软启动器，电机软起动器，软起动器）软起动是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置。国外称为soft starter。目前国内最知名的软起动器是索肯和平软起动器，其注册商标“hapn”被评为中国驰名商标，20005年制造成果国内第一台高压固态软起动器，已在三峡溪洛渡水电站连续三年多无故障运行，被受好评。软起动的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联

22、闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。电动机软起动器是运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。2.

23、2 软启动与传统减压启动方式的不同1.无冲击电流软启动器在启动时，通过逐渐增大晶闸管导通角，电压无级上升，使电动机启动电流从零开始线性上升至设定值，使电动机平滑的加速，通过减小转矩波动减轻对齿轮、联轴器及带的危害。2.恒流起动软起动器可以引入电流闭环控制，使电动机在起动过程中保持恒流，确保电动机平稳起动。3.根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。2.3 软起动器与变频器的区别软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所

24、有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。2.4 软起动的起动方式2.4.1 常用启动方式运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软起动一般有下面几种起动方式。斜坡升压软起动。这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。斜坡恒流软起动。这种起动方式是在电动机起动的

25、初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定（t1至t2阶段），直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。阶跃起动。开机，即以最短时间，使起动电流迅速达到设定值，即为阶跃起动。通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动效果。脉冲冲击起动。在起动开始阶段，让晶闸管在级短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连入恒流起动。该起动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。2.4.2 软起动与传统减压起动

26、方式的比较软起动与传统减压起动方式的不同之处在哪里？笼型电机传统的减压起动方式有y-起动、自耦减压起动、电抗器起动等。这些起动方式都属于有级减压起动，存在明显缺点，即起动过程中出现二次冲击电流。软起动与传统减压起动方式的不同之处是：（1）无冲击电流。软起动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。（2）恒流起动。软起动器可以引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持恒流，确保电机平稳起动。（3）根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。 2.5 软起动运行特点1、能使电机起动电压以恒定的斜率平稳上升，起动电流小，对电网无冲击电流，减

27、小负载的机械冲击。2、起动电压上升斜率可调，保证了起动电压的平滑性，起动电压可依据不同的负载在30%70%ue(ue为额定电压)范围内连续可调。3、可以根据不同的负载设定起动时间。4、起动器还具有可控硅短路保护、缺相保护、过热保护、欠压保护。2.6 软起动器具有的保护功能1、过载保护功能：软起动器引进了电流控制环，因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。通过增加过载电流的设定和反时限控制模式，实现了过载保护功能，使电机过载时，关断晶闸管并发出报警信号。2、缺相保护功能：工作时，软起动器随时检测三相线电流的变化，一旦发生断流，即可作出缺相保护反应。3、过热保护功能：通过软起动器内部热继电器检测晶闸管

28、散热器的温度，一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管，并发出报警信号。4、其它功能：通过电子电路的组合，还可在系统中实现其它种种联锁保护。2.7 软起动的应用原则上，异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可使用，适用于各种泵类负载或风机类负载，需要软起动与软停车，对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于满负荷运行场合，应用软起动器（不带旁路接触器）则具有轻载节能的效果。1、水泵：利用泵控制功能，在起动和停止时，减少液流冲击所产生的泵流水锤现象，节省了系统维修费用；2 、球磨机：利用电压斜坡起动，减少齿轮转矩的磨损，减少维修的工作量，延长使用寿命；3、风机：利用固态软起动器取

29、代了传统起动器，减少皮带磨损和机械冲击；4、压缩机：利用限流，实现了平滑起动，降低电机温升；5、破碎机：利用堵转保护和快速保护，避免机械故障和阻塞造成电动机过热而烧毁；6、输送机械：利用软起动和软停机控制，实现平滑渐进的起动过程和平滑减2.8 几种大中型异步电动机软起动方式在高压电动机软起动应用中的综合比较目前，高压电动机的起动方式种类繁多，主要有：高压电抗器起动、高压变压器起动、高压固态软起动、高压液态软起动、电动机-电动机组起动等方法。其中高压固态软起动器主要依赖进口，成本高，价格虽略低于高压变频器，但它采用scr降压不降频的控制方式，性能却远不如高压变频器。且容量仅限于10kv，5000

30、kw以下。因此，其对高压电动机起动的应用并不广泛。1、高压变频器随着电力电子技术的发展，半导体电力电子器件在高压领域的应用日益广泛、技术日趋成熟。目前，应用于高压大容量鼠笼式电动机的调速和起动的高压变频器已能做到13.8kv，10000kw的水平，但比较成熟、可靠的还仅限于电压10kv以下、容量5000kw以下的鼠笼式电动机。变频器主要应用于鼠笼式电动机的调速节能，但也可用于鼠笼式电动机的软起动、软停车。变频器应用于高压电动机的起动，主要控制方式有如下两种：1） 6kv电源降压变压器低压变频器升压变压器高压电动机2） 6kv电源高压变频器高压电动机高压变频器之所以在高压领域能够得到广泛地应用，

31、在于其良好的起动及调速特性。其主要优点如下：采用vvvf控制方式，通常采取spwm触发模式，可实现恒转或变转矩起动，几乎涵盖各种类型负载的起动。可实现转速、电流、电压斜坡上升方式的起动，以满足不同的负载及工艺起动要求。可实现脉冲突跳方式的起动，以克服足够大的静阻转矩。在各种起动控制方式中,其起动电流最小。而且最容易实现工况适宜性调整。起动功率因数及起动机械效率均比其它起动方式要高。高压变频器不仅可以用于电动机的起动，而且可以同时用于电动机运行中的调速节能。但是，用变频器起动电动机并非十全十美，它也存在不足之处：高次谐波污染问题高压变频器结构上使用大功率半导体电力电子器件（如scr，gto，ig

32、bt，icbt等），采用三相桥式整流电路。对于6脉冲整流电路，电网输入侧的5次谐波畸变率达到基波电流的20%，7次谐波率达到基波电流的14%，忽略11次及以上的高次谐波，总的电流谐波畸变率达到基波电流的34%以上，大大超过国家标准允许的谐波电流限定值。如此高的谐波严重影响同网其他电力设备的正常运行。因此须同时投资大容量的谐波滤波装置。当然，采用6倍脉冲整流电路（如18脉冲，24脉冲），则谐波电流大大降低，但电路结构更为复杂，一般采用较少。而且从仅用于电动机起动这个角度考虑，可谓得不偿失。对电动机的影响问题高压大容量电动机多使用普通鼠笼式电动机，采用变频器供电时，由于变频器采用pwm调制，电压变

33、化率du/dt很高，电压峰值也大大高于额定电压，同时变频器还输出高频电压成分。如此，将大大降低电动机的绝缘寿命，甚至损坏电机,一般需配置特殊绝缘的鼠笼式电动机。而且输出高次谐波引起电机的过热，使电机不能满出力运行。采用级联五电平以上的变频器时，虽可极大地减小这些负面影响，但要配置正弦滤波器。维护与维修问题高压变频器较之通用变频器，其技术含量更高，设备更为复杂，所需维护与维修的技术水平更高，维修更为复杂。而且维修费用是相当高的。一次投资与收益一般地，高压变频器用于电动机的调速控制，具有很高的优越性（如调速性能、降流节能等），其一次投资具有明显的收益。但是，在不是舍我莫谁的情况下，选用高压变频器作

34、为电动机的起动设备，其一次投资并没有什么大的收益，尤其是非频繁起动的负载，更不适宜选用高压变频器。2、晶闸管电子软启动器另一种基于电力电子器件开发的晶闸管电子软启动器普遍采用单片机控制技术实现对电动机的软起动的控制。虽然能够基本实现平滑起动，但造价较昂贵，而且高次谐波含量大、技术相对复杂，所以应用不是很广范。3、磁控式电机软起动装置磁控式电机软起动装置是近年来开始在工业上逐渐认可的一种大型电机软起动装置 它投资较小，起动效果好 它的基本工作原理是将电压调节式可漏电抗串联在笼型电机的转子回路中，电机起动前可调电抗值为最大值。电机起动时由于串联了可调电抗，起动电流较小。起动过程中通过plc调节装置

35、调节可调电抗的控制电压，使之电抗逐渐减小至零，电机由起动状态平稳过渡到正常运行状态。再将可调电抗旁路后退出运行，电机起动过程完成。4、高压热变电阻起动器（一）工作原理：在电机定子回路串接液体电阻达到降压起动的目的。热变电阻的导电介质是具有一定浓度的电解液，它的起动原理是将水溶液用一容器加固密封，两极板固定不动，起动时利用极板间大的起动电流将电解液的温度急剧提升，使液阻发生电解反应，电解液的电阻率发生变化。依据电解液的电阻值与电解液温度的反比例变化关系，电液阻值因电液温度升高而降低，从而达到热变电阻降压起动的目的。（二）由热变电阻的原理可以看出性能特点：1、起动初始电液阻值不可调由于两个导电极板

36、是固定安装，两个导电极板的间距固定不变。起动初始时刻，电液阻值受温度的影响而变化，不同季节的温度变化及连续起动情况下每次电液初始温度的不同，均导致起动初始时刻阻值的不同。因此，每次起动电流难以保证相同的起动特牲。2、起动电流不可控、不可调其电液箱溶液体积与浓度、极板间距一次成型。阻值不易调整，热变电阻一旦设置好就无法调整,而电液阻值是被动地随主电机电流的变化而因液温间接变化，而不是主动地改变电液阻值去控制主电机的起动电流。在实际应用中，由于电机参数、工况、负载等参数与计算有一定偏差或需要调整时，这就需对阻值进行调整和在起动过程中对阻值变化进行灵活控制。从前述的工作原理可以看出，用热变电阻实现的

37、软起动方式，电动机起动电流不可控、不可调。3、起动时间不可调用热变电阻起动电动机，决定起动切换到全压运行的时刻，是依据对主电机电流的监测，通过开关触点的控制转换实现的。电机起动时间的长短根本不由热变电阻决定，依然决定于电动机及负载本身的特性。4、对电网的电流冲击及对传动机构的机械冲击热变电阻的液阻值完全是按温度的反比例关系来变化的，电液的温度既不可能无限大，电液阻值就不可能为0。况且实际的电液温度不会超过800c，那么在起动切换到全压运行的时刻，电液阻值肯定不小。因此切换至全压运行时刻，会对电网产生浪涌电流冲击，并且对电动机传动机构产生机械冲击。5、总起动过程中温升明显，巨大的起动电流必然造成

38、局部液体开锅现象，产生大量蒸汽，而液阻箱为严密封闭状态，类似高压锅，因此存在巨大的安全隐患。6、起动性能差，因为热变电阻完全靠温度调节阻值，温度是人为无法控制的，二次起动时与第一次起动相比其温度发生很大变化，起动特性随之发生变化，起动电流、起动时间也相应出现偏差。7、存在二次冲击现象。由于液态电阻在常压下最高温度为100，电阻率不可能为零，因此极板间有一定阻值，在液阻切除时必然会造成二次冲击现象。由于上述因素，热变电阻软起动在实际应用中存在很多限制，需满足以下条件：非常精确的计算；非常准确的电机负载和电网参数；严格检测的耐高压箱体；工况参数不能发生大的变化和调整；连续起动的次数要求低；起动时间

39、不能过长。从严格意义上讲，热变电阻起动器并不能归类于软起动器的行列，因为热变电阻起动不能实现软起动最大限度地限制电动机的起动电流，起动过程平滑无冲击，起动性能可控可调。它的起动性能与电抗器相比较相似，起动性能决定于电动机、电网及负载参数。第三章 可编程序控制器（plc）3.1 可编程序控制器概述3.1.1 可编程序控制器的概念及其历史可编程序控制器(programmable logic controller)是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。1985年1月，国际电工委员会（iec）的可编程序控制器标准草

40、案第2稿对可编程序控制器作了如下定义：“可编程序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、和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”通常把plc认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置。自1969年第一台可编程序控制器面世以来，经历了40多年的发展，可编程序控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。1969年美国的dec公司制成了第

41、一台可编程序控制器，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了及满意的效果，从此开创了可编程序控制器的新纪元。1971年日本开始生产可编程序控制器；1973年欧洲开始生产可编程控制器；1974年我国也开始研制可编程控制器。随着微电子技术、计算技术、通信技术、容差控制技术、数字控制技术的飞快发展，可编程控制器的数量、型号、品种以异乎寻常的速度发展。在全世界上百个可编程序控制器制造厂中，有几家举足轻重的公司。它们是美国rockwell自动化公司所属的a-b公司、ge-fanuc公司，德国的西门子公司和总部设在法国的施耐得自动化公司，日本的三菱公司和欧姆龙公司。这几家公司控制着全世界80%以上的可编程序

42、控制器市场。可编程序控制器的推广在我国得到了迅猛的发展，可编程序控制器已经大量应用在引进设备和国产设备中，我国不少厂家引进或研制了一批可编程序控制器，各行各业也涌现出大批应用可编程序控制器改造设备的成果，机械行业生产的设备越来越多地采用可编程序控制器作控制装置。了解可编程序控制器的工作原理，具备设计、调试和维护可编程序控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。目前，在中国市场上最具竞争力的西门子、三菱公司，所推出的plc均为从大到小全系列的产品，可以满足各种各样的要求。3.1.2 可编程序控制器趋势与动向现代可编程序控制器的发展有两个主要趋势:其一是向体积更小、

43、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展:其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。1、大型网络化主要是朝dcs方向发展，使其具有dcs系统的一些功能。网络化和通信能力强是plc发展的一个重要方面，向下可将多个plc, i/0框架相连;向上可与工业计算机、以太网、map网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。2、多功能随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使plc控制领域更加宽广。3、高可靠性由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工

44、作方式。例如西门子公司57400系列plc即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全密封的模板依然可正常工作，在操作运行过程中模板还可热插拔。美国通用汽车以用户身份提出新一代控制器应具备十大条件，这十大条件是： 编程方便，可在现场修改程序； 维修方便，最好是插件式； 可靠性高于继电器控制柜； 体积小于继电器控制柜； 可将数据直接送入管理计算机； 在成本上可与继电器控制竞争； 输入可以是交流115v； 输出为交流115v/2a以上，能直接驱动电磁阀； 在扩展时，原有系统只要很小变更； 用户程序存储容量至少能扩展到4k字节。3.2 可编程序控制器工作原理及结构特点3.2.1 plc的工作原理在继电器

45、控制电路中，当某些梯级同时满足导通条件时，这些梯级中的继电器线圈会同时通电，这是一种并行的工作方式。plc是采用循环扫描的工作方式，在plc执行用户程序时，cpu对梯形图自上而下、自左向右地逐次进行扫描，程序的执行是按语句排列的先后顺序进行的，是一种串行的工作方式，不会出现多个线圈同时改变状态的情况，这样有利于避免触点竞争和时序失配的问题。plc上电后首先进行初始化:i/0、内部辅助、特殊辅助、辅助记忆继电器区域清零;定时器预置;识别扩展单元。然后进入循环扫描工作过程，扫描过程如图3-1所示。这个工作过程分为内部处理、外设端口服务、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的

46、时间称为扫描周期。内部处理阶段:cpu都要进行复位监视定时器、硬件检查、用户内存检查等操作。通信操作服务阶段:plc与一些智能模块通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。当plc处于停止(stop)状态时只进行内部处理和外设端口服务操作等内容。在plc处于运行(run)状态时从内部处理、外设端口服务、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。图3-1 plc工作扫描流程图1、输入处理程序执行前。可编程序控制器的全部输入端子的通/断状态读入输入映像寄存器。在程序执行中，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会变化，直到下一扫描周期的输入处理阶段才读入这变化。另外，输入触点从

47、通（on）断（off）或从断（off）通（on）变化到处于确定状态止，输入滤波器还有一响应延迟时间（约10ms）。2、程序处理在程序执行阶段，根据梯形图程序先左后右、先上后下的扫描原则，plc逐句扫描执行用户程序，遇到跳转指令，则根据转移条件来决定程序的走向。从用户程序涉及到输入输出状态时，plc从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器中读出对应映像寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。对每个器件而言，器件映像寄存器中所寄存的内容会随着程序执行过程而变化。 执行用户程序阶段的扫描时间是影响扫描周期时间长短的主要因素，而且不是固

48、定的，其原因主要取决于以下几方面因素:用户程序中所用语句条数的多少。每条指令的执行时间不同。程序中有改变程序流向的指令。3、输出处理程序执行完以后，将所有输出继电器的元件映像寄存器的状态传送到相应的输出锁存电路中，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，形成plc的实际输出，驱动相应外设。3.2.2 循环扫描的特点1、扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。2、输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，cup采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。3、对同一个输出单元的多

49、次使用、修改次序会造成不同的执行结果。4、各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是plc的主要缺点。 在读输入阶段，cup对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映象寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，cup按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变输入端子状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入。3.2.3 i/o响应时间由于plc采用循环扫描的工作方式，而且对输入和输出信号只在没个扫描周期的

50、固定时间集中输入/输出，所以必然会产生输出信号相对输入信号滞后的现象。扫描周期越长，滞后现象越严重。响应时间有输入延迟、输出延迟和程序执行时间部分决定。（1）plc输入电路设置了滤波器，滤波器的常数越大，对输入信号的延迟作用越强。输入延迟是由硬件决定的，有的plc滤波器时间常数可调。（2）从输出锁存器到输出端子所经历的时间称为输出延迟，对于不同的输出形式，其值大小不同。它也是由硬件决定的，对于不同信号的plc可以通过查表得到。（3）程序执行时间主要由程序长短来决定，对于一个实际的控制程序，编程人员须对此进行现场测算，使plc的响应时间控制在系统允许的范围内。在最有利的情况下，输入状态经过一个扫

51、描周期在输出得到响应的时间，称为最小i/o响应时间。在最不利的情况下，输入点的状态恰好错过了输入的锁入时刻，造成在下一个输出锁定才能被响应，这就需要两个扫描周期时间，称为最大i/o响应时间。它们是由plc的扫描执行方式决定的，与编程方法无关。3.2.4 plc的基本构成从结构上分，plc分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式plc包括cpu板、i/o板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式plc包括cpu模块、i/o模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 plc实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本

52、构成为：1.电源plc的电源用于为plc各模块的集成电路提供工作电源，在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此plc的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动的范围在+10%(+15%)内，可以不采取其它措施而将plc直接连接到交流电网上去。同时，有的还为输入电路提供24v的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220vac或110vac），直流电源（常用的为24vdc）。 2.中央处理单元(cpu)中央处理单元(cpu)是plc的控制中枢，是plc的核心起神经中枢的作用，每套plc至少有一个cpu。它按照plc系统程序赋予的功能接收并

53、存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、i/o以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当plc投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入i/o映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入i/o映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将i/o映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高plc的可靠性，近年来对大型plc还采用双cpu构成冗余系统，或采用三cpu的表决式系统。这样，即使某个cpu出现故障，整个系统

54、仍能正常运行。 cpu速度和内存容量是plc的重要参数，它们决定着plc的工作速度，io数量及软件容量等，因此限制着控制规模。3.存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 4.输入输出接口电路（i/o模块）plc与电气回路的接口，是通过输入输出部分（i/o）完成的。i/o模块集成了plc的i/o电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入plc系统，输出模块相反。i/o分为开关量输入（di），开关量输出（do），模拟量输入（ai），模拟量输出（ao）等模块。 现场输入接口电路由光耦合电路和微机的

55、输入接口电路，作用是plc与现场控制的接口界面的输入通道。 现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用plc通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 常用的i/o分类如下： 开关量：按电压水平分，有220vac、110vac、24vdc，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20ma,0-20ma）、电压型（0-10v,0-5v,-10-10v）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用io外，还有特殊io模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按i/o点数确定模块规格及数量，i/o模块可多可

56、少，但其最大数受cpu所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 5.底板或机架大多数模块式plc使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使cpu能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 6.功能模块如计数、定位等功能模块 7.通信模块如以太网、rs485、profibus-dp通讯模块等 8.编程设备编程器是plc开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控plc及plc所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器plc一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 9.人机界面最简单的人机界面是指示灯和按钮，液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。3.2.5 可编程序控制器的主要特点1、可靠性高plc的mtbf(mean time between failures)平均故障间隔时间一般在40000-50000h以上，三菱、西门子、abb、松下等