三相异步电动机多速运行的综合控制

1、 三相异步电动机多速运行的综合控制14412郭俊良一、设计目标了解PLC和变频器综合控制的一般方法；了解变频器外部端子的作用；熟悉变频器多段调速的参数设置和外部端子的接线；能运用变频器的外部端子和参数实现变频器的多段速度控制。二、设计参考设备变频器(三菱FR-A540)；电位器(2W/lkW)；可编程控制器(FX2N-48MR)；手持式编程器(FX-20P)或计算机(已安装GPP软件)；电动机(Y-112-0.55)；(6)电工常用工具；(7)按钮开关；(8)导线若干；三、设计要求用PLC、变频器设计一个电动机的三速运行的控制系统。其控制要求如下：按下起动按钮，电动机以30Hz速度运行，5s后

2、转为45Hz速度运行，再过5s转为20Hz速度运行，按停止按钮，电动机即停止。四、报告要求1设计思路2变频器的设定参数3.PLC的I/O分配4控制程序5、系统接线6、系统调试7、设计总结1.引言PLC(可编程序控制器)是现代工业控制的基础部件，它是以微处理器为基础发展起来的，是集自动化技术、通信技术、先进制造技术为一体的新型工业自动控制装置。变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。与传统的调速系统相比，利用变频器对电动机进行调速控制，有如下优点：节约电能、容易实现对电动机的调速控制；可实现大范围内的高效连续调速控制和精确调速控制；可以实现对

3、电动机的正反转切换，也可实现对电动机的高速驱动；还可以进行电气制动，使得电动机可以进行高额度的起停运转。当电动机带动较大负载启动时，会产生较大的冲击电流，如采用变频器，就可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的启动基本构成为：电源可编程逻辑控制器的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，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋

4、予的功能接收并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。当可编程逻辑控制器投入运行时，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。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这

5、样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。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。输入输出接口电路现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器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，作用可编程逻辑控制器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。功能模块如计数、定位等功能模块。通信模块工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程

6、逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。一、输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。可编程逻辑控制器二、用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的

7、由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程

8、序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值,输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。三、输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。可编程逻辑控制器功能特点可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。1使用方便，编程简单采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。

9、另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。2功能强，性能价格比高一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。3硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，

10、方便快速地适应工艺条件的变化。4可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。5.系统的设计、安装、调试工作量少PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器

11、等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。6维修工作量小，维修方便PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信

12、息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故变频器（Variable-frequencyDrive,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。工作原理变频器概述主电路是给异步电动机提供调

13、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“平波回路变频器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。变频器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

14、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。变频器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。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、

15、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组成部分变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。整流单元：将工作频率固定的交流电转换为直流电。高容量电容：存储转换后的电能。逆变器：由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、

16、宽度、幅度的方波。控制器：按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。三菱Fx系列PLC拥有无以匹及的速度，高级功能逻辑选件以及定位控制等特点；FX系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于Fx系列中最高档次的超小形程序装置。除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。三菱变频器FRE740系列是一款小型、高性能（自带控制面板）的变频器。功率范围是0.415KW；采用磁通矢量控制，实现1Hz运行150%转矩输出：PID，15段速度等多功能选择；内置独立

17、RS485通讯口；柔性PWM,实现更低噪音运行；允许短时超载（200%时持续3s）；变频器表面带PU接口；维护简单，配有梳型配线盖板，接线更方便。基于PLC和变频器的速度调节系统已被广泛应用于三相交流异步电机的运行与控制。通过PLC控制变频器选择速级并且实现对应频率电流输出，在实际生产中，往往要求对同一台电机在不同时刻的不同转速实现自动调节，这就需要一个功能完备的速度调节系统，并且需要精确计算出各段速度间的调节时间。本文介绍基于三菱PLC通信方式的多段速度变频调速的方法。设计思路：用PLC、变频器设计一个电动机的三速运行的控制系统。其控制要求如下：按下起动按钮，电动机以30Hz速度运行，5s后

18、转为45Hz速度运行，再过5s转为20Hz速度运行，按停止按钮，电动机即停止。根据变频器的分级调速，跟PLC的控制，来设计这个程序。注意控制要求：正确设置变频器输出的额定频率、额定电压、额定电流、额定功率、额定转速等。通过PLC控制变频器外部端子。一个启动按钮一个停止按钮，打开启动按钮“S1”变频器每过一段时间自动变换一种输出频率。运用操作面板改变电机的加减速时间。变频器的设定参数：1.外部接oQrlgovhr线图：2.参数功能表序号变频器参数出厂值设定值功能说明1P112050上限频率2P200下限频率3P755加速时间4P855减速时间5P900.35电子过电流保护6P16099990功能

19、显示选择7P7903操作模式选择8P179618多段速运行指令9P18000多段速运行指令10P18111多段速运行指令11P18222多段速运行指令12P45030固定频率113P53045固定频率214P61020固定频率3注：设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值PLC的I/O分配:序号PLC地址电气符号功能说明1XOOOSI启动按钮2X001S2停止按钮3Y000STF一段速4Y001RL二段速5Y002RM三段速6COM7COMO、COMI、COM2可编程控制器控制程序：系统接线soCONvf23WQRMCgOSFl系统调试检查设备中器材是否齐全。按照变频器外部接线图完成变频器的接线，认真检查，保证正确无误。打开电源开关，按照参数功能表正确设置变频器参数。自己编写程序，进行编译，有错误根据提示进行修改，直至无误，用SC-09通讯编程电缆连接计算机串口与PLC通讯口，打开PLC主机电源开关，下载程序到PLC中，下载完毕后将PLC的“RUN/STOP”开关拨到“RUN”状态。打开开关“S1”，观察并记录电机运转情况。设计总结：随着社会经济的发展和科学技术水平的提高，工业全自动化成为必然的发展趋势。工业全自动化设备的产生极大的方便了企业的生产。本课题利用可编程控制器、