三相異步電動機多速運行的綜合控制

1、三相異步電動機多速運行的綜合控制 14412 郭俊良18一、設計目標（1）了解PLC和變頻器綜合控制的一般方法；（2）了解變頻器外部端子的作用；（3）熟悉變頻器多段調(diào)速的參數(shù)設置和外部端子的接線；（4）能運用變頻器的外部端子和參數(shù)實現(xiàn)變頻器的多段速度控制。二、設計參考設備（1）變頻器（三菱FR-A540）；（2）電位器（2W/1kW）；（3）可編程控制器（FX2N-48MR）；（4）手持式編程器（FX-20P）或計算機（已安裝GPP軟件）；（5）電動機（Y-112-0.55）；（6）電工常用工具；（7）按鈕開關；（8）導線若干；三、設計要求 用PLC、變頻器設計一個電動機的三速運行的控制系統(tǒng)。

2、其控制要求如下：按下起動按鈕，電動機以30Hz速度運行，5s后轉(zhuǎn)為45Hz速度運行，再過5s轉(zhuǎn)為20Hz速度運行，按停止按鈕，電動機即停止。四、報告要求1設計思路2變頻器的設定參數(shù)3PLC的I/O分配4控制程序5、系統(tǒng)接線6、系統(tǒng)調(diào)試7、設計總結(jié) 1.引 言 PLC(可編程序控制器)是現(xiàn)代工業(yè)控制 的基礎部件，它是以微處理器為 基礎發(fā)展起來的，是集自動化技術(shù) 、通信技術(shù) 、先進制造 技術(shù)為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎上。與傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)相比，利用變頻器對電動機進行調(diào)速控制，有如下優(yōu)點：節(jié)約電能、容易實現(xiàn)對

3、電動機的調(diào)速控制；可實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控 制和精確調(diào)速控制；可以實現(xiàn)對電動機的正反轉(zhuǎn)切換，也可實現(xiàn)對電動機的高速驅(qū)動；還可以進行電氣制動，使得電動機可以進行高額度的起停運轉(zhuǎn)。當電動機帶動較大負載啟動時，會產(chǎn)生較大的沖擊電流，如采用變頻器，就可以實現(xiàn)軟啟動，減小沖擊電流，解決大負載的啟動 基本構(gòu)成為：電源可編程邏輯控制器的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此，可編程邏輯控制器的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去中央處理單元(CPU)中央

4、處理單元(CPU)是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當可編程邏輯控制器投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進一步提高可編程邏輯控制器的可靠性，

5、對大型可編程邏輯控制器還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。輸入輸出接口電路1現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是可編程邏輯控制器與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。2現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用可編程邏輯控制器通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應的控制信號。功能模塊如計數(shù)、定位等功能模塊。通信模塊工作原理當可編程邏輯控制器投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶

6、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。一、輸入采樣階段在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。可編程邏輯控制器二、用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而

7、下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在

8、下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。三、輸出刷新階段當掃描用戶程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應的外設。這時，才是可編程邏輯控制器的真正輸出?？删幊踢壿嬁刂破鞴δ芴攸c可編程邏輯控制器具有以下鮮明的特點。1.使用方便，編程簡單采用簡明的

9、梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。2.功能強，性能價格比高一臺小型PLC內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，有很強的功能，可以實現(xiàn)非常復雜的控制功能。它與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性能價格比。PLC可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分散控制，集中管理。3.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強PLC產(chǎn)品已經(jīng)標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強的帶

10、負載能力，可以直接驅(qū)動一般的電磁閥和小型交流接觸器。硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應工藝條件的變化。4.可靠性高，抗干擾能力強傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的中間繼電器、時間繼電器，由于觸點接觸不良，容易出現(xiàn)故障。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件元件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/10-1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。PLC采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，平均無故障時間達到數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，PLC已被廣大用戶公認為最可靠的工業(yè)控制設備之一。5.系統(tǒng)的設計、

11、安裝、調(diào)試工作量少PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設計、安裝、接線工作量大大減少。PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設計法來設計。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復雜的控制系統(tǒng)，設計梯形圖的時間比設計相同功能的繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調(diào)試，輸入信號用小開關來模擬，通過PLC上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。6.維修工作量小，維修方便PLC的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示

12、功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故 變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工

13、業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。工作原理變頻器概述主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路變頻器整流器大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。變頻器平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此

14、外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。變頻器逆變器同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關器件導通、關斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關時間和電壓波形?？刂齐娐肥墙o異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。（1

15、）運算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。（3）驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。（4）速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞組成部分變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。整流單元：將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

16、高容量電容：存儲轉(zhuǎn)換后的電能。逆變器：由大功率開關晶體管陣列組成電子開關，將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波?？刂破鳎喊丛O定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅(qū)動交流電動機。 三菱Fx系列PLC 擁有無以匹及的速度，高級功能邏輯選件以及定位控制等特點；FX 系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相當于Fx系列中最高檔次的超小形程序裝置。除輸入出16-25點的獨立用途外，還可以適用于在多個基本組件間的連接 ，模擬控制 ，定位控 制等特殊用途 ，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC。三菱變頻器FRE740系列是一款小型、高性能(自帶控制面板 )的變頻器 。

17、功率范 圍是04 15KW；采用磁通 矢量控制，實現(xiàn) 1Hz運行150轉(zhuǎn)矩輸出：PID，15段速度等多功能選擇 ；內(nèi) 置獨立RS485通訊 口；柔性PWM，實現(xiàn) 更低 噪音運行；允許短時超載 (200 時持續(xù)3s)；變頻器表面帶PU接 口； 維護簡單 ，配有梳 型配線 蓋板 ，接線 更方 便 。 基于PLC和變頻器的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 已被 廣泛應用于三相交流異步 電機的 運行與控制。通過PLC控制變頻器選擇 速級并且實現(xiàn)對應頻率電流輸出，在實 際生產(chǎn)中，往往要求對 同一臺電機在不 同時刻的不同轉(zhuǎn)速實現(xiàn) 自動調(diào)節(jié)，這就 需要一個功能完備的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并且需要精確計算出各段速度間的調(diào)節(jié)時間。本文介紹

18、基于三菱PLC通信方式的多段速度變頻調(diào)速的方法。設計思路： 用PLC、變頻器設計一個電動機的三速運行的控制系統(tǒng)。其控制要求如下：按下起動按鈕，電動機以30Hz速度運行，5s后轉(zhuǎn)為45Hz速度運行，再過5s轉(zhuǎn)為20Hz速度運行，按停止按鈕，電動機即停止。根據(jù)變頻器的分級調(diào)速，跟PLC的控制，來設計這個程序。 注意控制要求： 1.正確設置變頻器輸出的額定頻率、額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉(zhuǎn)速等。2.通過PLC控制變頻器外部端子。一個啟動按鈕一個停止按鈕，打開啟動按鈕“S1”變頻器每過一段時間自動變換一種輸出頻率。3.運用操作面板改變電機的加減速時間。變頻器的設定參數(shù)： 1.外部接線圖： 2.

19、參數(shù)功能表序號變頻器參數(shù)出廠值設定值功能說明1P112050上限頻率2P200下限頻率3P755加速時間4P855減速時間5P900.35電子過電流保護6P16099990功能顯示選擇7P7903操作模式選擇8P179618多段速運行指令9P18000多段速運行指令10P18111多段速運行指令11P18222多段速運行指令12P45030固定頻率113P53045固定頻率214P61020固定頻率3注：設置參數(shù)前先將變頻器參數(shù)復位為工廠的缺省設定值PLC的I/O分配：序號PLC地址電氣符號功能說明1X000S1啟動按鈕2X001S2停止按鈕3Y000STF一段速4Y001RL二段速5Y002

20、RM三段速6COM7COM0、COM1、COM2可編程控制器控制程序：系統(tǒng)接線：系統(tǒng)調(diào)試： 1.檢查設備中器材是否齊全。 2.按照變頻器外部接線圖完成變頻器的接線，認真檢查，保證正確無誤。 3.打開電源開關，按照參數(shù)功能表正確設置變頻器參數(shù)。 4.自己編寫程序，進行編譯，有錯誤根據(jù)提示進行修改，直至無誤，用SC-09通訊編程電纜連接計算機串口與PLC通訊口，打開PLC主機電源開關，下載程序到PLC中，下載完畢后將PLC的“RUN/STOP”開關撥到“RUN”狀態(tài)。 5.打開開關“S1”，觀察并記錄電機運轉(zhuǎn)情況。 設計總結(jié)： 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)水平的提高，工業(yè)全自動化成為必然的發(fā)展趨勢。工業(yè)全自動化設備的產(chǎn)生極大的方便了企業(yè)的生產(chǎn)。本課題利用可編程控制器、變頻器