基于PLC的雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(2)

1、皖西學(xué)院課程設(shè)計摘要摘要本文用電源反相序和動力制動的方法設(shè)計了雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的可逆和制動控制線路。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能很好，具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計報告首先根據(jù)設(shè)計要求確定調(diào)速方案和主電路的結(jié)構(gòu)型式，直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。接著詳細(xì)介紹了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計以及一些參數(shù)的選擇和計算，使其滿足工程設(shè)計參數(shù)指標(biāo)。并闡述了串接附加電阻在切換過程中的重要性。對其電氣操作線路用可編程序控制器予以實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：可編程序控制器、調(diào)速系

2、統(tǒng)、程序控制器、異步電動機(jī)皖西學(xué)院課程設(shè)計 目錄第 1 章 引言.1第 2 章 雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的可逆和制動方案.2第 3 章 串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型.43.1 轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù) .43.2 異步電動機(jī)的傳遞函數(shù) .63.3 串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖.7第 4 章 調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計.84.1 電流環(huán)的設(shè)計 .84.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計 .10第 5 章 串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式.135.1 間接起動.135.2 直接啟動 .15第 6 章 操作控制電路.166.1 PLC 的選擇.166.2 可編程序控制器的 I/O 接口.166.3 操作線路圖的梯形圖 .176.4 可編程序控制器程

3、序清單 .19結(jié)束語.22參考文獻(xiàn).23皖西學(xué)院課程設(shè)計第第 1 章章 引言引言由于串級調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性的靜差率較大，所以開環(huán)控制系統(tǒng)只能用于對調(diào)速精度要求不高的場合。為了提高靜態(tài)調(diào)速精度，并獲得較好的動態(tài)特性，須采用閉環(huán)控制，通常采用具有電流反饋與轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)控制方式。由于串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子整流器是不可控的，系統(tǒng)本身不能產(chǎn)生電氣制動作用，所謂動態(tài)性能的改善只是指起動與加速過程性能的改善，減速過程只能靠負(fù)載作用自由降速。皖西學(xué)院課程設(shè)計第第 2 章章 雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的可逆和制動方案雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的可逆和制動方案系統(tǒng)組成方框圖如圖所示圖 1 雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)主電路圖圖 1 所示

4、為雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖中，轉(zhuǎn)速反饋信號取自異步電動機(jī)軸上連接的測速發(fā)電機(jī)，電流反饋信號取自逆變器交流側(cè)的電流互感器，也可通過霍爾變換器或直流互感器取自轉(zhuǎn)子直流回路。為了防止逆變器逆變顛覆，在電流調(diào)節(jié)器 ACR 輸出電壓為零時，應(yīng)整定觸發(fā)脈沖輸出相位角為 。圖 1 所示的系統(tǒng)與直流不可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，具有靜態(tài)穩(wěn)速與動態(tài)恒流皖西學(xué)院課程設(shè)計的作用。所不同的是它的控制作用都是通過異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)采用電源反相序進(jìn)行可逆控制。它由接觸器KM2、KM3、KM4、KM5 組成電氣控制線路。圖中附加電阻 R1，是為了解決在切換過程中及時啟動時沖擊電流過大的問題。制動控制器采

5、用晶閘管串級調(diào)速制動方式進(jìn)行，它由接觸器KM2、KM5、KM6 和制動變壓器 T2，三相整流橋組成。皖西學(xué)院課程設(shè)計第第 3 章章 串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型在圖 1 所示的系統(tǒng)中，可控整流裝置、調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)節(jié)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖均與直流調(diào)速系統(tǒng)中相同。在異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子直流回路中，不少物理量都與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，所以要單獨(dú)處理。3.1 轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)根據(jù)下圖 2 的等效電路圖可以列出串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路的動態(tài)電壓平衡方程式圖 2 串級調(diào)速系統(tǒng)a）主電路 b）等效電路皖西學(xué)院課程設(shè)計式中 Ud0當(dāng) s=1 時轉(zhuǎn)子整流器輸出的空載電壓，；Ui0逆

6、變器直流側(cè)的空載電壓，；L轉(zhuǎn)子直流回路總電感，L=2LD+2LT+LLLD折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的異步電動機(jī)每相漏感， ； LT折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相漏感，；LL平波電抗器電感；R轉(zhuǎn)差率為 s 時轉(zhuǎn)子直流回路等效電阻，。于是，式(1)可改寫成將式(2)兩邊取拉氏變換，可求得轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)式中 TLr轉(zhuǎn)子直流回路的時間常數(shù)， ；Ki轉(zhuǎn)子直流回路的放大系數(shù)，。轉(zhuǎn)子直流回路的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖 3 所示。需要指出，串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路傳遞函數(shù)中的時間常數(shù) TLr 和放大系數(shù) KLr都是轉(zhuǎn)速 n 的函數(shù)，它們是非定常的。皖西學(xué)院課程設(shè)計圖 3 轉(zhuǎn)子直流回路動態(tài)框圖3.2 異步電動機(jī)的傳遞函數(shù)異

7、步電動機(jī)的傳遞函數(shù) 異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式為 或?qū)懗?式中 IL負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL 所對應(yīng)的等效直流電流。由此可得異步電動機(jī)在串級調(diào)速時的傳遞函數(shù)為 其中，為機(jī)電時間常數(shù)，TM 與 R、CE、CM 都有關(guān)系，所以也不是常數(shù)，而是 Id 和 n 的函數(shù)。皖西學(xué)院課程設(shè)計3.3 串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖把圖 1 中的異步電動機(jī)和轉(zhuǎn)子直流回路都畫成傳遞函數(shù)框圖，再考慮給定濾波環(huán)節(jié)和反饋濾波環(huán)節(jié)就可直接畫出雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖 4 所示。圖 4 雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖皖西學(xué)院課程設(shè)計第第 4 章章 調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計調(diào)節(jié)

8、器參數(shù)的設(shè)計雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正一般主要按抗擾性能考慮，即應(yīng)使系統(tǒng)在負(fù)載擾動時有良好的動態(tài)響應(yīng)。在采用工程設(shè)計方法進(jìn)行動態(tài)設(shè)計時，可以像直流調(diào)速系統(tǒng)那樣，電流環(huán)按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計。4.1 電流環(huán)的設(shè)計電流環(huán)的設(shè)計圖5 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖電流環(huán)設(shè)計及參數(shù)計算：1、時間常數(shù)的確定（1）整流裝置滯后時間常數(shù):sT 三相橋式電路的平均失控時間 0.0017ssT （2）電流濾波時間常數(shù):由給定數(shù)據(jù)知oiT =0.003s iT0（3）電流環(huán)小時間常數(shù)iT 按小時間常數(shù)近似處理，取 =+=0.0017s+0.003s =0.0047siTsTiT0皖西學(xué)院課程設(shè)計

9、:整流裝置滯后時間常數(shù),:電流濾波時間常數(shù)sToiT2、選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)對電源電壓抗壓性能: = ilTT 4.04 0047. 0019. 0因此可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計。電流調(diào)節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為： ssKsWiiiACR1)(3、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算ACR 超前時間常數(shù)： =T =T =0.019silLr ,因此，電流環(huán)開環(huán)增益:0.5IiK T K =106.38 s-1IiiITTK0047. 05 . 0于是，ACR 的比例系數(shù)為： K =0.46iKsiRKI011. 01604 . 0019. 038.106所以，電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為： =)(sACRWssKi

10、ii1ss019. 0019. 00087. 0皖西學(xué)院課程設(shè)計電流調(diào)節(jié)器的原理圖如圖 6 所示： 圖 6 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型電流調(diào)節(jié)器原理圖4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計圖 7 轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計及參數(shù)計算：1時間常數(shù)的確定（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為: =KI1iT2s0094. 00047. 02 （2） 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)為: =0.01snT0皖西學(xué)院課程設(shè)計（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)為: =+=nTKI1nT0s0194. 001. 00094. 0 2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。故

11、 ASR 選用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： ssKsWnnnASR1)( 3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5,ASR 超前時間常數(shù)為： =n0.097s0.0194s5nhT轉(zhuǎn)速換開環(huán)增益： =s-1NKnTnThhh21 318.850194. 00194. 0 . 025215因此 ASR 的比例系數(shù)為： =nK T2) 1hnRhCeTm（100194. 04 . 0022. 052076. 04 . 3011. 06所以，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： =)(sWASRssKnnn1ss097. 01097. 0轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的原理圖如圖 8 所示：皖西學(xué)院課程

12、設(shè)計圖 8 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器皖西學(xué)院課程設(shè)計第第 5 章章 串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式串級調(diào)速系統(tǒng)是依靠逆變器提供附加電動勢而工作的，為了使系統(tǒng)工作正常，對系統(tǒng)的起動與停車控制必須有合理的措施予以保證。總的原則是在起動時必須使逆變器先于電機(jī)接上電網(wǎng)，停車時則比電機(jī)后脫離電網(wǎng)，以防止逆變器交流側(cè)斷電，而使晶閘管無法關(guān)斷，造成逆變器的短路事故。串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式通常有間接起動和直接起動兩種。5.1 間接起動間接起動大部分采用串級調(diào)速的設(shè)備是不需要從零速到額定轉(zhuǎn)速作全范圍調(diào)速的，特別對于風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等機(jī)械，其調(diào)速范圍本來就不大，串級調(diào)速裝置的容量可

13、以選擇比電動機(jī)小得多。為了使串級調(diào)速裝置不受過電壓損壞，須采用間接起動方式，即將電動機(jī)轉(zhuǎn)子先接入電阻或頻敏變阻器起動，待轉(zhuǎn)速升高到串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計最低轉(zhuǎn)速時，才把串級調(diào)速裝置投人運(yùn)行。由于這類機(jī)械不經(jīng)常起動，所用的起動電阻等都可按短時工作制選用，容量與體積都較小。從串電阻起動換接到串級調(diào)速可以利用對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測或利用時間原則自動控制。皖西學(xué)院課程設(shè)計圖 9 串級調(diào)速系統(tǒng)簡介啟動控制原理圖圖 9 所示是間接起動控制原理圖。起動操作順序如下：先合上裝置電源總開關(guān) S，使逆變器在 min 下等待工作。然后依次接通接觸器 K1，接人起動電阻 R，再接通 K0，把電機(jī)定子回路與電網(wǎng)接通，電動機(jī)便以

14、轉(zhuǎn)子串電阻的方式起動。待起動到所設(shè)計的 nmin(smax)時接通 K2，使電動機(jī)轉(zhuǎn)子接到串級調(diào)速裝置，同時斷開K1，切斷起動電阻，此后電動機(jī)就可以串級調(diào)速的方式繼續(xù)加速到所需的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。不允許在未達(dá)到設(shè)計最低轉(zhuǎn)速以前就把電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路與串級調(diào)速裝置聯(lián)通，否則轉(zhuǎn)子電壓會超過整流器件的電壓定額而損壞器件，所以轉(zhuǎn)速檢測或起動時間計算必須準(zhǔn)確。停車時，由于沒有制動作用，應(yīng)先斷開 K2，使電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路與串級調(diào)速裝置脫離，再斷開 K0，以防止當(dāng) K0 斷開時在轉(zhuǎn)子側(cè)感生斷閘高電壓而損壞整流器與逆變器。皖西學(xué)院課程設(shè)計如果生產(chǎn)機(jī)械許可，也可以不用檢測最低轉(zhuǎn)速自動控制，而讓電動機(jī)在串電阻方式下起動到最高速

15、，切換到串級調(diào)速后，再按工藝要求調(diào)節(jié)到所需要的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。這種起動方式可以保證整流器與逆變器不致受到超過定額的電壓，工作安全。但電動機(jī)要先升到最高轉(zhuǎn)速，再通過減速達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，對于有些生產(chǎn)機(jī)械是不允許的。5.2 直接啟動直接啟動直接起動又稱串級調(diào)速方式起動，用于可在全范圍調(diào)速的串級調(diào)速系統(tǒng)。在起動控制時讓逆變器先于電動機(jī)接通交流電網(wǎng)，然后使電動機(jī)的定子與交流電網(wǎng)接通，此時轉(zhuǎn)子呈開路狀態(tài)，可防止因電動機(jī)起動時的合閘過電壓通過轉(zhuǎn)子回路損壞整流裝置，最后再使轉(zhuǎn)子回路與整流器接通。在圖 5 中，接觸器的工作順序?yàn)?SK0K2，此時不需要起動電阻。當(dāng)轉(zhuǎn)子回路接通時，由于轉(zhuǎn)子整流電壓小于逆變電壓，直流回路無

16、電流，電動機(jī)尚不能起動。待發(fā)出給定信號后，隨著 的增大，逆變電壓降低，產(chǎn)生直流電流，電動機(jī)才逐漸加速，直至達(dá)到給定轉(zhuǎn)速。皖西學(xué)院課程設(shè)計第第 6 章章 操作控制電路操作控制電路6.1 PLC 的選擇的選擇PLC 產(chǎn)品的種類繁多。PLC 的型號不同,對應(yīng)著其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等均各不相同,適用的場合也各有側(cè)重。因此,合理選用 PLC,對于提高 PLC 控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。PLC 的選擇主要應(yīng)從 PLC 的機(jī)型、容量、I/O 模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。PLC 機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提

17、下,力爭最佳的性能價格比。選擇時應(yīng)主要考慮到合理的結(jié)構(gòu)型式,安裝方式的選擇,相應(yīng)的功能要求,響應(yīng)速度要求,系統(tǒng)可靠性的要求,機(jī)型盡量統(tǒng)一等因素。綜合以上因素，我們選擇三菱系列的 PLC。6.2 可編程序控制器的可編程序控制器的 I/O 接口接口由控制電路可知，需要 7 個 PC 輸入接口，6 個輸出接口。故選擇具有 24 個輸入接口，16 個輸出接口的 F-40MR 可編程序控制器，I/O 接口圖如下圖 10 所示。皖西學(xué)院課程設(shè)計圖 10 F-40MR 控制輸入/輸出接線圖6.3 操作線路圖的梯形圖操作線路圖的梯形圖1、PC 機(jī)執(zhí)行程序是從頭到尾掃描的，速度很快。而繼電器、接觸器動作從吸合到

18、釋放有一段延時，否則會引起主電路短路，編程時考慮到這一點(diǎn)。2C、FC 之間的切換時增加了由 T450，T451 構(gòu)成的延時 1S 的延時保護(hù)。2、控制電路圖中的中間繼電器和時間繼電器都用 PC 軟件中的中間繼電器和時間繼電器代替。皖西學(xué)院課程設(shè)計圖 11 操作控制線路梯型圖皖西學(xué)院課程設(shè)計6.4 可編程序控制器程序清單可編程序控制器程序清單根據(jù)梯形圖編寫程序清單如下：0 LDI X4001 OR Y4302 AND X4O13 ANI X4024 OUT Y4305 LD Y4306 ANI Y4347 OUT Y4318 LDI X4039 MC N0 M10011 LD X40412 OR M10113 ANI X40514 ANI X40615 ANI M10216 OUT M10117 LD M10118 OUT T450 K1022 LDI X40223 AND T450 皖西學(xué)院課程設(shè)計24 OUT Y43225 LD M101