基于plc的交流電機變頻調速系統-文庫吧

【正文】 要由兩部分組成：固定部分稱為定子，旋轉部分稱為轉子。 三相交流異步 電動機的工作原理是建立在電磁感應定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎上的。當磁極沿順時針方向旋轉，磁極的磁力線切割轉子導條，導條中就感應出電 動勢。電動勢的方向由右手定則來確定。因為運動是相對的，假如磁極不動，轉子導條沿逆時針方向旋轉，則導條中同樣也能感應出電動勢來。在電動勢的作用下，閉合的導條中就產生電流。該電流與旋轉磁極的磁場相互作用，而使轉子導條受到電磁力，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進而產生電磁轉矩，轉子就轉動起來。 變頻調速原理 變頻器可以分為四個部分，如圖 所示。 通用變頻器由主電路和控制回路組成。 給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，稱為主電路。主電路包括整流器、中間直流環節（又稱平波回路）、逆變器。 整 流 器 平 波 電 路 逆 變 器M控 制 電 路 圖 ⑴ 整流器。它的作用是把工頻電源變換成直流電源。 ⑵ 平波回路（中間直流環節）。由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載。無論電動機處于電動狀態還是發電狀態，起 始 功率因數總不會等于 1。因此，在中間直流環節和電動機之間總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠中間直流環節的儲基于 PLC 的交流電機變頻調速系統 能元件 — 電容器或電感器來緩沖，所以中間直流環節實際上是中間儲能環節。 ⑶ 逆變器。與整流器的作用相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率。逆變器的結構形式是利用 6 個半導體 開關器件組成的三相橋式逆變器電路。通過有規律的控制逆變器中主開關的導通和斷開，可以得到任意頻率的三相交流輸出波形。 ⑷ 控制回路。控制回路常由運算電路，檢測電路，控制信號的輸入、輸出電路，驅動電路和制動電路等構成。其主要任務是完成對逆變器的開關控制，對整流器的電壓控制，以及完成各種保護功能。控制方式有模擬控制或數字控制。 變頻調速的基本控制方式 ⑴ 普通控制型 V/f 通用變頻器 ① 普通控制型 V/f 通用變頻器是轉速開環控制，無需速度傳感器，控制電路比較簡單；電動機選擇通用標準異步電動機，因此其通用性比較強，性價比比較高，是目前通用變頻器產品中使用較多的一種控制方式。 ② 具有恒定磁通功能的 V/f 通用變頻器 為了克服普通控制型的 V/f 通用變頻器對 V/f 的值進行調整的困難，如果采用磁通反饋，讓異步電動機所輸入的三相正弦電流在空間產生圓形旋轉磁場，那么就會產生恒定的電磁 轉矩。 這樣的控制方法叫做磁鏈跟蹤控制。由于磁鏈的軌跡是靠電壓相加矢量得到的，所以磁鏈跟蹤控制也叫做電壓空間矢量控制。 ⑵ 矢量控制方式 矢量控制方式的基本思想是：仿照直流電動機的調速特點，使異步交流電動機的轉速也能通過控制兩個互相獨立的直流磁場進行調節。 矢量控制方式分為無速度傳感器的矢量控制和有速度傳感器的轉速或轉矩閉環矢量控制。 無速度傳感器的矢量控制。它是對異步電動機進行單電動機傳動的典型模式。主要性能是：在 1： 10 的速度范圍內。速度精度小于 %，轉速上升時間小于 100ms；在額定功率 10%的范圍內，采用電流閉環控制的轉速開環控制。工作模式可采用軟件功能選擇。當工作頻率高于額定頻率的 10%時，進入矢量控制狀態。轉速的實際值可以利用由微型機支持的對異步電動機進行模擬的仿真模型來計算。 基于 PLC 的交流電機變頻調速系統 有速度傳感器的轉速或轉矩閉環矢量控制。這種方式的主要特征更是：在速度設定值的全范圍內，轉矩上升時間大約為 15ms，速度設定范圍大于 1： 100；對于閉環控制而言， 轉速上升時間不大于 60ms。 系統的控制要求 本系統的結構 如圖 所示。 圖 系統的結構圖 由圖 可知，本文通過 PLC 控制變頻器達到變頻調速的目的，從而 實現交流 電機的正反轉、起停、加速、減速控制以及速度的調節 ， 并且能夠在在觸摸屏上進行操作，控制電機調速。 方案的確定 電動機的選擇 在變頻電機中，電動機類型選擇的原則是，在滿足工作機械對于拖動系統要求的前提下，所選電動機應盡可能結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉。因此，在選用電動機種類時，若機械工作對拖動系統無過高要求，應優先選用交流電動機。 在交流電動機中，籠型異步電動機結構簡單，運行最可靠， 維護最方便，對起動性能無過高要求的調速系統，應優先考慮。在電機工作中起動、制動比較頻繁，為提高生產率，又要求電動機具有較大的起動、制動轉矩以縮短起動制動時間，同時還有一定的調速要求，所以本設計采用籠型異步電動機，其參數為： 型號： WDJ26； PLC 控制信號 觸摸屏 變頻器 M 基于 PLC 的交流電機變頻調速系統 電壓 ： 380V； 接法 ： 角接； 轉速 ： 1430r/min。 功率 ： 40W； 電流 ： ； 頻率 ： 50HZ； 絕緣等級 ： E。 開環控制的 選擇 開環控制是最簡單的一種控制方式，他所具有的特點是，控制量與被控制量之間只有前向通路而沒有反向通路。這種控制方式 的特點是控制作用的傳遞具有單向性。由于開環控制結構簡單，調整方便，成本低。在國民經濟各部門均有采用。 因此，本系統采用開環控制系統。 變頻器的選擇 隨著變頻器性能價格比的提高，交流變頻調速己應用到許多領域，由于變頻調速的諸多優點，使得交流變頻調速得到廣泛應用。其功能較強，使用靈活，但其價格相對較貴。所以我選用了通用變頻器，通過合理的配置、設計和編程，同樣可以達到專用變頻器的控制效果。 本設計采用 的 變頻器 是 西門子公司面向世界推出的 21 世紀通用型變頻器MM420。 它 可實現平穩操作和精確控制，使電動機達 到理想輸出 ， 這種變頻器不僅考慮了 V/f 控制，而且還實現了矢量控制，通過其本身的自動調諧功能與無速度傳感器電流矢量控制，很容易得到高起動轉矩與較高的調速范圍。 MM420 變頻器的特點如下： ⑴ 包括電流矢量控制在內的四種控制方式均實現了標準化。 ⑵ 有豐富的內藏與選擇功能。 ⑶ 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、體積小。 ⑷ 保護功能完善、維修性能好。 ⑸ 通過 LCD 操作裝置，可提高操作性能 。 基于 PLC 的交流電機變頻調速系統 第二章 變頻調速 系統的硬件設計 S7200 PLC 本系統選用的是 西門子公司 生產 的 SIMATIC S7200 系列小型 PLC，可用于代替繼電器的簡單控制場合，也可用于復雜的自動化控制系統。由于 它 極強的的通信功能，在大型網絡控制系統中也能充分發揮其功能。 S7200 的可靠性高，可以用梯形圖語句表功能塊圖三種語言來編程。它的指令豐富，指令功能強，易于掌握，操作方便， 內置 有高速計數器 、 高速輸出 、 PID 控制器 、 RS485 通信 /編程接口 、 PPI 通信協議 、 MPI 通信協議和自由端口模式通信功能，最大可以擴展到 248 點數字量 I/O 或 35 路模擬量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序和數據存儲空間。 MicroMaster420 變頻器 本系統采用的是通用變頻器 MicroMaster420， MicroMaster420 是全新一代模塊化設計的多功能標準變頻器。 它 有 強大的通訊能力、精確的控制性能 、 模塊化結構設計，具有 更 多的靈活性 ，操作方便。最新的 IGBT 技術，具有 7 個固定頻率， 4 個跳轉頻率 。 靈活的斜坡函數發生器 帶有起始段和結束段的平滑特性 ， 防止 運行中不應有的跳閘 ， 直流制動和復合制動方式提高制動性能 。 用 BiCo 技術，實現 I/O 端口自由連接 。 MICROMASTER420 是用于控制三相交流電動機速度的變頻器系列 ， 從單相電源電壓額定功率 120W 到三相電源電壓額定功率 11KW 可供選用 ， 由微處理器控制 ，用具有現代先進技術水平的絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)作為功率輸出器件 。 因此 ， 具有很高的運行可靠性和功能的多樣性 。 其脈沖寬度調制的開關頻率是可選的 ， 因而降低了電動機運行的噪聲 ，全面 完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護 。MICROMASTER420 具有 缺省的工廠設置參數 ， 它是給數量眾多的簡單的電動機控制系統供電的理想變頻驅動裝置 。 由于 MICROMASTER420 具有全面而完善的控制功能 ， 在設置相關參數以后 ， 它也可用于更高級的電動機控制系統 。 基于 PLC 的交流電機變頻調速系統 外部電路設計 本系統主要完成 異步電機 三種調速， 由于變頻器參數設置的不同，調速方式也有所不同， 分別為變頻開環調速、數字量方式多段速控制和 PLC 觸摸屏及變頻器通信控制。 變頻開環調速 變頻開環調速根據輸入端的控制信號經過程序運算后由通信端口控制變頻器運行。打開啟動開關，變頻器開始運行 。 首先應對變頻器 的參數進行設置，如表 所示。 表 變頻器的參數設置 序號 變頻器參數 出廠值 設定值 功能說明 1 P0304 230 380 電動機的額定電壓 ( 380V ) 2 P0305 電動機的額定電流 ( ) 3 P0307 電動機的額定功率 ( 60W ) 4 P0310 電動機的額定頻率 ( 50Hz ) 5 P0311 0 1430 電動機的額定轉速 ( 1430 r/min ) 6 P1000 2 3 固定頻率設定 7 P1080 0 0 電動機的最小頻率 ( 0Hz ) 8 P1082 50 電動機的最大頻率 ( 50Hz ) 9 P1120 10 10 斜坡上升時間 ( 10S ) 10 P1121 10 10 斜坡下降時間 ( 10S ) 11 P0700 2 2 選擇命令源（ 由端子排輸入 ） 12 P0701 1 17 固定頻率設值（二進制編碼選擇 +ON命令） 13 P0702 12 17 固定頻率設值（二進制編碼選擇 +ON命令） 14 P0703 9 17 固定頻率設值（二進制編碼選擇 +ON命令） 15 P1001 固定頻率 1 16 P1002 固定頻率 2 17 P1003 固定頻率 3 18 P1004 固定頻率 4 基于 PLC 的交流電機變頻調速系統 19 P1005 固定頻率 5 20 P1006 固定頻率 6 21 P1007 固定頻率 7 其中： 在設置參數前先將變頻器參數復位為工廠的缺省設定值；設定 P0003=2 允許訪問擴展參數； 設定電機參數時先設定 P0010=1(快速調試 ),電機參數設置完成設P0010=0(準備 )。 根據 系統 分析， 需要九個輸入量，輸出端由三 八通信線實現 其 I/O 分配 如表 所示。 表 系統的 I/O分配 序號 PLC地址（ PLC 端子） 電氣符號 （面板端子） 功能說明 1 啟動開關 變頻器開始運行 2 停止開關 變頻器停止運行 3 急停開關 變頻器緊急停止 4 復位開關 變頻器錯誤復位 5 反轉開關 變頻器反轉運行 6 減速開關 變頻器減速運行 7 加速開關 變頻器加速運行 8 全速開關 變頻器全速運 行 9 歸零開關 變頻器頻率歸零 變頻開環調速 外部接線 如圖 所示。 基于 PLC 的交流電機變頻調速系統 圖 變頻開環調速 外部接線圖 數字量方式多段速控制 在 MM420 變頻器 通過數字量的輸入 DIN DIN DIN3 不同的組合方式可實現七種不同的輸出頻率，從而實現多段速的控制。變頻器的參數設置如表 所示。 表 變頻器的參數設置 序號 變頻器參數 出廠值 設定值 功能說明 32 P0700 2 2 選擇命令源（ 由端子排輸入 ） 33 P0701 1 17 固定頻率設值（二進制編碼選擇 +ON命令） 34 P0702 12 17 固定頻率設值（二進制編碼選擇 +ON命令） 35 P0703 9 17 固定頻率設值（二進制編碼選擇 +ON命令） 36 P1001 固定頻率 1 37 P1002 固定頻率 2 38 P1003 固定頻率 3 39 P1004 固定頻率 4 40 P1005 固定頻率 5 41 P1006 固定頻率 6 42 P1007 固定頻率 7 基于 PLC 的交流電機變頻調速系統 輸入輸出分配 如表 所示 。 表 系統的 I/O分配 序號 PLC地址（ PLC 端子） 電氣符號 （面板端子） 1 K1 2 K2