PLC控制的变频调速系统的设计

[键入文字]题目：PLC控制的变频调速系统的设I目录第一章绪论……………………………………………………………………………11.1电机变频调速系统的发展……………………………………………………11.2本文设计内容及设计意义……………………………………………………21.2.1设计内容………………………………………………………………21.2.2设计意义………………………………………………………………21.3本设计的控制要求及控制方案………………………………………………31.3.1控制要求………………………………………………………………31.3.2控制方案………………………………………………………………3第二章变频调速系统分析……………………………………………………………32.1变频调速的基本原理…………………………………………………………32.2变频调速的控制方式…………………………………………………………42.3变频器的基本构成……………………………………………………………42.4矢量控制变频调速……………………………………………………………62.4.1矢量控制理论的提出…………………………………………………62.4.2矢量控制的思路………………………………………………………62.5变频器的保护、显示和预置…………………………………………………72.5.1过电流保护功能………………………………………………………72.5.2过电压保护功能………………………………………………………82.5.3欠电压保护……………………………………………………………8第三章变频调速系统硬件设计………………………………………………………93.1变频器的选择………………………………………………………………93.2Micromaster440变频器的特性………………………………………………103.2.1Micromaster440主要特性…………………………………………103.2.2Micromaster440性能特征…………………………………………113.3Micromaster440的控制电路…………………………………………………123.4Micromaster440变频器的调试………………………………………………133.4.1用状态显示屏(SDP)进行调试………………………………………133.4.2用SDP进行的基本操作……………………………………………143.4.3用基本操作板(BOP)进行调试………………………………………143.5PLC的选择…………………………………………………………………16II3.5.1西门子S7—200PLC…………………………………………………163.5.2S7—200PLC224CPU的基本配置……………………………………173.6EM—235模拟量工作单元…………………………………………………183.6.1性能指针………………………………………………………………183.6.2S7—200CPU224与EM235的连接…………………………………193.6.3EM235的安装使用及程序编制……………………………………193.7PID调节及PID指令…………………………………………………………203.8PLC变频调速系统电路原理方框图………………………………………22第四章三相异步电动机调速软件实现………………………………………………224.1异步电动机控制程序的设计………………………………………………224.1.1电机控制主程序………………………………………………………234.1.2系统初始化子程序……………………………………………………234.1.3转速给定模拟量信号采样及其滤波子程序…………………………244.2系统I/O分配…………………………………………………………………25第五章总结……………………………………………………………………………26参考文献…………………………………………………………………………………错误!未定义书签。致谢………………………………………………………………………………………错误!未定义书签。附录一……………………………………………………………………………………错误!未定义书签。附录一A系统电气接线原理图………………………………………………28附录一BPLC的接线端口图…………………………………………………29附录一C变频器的接线端口图………………………………………………30附录二……………………………………………………………………………………错误!未定义书签。1第一章绪论1.1电机变频调速系统的发展交流调速中最活跃，发展最快的就是变频调速技术。变频调速技术是交流调速的基础和主要内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变得可调了，从而可以充分利用这一极为有用得资源。电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态(位置、速度、加速度等)，实现电能一机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分为交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能，改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现，人为地可以改变电压的大小，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，而变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今自行开发生产的变频调速产品在国际上只相当于上世纪80年代水平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个既对国内企业，也对国外公司敞开的巨大市场。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活的需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部门在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，并且自己开发应用软件，为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然在很多方面取得很大成绩，但还存在国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重的问题。从总体上看我国电气传动的总体水平较国际先进水平差距10-15年。在大功率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当的差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬2方面有很大的需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎所以的产品都是普通的VHF控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场的需要，每年大量进口。交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换(整流、逆变)，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术可分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决(基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略)的软硬件开发问题(在目前状况下主要是全数字控制技术)。目前主要发展方向有以下几项:1实现高水平的控制;2开发清洁电能的变流器;3缩小装置的尺寸;4高速度的数字控制;5模拟与计算机辅助设计技术。1.2本文设计内容及设计意义1.2.1设计内容主要设计PLC控制电机变频调速系统的组成和控制方案。设计硬件电路，相关梯形图程序。应用变频控制的原理，以电机控制专用的PLC芯片为核心，设计出基于VVVF变频控制的变频调速系统。本文设计了整个硬件系统的主电路和控制电路(以PLC芯片为核心的控制电路，以及电流和转速检测电路)。同时采用电压空间矢量法来实现对异步电机的控制。1.2.2设计意义在调研中发现，目前很多工矿企业的调速方案大多数采用继电器接触器控制的转子串电阻调速。该方案耗能大，占地面积大，已不能适应现代工矿业发展的需要.因此有必要对其调速方案进行改造。本文调速系统控制单元采用目前工控适用的可编程控制器来控制，具有编程简单和控制可靠性高的优点。电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置，运用先进的矢量控制技术，优化了调速系统的性能，这一控制方法目前仍为现代交流调速的重要研究方向之一。31.3本设计的控制要求及控制方案1.3.1控制要求通过PLC控制变频器，使三相异步电动机的运行呈现曲线运行，并通过远程控制电机的起动，停止，可对电机起动时间，减速时间设定调整。对额定功率在40—600KW,额定电流在30—350A，额定频率为50HZ的三相异步电动机进行控制，同时要求通过操作面板实时显示输出频率、输出电流、输出电压、转速等运行数据、运转信息、操作指导、功能码名称、设定数据、故障信息等，且具有过电流、短路、缺相、接地、过压、欠压、过载、过热、电动机过载、外部报警、电涌保护、主器件自保护等保护功能。1.3.2控制方案电机在加速和减速阶段采用开环控制，在恒速阶段采用闭环控制，且为防止出现超调或失控现象，系统具有限幅措施。在恒转速阶段的闭环控制采用PLC内部PID调节指令，而在PLC控制系统中使用的是PID数字调节器。用PLC对式)(KU=]/)1()([)()(tkekeTtjeTkeK编程可计算出)(KU,经EM235模拟量模块转化为0～20mA的电流信号，经AQ0口输出给变频器。作为变频器的输入电流信号，该电流信号控制着变频器的输出。变频器输出频率的改变使电机转速得到改变。电机实际转速经电机转速测速系统转变为直流0～10V的电压信号反馈给PLC.作为PLC的模拟量输入信号，该电压值再转化为数字量与给定值（SPN）比较后作为PID控制器的输入值te。第二章变频调速系统分析2.1变频调速的基本原理异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速，异步电动机的转速表达式：n=pSf)1(160=)1(0Sn可知，只要平滑地调节笼型异步电动机的供电频率1f就可以平滑地调节笼型异步电动机的同步转速n,从而实现笼型异步电动机的无级调速，这就是变频4调速的基本原理。变频调速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。2.2变频调速的控制方式对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁通太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，为使电动机不过热，负载能力也要下降。由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为：1E=mNf1144.4式中1E——定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值(V)1f——定子频率(Hz)1N——定子相绕组有效匝数m——每极磁通量由上式可见，m的值是由1E和1f共同决定的，对1E和1f进行适当的控制，就可以使气隙磁通m保持额定值不变。其分为两种情况：1、基频以下的恒磁通变频调速这是从基频向下调速的情况。为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通m不变，这就要降低供电频率的同时降低感应电动势，保持11fE=常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。这种控制属于恒转矩调速方式。2、基频以上的弱磁变频调速这是由基频开始向上调速的情况。频率由额定值nf1向上增大，但电压1U受额定电压nU1的限制不能再升高，只能保持nUU11不变。必然会使主磁通随着1f的上升而减小，相等于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。由上面的讨论可知，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现VVVF调速控制。2.3