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中北大学2013届毕业设计说明书第1页共47页1绪论1.1本课题研究目的和意义PLC具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强、寿命长等到一系列优点[2]。可编程控制器(PLC)的核心微处理器，通过将计算机技术与传统的继电器控制系统有机结合起来，能够实现高度灵活、高可靠性的工业控制。为了进一步提高设备的自动化程度，越来越多的企业将PLC技术应用于其工厂设备中。将原有电机控制系统的技术进行改造，引入电机控制系统的数据自动采集、监控以及变频、组态技术完善并改进电机变频调速机构。该系统能对电机转速实现精确控制，实用性强，具有一定的推广价值随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用[5]。交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式[3]。本文对如何利用变频器连接PLC和控制对象，利用软件操作来控制电机的转速，达到远程自动控制进行了讨论[4]。在工业生产中，电机交流变频调速技术以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，被公认为最有发展前途的调速方式。PLC控制技术在自动控制系统中被普遍采用。本文构建了一个变频嚣连接PLC和控制对象，利用软件操作来控制电机转速．以达到远程自动控制的系统[8]。1.2交流变频调速技术的研究情况及其发展在21世纪电力电子器件的快速发展，使交流变频调速技术优越的性能得到迅速发展，同时控制理论进步，变频调速以其调速精度高、调速控制范围广、回路保护功能完善，响应速度快、节能显著等优点，现在以广泛的用于电力、制造、运输等国民经济领域[6]。变频调速技术现在被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器中北大学2013届毕业设计说明书第2页共47页构成变频调速传动系统的主要目的是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求以及节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器[1]。国外交流变频调速技术高速发展状况：功率器件的发展：近年来高电压、大电流的GTR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高低压大功率变频器产品的生产及应用成为现实。控制理论和微电子技术的发展：矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制、适应、神经网络等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础,32位高性能微处理器及信号处理器和专用集成电路（ASIC），SLE4520等的快速发展，为实现变频调速传动设备高精度、多功能提供了硬件手段[10]。基础工业和各种制造业的高速发展，变频调速传动设备相关配套件实现了社会化、专业化生产使得交流变频技术广泛应用。国内交流变频技术发展现状：从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距5－10年。在大功率交－交变频、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，但在数字化及系统的可靠性方面与国外还有相当差距。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、矿井卷杨方面有很大需求，发展前景比较乐观。在中小功率变频技术方面，国内学者作了大量的变频理论的基础研究，早在80年代，已成功引入矢量控制的理论，针对交流电机的多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦和非线性解耦的方法，探讨交流电机变频调速的策略控制[7]。进入90年代，随着高性能单片机和数字信号处理器的使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流感应电机特点，采用高次谐波注入SPWM和空间矢量控制（SVPWM）等方法，控制算法采用模糊控制、神经网络理论对感应电机转子电阻、磁链和转矩进行在线观测，在实现无速度传感器交流变频调速系统的研究上作了大量的基础研究。随着大功率变频器的推广应用，越来越多的企业在新的建设项目和技改项目中，开始考虑3KV电压等级以上的电机变频调速问题，市场开始升温。在刚刚起步的高压变频器领域，技术方案包括了高－低－高、高－低、高中多电平H桥主回路、三电平主回路和直接串联电流源型等多个技术流派。但总的来讲，高压变频调速市场目前在我国仍处于初级阶段，市场容量较小，但是高压变频技术、因其特有的自身功耗小的优势，还是吸引了包括国外许多企业不断加大研发和生产、力度。电气传动领域因变频技术的中北大学2013届毕业设计说明书第3页共47页发展而焕然一新，电压等级从110～10000V，容量从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率传动系统；从一般要求的调速系统到精度、快响应的高性能的调速系统。从单机调速到多机协调调速传动，几乎无所不有,实践证明交流调速技术的应用为工农业生产及节能方面带来了巨大的社会效益[9]。现在交流调速系统以全面、逐步取代直流调速系统，交流调速在电气传动领域中占据了统治地位已是公认的事实。变频器亦叫电动机变频调速器，是一种静止的频率变换器。中北大学2013届毕业设计说明书第4页共47页2总体设计2.1课题研究概述可编程序控制器原理及其应用课程是一门实用性、工程性和综合性很强的专业课，与工程实际联系紧密，应当通过实验、生产实习和课程设计等实践性教学环节，增强学生的综合运用能力。在目前很多的PLC的实习教学中，仅仅以可编程序控制器来进行实验教学，而没有控制对象，学生对可编程序控制器进行编程之后，通过观察输出口旷状态来确定程序的运行情况。在这类教学方式中学生往往只能进行验证性实验，没有条件进行外围设备的连接和控制[11]。本试验系统采用PLC、变频器和电机，构建一个PLC控制电机变频调速试验系统，通过PLC编程、外围设备之间的连线，可以使我们在试验设计过程中培养实践动手能力，加深对变频调速技及PLC控制技术的理解。本试验系统要求在于研究开发对电机变频调速的正反转五段调速。2.2本课题系统功能的设计分析随着电力电子技术以及交流控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用。可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制。本次设计就是基于PLC的变频器调速系统通过PLC和变频器综合来实现电机的正反转五段调速。因此，该系统必须具备以下三个主体部分：控制部分、运算部分和执行部分。控制运算主要由PLC和变频器来完成，执行元件为变频器和电机。本设计的主要内容是基于松下系列PLC、变频器完成对三相异步电机的变频调速控制的开发，实现对电机的正反转五段速控制[14]。正反转五段速控制为开环控制，通过外部1—5档和正反转的控制按钮来控制电机按照不同转速正反转运转。2.3系统的结构及选择硬件系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机。中北大学2013届毕业设计说明书第5页共47页速度给定PLC变频器电机图2.1硬件电路图表2.1硬件型号表格PLC的型号松下FP-C32CT变频器型号松下VFO电机三相异步电机2.4本课题要研究的问题（1）系统的组成（PLC变频器电机）（2）PLC的选型及I/O分配（3）PLC与变频器，变频器与电机的连接(4)变频器的选择和参数设计(5)硬件设计和PLC的编程2.5研究方法、步骤和措施通过查阅利用各种文献资料，在相关理论的基础上设计一套plc的交流变频调速方案并利用实验室现有的硬件和软件设备进行调系，掌握PIC的电机变频调速系统的工作系统和原理。(1)掌握交流变频调速系统的工作原理和设计方法(2)掌握PLC的使用方法和编程思路(3)完成PLC梯形图的编写(4)掌握变频调速的原理控制方式中北大学2013届毕业设计说明书第6页共47页2.6本文内容的安排电机的变频调速为本文的主要内容且详细介绍了相关技术的发展概况并且对相关技术的原理进行了深入理解。具体包括以下几个方面:（1)本试验设计的研究背景及意义、相关技术的发展概况以及本课题研究概述；（2)总体设计；（3）变频调速原理及松下VFO变频器的介绍；（4）系统的硬件设计；（5）系统的软件设计；（6）电路的调试；（7)总结。中北大学2013届毕业设计说明书第7页共47页3变频调速原理及松下VFO变频器的介绍3.1变频器原理3.1.1变频器的构成变频器是一种把工频电源(5OHz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以控制电机的变速运行的装置。变频器主要由主电路和控制电路两部分构成，其中主电路包括整流电路和逆变电路两部分，控制电路完成对主电路的控制。整流电路把工频电源的交流电变换成直流电且对直流电进行平滑滤波，逆变电路把直流电再逆变成各种频率的交流电。对于通用变频器单元，变频器一般是指包括逆变电路、整流电路和控制电路部分的装置[15]。图3.1交直交变频器系统框图变频器的它由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成。（1）整流器：整流器的作用是把三相或单相交流电变成直流电。（2）中间直流环节：由于逆变器的负载为电动机，属于感应负载，其功率因数总不会为一，因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量需要考中间直流环节的储能原件来缓冲。（3）逆变器：最常用的逆变器是三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中主开关元器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。（4）控制电路：控制电路通常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电控制系统电机逆变电路中间直流电路直流中间电路整流部分~~~~~中北大学2013届毕业设计说明书第8页共47页路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能[10]。3.1.2变频器调速原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它的主电路都采用交—直—交电路。JP6C-T9/J9系列低压通用变频器工作电压为：380～690V，功率为0.75～800kW，工作频率为0～400Hz；JP6C-YZ系列中压通用变频器工作电压为：1140～2300V，功率为37～1000kW，工作频率为0～400Hz;JCS系列高压变频器工作电压为：3KV/6KV/10KV，功率为280～20000kW,工作频率为0～60Hz[5]。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60f（1-s)／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。由式可知，转速n与频率f成正比，如果不改变电动机的极数，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在（0～50Hz）的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。节能调速原理一般使用的风机、水泵类它们额定风量、水量都超过实际需要，又因工艺的需要，往往运行中要改变风量、水量，而目前多数采用档板或阀门来调节的，虽然方法简单，但实质是人为增加阻力的办法。因此浪费大量电能，属不经济的调节方式。从流体力学原理可知，风机的风量、水泵的流量与电机转速及电机功率的关系如下：当风机转速下降时，电动机的功率迅速降低，例风量下降到80％，转速亦下降到80％时，则轴功率下降到额定的51％，若风量下降到50％，轴功率将下降到额定的13％，其节电潜力非常大，并有下述曲线、阴影部分表示采用变频器调速方式的节电效果，其节电可达30-40％效果十分明