港口物流设备及其自动化——毕业设计——基于mcgs的变频机组运行监控系统的研究

港口物流设备及其自动化——毕业设计——基于mcgs的变频机组运行监控系统的研究内容摘要：

工作曲线的其他有关数据。 对于不能直接显示被试电动机输出机械功率的负载设备或不论采用何种负载设备但效率要求采用间接测定的（或称为损耗分析法），负载试验的目的则是为准确得被试电动机的效率、功率及转差率等而测取一些有关数据，一般为若干组定子电流、三相输入功率、转差率（或转速）、定子电阻等。 试验方法 被试电机通过联轴器与直 流电机连接。 当异步电动机转动的时候，带动直流电动机做发电机运行，从而产生输出电压，直流发电机反馈到设备区的直流电动机上或可控硅直流电源上，由于直流发电机消耗能量，所以在发电机轴上就产生一个负载转矩。 如果增加直流发电机的励磁，则发电机的磁极的磁性将增强，在电动机转速不便的情况下 E=Ceφn，发电机的输出电压将增加，消耗在设备区直流电源上的功率也就相应增加，从而负载的转矩也就增加，所以通过改变直流发电机的励磁来改变电动机的负载转矩大南通航运职业技术学院毕业设计（论文） 6 小。 测试应该在被试电机接近热状态下进行，以直流发电机作为负载，在额定功率和额 定频率，改变负载，在 ～ 倍额定功率范围内测取 6～ 8 点读数，每点同时测量 :三相电压，三相电流，输入功率，功率因数，转差率，输出转矩。 转差率实际上是通过测出转子的转速，由式 (24)计算出来的。 S=(nsnr)/ns (24) 式中 : ns定子磁场的转速 (r/Min)。 nr转子的实际转速 (r/Min)。 ns =60f/p。 f电源频率 Hz。 p电机极对数。 功率因数 :电机的功率因数可以按式 (25)确定 : cos =P1/(3U1I1) (25) 式中 : P1输入功率 W。 U1线电压 V。 I1定子线电流 A。 但是通常采用两瓦特表法，可用式 (26)校核由上面的计算公式得到功率因数值 : cos =1/ 22121 )]/()[(31 WWWW  (26) 其中 W1， W2为两个瓦特表的测量值。 若两种计算公式计算出来的结果相差不大于 1%，则表明结果是正确的。 在此测试 系统中，功率因数是直接从功率分析仪中直接读取。 如果限于设备对立式和 3O0kW 以上的电动机或大于 8 极、 2OOkW 以上的电动机，允许按照相关的圆图法或等值电路法求取额定功率时的工作特性。 由以上介绍可以看到，要进行温升试验和负载试验是必须要配备相关的试验设备，下面介绍试验用交流电源的相关内容。 对试验用交流电源的要求 试验用交流电源设备包括电力变压器、调压器、交流发电机组等，它们又可分为单相和三相、电压固定或可调、单频率、多频率和可调频率、工频、中频等多种类型。 选用时，除按使用要求选择设备额定容量等 有关性能参数外，还有两个不易直接测量到的指标 谐波电压因数和三相电源的对称性应予以考虑。 对谐波电压因数的要求 正弦交流电的谐波电压因数又称为 HVF 值，其求取公式是 HVF= nn2U （ 31） 式中 Un以额定电压 UN为基的 n 次 谐波 电压的标幺值； 南通航运职业技术学院毕业设计（论文） 7 n谐波 次数，对三相电源不包括 3 及 3 的倍数。 通常取 n≤ 13。 谐波 电压因数可通过示波器测得各次 谐波 后，再由式（ 31）求得，也可利用专用的测量仪器直接测得。 对用于 电机试验的正弦交流电源，在进行电机温生试验时， HVF 应不大于 ；其他试验， HVF 应不大于。 电机试验电源的分类 电力变压器 电力变压器是将电网输送的高压电转换成常用低压电的电源设备 ,有单相和三相、干式和油浸、自冷和风冷之分。 试验电源变压器就是电力变压器，如果专为试验站设置一个电源变压器，则应根据试验站的环境条件、试验设备的总容量以及使用率等因素对变压器进行选择。 这里最主要的是参考做为试验主要电源设备之一的调压器的额定容量来选择。 一般情况下，电力变压器的容量大对试验本身来 讲是有利的，但容量过大就会带来设备投资大、运行损耗高等不利问题。 通常电力变压器的额定容量应为调压器容量的 1～ 倍。 三相感应调压器 在电机试验电源设备中，三相感应调压器是最常用的主要设备。 在试验中，被试电机的三相电源一般直接来自它的输出端，所以它的性能好坏将直接影响被试电机测试数据的准确性和精度。 选择电机试验用三相调压器主要考虑以下三方面的因数； （ 1）试验电机的最大容量（或额定电流）。 其与三相调压器的额定容量和最大负载电流的关系见表 31； （ 2）被试电机的额定电压 UN，调压器最高电压应 ≥ ，最低电压应≤。 （ 3）电压波形的谐波因数及三相电压对称性应符合电机试验的要求。 表 31 三相调压器的试验能力 [调压比为 380/（ 0～ 650） 三相调压器 试验电机最大容量（三相异步电动机）（ kW） 额定容量 （ kVA） 最大负载电流（ A） 温升及负载试验 满压堵转试验 100 50 40 13 160 142 63 17 200 178 90 25 南通航运职业技术学院毕业设计（论文） 8 250 222 110 30 400 355 160 50 630 560 250 75 1000 890 400 125 交流单频率发电机组 交流单频率发电机组分工频 (50HZ)、 60 HZ和中频（ 400、 500、 1000 HZ）三种。 工频机组常用于电网三相电压经常波动、严重不平衡或波形正弦性畸变率较大的场合，同时也可做为可调压电源使用。 它可由一台由电网供电的电动机（异步机或同步机，同步机较好，异步机则应选用转差率在 1%以下者）拖动一台同极数的同步发电机组成。 发电机他励或自励。 60 HZ机组主要 用于做 60 HZ电机试验的电源。 性能较好的是用一台由 50HZ电网供电的 10 极同步电动机同轴拖动一台 12 极同步发电 机组成的发电机组，发电机他励。 这种机组输出电压频率比较稳定。 中频发电机组是中频电动机电器的专用电源，在低压大容量电机绕组进行匝间耐电压试验时也有应用。 中频电源恩 400、 500、 1000HZ 三个档次。 电动机也有同步电动机、直流电动机和异步电动机三种，第一种最好。 交流变频发电机组 (简称变频机组 ) 交流变频发电机组可用做不同频率电动机的试验电源 ,但其主要用途是在对拖法做温生和负载试验时作陪试电机 (负载电机 )的变频电源。 它输出的交流电的频率可在被试电机额定频率的 80%～ 120%范围内调整，电压可在陪 试电机额定电压的 20%～ 130%范围内调整。 专用陪试电机调频电源时，其输出电压的正弦性畸变率可放宽一些要求。 南通航运职业技术学院毕业设计（论文） 9 第三章 变频机组硬件设计 变频机组的组成 “ 四机组 ” 变频电源机组 用于中小容量电机试验的变频机组可由四台电机组成 ,由一台由电网供电的交流同步(或异步 )电动机同轴拖动一台直流电机 ,再用一台直流电机拖动一台交流他励同步发电机组成两个半套机组 ,然后 ,两台直流电机进行电的连结。 两台直流机构为他励，如图 31 所示。 图 31 四台电机组成的变频机组 “两机组”变频电 源机组 由一台由电网电源供电的无级调速异步电动机拖动一台他励同步发电机组成的变频电源机组，简称“两机组”变频机组。 无级调速电机可采用三相换向器电动机和其他调速范围在 80%～ 100%同步发电机转速以内的调速电动机。 两机组变频机组设备投资少，使用也很方便，但它一般只能发出小于被试电机额定频率的电压，所以只能做温升和负载试验时陪试电机的电源。 变频机组的运行 本设计课题主要采用变频机组中的“四机组”变频机组作为电源来进行电机试验。 南通航运职业技术学院毕业设计（论文） 10 图 32 用变频发电机组做陪试电机电源的试验线路 变频机组作 为试验 电源的优缺点 作为电机试验的试验电源，变频机组与其他试验电源相比有以下优点以及缺点： 优点：用变频电源供电的反馈加载法调节方便、平稳、陪试电机和被试电机同型号时，可方便地“换位”可节约试验时间，节约电能。 缺点：但设备较多，造价高。 在用大容量机组试验小电机时，会造成“大马拉大车”而浪费能源另外机组占用场地大。 变频机组运行中 同步电机的起动 在 变频 机组中，同步电动机与直流发电机共轴，通过其旋转带动直流发电机的旋转，在控制线路的设计中，同步电动机的启动问题是同步电动机电气控制设计的重点，只有较好的 解决的启动问题，才能为整个系统的设计和工作打下良好的基础。 同步电动机的起动 同步电机仅在同步转速时才能产生恒定的同步电磁转矩。 起动时若把定子直接投入电网，转子加上直流励磁，则定子旋转磁场以同步转速旋转，而转子磁场静止不动，定、转子磁场之间具有相对运动，所以作用在转子上的电磁转矩快速地正、负交变，平均转矩为零，电机不能自动起动。 因此，要把同步电动机起动起来，必须借助于其他方法。 多数同步电动机都用异步起动法来起动。 为此，在电动机的主极极靴上装设笼型起动绕组（类似于感应电动机转子上的笼型绕组）。 同步电动机异步起动时的线路图如图 33 所示。 南通航运职业技术学院毕业设计（论文） 11 图 33 同步电动机异步起动时的线路图 起动时，先把励磁绕组接到限流电阻，然后把定子绕组接到三相交流电网。 这样，依靠定子旋转磁场和转子起动绕组中感应电流所产生的异步电磁转矩，电机便能起动起来。 待转速上升到接近于同步转速时，再将励磁电流接入励磁绕组，使转子建立主磁场；此时依靠定、转子磁场相互作用所产生的同步电磁转矩，再加上凸极效应所引起的磁阻转矩，通常便可将转子牵入同步。 一般来讲，负载越轻，加入直流励磁时电动机的转差率越小，就越易进入同步。 起动绕组所产生的转 矩 Te（起动） 类似感应电动机的异步电磁转矩，如图 44 所示。 当转速达到 （即转差率 s=）时，起动绕组所产生的异步转矩值称为牵入转矩。 起动时，要求起动转矩 Tst大，牵入转矩 Tpi也要大。 异步起动时，励磁绕组不能开路，否则定子旋转磁场会在匝数较多的励磁绕组中感应出高电压，易使励磁绕组击穿或引起人身事故。 但也不能直接短路，否则励磁绕组（相当于一个单相绕组）中的感应电流与气隙磁场相作用，会产生显著的“单轴转矩” Te(单轴 )，使合成电磁 Te转矩在 附近产生明显的下凹（见图 34），使重载起 动时电动机的转速停滞在 附近而不能继续上升。 为减少单轴转矩，可在励磁绕组内接入一个限流电阻，其阻值约为励磁绕组本身电阻的 5～ 10 倍。 南通航运职业技术学院毕业设计（论文） 12 图 34 同步电动机异步起动时的线路图 这里设计的同步电机起动方法如下： 图 35 中我们可以看到线路采取在电动机定子側用自耦变压器降压启动，转子部分则为按频率原则加入励磁，励磁电源由直流发电机供给。 线路组成：极性继电器、时间继电器、过电流继电器、交流接触器等。 保护：降压启动没有联锁保护，过电流继电器则作过载保护。 同步电动机的启动：合上 QF QF2，按上启动按 钮 SB2 同步电动机的停车：按动按钮 SB1 图 35 同步电动机起动设计 南通航运职业技术学院毕业设计（论文） 13 第四章 PLC与上位机的通信 概述 早期的 PLC 主要用来代替继电器实现继电接触器的逻辑控制。 随着控制技术的发展及微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的发展和数据通讯技术的不断进步，其功能已经大大超过了逻辑控制范围，使得 PLC 迅速渗透到工业控制的各个领域，包括从单机自动化到工厂自动化，从机器人、柔性机械制造系统到工业局部网络。 新一代的各类 PLC 都具有很强的通讯功能，它既能对远程的 I/O 进行控制，又可实现PLC 和 PLC, PLC 和计算机之间的通信。 通过二者的通信连接，可使 PLC 与计算机的功能互补， PLC 在控制方面可靠、方便，而计算机在图形显示、数据处理、打印报表以及中文显示等方面有很强的功能。 因此各 PLC 制造厂商纷纷开发出适合自己公司的各种型号PLC 与计算机通信的模块。 其中三菱电机率先开发了 MELSECNET 网络，随着集散控制及网络化控制不断普及，工业控制要求的不断提高，传统的 PLC 控制系统的网络化方向发展己成为趋势。 上位机与 PLC 之间的通讯实际上是计算机与 PLC 的上位连接模块之间交换命令和响应。 上位连接模块 能够对计算机发送过来的字符串进行分析，检查资料格式，分析指令代码。 再根据指令代码进行相应操作，并向计算机发出响应信号，通知计算机已经完成的操作或反映出通讯中的错误（ FCS 错误、代码错误、奇偶校验错误）。 由于整个系统采用上位机主动的通信方式， PLC 内部不需要用特定的梯形图编程语言来做下位机程序。 FX2N 系列 PLC 与计算机必须遵从 FXZN 系列 PLC 的特定通信协议， FX2N 有其自身独有的通信帧格式，通信是建立在以 RS232C/RS422C/RS485C 标准为基础的异步双向通信。 变频机组电气控制 电机试验 系统 图。