基于plc控制的变频调速的系统设计专科毕业论文(编辑修改稿)

基于plc控制的变频调速的系统设计专科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

步转速 (r/min)。 1f — 定子频率 (Hz)。 pn — 磁极对数。 成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （ 基于 PLC 控制的变频调速的系统设计 ） 10 而异步电动机的转速为 : )1(60)1( 11 sn fsnn p  式中 : s 异步电动机的转差率 11nnns  改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。 当然，也可以通过改变转差率，和磁极对数 n ，来改变异步电动机的转速。 但是变极 对 数和变转 差率在调速领域内的应用范围较小，而变频调速具有高效率、高范围和高精度的调速性能，是比较合理的调速方法。 交流变频器正是通过均匀的改变输入异步电动机定子的供电频率来调节电动机转速的。 对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持不变。 磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负荷能力下降。 磁通太强，则由于过励磁状态，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，负载能力要下降。 异步电动机的气隙磁通 ( 主磁通 )是定、转子合成磁动势产生的。 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 : m111  NfE 式中 1E — 定子每相由气隙磁通感应的电动势的均方根值 (V)。 1f — 定子频率 (Hz)。 1N — 定子相绕组有效匝数。 Φ m— 每相磁通量 (Wb)。 由上式可见 ,Φ m的值是由 E1 和 f1共同决定的，对 E1和 f1进行适当的控制 ,就可以使气隙磁通Φ m保持额定值不变。 下面分两种情况说明 : 这是考虑从基频 (电动机额定频率 AN)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Φ m不变， 这就要求降 低供电频率的同时降低感应电动势，保持 E1/ f1 = 常数， 即保持电动势和频率之比为常数进行控制。 这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。 但是， E1难于检测和直接控制。 当 El和 f1值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如果忽略不计，则可以近似 的保持定子相电压 U1和频率 f1的比值为常数即可。 这就是恒压频比，是近似的恒磁通控制。 当频率较低时， U1和 E1都变小， 定子漏阻抗压降 (主要是定子电阻压降 )不能再忽略 ,这种情况下，可以适当的提高定子电压以 补偿定子电阻压降的影响 ,使气隙磁通基本保持不变，。 这是考虑由基频开始向上调速的情况，频率由额定值 . f 1N向上增大，但电成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （ 基于 PLC 控制的变频调速的系统设计 ） 11 压 U1受额定电 压 U1N的限制不能再升高，只能保持 U1 =U1N不变。 必然会使主磁通随着 f1的上升而减小，相当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。 综合两种情况，异步电动机变频调速的基本控制方式如图 22所示，为恒转矩区和恒功率区，低频调速时通过电压补偿的方式来保持恒转矩。 图 22 异步电动机变频调速时的控制特性 第三节 变频调速控制方式分类 在变频调速领域，异步电机的控制方式多种多样，但从转矩的响应性和过渡特性来看，变频调速的控制方式分为以下几种 : ① U/F 控制 U/F 控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过控制过程中始终保持 U/F为常数，来保证转子磁通的恒定。 然而 U/F 控制是一种开环的控制方式，速度动态特性较差，电机转矩利用 率低，控制参数 (如加 /减速度等 )还需要根据负载的不同来进行相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器等器件开关延时的存在，系统可能会发生不稳定现象。 这种控制方式多用于调速精度不高的场所。 ②转差频率控制 转差频率控制是检测异步电动机的转速，对转差频率采取闭环控制。 与 U/F控制相比，调速精度要求较高，且系统容易稳定，即能在宽广的调速范围内，将电动机的转矩、功率因数及效率控制在最佳状态。 但是采用此法的电动机调速系统只能是单机运行，同时转差频率控制未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制，尽管这种系统的静态精度较高，但 由于快速性较差，故适用于对响应的快速性要求不高的系统。 ③矢量控制 矢量控制是一种建立在转子磁链定向的基础上，通过一系列的坐标变换，实成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （ 基于 PLC 控制的变频调速的系统设计 ） 12 现电机定子电流转矩分量和磁通分量的解藕的控制方法，可以将作为控制对象的感应电机当作直流电机来进行控制，实现对瞬时转矩的控制。 目前，实用中多采用转差频率矢量控制，由于其没有实现直接磁通的闭环控制，无需检测出磁通，因而容易实现。 但是其控制器的设计在某种程度上依赖于电机的参数，为了减少控制上对电机参数的敏感性，已经提出了许多参数辨识、参数补偿和参数自适应方案，收到了较好的效果。 ④ 直接转矩控制 直接转矩控制 (DTC)也是一种转矩闭环控制方法，其克服了坐标变换和解祸运算的复杂性，直接对转矩进行控制，通过转矩误差、磁通控制误差，按一定的原则选择逆变器开关状态，控制施加在定子端的三相电压，调节电机的转速和输出功率，达到控制电机转速的目的。 由于 DTC 直接着眼于转矩控制，对转子参数变化表现为状态干扰而非参数干扰， DTC方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒性。 但是 DTC 也存在不足之处，其最大的困难就在于低速性能不理想。 异步电动机用变频器传动的方块图，如图 23 所示，变频器由变流器、平滑电路、逆变器 、控制器四大部分组成，变流器将交流电变为直流电，平滑电路将此直流电平滑后，由逆变器将它变换为频率可调的交流电，向电动机提供电压、电流和频率。 图 23 变频器的基本结构 第四节 变频器按中间直流环节方式分类 电流型变频器 当交 直 交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器。 有的交 交变频装置用电 抗器将输出电流强制变成矩形波 或阶梯波，具有电流源的性质，它也是电流源型变频器。 这种电流源型变频器，其逆变器中的晶闸管每个周期工作 1200 ，属于 1200导电型。 电流源型变频器一个突出的优点是当电动机处于再生状态时，反馈到直流侧的再生电能可以方便的回懊到交流电网，不需要主回路中附加任何设备，只要利成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （ 基于 PLC 控制的变频调速的系统设计 ） 13 用网侧的可逆变流器改变其输出电压极性即可，这种电流型变频器有制动发电能力，又能设置电流环提高承载能力，适合需要快速减速和调速范围宽的场合，适配大功率电机，国内单机容量可达 120xxKW，国外达数万 K W级。 电压型变频器 在交 直 交变 压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器。 一般的交 直 交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电 源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压源型变频器。 对负载电动机而言，变频器是一个交流电压源，在不超过电压容量的情况下可以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性。 中小功率变频器通常采用电容滤波即电压型变频器。 逆变器开关器件己由晶闸管 （ SC R)、功率晶体管 （ GTR)，发展到 绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)，以至智能型功率模块 (IPM)，集成门极换流晶闸管 (IGCT)等。 成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （ 基于 PLC 控制的变频调速的系统设计 ） 14 第三章：系统设计 第一节 提升机电控系统总体结构 独特的地理环境和构造给矿井主电路设计和维护带来诸多不便，本设计中我们用 P L C 实现各种故障保护和对继电器 I/O 口触点的控制，大大节约了人力物力财力，使维护变得安全可靠。 来自系统各部分的保护信号直接引入到 P L C中， P L C 将其处理后分为立即施闸、终端施闸、电气制动和报警四类，根据不同故障控制闸控系统 ， 控制声光报警系统报警，并送监视器显示故障类型。 由保护 P L C 根据系统的安全要求，构成软件安全回路。 还将由编码器信号经软件计算后处理成罐笼在井筒中的在线速度， 进行后备位置、 速度保护。 基于PLC 控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、变频器、操作台和控制监视系统组成，系统框图各部分功能如下： 动力装置：包括主电机、电源模块、制动器和底座，完成人、物、料的运输任务。 主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需的动力； 变频调速器：是动力装置的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交 流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。 操作台：操作台设置两个手柄，分别用于速度辅助给定及制动力给定。 它是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工作方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。 控制监视系统：是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。 成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （ 基于 PLC 控制的变频调速的系统设计 ） 15 第二节 PLC 外围硬件设计 一 、 电源回路 电源部分采用双回路供电模式，电源柜主要是给变 频柜和动力柜供电，同时用来进行过流保护和电压、电流测量。 并且将操作台中的主电源上电开关串入变频柜送电断路器的失压脱扣线圈中，用来实现紧急停车。 供电主回路示意图如图31 所示。 图 31 主电路回路图 动力柜主要是给油泵、风机和操作台供电，同时具有断相、缺相、过流保护和电机过热保护。 其中油泵有 :制动油泵两个，润滑油泵两个。 操作台采用 UPS电源供电。 操作台电源供电方式，如图 32 所示，从动力柜来的 AC220V 电在操作台中经断路器分六路供电，分别给两套 PLC 电源模块供电、给数显仪表供 电、给开关电源 (AC220V 输入， DC24V 输出 )、给可调闸线性电源供电。 其中 :开关电源分别给 DC24V 回路、液压站电磁阀和现场仪表供电。 成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （ 基于 PLC 控制的变频调速的系统设计 ） 16 图 32 操作台供电方式 二 位置信号采集及传感器的信号采集 行程开关的设置 (1)深指器 (如图 33(a)所示 )上一共安装七个行程开关，依次分别是 :上过卷开关、上终端开关、减速点开关、上井口开关、下终端开关、下过卷开关、下井口开关。 其中上过卷开关，减速点开关，上下井口开关分别接常闭触点引入操作台中。 (2)辊筒 (如图 33(b)所示 )出绳口附近也安装一个行 程开关，用来检测松绳(延时 85)，辊筒离合器附近安装三个行程开关，分别用做检测离合器分、合状态和调绳闭锁。 图 33 深指器和辊筒 成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （ 基于 PLC 控制的变频调速的系统设计 ） 17 (3)室外井架上安装两上终端开关，两个过卷开关，两个极限过卷开关。 外接线时用防爆接线盒与电缆对接。 图 34 井架及井筒行程开关的设置 在左右装卸位置安一个，作 为上下终端开关在左右装卸位置往上 米 安一个，作 为上下过卷开关在左右过卷往上 米 安一个，作 为上下极限过卷 开关。 (4)井筒中包括井架上安装 6 个防爆磁开关 (一般为常开带记忆型的 )。 分别在如下位置安装 : 在左右爬行入口处各安一个，作 为上下井口开关 在左 右减速开始点位置各安一个，作 为上下减速点开关 在左右减速点开关前 5 米 各安一个，作 为上下深度校正开关。 如图 34所示。 传感器的安装 传感器的设置主要是针对液压站和润滑站两部分。 液压站的主要作用是 :可以为盘式制动器提供不同的油压值的压力油，以获得不同的制动力矩。 在事故状态下，可以使制动器的油压迅速降到预选设定的某一值 P。 级，经过沿时后制动器的全部油压迅速回到零， 使制动器达到全制动状态。 成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （ 基于 PLC 控制的变频调速的系统设计 ） 18 图 35 液压站及润滑站 A液压站部分 (如图 35(a)所示 )所。