基于PLC的三相异步电机变频调速系统的设计

基于PLC的三相异步电机变频调速系统的设

计

摘要

随着科技的进步，电机的运用已经深入到各行各业的各个领域。而现今也是一个资源高度消耗造成能源匮乏的时代，在这个时候考虑如何让其在高可靠性的同时又有效的节约能源耗费提高自身的效率，这不仅可以使企业的生产成本降低，而且对于社会的可持续发展有着重要的意义。本文所讨论的是利用PLC控制的三相异步电机变频调速的基本原理与实现方法。三相异步电机一般的调速方法有：降压调速，转子回路串电阻调速，变极调速，串极调速，变频调速等。但是这些调速方法都有着各自的缺点，降压调速的调速范围很小，没有多大的实用价值；转子回路串电阻调速不利于空载或轻载调速，效率低，经济性差；变极调速调速的平滑性差；串极调速的控制设备复杂，成本高，控制困难。所以调速性能至少需从两方面考虑。第一，应从节能和提高效率的角度考虑，应将损耗在转子附加电阻上的能量吸收，转化成别的有用的能量或反馈到电网，以提高传动系统的效率。第二，应从高性能调速要求考虑，应用控制理论，将其组成闭环调速控制系统，满足调速精度、动态响应等各项指标的要求。

综上所述，利用PLC控制的变频调速系统，是使三相异步电动机实现高性能高效率调速的有效办法。通过改变定子绕组的供电频率f来实现，当转差率s一定时，电动机的转速n基本上正比于f。很明显，只要有输出频率可以平滑调节的变频电源，就能平滑的调节异步电动机的转速。

关键词：变频调速，PLC，异步电机

The three-phase asynchronous motor variable frequency speed regulation system based on PLC design

Abstract

Human being is seriously threatened by exhausting mineral fuel, such as coal and fossil oil. As a kind of new type of energy sources, solar energy has the advantages of unlimited reserves, existing everywhere,using clean and economical .But it also has disadvantages ,such as low density,intermission,change of space distributing and so on. These make that the current series of solar energy equipment for the utilization of solar energy is not high. In order to keep the energy exchange part to plumb up the solar beam,it must track the movement of solar.In this paper, the solar tracking system of the mechanical part and control system part are designed.

Mechanical structure mainly includes the main spindle, stepping motors, gears and gear ring, and so on. When the sun's rays has a deviation, small gear are rotated by stepper motor according to the control signal from MCU. And the large gear and main spindle is rotated by small gear in order to track to achieve the level direction.At the same time, another small gear is rotated by another stepper motor according to the control signal.And the large gear and the solar panels are rotated by the small gear in order to track to achieve the vertical direction. Solar is tracked by the two stepper motors together.

Control system mainly includes the sensors part, stepper motor, MCU system and the corresponding external circuit, and so on. Photoelectric detection system is used to track solar. Sensors use photosensitive resistance. The two same photosensitive resistances were placed in east and west direction of the bottom edge .When the two photosensitive resistances received different light at the same time, the signal from comparison circuit is sent to MCU in order to rotate stepping motors.

Keywords: Frequency control, PLC, asynchronous motor

目录

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1 绪论 (1)

1.1 本课题的背景及意义 (1)

1.2异步电机变频调速的发展概况 (1)

1.2.1电力电子技术的发展 (2)

1.2.2变频调速控制理论的发展 (2)

2 PLC的运用和发展 (4)

2.1PLC的历史和发展 (4)

2.2 PLC的特点与应用 (4)

2.2 PLC的工作原理 (5)

3 三相异步电机及其数学模型 (6)

3.1三相异步电机概述 (6)

3.1.1基本工作原理 (6)

3.1.2基本结构 (6)

3.1.3旋转磁场 (8)

3.2三相异步电机转矩特性与机械特性 (9)

3.2.1电磁转矩（简称转矩） (9)

3.2.2机械特性曲线 (10)

3.3异步电机原始数学模型 (11)

4 变频器及变频调速原理 (13)

4.1变频器 (13)

4.1.1变频器的功能 (13)

4.1.2变频器的原理 (14)

4.2变频调速原理 (15)

4.3 V/F控制原理 (16)

5 变频调速系统总体设计 (17)

5.1变频调速系统硬件设计 (17)

5.2变频调速系统软件设计 (18)

6 结论 (21)

致谢 (22)

参考文献 (23)

1 绪论

1.1本课题的背景及意义

随着电力电子技术的发展，以及各种新型控制器件和先进控制方法在电机调速系统中的应用，三相异步电机控制精度得到极大提高。为了满足高性能和节能环保的要求，三相异步电机以其特有的调速优点，正逐步取代直流调速。电机的调速被广泛的运用到我们的生产、生活的各个领域中。例如：生活用品、工业生产、汽车、飞机、船舶、机床、制冷等等，所以他的运用范围极其的广泛。近年来，我国的冰柜年销量达3000多万台，每台都需要电机调速控制，可见电机调速应用的市场非常的巨大。

电机分为直流电机和交流电机两大类。直流电机由于其便于控制和控制精度比较高的特点，在很长一段时间内被广泛应用，被人们认为难以被其他电机所取代。但随着电力电子技术的发展，各种新型控制器件和先进控制方法在电机调速系统中的应用，是交流电机的控制精度得到极大的提高。此外由于交流电机具有成本低廉、结构简单、高可靠性、运行方便可靠、环境适应能力强、高速低转矩时运转效率高、低速时有高转矩，以及有宽泛的速度控制范围等优点，过去直流电机占主导地位的调速传动领域已逐渐被交流电机取代。

另一方面，随着世界经济的不断发展，科学技术的不断提高，能源和环保问题日趋成为人们争论的主题。充分有效的利用能源已成为紧迫问题。就目前而言，电能是人类运用最多的能源之一，同时也是浪费最多的能源之一，为解决能源问题，必须从电能问题着手。其中最具代表性的就是电机控制。在发达国家有一半以上的电能是用于电机的能量转换，这些电机传动系统中有90%是交流异步电机产生的。而在我国，电机的年耗电量达6000多亿千瓦时，占工业生产的80%以上。并且使用中的还是中小型异步电机，加之设备陈旧，管理、控制技术跟不上，所以造成了很多电能的浪费。因此电机的变频调速越来越受到人们的重视，同时对变频调速驱动系统也提出了高效率、高可靠性、多功能、智能化、小型化、低成本等要求。由此可见，异步电机的变频调速系统的研究具有重要意义。

1.2异步电机变频调速的发展概况

现代电力电子、微电子技术和计算机技术的高速发展，以及控制理论的完善，各种工具的日渐成熟，尤其是专用集成电路近年来令人瞩目的发展，促进了交流调速的不断发展。目前交流电机变频调速控制已经成为一门集电机、电力电子、自动化、计算机控制和数字仿真为一体的新兴学科。

1.2.1电力电子技术的发展

电力电子器件是现代交流调速装置的基础，其发展直接决定和影响交流调速的发展。

20世纪50年代出现硅晶闸管SCR；60年代出现门级可关断晶闸管GTO。

70年代出现巨型晶体管GTR和功率场效应晶体管MOSFET。

80年代相继出现绝缘栅双极型晶体管IGBT和绝缘栅双极型门控晶闸管IGBT。

90年代出现智能功率模块IPM。

SCR开关器件输出的电压或电流含有大量的谐波，造成电机转矩脉动大，严重影响了调速系统的性能。

GTO是高压大电流全控型功率器件，容量大，但关断能耗大。

GTR是电流驱动器件，通态压降低，容量没有GTO大，但功耗大，调制频率不高，噪声大。

MOSFET是电压型驱动器件，开关频率高，驱动频率小，安全工作区大，但是耐压不高。

GBT集GTR和MOSFET的优点于一体，是目前变频调速系统和通用变频器中使用最广泛的主流功率器件之一。

IPM是先进的混合集成功率器件，出高速低耗的IGBT和优化的门级驱动及保护电路构成，采用了有电流传感器功能的IGBT，能连续监控功率器件电流，从而实现高效的过电流保护，由于IPM集成了过热保护电路和锁定保护电路，系统可靠性得到进一步提高。

1.2.2变频调速控制理论的发展

第一阶段V/F控制

早期变频系统都是采用开环恒压比（V/F=常数）的控制方式，其优点是控制结构简单、成本较低、缺点是系统性能不高。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，电压利用率低，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差等。因此这种控制方式比较适合应用在风机、水泵调速场合。

随后发展的转差频率速度闭环控制系统虽然说基本上解决了异步电机平滑调速的问题，同时也基本上具备了直流电机双闭环控制系统的优点，结构也不算复杂，已经能够满足许多工业应用的要求。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高的要求时，上述系统性能还是不及直流调速系统。原因在于其控制系统规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式推导出的平均值控制，在忽略了过渡过程的前提下做出较强的假设，这就使得设计结果与实际相差很大，系

统在稳定性、起动及动态响应方面的性能还不能满足工业系统的需求。

第二阶段矢量控制

交流传动理论在70年代获得了突破性的发展。德国西门子公司的F.Blacksnake等提出的“感应电动机磁场定向控制原理”和美国P.C.Dustman和A.A.Clark提出的“感应电机定子电压坐标变换控制”奠定了矢量控制的基础。这种理论的出发点是：考虑到交流电机的非线性、多变量、强耦合的时变系统，通过坐标变换重建电动机模型即可等效为一台直流电动机。气候，随着现代控制理论、微处理技术电力电子技术的不断发展与应用，矢量控制的交流调速系统进入了伺服控制的高精度领域，而且实现了无速度传感器的矢量控制。然而矢量控制在实际系统中存在很多的问题，即转子磁链难以准确观测，系统特性受机变化影响较大，以及在模拟直流电动机控制过程中所用的矢量旋转坐标变换的复杂性，使得实际控制效果难以达到理论分析的结果，虽然传动领域的专家们针对矢量控制上的缺陷做过许多的研究和探讨，但是这方案的引入使得系统复杂化，控制的实时性和可靠性降低。

第三阶段直接转矩控制

1985年德国鲁尔大学Pembroke教授首先提出直接转矩控制理论（DTC）。直接转矩控制与矢量控制不同，DTC摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单的通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得的差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制技术是空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节器产生脉宽调制（PWM）信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，一获得转矩的高动态性能。

直接转矩方法优点在于：直接在定子坐标系上分析交流电动机的数学模型、控制电动机的转矩和磁链，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。

直接转矩的缺点在于：由于直接转矩控制系统是直接进行转矩的控制，避开了旋转坐标变换，控制定子磁链而不是转子磁链，不可避免的产生转矩脉动，降低调速性能，因此只能用于在对调速要求不高的场合。同时，直接转矩系统的控制也较复杂，造价较高。

进几年，直接转矩控制不断得到完善和发展，特别是随着各种智能控制理论的引入，又涌现了许多基于模糊控制、神经网络控制的直接转矩控制系统，控制性能得到进一步的改善和提高。

2 PLC的运用和发展

2.1PLC的历史和发展

世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。20世纪70年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。20世纪70年代中期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术己全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中己获得了广泛的应用。

近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O 模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。

2.2 PLC的特点与应用

PLC是一种专门为了在工业环境下应用而设计的数字运算操作装置。它采用一可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类型的机械或生产过程。PLC及有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。

PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。

1.可靠性高，抗干扰能力强。

2.通用性强，使用方便。

3.采用模块化结构，使系统组合灵活方便。

4.编程语言简单、易学，便于掌握。

5.系统设计周期短。

6.对生产工艺改变适应性强。

7.安装简单、调试方便、维护工作量小

目前，PLC在国内己广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类:

(一) 开关量的逻辑控制

这是PLC最基本最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控及自动化流水线.

(二) 数据处理

PLC可以用于对直线运动或圆周运动的位置速度和加速度的控制。

(三) 运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/0模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

(四) 过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制，PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

(五) 控制网络（通信）

随着计算机控制系统的发展，近年来工厂自动化通信联网发展得很快，各个著名的PLC生产厂商推出了自己网络系统。

2.2 PLC的工作原理

PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的。它是一种存储程序的控制器，用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序键入到PLC的用户程序存储器中寄存。

PLC扫描工作方式主要分三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。

（一）输入采样 PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样。PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输入端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。

（二）程序执行 PLC完成了采样工作后，按顺序从0000号地址开始的程序进行扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。

（三）输出刷新在执行到END的命令时，即执行完用户所有的程序后，PLC 将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。