基于PLC的异步电机调速系统开题报告

题 目 基于 PLC 的异步电机调速系统 学 院 电气信息学院 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 学 号 指导老师 年 月 日 开题报告填写要求 1 开题报告 含 文献综述 作为毕业设计 论文 答辩 委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一 此报告应在指导教师 指导下 由学生在毕业设计 论文 工作前期内完成 经指导教师 签署意见及所在专业审查后生效 2 开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标 准格式 可从教务处网页上下载 打印 禁止打印在其它纸上后剪 贴 完成后应及时交给指导教师签署意见 3 文献综述 应按论文的格式成文 并直接书写 或打印 在本开题报告第一栏目内 学生写文献综述的参考文献应不少于 10 篇 不包括辞典 手册 其中至少应包括 1 篇外文资料 对 于重要的参考文献应附原件复印件 作为附件装订在开题报告的最 后 4 统一用 A4 纸 并装订单独成册 随 毕业设计 论文 说 明书 等资料装入文件袋中 毕 业 设 计 论 文 开 题 报 告 1 文献综述 结合毕业设计 论文 课题情况 根据所查阅的文献资 料 每人撰写 2500 字以上的文献综述 文后应列出所查阅的文献资料 文献综述 前言 随着工业自动化的快速发展和对调速性能的要求越来越高 变频器在各行各业的 应用越来越广泛 交流变频调速技术自发展以来 以其优越的性能得到迅速发展 进 入 21 世纪伴随着电力电子器件的发展 以及控制理论进步 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 已经广泛 的用于电力 制造 运输等国民经济领域 可编程控制器简称 PLC 是以微处理器微核心的工业自动化控制通用装置 它具 有控制能力强 可控性高 使用灵活方便 易于扩展 通用性强等一系列优点 不仅 可以取代继电器控制系统 还可以进行复杂的生产过程控制和应用于工厂自动化网络 被誉为现在工业生产自动化的三大支柱之一 PLC 作为传统继电器的替代品 广泛应用于工业控制的各个领域 由于 PLC 可 以用软件来改变控制过程 并有体积小 组装灵活 编程简单 抗干扰能力强及可靠 运行等特点 特别适合在恶劣环境下运行 当利用变频器构成自动控制系统进行控制 时 很多情况下时采用 PLC 和变频器配合使用 PLC 可提供控制信号和指令的通断 信号 变频器可以接受 PLC 输出的开关信号 一 交流调速发展的概况与趋势 1 直流电机与交流电机的比较 在过去相当长的时期内 直流调速一直因性能优良而领先于交流调速 但随着生 产技术的不断发展 直流拖动的薄弱环节逐渐显示出来 由于换向器的存在 使直流 电机的维护工作量大 单机容量 最高转速已经使用环境都受到限制 人们将目光转 向了异步交流电机 它的优点是 结构简单 运行可靠 便于维护 价格低廉 在相当长的时期内 直流调速一直因性能优良而领先于交流调速 20 世纪 60 年 代之后 电力电子技术和控制技术的飞速发展 使交流调速性能可用与直流调速相媲 美 目前 交流调速已进入逐步替代直流调速的时代 2 电力电子器件的发展 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础 20 世纪 50 年代末出现了晶闸 管 它取代了变频机组 实现了变频调速 然而晶闸管属于半空型器件 可以控制导 通 但不能由门极控制关断 因此 由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速时必须 附加强迫换相电路 20 世纪 70 年代以后 功率晶体管 GTR 门极关断晶闸管 GTO 功率场效应管 MOSFET 绝缘栅双极晶体管 IGBT 等先后问世 这些器 件是全控型器件 它们不再需要强迫换相电路 使得逆变器构造简单 结构紧凑 IGBT 由于兼有 MOSFET 和 GTR 的优点 成为目前最为流行的中小功率器件 电力电子器件正朝着大功率化 高频化 模块化 智能化发展 20 世纪 80 年代 以后出现的功率集成电路集功率开关器件 驱动电路 保护电路 接口电路于一体 目前已应用于交流调速的智能功率模块 IPM 采用 IGBT 作为功率开关 含有电流 传感器 驱动电路及过载 短路 超温 欠电压保护电路 实现了信号故障处理 故 障诊断 自我保护等多种智能功能 既渐少了体积 减轻了重量 有提高了可靠性 使用 维护都更加方便 是功率器件的重要发展方向 3 交流调速系统的发展 近 10 年来 各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究 利用检测定子电压 电流等容易测量的物理量进行速度计算 以取代速度传感器 其关键在于在线获取速 度信息 在保证较高控制精度的同时满足实时控制要求 微处理器引入控制系统 促进了模拟控制系统向数字系统控制系统的转化 数字 化技术使复杂的矢量控制得以实现 大大简化了硬件 降低了成本 提高了控制精度 而自诊断功能和自调速功能的实现又进一步提高了系统可靠性 节约了大量的人力和 时间 操作 维修都更加方便 微机运算速度的提高 存储量的大容量化 将进一步 促进数字控制系统取代模拟控制系统 数字化已成为控制技术的方向 随着现代化控制理论的发展 交流电动机控制技术方兴未艾 非线性解耦控制 人工神经网络自适应控制 模糊控制等各种新的控制策略正不断涌现 展现出更为广 阔的前景 必将进一步推动交流调速技术的发展 二 三相异步电动机 1 异步电动机概况 异步电动机又称感应电机是交流电机的一种 与其他旋转电机相比 它 具有结构 简单 制造 使用的维护方便 运行可靠 效率较高 价格较低等优 点 但是它的调 速和起动性能不佳 功率因数较低 增加了电力系统的无功负担 异步电动机主要是 电动机使用 是当今应用最广 需要最大的一种电机 异步电机和其他旋转电机的基本结构一样 有一个固定部分 叫定子 有个旋转 的部分 叫转子 定 转子之间有一个很小的空气隙 此外 还有端盖 轴承和机座 等部件 异步电动机的定子主要包括电子绕组 铁芯和机座三部分 异步电机转子 主要包括转子绕组 铁芯和转抽三部分 特别提到的是转子绕组的笼型绕组 转子铁 芯的每一个槽中有一根导体 这些导条两端各有一个圆环 将它们短接起来 如去掉 铁芯 该绕组的外形好像一只 鼠笼 由此得名 定 转子之间的空气隙称为气隙 它对电机的性能有重大的影响 中小型异步电机的气隙一般为 0 2 2 0mm 气隙太小 虽然提高电机的公率因数 但会使电机装配困难 运行不可靠和增加附加损耗 为减 小励磁电流 应为机械条件所容许达到的较小值 2 异步电机的运行原理 当一对称三相电流流入异步电机三相定子绕组时 在气隙中便产生一旋转 磁场 以同步速 n1 旋转 当转子导体被此旋转磁场的磁力线切割时 导体内将产生感应电 动势 在转子回路闭合的情况下 转子导体中就有电流流通 根据载流导体在磁场中 产生电磁力的作用 用左手定则就可以判断出转子受到一个与旋转磁场同方向的转矩 当此转矩大于转轴上的阻力矩时 转子就转动起来 这就是异步电动机的原理 转差 速度与同步转速 的比值为转差率即 s n1 n n1 转差率是决定异步电机运行状态的 重要变量 异步电机的负载情况发生变化 转子导体中的电动势 电流和电磁转矩相 应变化 则转子转速和转差率随之变化 按照转差率的大小与正负 异步电机可分为 电动机运行 发电机运行和电磁制动三种状态 三 变频器 1 变频器简介 变频器按装置形式分为交 交变频器和交 直 交变频器 交 交变频器又叫直接变 频器 它是把某一定压 定频的交流电变换成电压和频率都可调的交流机 根据输 出波形的不同 交 交变频器可分为方波型和正弦型 根据主电路中是否 接入滤波电 感 交 交变频器可分为电流型和电压型 交 直 交变频器又叫间接 变频器 它是把某 一定压 定频的交流机先经变流器整流成直流电 然后再经 逆变器将此直流变换成电 压和频率都可调的交流电 在频率调速中变频器的负载通常是异步电动机 起电流滞 后于电压 负载需向电源汲取无功功率 这样 在直流环节和负载之间将有无功功传输 为了缓冲无功能量 在直流环节和负载之间须设置贮能元件 根据主回路缓冲无功能 量的贮能元件类型不同 交直 交变频器分为 交 直 交电压型变频器 它在直流侧并联一个大电容 C 有恒压源的特点 交 直 交电流型变频器 他在直流回路串一个大电感 L 类似于恒流源 交直交电压型变频器主要由整流单元 交流变直流 滤波单元 逆变单 元 直 流变交流 制动单元 驱动单元 检测单元 控制单元等部分组成的 2 变频器的基本结构 整流器 电网侧的变流器 1 是整流器 它的作用是把三相交流整流成直流 逆变器 负载侧的变流器 2 为逆变器 逆变器是变频器最主要的部分之一 器 作用跟整流器相反 主要是在控制电路的控制下将平滑电路输出的直流电转换为频率 和电压都可调的交流电 它有六个电力电子开关组成 在一个信号周期内 通过有规 律的控制开关的闭合 便可得到各种频率的波形 中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电机 属于感性负载 在直流电到频率 可控的交流电变换中需要有储能元件 中间直流电路的只要作用是对整流电路的输出 进行滤波平滑 以保证逆变电路和控制电路能够得到质量较高的直流电源 控制电路 控制电路常由运算电路 检测电路 控制信号的输入 输出 电路和 驱动电路等构成 其主要任务是完成对逆变器的开关控制 对整流器的电压控制以及 完成各种保护 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要 靠软件来完成各种功能 由于软件的灵活性 数值控制方式靠可以完成模拟控制方式 难以完成的功能 四 交流异步电动机调速方法 1 变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型 电动机定子极对数达到调速目的 本方法适用于不需要无级调速的生产机械 如金属 切削机床 升降机 起重设备 风机 水泵等 2 变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率 从而改变其同步转 速的调速方法 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器 变频器可分成交流 直流 交流变频器和交流 交流变频器两大类 目前国内大都使用交 直 交变频器 本 方法适用于要求精度高 调速性能较好场合 3 串级调速方法 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加 电势来改变电动机的转差 达到调速的目的 4 绕线式电动机转子串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻 使电动机的转差率加大 电动机在较低的转速下运行 串入的电阻越大 电动机的转 速越低 此方法设备简单 控制方便 但转差功率以发热的形式消耗在电阻上 属有 级调速 机械特性较软 5 定子调压调速方法 改变电动机的定子电压时 可以得到一组不同的机械特 性曲线 从而获得不同转速 6 电磁调速电动机调速方法 电磁调速电动机由笼型电动机 电磁转差离合器 和直流励磁电源 控制器 三部分组成 直流励磁电源功率较小 通常由单相半波或全 波晶闸管整流器组成 改变晶闸管的导通角 可以改变励磁电流的大小 电磁转差离 合器由电枢 磁极和励磁绕组三部分组成 电枢和后者没有机械联系 都能自由转动 电枢与电动机转子同轴联接称主动部分 由电动机带动 磁极用联轴节与负载轴对接 称从动部分 当电枢与磁极均为静止时 如励磁绕组通以直流 则沿气隙圆周表面将 形成若干对 N S 极性交替的磁极 其磁通经过电枢 当电枢随拖动电动机旋转时 由于电枢与磁极间相对运动 因而使电枢感应产生涡流 此涡流与磁通相互作用产生 转矩 带动有磁极的转子按同一方向旋转 但其转速恒低于电枢的转速 N1 这是一种 转差调速方式 变动转差离合器的直流励磁电流 便可改变离合器的输出转矩和转速 本方法适用于中 小功率 要求平滑动 短时低速运行的生产机械 制线路简单 运 行可靠 维修方便 2 调速平滑 无级调速 3 对电网无谐影响 4 速度失大 效率 低 7 液力耦合器调速方法 液力耦合器是一种液力传动装置 一般由泵轮和涡 轮组成 它们统称工作轮 放在密封壳体中 壳中充入一定量的工作液体 当泵轮在 原动机带动下旋转时 处于其中的液体受叶片推动而旋转 在离心力作用下沿着泵轮 外环进入涡轮时 就在同一转向上给涡轮叶片以推力 使其带动生产机械运转 液力 耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的 在工作过程中 改变充液 率就可以改变耦合器的涡轮转速 作到无级调速 本方法适用于风机 水泵的调速 参考文献 1 王兆安 电力电子技术 第 5 版 北京 机械工业出版社 2009 5 2 汤蕴璆 电机学 第 4 版 北京 机械工业出版 2011 5 3 岂兴明 PLC 与变频器快速入门与实践 北京 人民邮电出版社 2011 1 4 白连平 马文忠 异步电动机节能原理与技术 北京 机械工业出版社 2012 8 5 岳庆来 变频器 可编程控制器及触摸屏综合技术应用 北京 机械工业出版 2006 4 6 贺益康 许大中 电机控制 杭州 浙江大学出版社 2010 5 7 刘星平 PLC 原理及工程应用 北京 中国电力出版社 2010 2 8 吴志敏 欧胜峰 西门子 PLC 与变频器 触摸屏综合应用教程 北京 中国电力 出 版社 2009 9 廖常初 S7 200 PLC 编程及应用 北京 机械工业出版社 2007 8 10 刘松 电力拖动自动控制系统 J 北京 清华大学出版社 2006 11 李华德 交流调速系统 M 北京 电子工业出版社 2004 12 Gurkan Zenginobuz Isik Cadirci etc Performance Optimization of Induction Motors During Voltage Controlled Soft Starting J IEEE Transactions on Energy Conversion 06 2003 毕 业 设 计 论 文 开 题 报 告 开题报告 一 课题的目的与意义 开题报告 一 课题的目的与意义 二 课题发展现状和前景展望 二 课题发展现状和前景展望 三 课题主要内容和要求 四 三 课题主要内容和要求 四 研究方法 步骤和措施研究方法 步骤和措施 开开 题题 报报 告告 一 课题的目的与意义 本课题采用 PLC 作为控制器 设计三相异步电动机控制系统 PLC 提供控制信号和 指令的通断信号 从而改变变频器的输出频率达到调速目的 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 在工业生产过程自动控制领域得到了广泛应用 本文所研究异步电机调速控制系统 可以实现电机速度的调节 满足节约能源和 适应生产的需要 该系统能对电机转速实现精确控制 实用性强 具有的推广价值 二 课题发展现状和前景展望 随着工业自动化技术的不断发展 各种生产设备对控制性能的要求不高 以 PLC 和变频器为代表的控制技术不断完善与成熟 越来越多的设计者使用 PLC 来完成控制 任务 可以说 PLC 已经成为工业控制系统中的一个组成部分 电动机的调速已经从继电器控制时代发展到今天的变频器控制调速 且在工业各个 领域中得到了极为广泛的应用 在现在的在工业自动化控制系统中 最为常见的是由 PLC 控制变频器实现电动机调速控制 该方法主要通过程序来控制电动机的变频调速 从而实现了自动控制 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 自 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 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