变频器调速毕业论文设计

1、变频器调速毕业论文(设计) 摘 要 三相交流异步电动机是工农业中最重要的拖动设备之一，因为其结构简单、维 修容易而得到了广泛的应用，而随着社会进一步的发展，交流电机已经不仅仅局限 于简单的恒速控制，在更多的现代工业生产中，很多设备需要根据不同的工作环境， 要调节到一个特定的转速。从而对三相交流异步电动机的速度提出要求，希望能对 电机运行速度进行调节，并能稳定运行。 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。三相交流异步电动机变频技术有调速时平滑性好， 效率高；低速时，特性静关率高，相对稳定性好，调速范围大，精度高等特点和优 点。变频器不

2、但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到 了工业生产的所有领域，尤其在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中的应用。为了 实现在恶劣的工作环境中对三相交流异步电动机进行远程控制，引入 plc（programmable logic controller,可编程逻辑控制器）控制单元，实现了对变频 调速系统的智能控制，使得该调速系统性能更加优越，满足了现代工业化生产的需 要。 本次设计就是基于 plc 的变频器调速系统，将现在应用最广泛的 plc 和变频 器综合起来实现电机的正反转，加减速以及快速制动等。 关键词：变频器；plc；交流电机；调速 abstract ac inductio

3、n motor is one of the most important industrial and agricultural drag equipment. it has been widely used because of its simple structure and easy maintenance. with the further development of society, ac motor is not limited to simple constant speed control, in the more modern industrial production.

4、many devices need to be adjusted to a specific speed according to different working environments. for ac motor speed proposed requirements. the realization of operation speed regulation and stable operation. ac variable frequency technology is energy saving, a major means to improve the process to i

5、mprove product quality and improve the environment, promoting technological progress. ac motor frequency conversion technology are speed smooth and good, high efficiency; low speed characteristics, static clearance rate high, relatively good stability, wide speed range, high precision advantages and

6、 characteristics. variable-frequency drive has been widely used not only in traditional electric drive system, and almost has been extended to all areas of industrial production. especially in air conditioners, washing machines, refrigerators and other appliances. in order to achieve the remote cont

7、rol in poor working conditions in the motor, the introduction of the plc (programmable logic controller ) control unit, realize the variable frequency speed regulation system of intelligent control, makes the speed regulation system performance more superior, meet the need of modern industrial produ

8、ction. the design is based on plc, frequency converter speed control system, plc and frequency converter together to achieve the reversing of the motor, acceleration and deceleration, and rapid braking. keywords: variable-frequency drive; plc; ac motor ; speed control 目录 1.绪论 .1 1.1.本设计的背景.1 1.1.1.变

9、频调速的背景与研究意义 .1 1.1.2.变频调速技术介绍 .1 1.1.3.变频调速技术发展和现状 .3 1.2.本设计的主要内容.5 2.本设计方案的确定 .6 2.1.变频调速系统.6 2.1.1.三相交流异步电动机 .6 2.1.2.西门子 mm420 变频器.10 2.2.系统功能分析.13 2.3.设计方案的确定.14 2.3.1.变频调速的控制方式及选定 .14 2.3.2.plc 的选择.14 2.3.3.变频器的选择 .14 2.3.4.电动机的选择 .15 3.变频调速系统的硬件设计和软件设计 .16 3.1.变频调速系统电路设计.16 3.2.变频调速系统的软件设计.16

10、 3.2.1.变频调速系统 plc 程序设计.16 3.2.2.mm420 变频器参数设定.17 4.变频器调试系统安装与调试 .19 4.1.变频器的安装、布线及抗干扰.19 4.1.1.变频器的安装 .19 4.1.2.变频器的布线 .20 4.1.3.变频器的抗干扰 .21 4.2.变频器的保护功能及故障处理.21 4.2.1.变频器的保护功能 .21 4.2.2.变频器的故障分析及处理 .22 5.设计总结 .23 6.附录 .24 参考文献.27 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 1 1. 绪论 1.1. 本设计的背景 1.1.1. 变频调速的背景与研究意义变频调速的背景与研究意

11、义 我国对交流变频调速技术的研究起步较晚，直到上个世纪 90 年代才有产品出 现，而且采用的控制技术相对单一，主要以 v/f 控制方式为主，而且性能较低，无 法满足动态性能要求和生产节能需求。但随着变频技术的不断发展，交流电动机变 频技术也日趋完善，各种复杂控制技术在变频器技术中逐步应用，使变频器的性能 不断提高，而且应用范围也越来越广。变频器现不但在传统的电力拖动系统中得到 了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，尤其在空调、洗衣机、 电冰箱等家电产品中的应用。 目前，变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变 频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满

12、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；二是为了节约 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。 1.1.2. 变频调速技术介绍变频调速技术介绍 随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，三相交流异步电动机的调速已 经从继电器控制时代发展到今天的由变频器控制调速，且在工业各个领域中得到了 极为广泛的应用，而在现在的工业自动化控制系统中，最为常见的是 plc 控制， plc 是可编程控制器的简称，plc 技术是在继电接触器控制和计算机基础上开发的 工业自动控制装置。由于它可以通过软件来改变控制过程，且编程较为简

13、单，所以 目前 plc 在工业控制中占据了主导地位，得到了非常广泛的应用。 交流调速系统具备宽的调速范围，高的稳速范围，高的稳速精度，快的动态响 应功率等特点。随着半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如 bjt（双 极型晶体管） 、mosfet（金属氧化硅场效应管） 、igbt（绝缘栅双极型晶体管）的 实用化，使得开关高频化的 pwm 技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 2 大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。典型的电力电子变频装置有电压型交 -直-交变频器、电流型交-直-交变频器和交-交变频器三种。电流型交-直-交变频器 的中间直流环

14、节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突 出优点是当三相异步电动机处于制动（发电）状态时，只需改变网侧可控整流器的 输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网，构成的调速 系统具有四象限运行能力，可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合， 在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。电压型交-直-交变频器的中间直流环节 采用大电容作储能元件，无功功率将由大电容来缓冲。对于负载电动机而言，电压 型变频器相当于一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动 机并联运行。电压型 pwm 变频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位。但电 压型变频器的

15、缺点在于三相交流异步电动机处于制动（发电）状态时，回馈到直流 侧的再生电能难以回馈给交流电网，要实现这部分能量的回馈，网侧不能采用不可 控的二极管整流器或一般的可控整流器，必须采用可逆变流器，如采用两套可控整 流器反并联、采用 pwm 控制方式的自换相变流器（“斩控式整流器”或 “pwm 整流器” ） 。网侧变流器采用 pwm 控制的变频器称为“双 pwm 控制变频器” ，这种 再生能量回馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调，输入电流（网侧电流） 波形基本为正弦，功率因数保持为 1 并且能量可以双向流动的特点，代表一个新的 技术发展动向，但成本问题限制了它的发展速度。通常的交-交变频器都有

16、输入谐 波电流大、输入功率因数低的缺点，只能用于低速（低频）大容量调速传动。为此， 矩阵式交-交变频器应运而生。矩阵式交-交变频器功率密度大，而且没中间直流环 节，省去了笨重而昂贵的储能元件，为实现输入功率因数为 1、输入电流为正弦和 四象限运行开辟了新的途径。 随着电压型 pwm 变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛，pwm 技 术的研究越来越深入。pwm 利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压 变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除 谐波。pwm 技术可分为三大类：正弦 pwm、优化 pwm 及随机 pwm。正弦 pwm 包括以电压、电流和磁

17、通的正弦为目标的各种 pwm 方案。正弦 pwm 一般 随着功率器件开关频率的提高会得到很好的性能，因此在中小功率交流传动系统中 被广泛采用。但对于大容量的电力变换装置来说，太高的开关频率会导致大的开关 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 3 损耗，而且大功率器件如 gto 的开关频率目前还不能做得很高，在这种情况下， 优化 pwm 技术正好符合装置的需要。特定谐波消除法（selected harmonic elimination pwmshe pwm） 【1】 、效率最优 pwm 和转矩脉动最小 pwm 都属 于优化 pwm 技术的范畴。普通 pwm 变频器的输出电流中往往含有较大的和功率

18、 器件开关频率相关的谐波成分，谐波电流引起的脉动转矩作用在三相交流异步电动 机上，会使三相交流异步电动机定子产生振动而发出电磁噪声，其强度和频率范围 取决于脉动转矩的大小和交变频率。如果电磁噪声处于人耳的敏感频率范围，将会 使人的听觉受到损害。一些幅度较大的中频谐波电流还容易引起三相交流异步电动 机的机械共振，导致系统的稳定性降低。为解决以上问题，一种方法是提高功率器 件的开关频率，但这种方法会使得开关损耗增加；另一种方法就是随机地改变功率 器件的导通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频 带范围内，从而抑制某些幅值较大的谐波成分，以达到抑制电磁噪声和机械共振的 目的，

19、这就是随机 pwm 技术【2,3】。 1.1.3. 变频调速技术发展和现状变频调速技术发展和现状 目前，我国的能源消费仅次于美国，位列世界第二，但国民生产总值却不高， 其中最重要的原因之一就是单位产值能耗太大。我国具有各类风机 约 780 万台， 水泵 4000 万台，空压机 560 万台，这些装置又占去了电机耗电的一半以上。由于 这些设备一般均釆用恒速驱动，每年造成大量能源浪费。国家在十 一五规划 中指出：坚持开发节约并重、节约优先，按照减量化、再利用、资源化的原则，大 力推进节能节水节地节材，加强资源综合利用，完善再生资源回收利用体系，全面 推行清洁生产，形成低投入、低消耗、低排放和高效率

20、的节约型增长方式。实行有 利于资源节约的价格和财税政策。强化节约意识，鼓励生产和使用节能节水产品、 节能环保型汽车，发展节能街地型建筑，形成健康文明、节约资源的消费模式。我 国对交流变频调速技术的研究起步较晚，到上个世纪 90 年代才有产品出现，釆用 的控制技术几乎都还只是 v/f 控制，调速性能根本无法与国外产品相比。目前在中、 低压交流传动中，变频器的使用越来越多，而我国在研究矢量控制系统所需的各种 硬件条件已经具备，如己出现的智能化功率器件 (ipm),其电压等级、开关频率都 有很大的提高；数字化控制元件也已出现单指令周期 10ns 的高速数字信号处理器 (dsp)和几乎能完成一个系统功

21、能的专用集成电路。 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 4 变频调速已成为电动机调速的最新潮流，有其自身身的特点和优点，随着交流 变频技术的日趋完善和推广应用，特别是在矿用大功率高压设备中的绞车、 提升 机、通风机、带式输送机等矿用设备上的应用效果则更加明显。对耗电大、 生产 环境恶劣的煤炭行业推广应用变频技术更具有现实意义【3】。 1.2. 本设计的主要内容 (1) 根据控制要求选定变频调速的控制方式； (2) 设计变频调速系统的硬件和软件； (3) 变频器调试系统安装与调试； 本系统控制要求如图 1-1 所示 m - - 变 频 器 plc 控制信号 图 1-1 系统控制要求 由图 1-

22、1 可知，本设计通过 plc 控制变频器达到变频调速的目的，从而实现交 流电机的正反转、起停、加速、减速控制以及速度的调节。 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 6 2. 本设计方案的确定 2.1. 变频调速系统 2.1.1. 三相交流异步电动机三相交流异步电动机 （1）三相交流异步电动机结构 三相交流异步电动机的种类繁多，但各类三相交流异步电动机的基本结构是 相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的 气隙。此外，还包括端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。具体如图 2-1 所示。 图 2-1 三相交流异步电动机结构示意图 三相交流异步电动机的定子是用来产生旋转

23、磁场的，一般由外壳、定子铁心、 定子绕组等部分组成。三相交流异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由 0.35mm0.5mm 厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成。由于硅钢片较薄而且片 与片之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内 圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈。定子绕组是三相交流异步电动机的电路 部分，三相交流异步电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。 三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕 组即为一相，每个绕组在空间相差 120电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线 绕制。中、小型三相交流异步电动机多采用圆

24、漆包线，大、中型三相交流异步电动 机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子 铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为 u1, v1, w1 ，末端分别标为 u2, v2, w2 。这六个出线端在接线盒里可以接成星形或三角形，如 图 2-2 所示。 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 7 a.星形连接 b.三角形连接 图 2-2 星形和三角形连接 转子铁心是用 0.5mm 厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同， 一方面作为三相交流异步电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。 转子 绕组与定子绕组一样也是一个三相绕组，一般接

25、成星形，三相引出线分别接到转轴 上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连，这就有可能在转子 电路中串接电阻或电动势以改善三相交流异步电动机的运行性能。 其他部分包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承， 用以支撑转子轴。风扇则用来通风冷却三相交流异步电动机。三相异步电动机的定 子与转子之间的空气隙，一般仅为 0.2mm1.5mm。气隙太大，三相交流异步电动 机运行时的功率因数降低；气隙太小，使装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增 强，从而使附加损耗增加以及使启动性能变差。 （2）三相异步交流电动机的工作原理 三相交流异步电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电

26、流定律、电路定 律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导 条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的， 假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。 在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用， 而使转子导条受到电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 8 磁转矩，转子就转动起来。 （3）三相交流异步电动机变频调速原理及方法 三相交流异步电动机的变频调速原理，可从三相交流异步电动机的转速方程得 出，转速方程如式（2-1）

27、n=60f1(1-s)/p (2-1) 式 2-1 中：n，三相交流异步电动机的实际转速； f1，三相交流异步电动机定 子绕组的供电频率； p，旋转磁场的极对数；s，为转差率，表示定子旋转磁场的 同步转速 n1与 n 的关系。 由式（2-1）知，影响三相交流异步电动机转速的因素有：三相交流异步电动 机的磁极对数 p ，转差率 s 和电源频率 f1 。对于给定的三相交流异步电动机， 磁极对数 p 一般是固定的；通常情况下，转差率 s 对于特定负载来说是基本不变 的，并且其可以调节的范围较小，加之转差率 s 不易被直接测量，调节转差率来调 速在工程上并未得到广泛应用。如果电源频率可以改变，那么通过

28、改变电源频率来 实现三相交流异步电动机调速的方法应该是可行的，这就是所谓变频调速。 由电机学原理知，如忽略绕组间的互感、绕组的漏感及空间电磁谐波，三相交 流异步电动机的相等效稳态电路如图 2-3。 图 2-3 三相交流异步电动机的相等效稳态电路 由戴维南定理，图 2-3 电压平衡方程式为： u = e + i * r （2-2） 式中:u-相电压，e-定子绕组的感应电动势，i-定子绕组的相电流，r-定子绕组 电阻与转子绕组电阻折算到定子侧的电阻之和 三相交流异步电动机的定子绕组的感应电动势是定于绕组切割旋转磁场磁力线 的结果， 其有效值计算如下： e = k * f * （2-3） 浙江水利水

29、电专科学校毕业论文（设计） 9 式中：k-与电动机结构有关的常数，f-电源频率，-磁通量 由式（2-2）知，加在电机绕组端的电源电压，一部分产生感应电动势， 另一部分消耗在电阻 r （ 定子绕组电阻与转子绕组电阻折算到定子侧的电阻之和 ）上 。其中定子绕组的相电流 i 由两部分构成： 21 iii （2-4） 电机的定子电流有一小部分 用于建立磁场的主磁通，其余大部分 用于产生 拖动负载的电磁力。 由式 （2-1）知，调整电源频率 f 时，可以调节速度 n。 当电源频率 f 下降时， 由式 （2-3）知，感应电动势随之比例减小；在相电压 u 保持不变的情况下，由式 （2-2）知，定子绕组的相电

30、流 i 相应增大。在很多情况下，电机的负载是基本恒 定的，因此用于产生电磁力的电流 是基本不变的，于是 将增大； 的增大将直 接导致主磁通的增大。由式 （2-3） ，主磁通的增大，将引起感应电动势比例增 大；由式（2-2） ，感应电动势的增大将使定子电流 i 减小。不难理解，通过这样 的负反馈，电机将最终稳定在一个新的工作点。 这样的控制方法看起来似乎没有问题。但实际情况是主磁通容量上限与电机的 铁芯有关。电机的铁芯受制于重量、体积、成本等因素的考虑，不可能做的很大。 对于电机设计来说，设计目标之一就是：当电机处于额定工作状态下时，主磁通接 近容量上限。上述的变频调速方法工作在额定频率以下时，

31、将会导致铁心磁饱和， 引起电流波形畸变，有效力矩下降；严重时，将导致电机发热过快，振动和噪音加 大；工作在额定频率以上时，铁心处于弱磁状态，电磁力矩不足，电机的机械特性 变软（转差率 s 变大） ，带载能力下降。 结论：通过只调节电源频率来调节速度的方法不可取。 既然不可取的原因是因为铁心磁饱和。那么在调节电源频率的同时，磁通量就 要保持恒定。 式（2-3）知： e/f (2-5) 在电机运转速度不是很低的情况下，由于电机的电阻 r 很小，电机定子线圈上 的阻抗压降（i*r）可以忽略。由式（2-2）可以得到： u e (2-6) 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 10 于是上式可以表示为：

32、 u/f (2-7) 由式(2-7)知，在调节电源频率 f 的同时同比例地调节电源电压 u 可保持磁通量 基本恒定，达到了调节速度的目的，又不影响电机的带载能力。这就是所谓的变 频变压调速法：vvvf（variable voltage variable frequency）控制法，也称恒压频 比（v/f）控制法。 当电源频率较低时，因定子绕组的感应电动势较小，忽略电机定子线圈上的阻 抗压降（i*r）时引入了较大的误差，直接表现就是电机的带栽能力下降。实际应用 中，为了保持转矩基本恒定，在低频段，通常需要对 v/f 曲线进行补偿。所以低频 段也称恒转矩区。 当电源频率高于一定频率时，电机绕组相电

33、压并不能依据式（2-7）比例增加。 主要原因是：相电压受制于电机绕组的绝缘强度；相电压受制于电源的利用率；相 电压受制于系统供电。 实际中的做法是：当电源频率高于一定阈值时，相电压保持不变。此区间相电 流基本保持不变，即电机的输入功率基本保持不变，所以该区间也称恒功率区。 2.1.2. 西门子西门子 mm420 变频器变频器 （1）西门子 mm420 变频器的组成如图 2-4 所示。 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 11 图 2-4 变频器内部结构图 从图 2-4 中可以看出，主要组成部分包括一下几个方面： 电路单元 主电路单元包括整流器和逆变器两个主要功率变换单位，电网电压由输入端 （

34、l1，l2，l3）接入变频器，经整流器整流成直流电压，然后由逆变器变成电压 和频率可调的交流电压，从输出端（u，v，w）输出到三相交流异步电动机。 驱动控制单元 驱动控制单元主要作用是产生逆变器开关管的驱动信号，受中央处理单元控制 中央处理器 中央处理器用来处理各种外部控制信号、内部检测信号以及用户对变频器的参 数设定信号等，然后对变频器进行控制，是变频器的控制中心。 保护与报警单元 主要通过对变频器的电压、电流、温度等信号的检测，出现异常或故障时候， 该单元将改变或关断逆变器的驱动信号，使变频器停止工作，实现对变频器的自我 保护。 参数设定与监视单元 该单元主要由操作面板组成，用于对变频器的

35、参数设定和监视变频器当前的运 行状态 (2) 西门子 mm420 变频器的基本原理 变频器可以分为四个部分，如图 2-5 所示。通用变频器由主电路和控制回路组 成。给三相交流异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电 路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路） 、逆变器。 整流器平波电路逆变器m 控制电路 图 2-5 变频器简化结构图 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 13 整流器 它的作用是把工频电源变换成直流电源。 平波回路（中间直流环节） 由于逆变器的负载为三相交流异步电动机，属于感性负载。无论三相交流异步 电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于 1。

36、因此，在中间直 流环节和三相交流异步电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间 直流环节的储能元件电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储 能环节。 逆变器 与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆 变器的结构形式是利用 6 个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规 律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。 控制回路 控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和 制动电路等构成。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， 以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数

37、字控制。 （3）西门子 mm420 变频器的开关器件 该变频器里开关器件主要为 igbt（绝缘栅双极晶体管） ，是 20 世纪 80 年代中 期发展起来的一种新型复合型器件，它集 mosfet 和 gtr 的优点于一身，具有输 入阻抗高、开关速度快、通态压降低、阻断电压高、承受电流大以及驱动电路简单 等优点。 （4） 西门子 mm420 变频器的控制方式 该变频器的控制方式为 u/f 控制，u/f 控制上面已经有所介绍，该控制方式的 变频器结构比较简单，成本较低，机械特性硬度较好，能够满足一般传动的平滑调 速的要求。但是这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子阻抗压降 的影响较为明显

38、，使最大输出转矩减小，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 14 2.2. 系统功能分析 本次设计就是基于 plc 的变频器调速系统。将现在应用最广泛的 plc 和变频 器综合起来主要功能实现了变压变频调速。电机的正反转，加减速以及快速制动等。 因此，该系统必须具备以下三个主体部分：控制运算部分、执行和反馈部分。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；反馈部分主要为速度 反馈。 2.3. 设计方案的确定 2.3.1. 变频调速的控制方式及选定变频调速的控制方式及选定 开环控制是最简单的一种控制方式，它所具有的特点是，控制量与被控

39、制量之 间只有前向通路而没有反向通路。这种控制方式的特点是控制作用的传递具有单向 性。由于开环控制结构简单，调整方便，成本低。在国民经济各部门均有采用。因 此，本系统采用开环控制系统。 2.3.2. plc 的选择的选择 本系统选用的是西门子公司生产的 simatic s7-200 系列小型 plc，可用于代 替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。由于它极强的的通信 功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其功能。 s7-200 的可靠性高，可以用梯形图语句表功能块图三种语言来编程。它的指令 丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器、高速输出、pid 控 制器、rs

40、-485 通信/编程接口、ppi 通信协议、mpi 通信协议和自由端口模式通信功 能，最大可以扩展到 248 点数字量 i/o 或 35 路模拟量 i/o，最多有 30 多 kb 的程序 和数据存储空间。 根据以上所述以及设计要求决定选用的具体型号是 cpu224 ac/dc/rly 的 s7- 200 的 plc。 2.3.3. 变频器的选择变频器的选择 正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确 使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、 启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频 器构成控制系统，然后决

41、定选用哪种控制方式最合适。所选用的通用变频器应是既 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 15 满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。若对通用变频器选型、系统设计 及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设 备故障，造成不必要的损失。另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器 的地线的连接也是非常重要的。 变频器在调速系统中的优点： 1控制电机的启动电流；2降低电力线路的电压波动；3启动时需要的功率 更低；4可控的加速功能；5可调的运行速度；6可调的转矩极限；7受控的 停止方式；8节能；9可逆运行控制；10减少机械传动部件。 在本系统中，选用了由西门子生

42、产的通用变频器 mm420。变频器 mm420 具有 良好的人机交互界面，其 bop 控制面板具体如下图 2-6 所示。 图 2-6 bop 控制面板和相关按键的作用 2.3.4. 电动机的选择电动机的选择 在变频电机中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求 的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。因此， 在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用三相交流异 步电动机。 在三相交流异步电动机中，笼型异步电动机结构简单，运行最可靠，维护最方 便，对起动性能无过高要求的调速系统，应优先考虑。在电机工作中起动、制动比 较频繁，为提高生

43、产率，又要求电动机具有较大的起动、制动转矩以缩短起动制动 时间，同时还有一定的调速要求，所以本设计采用笼型异步电动机，其参 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 16 数为： 型号：wdj26；电压：380v；接法：三角形接法；转速：1430r/min; 功率： 40w 电流：0.2a；频率：50hz；绝缘等级：e。 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 17 3. 变频调速系统的硬件设计和软件设计 3.1. 变频调速系统电路设计 控制接线图如图 3-1 所示： 图 3-1 控制外部接线图 由图 3-1 可知通过切断开关的通断来控制 plc 输出点 q0.0、q0.1、q0.2 的不同 组合来

44、控制变频器的不同的频率。 3.2. 变频调速系统的软件设计 3.2.1. 变频调速系统变频调速系统 plc 程序设计程序设计 变频调速系统 plc 程序见附录。 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 18 3.2.2. mm420 变频器参数设定变频器参数设定 在 mm420 变频器通过数字量的输入 din1、din2、din3 不同的组合方式可实 现七种不同的输出频率，从而实现多段速的控制。变频器的参数设置如表 3-1 所示。 表 3-1 变频器的参数设置一 序号序号 变频器参数变频器参数出厂值出厂值设定值设定值功能说明功能说明 32p070022选择命令源（ 由端子排输入 ） 33p070

45、1117 固定频率设值（二进制编码选择+on 命令） 34 p07021217 固定频率设值（二进制编码选择+on 命令） 35p0703917 固定频率设值（二进制编码选择+on 命令） 36p10010.005.00固定频率 1 37p10025.0010.00固定频率 2 38p100310.0020.00固定频率 3 39p100415.0025.00固定频率 4 40p100520.0030.0固定频率 5 41p100625.0040.00固定频率 6 42p100730.0050.00固定频率 7 如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试，试验中用到的 变频器都已经

46、完成了快速调试。 表 3-2 变频器的参数设置二 序号序号变频器参数变频器参数出厂值出厂值设定值设定值功能说明功能说明 1p0304230380电动机的额定电压( 380v ) 2p03053.250.35 电动机的额定电流( 0.35a ) 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 19 3p03070.750.06电动机的额定功率( 60w ) 4p031050.0050.00电动机的额定频率( 50hz ) 5p031101430电动机的额定转速 6p100021用操作面板控制频率的升降 7p108000电动机的最小频率( 0hz ) 8p10825050.00电动机的最大频率( 50hz

47、) 9p11201010斜坡上升时间( 10s ) 10p11211010斜坡下降时间( 10s ) 11p070022 选择命令源（由端子排输入） 12p0701110正向点动 13p07021211反向点动 14p10585.0030正向点动频率（30hz） 15p10595.0020反向点动频率（20hz） 16p106010.0010点动斜坡上升时间（10s） 17p106110.005点动斜坡下降时间（5s） 注: （1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值 （2）设定 p0003=2 允许访问扩展参数 （3）设定电机参数时先设定 p0010=1(快速调试),电机参数设置完

48、成设定 p0010=0(准备) 为了快速修改参数的数值，可以单独修改显示出的每个数字，操作步骤如下： 按（功能键） ，最右边的一个数字闪烁。 按，修改这位数字的数值。 再按（功能键） ，相邻的下一位数字闪烁。 执行 2 至 4 步，直到显示出所要求的数值。 按，退出参数数值的访问级。 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 20 4. 变频器调试系统安装与调试 4.1. 变频器的安装、布线及抗干扰 4.1.1. 变频器的安装变频器的安装 （1）设置场所 安装变频器的场所应具备以下的条件： 无易燃、易爆、腐蚀性气体和液体，粉尘少。 结构房或电气室应湿气少、无水浸。 应具备通风口或换气装置，以排出变

49、频器产生的热量 应与高次谐波和无线电干扰影响的装置隔离 （2）使用环境 环境温度。一般为 040 摄氏度或-1050 摄氏度，注意通风 环境湿度。周围湿度应为 90%以下 振动。安装场所的振动加速度应限制在 0.6g 以内。 （3）安装方式 应该垂直安装，不可倒置或平放安装。 变频器的安装底板与背面须为耐温材料。 安装在柜内时，一定要注意通风散热。 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 21 4.1.2. 变频器的布线变频器的布线 （1）主电路的布线 要注意的是变频器的输入端和输出端不允许接错，如图 4-1 所示。 图 4-1 接线图 （2）控制电路布线 要尽量远离主电路，至少在 100mm

50、以上；尽量不和主电路交叉，如果交叉，应 采取垂直交叉的方式。 （3）变频器接地 应将接地端子与大地相接。 变频器和其他设备或多台设备一起接地时，每台设备应分别与大地相接。 尽可能缩短接地线，接地电阻应小于或等于国际标准规定值。 浙江水利水电专科学校毕业论文（设计） 22 4.1.3. 变频器的抗干扰变频器的抗干扰 （1）变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，或在变频器和其他 用电设备的输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流 （2）在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器或安装谐波滤波器。 （3）电动机与变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号 在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰。 （4）信号线采用屏蔽线 （5）变频器使用专用接地线，且用粗地线，邻近其他电器设备的地线必须与变 频器配线分开，使用短线。 4.2. 变频器的保护功能及故障处理 4.2.1. 变频器的保护功能变频器的保护功