基于plc的电机变频调速系统设计

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中北大学2023届毕业设计说明书

1绪论

1.1本课题研究目的和意义

PLC具有结构简单、编程便利、性能优越、灵活通用、使用便利、可靠性高、抗干扰能力强、寿命长等到一系列优点[2]。可编程控制器(PLC)的核心微处理器，通过将计算机技术与传统的继电器控制系统有机结合起来，能够实现高度灵活、高可靠性的工业控制。为了进一步提高设备的自动化程度，越来越多的企业将PLC技术应用于其工厂设备中。将原有电机控制系统的技术进行改造，引入电机控制系统的数据自动采集、监控以及变频、组态技术完善并改进电机变频调速机构。该系统能对电机转速实现确切控制，实用性强，具有一定的推广价值随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用[5]。

交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。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。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它大量优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式[3]。

本文对如何利用变频器连接PLC和控制对象，利用软件操作来控制电机的转速，达到远程自动控制进行了探讨[4]。在工业生产中，电机交流变频调速技术以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，被公认为最有发展前途的调速方式。PLC控制技术在自动控制系统中被普遍采用。本文构建了一个变频嚣连接PLC和控制对象，利用软件操作来控制电机转速．以达到远程自动控制的系统[8]。1.2交流变频调速技术的研究状况及其发展

在21世纪电力电子器件的快速发展，使交流变频调速技术优越的性能得到迅速发展，同时控制理论进步，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，现在以广泛的用于电力、制造、运输等国民经济领域[6]。

变频调速技术现在被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器第1页共47页

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构成变频调速传动系统的主要目的是为了满足提高劳动生产率、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以及俭约能源、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]。

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的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、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[10]。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浮现状：从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距5－10年。在大功率交－交变频、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统的可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷杨方面有很大需求，发展前景比较乐观。在中小功率变频技术方面，国内学者作了大量的变频理论的基础研究，早在80年代，已成功引入矢量控制的理论，针对交流电机的多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦和非线性解耦的方法，探讨交流电机变频调速的策略控制[7]。进入90年代，随着高性能单片机和数字信号处理器的使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流感应电机特点，采用高次谐波注入SPWM和空间矢量控制（SVPWM）等方法，控制算法采用模糊控制、神经网络理论对感应电机转子电阻、磁链和转矩进行在线观测，在实现无速度传感器交流变频调速系统的研究上作了大量的基础研究。随着大功率变频器的推广应用，越来越多的企业在新的建设项目和技改项目中，开始考虑3KV电压等级以上的电机变频调速问题，市场开始升温。在刚刚起步的高压变频器领域，技术方案包括了高－低－高、高－低、高中多电平H桥主回路、三电平主回路和直接串联电流源型等多个技术流派。但总的来讲，高压变频调速市场目前在我国仍处于初级阶段，市场容量较小，但是高压变频技术、因其特有的自身功耗小的优势，还是吸引了包括国外大量企业不断加大研发和生产、力度。电气传动领域因变频技术的第2页共47页

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发展而焕然一新，电压等级从110～10000V，容量从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率传动系统；从一般要求的调速系统到精度、快响应的高性能的调速系统。从单机调速到多机协调调速传动，几乎无所不有,实践证明交流调速技术的应用为工农业生产及节能方面带来了巨大的社会效益[9]。现在交流调速系统以全面、逐步取代直流调速系统，交流调速在电气传动领域中占据了统治地位已是公认的事实。变频器亦叫电动机变频调速器，是一种静止的频率变换器。第3页共47页

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2总体设计

2.1课题研究概述

可编程序控制器原理及其应用课程是一门实用性、工程性和综合性很强的专业课，与工程实际联系紧凑，应当通过试验、生产实习和课程设计等实践性教学环节，加强学生的综合运用能力。在目前好多的PLC的实习教学中，仅仅以可编程序控制器来进行试验教学，而没有控制对象，学生对可编程序控制器进行编程之后，通过观测输出口旷状态来确定程序的运行状况。在这类教学方式中学生往往只能进行验证性试验，没有条件进行外围设备的连接和控制[11]。

本试验系统采用PLC、变频器和电机，构建一个PLC控制电机变频调速试验系统，通过PLC编程、外围设备之间的连线，可以使我们在试验设计过程中培养实践动手能力，加深对变频调速技及PLC控制技术的理解。本试验系统要求在于研究开发对电机变频调速的正反转五段调速。

2.2本课题系统功能的设计分析

随着电力电子技术以及交流控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用。可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作便利、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、简单使用、可靠性高，往往被用于现场数据采集和设备的控制。本次设计就是基于PLC的变频器调速系统通过PLC和变频器综合来实现电机的正反转五段调速。因此，该系统必需具备以下三个主体部分：控制部分、运算部分和执行部分。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。本设计的主要内容是基于松下系列PLC、变频器完成对三相异步电机的变频调速控制的开发，实现对电机的正反转五段速控制[14]。正反转五段速控制为开环控制，通过外部1—5档和正反转的控制按钮来控制电机依照不同转速正反转运转。2.3系统的结构及选择硬件

系统主要由三个部分构成，即可编程规律控制器件PLC、变频器和电机。首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机。第4页共47页

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速度给定

PLC变频器电机图2.1硬件电路图表2.1硬件型号表格

PLC的型号松下FP-C32CT变频器型号松下VFO电机三相异步电机

2.4本课题要研究的问题

（1）系统的组成（PLC变频器电机）（2）PLC的选型及I/O分派

（3）PLC与变频器，变频器与电机的连接(4)变频器的选择和参数设计(5)硬件设计和PLC的编程2.5研究方法、步骤和措施

通过查阅利用各种文献资料，在相关理论的基础上设计一套plc的交流变频调速方案并利用试验室现有的硬件和软件设备进行调系，把握PIC的电机变