电动机智能软启动控制系统设计

第2章电动机的启动2.1电动机启动的发展自从电动机被发明到今，由于电子和控制方面的技术的快速研发，交流电动机在人们的生活中普及，同时在伴着电动机的普及，电动机的维护保养也更加受到人们的关注。然而，电动机在直接起动的情况下电流达到了正常启动时标准的四到七倍。冲击电流太大就会导致电动机减少它的的使用时间，会降低电网中的二次电压，也会降低电动机起动时的转矩，以至于有时会导致电动机不启动，冲击电流会造成电网中电压的波动,影响在供电网络的设备。因此，对于电机的启动，国家有关部门颁布了这样的规定：电动机起动时电网电压不能超过15%。为此，从经济角度来看，人们设计了各种启动方式来减小电动机的起动电流。例如定子串电阻，Y-三角转换，自耦降压。电动机应用在工业、农业和交通运输业上，完成了电能转换为动能的重要步骤，是十分重要的设备。电动机广泛应用在工业生产上。电动机被当作一种主要的动力装置，因其构造简洁、所占空间小、价格低、便于维修、容易制造而被在工业生产中的应用得到普及。当需要交流电动机启动时，直接起动以及降压起动是人们经常使用到的启动方式。一直以来，电动机普遍的启动方式为直接启动，在人们的生产和生活中的应用是十分普遍的。可是不得不说，直接启动的方式所具有的弊端被人们渐渐发现。最近几年里，变频技术和软起动技术的发展越来越快，越来越成熟，使得变频起动和软启动方式在电动机的启动上的到了普及，从基础上解决了电机起动电流大、降低电网的二次电压的问题。2.2定子串电阻降压启动这种启动方式是在定子和电源之间加入了一个电阻，通过串联电阻能够分去一部分电压的原理，合理的减小了加载在定子绕组上的电压值，电动机的实际转速不断加快，等到达到额定转速的那一刻，从电路中切除电阻，从而达到了降低起动电流的目的，也保障了了电压为在额定电压时，电动机能够正常工作，达到要求。从人们使用定子串电阻降压启动交流电动机的经验中，我们可以的发现这种方法的主要弊端有：（1）串联电阻小，会传递较大电流。所以启动过程会消耗大量的动力；（2）启动转矩会因启动电流而降低；（3）使用成本高。所以这种起动方法经常用于电机不频繁起动。2.3Y-△转换启动Y-△转换启动：电动机启动时的接线的为Y（星接），在这个过程中电动机的转速会慢慢升高，等到升高到额定转速后，将其改为△（角接）。具体而言，电动机的Y-△接转换，就是启动前为Y（星接），启动后改为△（角接）。当电动机是采用这种方式启动的时候，加载在定子绕组上的电压值是50%的总电源电压，并且这时的起动电流也是很小的，只有直接启动是产生的电流的30%，从而保障其的起动转矩非常小，冲击电流对电网造成的影响也较小，允许更多的启动次数。Y-△启动模式消除了额外的设备，所以这种方式更多的应用在小型电机频繁启动上。Y-△起动方法的主要优点是：（1）结构较为简单；（2）造价低；（3）大大的减少了在启动过程中电流对电网的冲击力。主要缺点是：启动力矩为正常启动力矩的30%。所以

当电动机满足电压为额定电压、三角形接线方式的条件、要求启动电流能够被限制并且不严历的去要求启动力矩的大小，电动机在运行时，定子绕组的接线方式为三角形接线、电动机的容量为7.5KW以上时才可以采用星三角启动方法。电动机的星接与角接方法如图2-1所示图2-1星接（左）与角接（右）2.4自耦降压启动自耦降压启动的启动过程为：电机定子绕组上加载的启动电压被自耦变压器降低，直到电动机启动成功，电动机和变压器就会分离开，而后在加载电压为额定电压的条件下，能够正常运行电动机，这时电动机就启动成功了。自耦降压启动在人们使用的过程中，被发现的主要优点有：可以根据起动电流的被允许条件以及我们所设置的启动扭矩来连接变压器侧的不同的接线口，在实际应用电动机时，无论定子绕组采用的是星形接法还是三角形接法都能够正常使用。缺点为：（1）构造简单。（2）所占空间大。（3）造价高。（4）操作复杂，不能够频繁操作。由于自耦降压启动的方法在应用时，能够依照目的对启动电流进行调整，从而导致力矩在启动的时候会非常大，所以重负载在启动时，启动大型的机械时使用自耦降压启动比较合适。2.5软启动器的工作原理及作用2.5.1软启动器原理软启动器的内部实际上就是一个三相反并联的晶闸管，三相反并联晶闸管可以被看做为一个调压器，把它串接到电源和定子中间的电路中。当电动机启动时，电动机的转速会渐渐的加快，加载在电动机上的实际电压会慢慢升高，待加载电压为额定电压时，从电动机的机械特性上来讲，就会完成软启动，启动电流也就相应的减小了。当电动机的转速慢慢升高，等到达到额定转速后，第一步骤的启动结束，接下来软启动器会发出命令，这时旁路接触器也就会导通，并且晶闸管也会断开，这时加载在电动机上的就是额定电压了，而且也正常运转了，此为第二步骤。软启动器的原理如图2-2所示：图2-2软启动器原理图目前市场上的软启动器都是利用三相反并联晶闸管来实现电动机的启动。晶体闸流管的简称为晶闸管，还被人们称为硅可控整流器。PNPN的构造为四层的半导体结构，由一个阳极，一个阴极，一个门三构造而成；电流的流向是从阳极到阴极，因此它能够工作在大电流、高电压的环境中，并且还可以控制它的工作过程。2.5.2软启动器的控制功能将软启动器连接在电源和要启动的电机中间，晶闸管导通角由小到大，使加载在电动机上的电压慢慢升高，等到启动完成后，加载在电动机上的电压为额定电压，这就完成了软启动，在整个启动流程当中，起动转矩会慢慢的增大，速度也会加快。以下是常见的几种软启方式。

第3章变频器3.1变频器概述微电子技术和变频技术是变频器的中心技术，经过改变变频器输出端的频率，也就是改变电动机的输入频率，完成控制异步电动机的启动和工作目的的设备。变频器把工业用电的频率转换成了我们所需要频率，从而可以完成对电机的速度的控制的目的，也就是对电动机进行调速。变频器是一种软启动，电压频率以特定的百分比的稳定上升的启动模式，转差功率的变化在整个过程中不会发生，对电机的平稳启动非常有利，从而实现了电动机的启动消除了电动机在启动时电流对电网影响，进而消除了启动时电源的损耗，并且电动机的启动速度也是可以被控制的。控制变频器启动的核心技术是一个综合性的技术，电力电子技术，自动控制技术，计算机技术这三项技术是它的基础，通过运用在直流电动机的上慢慢的开展、研发出来的；正反转等因素对直流电机的限制，从而高速旋转的功能不能实现，但对异步电动机的应用上，上述限制根本不存在，可以以非常高的速度运行。变频器在对于电动机的控制上，电动机正反转转换是非常容易实现的，变频器内部有变频逆变管，只需要改变将它闭合和断开顺序改变，转换可以实现，因为错误的换向使电动机烧毁的问题并不会存在。这样，变频器可以更方便实现启动和停止。直流制动的功能使得变频器适用于各种环境。3.2变频器的基本构造变频器的基本构造图如3-1所示。供电网电源交流电整流电路直流中间电路逆变电路交流电供电网电源交流电整流电路直流中间电路逆变电路交流电电压和频率可调控制电路3.3变频器与软启动器的比较变频器与软起动器两者之间的区别主要是指：软启动器用作为电压调节器，启动电机时，输出电压变化，输出频率不变；但是，变频器不仅仅会使电压发生改变，而且还会使频率发生改变，需要改变速度的环境才会用到的变频器。软启动器的所有功能变频器都具有，但它比软启动器的价格更加昂贵，有比软启动器更加复杂结构。关于变频器本身所拥有的功能来说，可以考虑它是一个会改变输出电压和输出频率的交流电源，变频器能够给更多的电动机同时提供电源，电机的功率因数也不会影响电源的功率因数，脉冲电流小，节能效果非常明显，节电效率使平常耗电功率的百分之二十到百分之六十之间，虽然早期设备的购买成本高，但节能效果是很明显。而高性能变频器的外部接口功能非常丰富，可以将其应用在自动控制系统中，作为组成部分中的一个硬件设备，更加方便的使我们设计出一个自动化控制系统。3.4变频器的特点（1）无极调速：电动机速度在平稳连续的过程中，可以使电机在整个速度调节范围内稳定运行使调速的准确度大大提高。（2）启动平稳，软启动时，启动时的产生的冲击电流被有效降低，起动时需要很低的功率，电力线路中产生的电压波动被大大降低，电机启动时更加的俺去。（3）拥有多个信号输入与输出的端口，可以接收和发送模拟信号、数字信号以及电流、电压信号，可以将其非常便捷的接入到通讯网络系统里，可以对生产过程中的自动化完成控制时的命令输出。（4）电机正反转的转换不需要通过外部接触器来切换。（5）为了使工作效率显著提升，在机械设备允许频率改变的情况下，可以使变频器的输出频率改变。

第4章可编程控制器4.1PLC的概述PLC是作为数字计算操作电子系统的控制核心的二次微处理器，专门设计其用于工业领域，可编程的存储器被使用在其内部存储器中，以执行逻辑运算，顺序控制，定时/计数和算术运算等指令，输入输出接口为数字或模拟，从而控制各种生产过程或者各类的机械。计算机技术和传统继电器触点控制技术的结合衍生了PLC，拥有接线简单、可靠性高、功耗低、通用性和灵活性强的优点，微处理器得到了充分的利用，电气设备操作和维护人员得到了照顾，尤其是PLC的编程，不用去学习计算机编程语言里的专门知识，而是使用一套简单的梯形图为指令，用户程序形象，直观，方便，易学;寻找错误调试和也非常方便。4.2PLC的基本构成通常在一个PLC中，CPU模块是它的“大脑”，电源模块是它的“血液”，I/O模块是它手臂，这样它就成为了一个系统的智能处理中心。可编程控制器有着以下优点：便于人们安装，占有空间小，能耗低还能够诊断整个系统中的故障，能够在其他项目中多次使用。现如今，虽然PLC的各项功能，如运行速速度、数据通信、数据处理能力都被大幅度的优化，但是PLC还是坚持了容易操作的初衷。结构如图4-1所示：图4-1PLC结构图4.3PLC的编程与调试PLC的制造商和规格是多种多样的，各种不同的PLC各成体系，各自使用不同的编程语言和方法，但编程的过程和模式是一样的，编程和调试步骤为：(1)I/O接线图的设计，根据输入条件和程序运行后的实际状况，以及现场生产的要求，设计PLC与其他组件的接线图，是现场接线和PLC程序设计的基础。(2)书写PLC的程序梯形图以及指令表，按照现场生产工艺的要求,使用编程软件，将生产过程书写为PLC梯形图，并将梯形图转换为指令语句表(3)程序编写和在线调试，用数据下载线连接电脑和PLC，执将程序下载到PLC中，并执行程序。PLC输入连接信号，输出连接组件，开始调试。4.4PLC的工作过程给PLC通电，系统以固定的方式对输入的程序进行查错，一遍又一遍的对任务扫描，从而将结果输出。这就是依次扫描的过程。（1）恢复初值，。给PLC通电，先将系统恢复出厂值，将内部的所有元件复位。（2）CPU检测。PLC每次扫描钱都会对供电端、PLC电路系统、程序是否有错这些方面实行检测。保证系统能够完成任务。（3）通讯检测。对每个与PLC有通讯连接的设备进行模拟通讯，保证通讯正常。（4）接收外部设备信息。PLC在每次扫描前接收其他设备的信息，人们从而对数据进行检测、更改。实现数据更新。（5）执行程序。PLC运行时，每次扫描完毕都会输出结果。（6）刷新。PLC运行时，每次扫描都会解决输入和输出的问题。把输入信号和输出结果，通过扫描输入到映像区中，最后将命令发给机械设备。PLC停机后，结束意思过程。PLC的内部工作过程如图4-2所示图4-2PLC内部工作过程图

第5章设备选型5.1电动机的选择与参数本次设计所采用的水泵为ISG/IRG80-160-7.5KW管道泵，参数如表5-1所示：表5-1电动机参数表额定电压功率工作温度流量频率380V7.5KW80℃50m³/h50Hz5.2PLC选型及参数根据客户要求选择永宏FBs-20MA型可编程控制器，其参数如表5-2所示：表5-2PLC参数表工作电压输入点数输出点数220V128详细介绍：24VDC输入点12点（2点高速100KHz，4点中速20KHz，6点中速总和5KHz）；8点继电器或晶体管输出（2点高速100KHz，6点中速20KHz）;一个RS232通讯端口。本次设计需要用到8个输入点，6个输出点，以及通讯端。5.3变频器的选型及参数根据客户要求选择安弗森Z2400-7R5P型变频器，其规格如表5-3所示：表5-3变频器参数表额定电压输出功率输入电流输出电流适用电机380V7.5KW20.0A17.0A7.5KW以下详细介绍：选择安弗森Z2400-7R5P变频器。安弗森Z2400-7R5P是一套用来对三相交流电动机启停和速度控制的变频器。在各种启停及变速传动中应用，不仅具有模块化的设计，而且是理想的成本优化的解决方案。由微处理器控制的变频器系列，以及功率输出装置使用现代先进技术的绝缘栅双极晶体管。所以，它具有可靠的操作性和多样的功能性。当变频器在使用时。根据电机的参数、系统功能要求和操作特点，系统设置有关的变频器参数。变频器的基本接线图如图5-1所示：图5-1变频器基本接线图5.4其他元器件在本次设计中用到的其他元器件如表5-4所示：

表5-4元器件参数表器件名称型号规格参数数量断路器DZ47-604PD25D25A4PACU380V1DZ47-603PD16D16A3PACU=380V2DZ47-601PC10C10A1PACU=220V2开关电源HS-100-24ACU=220V1按钮NP2-BS542急停常闭DCU=24V1NP2-BA31绿色常开DCU=24V4NP2-BA42红色常闭DCU=24V2指示灯ND16-22DS/2红色DCU=24V1ND16-22DS/2绿色DCU=24V2浮漂开关DCU=24V1电压表42L6-450VAC=450V15.5变频器拖动多台电机方案对于变频器控制多台的电动机，现有以下两种方法。第一个是一台变频器连接任意台数的的电动机，实现对多台电动机的拖动，用一台PLC去控制多台变频器。如今随着对变频技术的深入研究，变频器的功能已经十分丰富，市场上的变频器大多数类型都带动两个或者更多的电动机，这样就里一台变频器控制多台电机的任务。此种控制方法仅仅用了一台变频器，花费低，另外的硬件使用的就少了，从而对设计的投入减少，设备的利用率同时得到了提升，潜在的功能被充分利用。然而，这种方式只适用于电机相对较少，电机配置集中的控制系统中。第二个是使用对应数量变频器控制电动机，然后使用多台变频器采用PLC控制多台变频器，这样来完成推动多台电机的任务。通此种方法种运用了较多的变频器，比第一种方法的花费高，应该用在使用电机数量较多的生产环境中。电动机的控制系统由PLC和变频器构成，不仅仅能够对设备进行自动化管理和监控操作，使系统更加的可靠安全，同时也使生产的效率以及带来的经济效益大大上升。在本次设计任务中，我们使用一台PLC去控制两台变频器，再用变频器各自控制一台电动机，完成了一备一用的要求。

第6章系统设计方案6.1PLC程序编写6.1.1程序编写思路在水箱中安装一个浮漂开关，并串联一个指示灯，对水位进行监控，在水位下降到一定程度时使水泵停机，防止水泵空转，并且指示灯亮，进行报警；每台水泵启动与停止水泵各对应一个按钮，按钮为一个常开一个常闭，常开用于启动，常闭用于停机，串联一个指示灯，对水泵的状态进行监视；有一个急停按钮，用于紧急情况时停机，不论那台水泵运行，都能够使其停止；有两个按钮，可以分别在变频器报警后对其进行复位。6.1.2程序梯形图本次设计控制系统中PLC的程序如图6-1所示：图6-1PLC程序6.2控制系统I/O点与功能控制系统中的I/O点与功能如表6-1所示：

表6-1I/O点与功能输入端输出端地址元件功能地址功能X0浮漂开关无水停止Y01号变频器（水泵）启动X1SB11号水泵启动按钮Y12号变频器（水泵）启动X2SB21号水泵停止按钮Y21号变频器报警复位X3SB32号水泵启动按钮Y32号变频器报警复位X4SB42号水泵停止按钮C0变频器GND端及0VX5SB51号变频器报警清除按钮C10VX6SB62号变频器报警清除按钮RS+变频器RS+X7SB0急停按钮RS-变频器RS-6.3系统功能简介X0处接一个浮漂开关，水量充足时浮漂开关为断开状态，当水量不足时浮漂开关闭合，使电动机停止，可以防止电动机在空载状态下运行；按下一号水泵启动按钮SB1，PLC给变频器一个电子信号，使变频器启动，也就是使一号水泵实现软启动；按下一号水泵停止按钮SB2，PLC断开给变频器的电子信号，从而变频器停止运行，使二号水泵软停机；当系统检测到水泵或系统故障时，发出报警信号，并停止水泵的运行，在消除故障后，按下一号变频器报警清除按钮SB5，将一号变频器复位；二号水泵的操作同一号水泵；如发生紧急情况，只需按下急停按钮SB0就可使系统停止运行。RS+和RS-是实现变频器与PLC之间的通讯。6.4PLC端子接线图PLC端子接线图如图6-2所示：图6-2PLC端子接线图6.5变频器参数设置变频器参数设置如表6-2所示：表6-2变频器参数设置功能代号设置参数值功能P0.011无速度传感器矢量控制P0.021端子命令通道6.6系统电路图及控制流程图6.6.1系统电路图系统电路图如图6-3所示图6-3系统电路图6.6.2控制流程图控制流程图如图6-4所示.按钮按钮PLC1号变频器2号变频器M1M2图6-4控制流程图

总结机械设备重要组成部分为电气控制系统，它对机械设备发出命令，就相当于人类的大脑，其他的机械设备就相当于人类的身躯和四肢。因此，电气控制系统很大程度上的决定了机械设备的好坏。由于异步电动机选择了变频器的作为起动装置，软起动器的功能变频器全部具有，因此在设计中，只需要考虑PLC怎样去控制变频器，以及变频器的设定参数是什么就可以。可编程逻辑控制器(PLC)作为三相异步电动机的控制系统的核心元件，对电动机的控制通过PLC的模拟输出实现。总之，想要设计出一个好的电动机控制程序，我们首先要写一个好的PLC程序，然后选择与之相匹配的机械设备和元器件，通过PLC与这些器件的共同运行才能够实现我们所需要的生产过程，实现自动化。