變頻器調(diào)速畢業(yè)論文(設計)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　三相交流異步電動機是工農(nóng)業(yè)中最重要的拖動設備之一，因為其結(jié)構(gòu)簡單、維修容易而得到了廣泛的應用，而隨著社會進一步的發(fā)展，交流電機已經(jīng)不僅僅局限于簡單的恒速控制，在更多的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，很多設備需要根據(jù)不同的工作環(huán)境，要調(diào)節(jié)到一個特定的轉(zhuǎn)速。從而對三相交流異步電動機的速度提出要求，希望能對電機運行速度進行調(diào)節(jié)，并能穩(wěn)定運行。<

2、;/p><p>　　電機交流變頻調(diào)速技術(shù)是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。三相交流異步電動機變頻技術(shù)有調(diào)速時平滑性好，效率高；低速時，特性靜關(guān)率高，相對穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍大，精度高等特點和優(yōu)點。變頻器不但在傳統(tǒng)的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，而且?guī)缀跻呀?jīng)擴展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域，尤其在空調(diào)、洗衣機、電冰箱等家電產(chǎn)品中的應用。為了實現(xiàn)在惡劣的工作環(huán)境中對三相交流異步電動機

3、進行遠程控制，引入PLC（Programmable Logic Controller,可編程邏輯控制器）控制單元，實現(xiàn)了對變頻調(diào)速系統(tǒng)的智能控制，使得該調(diào)速系統(tǒng)性能更加優(yōu)越，滿足了現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的需要。</p><p>　　本次設計就是基于PLC的變頻器調(diào)速系統(tǒng)，將現(xiàn)在應用最廣泛的PLC和變頻器綜合起來實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，加減速以及快速制動等。</p><p>　　關(guān)鍵詞：變頻器；PLC；交

4、流電機；調(diào)速</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　AC induction motor is one of the most important industrial and agricultural drag equipment. It has been widely used because of its simple str

5、ucture 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. Many devices need to be adjusted to a specific spe

6、ed according to different working environments. For AC motor speed proposed requirements. The realization of operation speed regulation and</p><p>　　AC variable frequency technology is energy saving, a major

7、 means to improve the process to improve product quality and improve the environment, promoting technological progress. AC motor frequency conversion technology are speed smooth and good, high efficiency; low speed chara

8、cteristics, static clearance rate high, relatively good stability, wide speed range, high precision advantages and characteristics. Variable-frequency Drive has been widely used not only in traditional electric drive sys

9、te</p><p>　　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.

10、</p><p>　　Keywords: Variable-frequency Drive; PLC; AC motor ; speed control</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1.緒論1</b></p><p>　　1.1.本設計的背景1<

11、;/p><p>　　1.1.1.變頻調(diào)速的背景與研究意義1 </p><p>　　1.1.2.變頻調(diào)速技術(shù)介紹1</p><p>　　1.1.3.變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.本設計的主要內(nèi)容5</p><p>　　2.本設計方案的確定6</p><p>

12、　　2.1.變頻調(diào)速系統(tǒng)6</p><p>　　2.1.1.三相交流異步電動機6</p><p>　　2.1.2.西門子MM420變頻器10</p><p>　　2.2.系統(tǒng)功能分析13</p><p>　　2.3.設計方案的確定14</p><p>　　2.3.1.變頻調(diào)速的控制方式及選定14

13、</p><p>　　2.3.2.PLC的選擇14</p><p>　　2.3.3.變頻器的選擇14</p><p>　　2.3.4.電動機的選擇15</p><p>　　3.變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計16</p><p>　　3.1.變頻調(diào)速系統(tǒng)電路設計16</p><p

14、>　　3.2.變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計16</p><p>　　3.2.1.變頻調(diào)速系統(tǒng)PLC程序設計16</p><p>　　3.2.2.MM420變頻器參數(shù)設定17</p><p>　　4.變頻器調(diào)試系統(tǒng)安裝與調(diào)試19</p><p>　　4.1.變頻器的安裝、布線及抗干擾19</p><p&g

15、t;　　4.1.1.變頻器的安裝19</p><p>　　4.1.2.變頻器的布線20</p><p>　　4.1.3.變頻器的抗干擾21</p><p>　　4.2.變頻器的保護功能及故障處理21</p><p>　　4.2.1.變頻器的保護功能21</p><p>　　4.2.2.變頻器的故障

16、分析及處理22</p><p>　　5.設計總結(jié)23</p><p><b>　　6.附錄24</b></p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　本設計的

17、背景</b></p><p>　　變頻調(diào)速的背景與研究意義</p><p>　　我國對交流變頻調(diào)速技術(shù)的研究起步較晚，直到上個世紀90年代才有產(chǎn)品出現(xiàn)，而且采用的控制技術(shù)相對單一，主要以V/F控制方式為主，而且性能較低，無法滿足動態(tài)性能要求和生產(chǎn)節(jié)能需求。但隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，交流電動機變頻技術(shù)也日趨完善，各種復雜控制技術(shù)在變頻器技術(shù)中逐步應用，使變頻器的性能不斷提高，而且

18、應用范圍也越來越廣。變頻器現(xiàn)不但在傳統(tǒng)的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，而且?guī)缀跻呀?jīng)擴展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域，尤其在空調(diào)、洗衣機、電冰箱等家電產(chǎn)品中的應用。</p><p>　　目前，變頻調(diào)速已被公認為是最理想、最有發(fā)展前景的調(diào)速方式之一，采用變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的主要目的，一是為了滿足提高勞動生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設備自動化程度、提高生活質(zhì)量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。用戶

19、根據(jù)自己的實際工藝要求和運用場合選擇不同類型的變頻器。</p><p><b>　　變頻調(diào)速技術(shù)介紹</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的日益發(fā)展，三相交流異步電動機的調(diào)速已經(jīng)從繼電器控制時代發(fā)展到今天的由變頻器控制調(diào)速，且在工業(yè)各個領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應用，而在現(xiàn)在的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，最為常見的是PLC控制，PLC是可編程控制器的簡稱，

20、PLC技術(shù)是在繼電接觸器控制和計算機基礎(chǔ)上開發(fā)的工業(yè)自動控制裝置。由于它可以通過軟件來改變控制過程，且編程較為簡單，所以目前PLC在工業(yè)控制中占據(jù)了主導地位，得到了非常廣泛的應用。</p><p>　　交流調(diào)速系統(tǒng)具備寬的調(diào)速范圍，高的穩(wěn)速范圍，高的穩(wěn)速精度，快的動態(tài)響應功率等特點。隨著半導體器件的不斷進步，尤其是新型可關(guān)斷器件，如BJT（雙極型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場效應管）、IGBT（絕緣柵雙極型

21、晶體管）的實用化，使得開關(guān)高頻化的PWM技術(shù)成為可能。目前功率半導體器件正向高壓、大功率、高頻化、集成化和智能化方向發(fā)展。典型的電力電子變頻裝置有電壓型交-直-交變頻器、電流型交-直-交變頻器和交-交變頻器三種。電流型交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖，它的一個突出優(yōu)點是當三相異步電動機處于制動（發(fā)電）狀態(tài)時，只需改變網(wǎng)側(cè)可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到直流側(cè)的再生電能方便地回饋到交流電網(wǎng)，

22、構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)具有四象限運行能力，可用于頻繁加減速等對動態(tài)性能有要求的單機應用場合，在大容量風機、泵類節(jié)能調(diào)速中也有應用。電壓型交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電容作儲能元件，無功功率將由大電容來緩沖。對于負載電動機而言，電壓型變頻器相當于一個交流電壓源，在不超過容量限度的情況下，可以驅(qū)動多臺電動機并聯(lián)運行。電壓型PWM變頻器在中小功率電力</p><p>　　隨著電壓型PWM變頻器在高性能的交流傳動系統(tǒng)中應

23、用日趨廣泛，PWM技術(shù)的研究越來越深入。PWM利用功率半導體器件的高頻開通和關(guān)斷，把直流電壓變成按一定寬度規(guī)律變化的電壓脈沖序列，以實現(xiàn)變頻、變壓并有效地控制和消除諧波。PWM技術(shù)可分為三大類：正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機PWM。正弦PWM包括以電壓、電流和磁通的正弦為目標的各種PWM方案。正弦PWM一般隨著功率器件開關(guān)頻率的提高會得到很好的性能，因此在中小功率交流傳動系統(tǒng)中被廣泛采用。但對于大容量的電力變換裝置來說，太高的開關(guān)頻率會導

24、致大的開關(guān)損耗，而且大功率器件如GTO的開關(guān)頻率目前還不能做得很高，在這種情況下，優(yōu)化PWM技術(shù)正好符合裝置的需要。特定諧波消除法（Selected Harmonic Elimination PWM——SHE PWM）【1】、效率最優(yōu)PWM和轉(zhuǎn)矩脈動最小PWM都屬于優(yōu)化PWM技術(shù)的范疇。普通PWM變頻器的輸出電流中往往含有較大的和功率器件開關(guān)頻率相關(guān)的諧波成分，諧波電流引起的脈動轉(zhuǎn)矩作用在三相交流異步電動機上，會使三相交流異步電動機定子

25、產(chǎn)生振動而發(fā)出電磁噪聲，其強度和頻率范圍取決于脈動轉(zhuǎn)矩的大小和交變頻率。</p><p>　　變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)狀</p><p>　　目前，我國的能源消費僅次于美國，位列世界第二，但國民生產(chǎn)總值卻不高，其中最重要的原因之一就是單位產(chǎn)值能耗太大。我國具有各類風機 約780萬臺，水泵4000萬臺，空壓機560萬臺，這些裝置又占去了電機耗電的一半以上。由于這些設備一般均釆用恒速驅(qū)動，每年造成

26、大量能源浪費。國家在〈十 一五〉規(guī)劃中指出：堅持開發(fā)節(jié)約并重、節(jié)約優(yōu)先，按照減量化、再利用、資源化的原則，大力推進節(jié)能節(jié)水節(jié)地節(jié)材，加強資源綜合利用，完善再生資源回收利用體系，全面推行清潔生產(chǎn)，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的節(jié)約型增長方式。實行有利于資源節(jié)約的價格和財稅政策。強化節(jié)約意識，鼓勵生產(chǎn)和使用節(jié)能節(jié)水產(chǎn)品、節(jié)能環(huán)保型汽車，發(fā)展節(jié)能街地型建筑，形成健康文明、節(jié)約資源的消費模式。我國對交流變頻調(diào)速技術(shù)的研究起步較晚，到上個世

27、紀90年代才有產(chǎn)品出現(xiàn)，釆用的控制技術(shù)幾乎都還只是V/F控制，調(diào)速性能根本無法與國外產(chǎn)品相比。目前在中、低壓交流傳動中，變頻器的使用越來越多，而我國在研究矢量控制系統(tǒng)所需的各種硬件條件已經(jīng)具備，如己出現(xiàn)的智能化功率器件 (IPM),其電壓等級、開關(guān)頻率都有很大的提高；數(shù)字化控制元件也已出現(xiàn)單指令周期10n</p><p>　　變頻調(diào)速已成為電動機調(diào)速的最新潮流，有其自身身的特點和優(yōu)點，隨著交流變頻技術(shù)的日趨完善和

28、推廣應用，特別是在礦用大功率高壓設備中的絞車、 提升機、通風機、帶式輸送機等礦用設備上的應用效果則更加明顯。對耗電大、 生產(chǎn)環(huán)境惡劣的煤炭行業(yè)推廣應用變頻技術(shù)更具有現(xiàn)實意義【3】。</p><p><b>　　本設計的主要內(nèi)容</b></p><p>　　(1) 根據(jù)控制要求選定變頻調(diào)速的控制方式；</p><p>　　(2) 設計變頻調(diào)速系統(tǒng)

29、的硬件和軟件；</p><p>　　(3) 變頻器調(diào)試系統(tǒng)安裝與調(diào)試；</p><p>　　本系統(tǒng)控制要求如圖1-1所示</p><p>　　圖1-1 系統(tǒng)控制要求</p><p>　　由圖1-1可知，本設計通過PLC控制變頻器達到變頻調(diào)速的目的，從而實現(xiàn)交流電機的正反轉(zhuǎn)、起停、加速、減速控制以及速度的調(diào)節(jié)。</p><

30、p><b>　　本設計方案的確定</b></p><p><b>　　變頻調(diào)速系統(tǒng)</b></p><p><b>　　三相交流異步電動機</b></p><p>　　（1）三相交流異步電動機結(jié)構(gòu)</p><p>　　三相交流異步電動機的種類繁多，但各類三相交流異步電動機

31、的基本結(jié)構(gòu)是相同的，它們都由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙。此外，還包括端蓋、軸承、接線盒、吊環(huán)等其他附件。具體如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 三相交流異步電動機結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　三相交流異步電動機的定子是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的，一般由外殼、定子鐵心、定子繞組等部分組成。三相交流異步電動機定子鐵心是電動機磁路的一部分，由0.35mm

32、～0.5mm厚表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成。由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的，所以減少了由于交變磁通通過而引起的鐵心渦流損耗。鐵心內(nèi)圓有均勻分布的槽口，用來嵌放定子繞圈。定子繞組是三相交流異步電動機的電路部分，三相交流異步電動機有三相繞組，通入三相對稱電流時，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。三相繞組由三個彼此獨立的繞組組成，且每個繞組又由若干線圈連接而成。每個繞組即為一相，每個繞組在空間相差120°電角度。線圈由絕緣銅導線或絕緣鋁導

33、線繞制。中、小型三相交流異步電動機多采用圓漆包線，大、中型三相交流異步電動機的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心槽內(nèi)。定子三相繞組的六個出線端都引至接線盒上，首端分別標為U1, V1, W1 ，末端分別標為U2, V2, W2 。這六個出線端在接線盒里可以接成星形或三角形，如圖2-2所示。</p><p>　　a.星形連接 b.三

34、角形連接</p><p>　　圖2-2 星形和三角形連接</p><p>　　轉(zhuǎn)子鐵心是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉(zhuǎn)軸上，作用和定子鐵心相同，一方面作為三相交流異步電動機磁路的一部分，一方面用來安放轉(zhuǎn)子繞組。 轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組一樣也是一個三相繞組，一般接成星形，三相引出線分別接到轉(zhuǎn)軸上的三個與轉(zhuǎn)軸絕緣的集電環(huán)上，通過電刷裝置與外電路相連，這就有可能在轉(zhuǎn)子電路中串接電阻或電動勢

35、以改善三相交流異步電動機的運行性能。</p><p>　　其他部分包括端蓋、風扇等。端蓋除了起防護作用外，在端蓋上還裝有軸承，用以支撐轉(zhuǎn)子軸。風扇則用來通風冷卻三相交流異步電動機。三相異步電動機的定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙，一般僅為0.2mm～1.5mm。氣隙太大，三相交流異步電動機運行時的功率因數(shù)降低；氣隙太小，使裝配困難，運行不可靠，高次諧波磁場增強，從而使附加損耗增加以及使啟動性能變差。</p>

36、<p>　?。?）三相異步交流電動機的工作原理</p><p>　　三相交流異步電動機的工作原理是建立在電磁感應定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎(chǔ)上的。當磁極沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，磁極的磁力線切割轉(zhuǎn)子導條，導條中就感應出電動勢。電動勢的方向由右手定則來確定。因為運動是相對的，假如磁極不動，轉(zhuǎn)子導條沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，則導條中同樣也能感應出電動勢來。在電動勢的作用下，閉合的導條中就產(chǎn)生電流。該電流與旋

37、轉(zhuǎn)磁極的磁場相互作用，而使轉(zhuǎn)子導條受到電磁力，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動起來。</p><p>　　（3）三相交流異步電動機變頻調(diào)速原理及方法</p><p>　　三相交流異步電動機的變頻調(diào)速原理，可從三相交流異步電動機的轉(zhuǎn)速方程得出，轉(zhuǎn)速方程如式（2-1）</p><p>　　n=60f1(1-s)/p

38、 (2-1)</p><p>　　式2-1中：n，三相交流異步電動機的實際轉(zhuǎn)速； f1，三相交流異步電動機定子繞組的供電頻率； p，旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)；s，為轉(zhuǎn)差率，表示定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1與n的關(guān)系。</p><p>　　由式（2-1）知，影響三相交流異步電動機轉(zhuǎn)速的因素有：三相交流異步電動機的磁極對數(shù) p ，轉(zhuǎn)差率s 和電源頻率f1 。對于給定的三相交流異步

39、電動機，磁極對數(shù) p 一般是固定的；通常情況下，轉(zhuǎn)差率 s 對于特定負載來說是基本不變的，并且其可以調(diào)節(jié)的范圍較小，加之轉(zhuǎn)差率 s不易被直接測量，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率來調(diào)速在工程上并未得到廣泛應用。如果電源頻率可以改變，那么通過改變電源頻率來實現(xiàn)三相交流異步電動機調(diào)速的方法應該是可行的，這就是所謂變頻調(diào)速。</p><p>　　由電機學原理知，如忽略繞組間的互感、繞組的漏感及空間電磁諧波，三相交流異步電動機的相等效穩(wěn)態(tài)電路

40、如圖 2-3。</p><p>　　圖 2-3 三相交流異步電動機的相等效穩(wěn)態(tài)電路</p><p>　　由戴維南定理，圖 2-3電壓平衡方程式為：</p><p>　　U = E + I * r （2-2）</p><p>　　式中:U-相電壓，E-定子繞組的感應電動勢，I-定子繞

41、組的相電流，r-定子繞組電阻與轉(zhuǎn)子繞組電阻折算到定子側(cè)的電阻之和</p><p>　　三相交流異步電動機的定子繞組的感應電動勢是定于繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的結(jié)果， 其有效值計算如下：</p><p>　　E = K * f *Φ （2-3）</p><p>　　式中：K-與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，f-電源頻率，Φ-磁通量&l

42、t;/p><p>　　由式（2-2）知，加在電機繞組端的電源電壓Ｕ，一部分產(chǎn)生感應電動勢Ｅ，另一部分消耗在電阻 r （ 定子繞組電阻與轉(zhuǎn)子繞組電阻折算到定子側(cè)的電阻之和 ）上 。其中定子繞組的相電流 I 由兩部分構(gòu)成：</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　電機的定子電流有一小部分 用于建立磁場的主磁通，其余大部分

43、用于產(chǎn)生拖動負載的電磁力。</p><p>　　由式 （2-1）知，調(diào)整電源頻率f時，可以調(diào)節(jié)速度n。 當電源頻率f下降時，由式 （2-3）知，感應電動勢隨之比例減??；在相電壓U保持不變的情況下，由式（2-2）知，定子繞組的相電流I相應增大。在很多情況下，電機的負載是基本恒定的，因此用于產(chǎn)生電磁力的電流 是基本不變的，于是 將增大； 的增大將直接導致主磁通的增大。由式 （2-3），主磁通的增大，將引起感應電動

44、勢Ｅ比例增大；由式（2-2），感應電動勢Ｅ的增大將使定子電流I減小。不難理解，通過這樣的負反饋，電機將最終穩(wěn)定在一個新的工作點。</p><p>　　這樣的控制方法看起來似乎沒有問題。但實際情況是主磁通容量上限與電機的鐵芯有關(guān)。電機的鐵芯受制于重量、體積、成本等因素的考慮，不可能做的很大。對于電機設計來說，設計目標之一就是：當電機處于額定工作狀態(tài)下時，主磁通接近容量上限。上述的變頻調(diào)速方法工作在額定頻率以下時，將

45、會導致鐵心磁飽和，引起電流波形畸變，有效力矩下降；嚴重時，將導致電機發(fā)熱過快，振動和噪音加大；工作在額定頻率以上時，鐵心處于弱磁狀態(tài)，電磁力矩不足，電機的機械特性變軟（轉(zhuǎn)差率s變大），帶載能力下降。</p><p>　　結(jié)論：通過只調(diào)節(jié)電源頻率來調(diào)節(jié)速度的方法不可取。</p><p>　　既然不可取的原因是因為鐵心磁飽和。那么在調(diào)節(jié)電源頻率的同時，磁通量就要保持恒定。</p>

46、<p><b>　　式（2-3）知：</b></p><p>　　Φ ∝ E/f (2-5)</p><p>　　在電機運轉(zhuǎn)速度不是很低的情況下，由于電機的電阻r很小，電機定子線圈上的阻抗壓降（I*r）可以忽略。由式（2-2）可以得到：</p><p>　　U ≈ E (2-6)&l

47、t;/p><p>　　于是上式可以表示為：</p><p>　　Φ ∝ U/f (2-7)</p><p>　　由式(2-7)知，在調(diào)節(jié)電源頻率f的同時同比例地調(diào)節(jié)電源電壓U可保持磁通量Φ基本恒定，達到了調(diào)節(jié)速度的目的，又不影響電機的帶載能力。這就是所謂的變頻變壓調(diào)速法：VVVF（Variable Voltage Variable Frequenc

48、y）控制法，也稱恒壓頻比（V/F）控制法。</p><p>　　當電源頻率較低時，因定子繞組的感應電動勢較小，忽略電機定子線圈上的阻抗壓降（I*r）時引入了較大的誤差，直接表現(xiàn)就是電機的帶栽能力下降。實際應用中，為了保持轉(zhuǎn)矩基本恒定，在低頻段，通常需要對V/F 曲線進行補償。所以低頻段也稱恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。</p><p>　　當電源頻率高于一定頻率時，電機繞組相電壓并不能依據(jù)式（2-7）比例增加

49、。主要原因是：相電壓受制于電機繞組的絕緣強度；相電壓受制于電源的利用率；相電壓受制于系統(tǒng)供電。</p><p>　　實際中的做法是：當電源頻率高于一定閾值時，相電壓保持不變。此區(qū)間相電流基本保持不變，即電機的輸入功率基本保持不變，所以該區(qū)間也稱恒功率區(qū)。</p><p>　　西門子MM420變頻器</p><p>　?。?）西門子MM420變頻器的組成如圖2-4所示

50、。</p><p>　　圖2-4 變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　從圖2-4中可以看出，主要組成部分包括一下幾個方面：</p><p><b>　?、?電路單元</b></p><p>　　主電路單元包括整流器和逆變器兩個主要功率變換單位，電網(wǎng)電壓由輸入端（L1，L2，L3）接入變頻器，經(jīng)整流器整流成直流電壓，然

51、后由逆變器變成電壓和頻率可調(diào)的交流電壓，從輸出端（U，V，W）輸出到三相交流異步電動機。</p><p><b>　　② 驅(qū)動控制單元</b></p><p>　　驅(qū)動控制單元主要作用是產(chǎn)生逆變器開關(guān)管的驅(qū)動信號，受中央處理單元控制</p><p><b>　?、?中央處理器</b></p><p>

52、;　　中央處理器用來處理各種外部控制信號、內(nèi)部檢測信號以及用戶對變頻器的參數(shù)設定信號等，然后對變頻器進行控制，是變頻器的控制中心。</p><p><b>　　④ 保護與報警單元</b></p><p>　　主要通過對變頻器的電壓、電流、溫度等信號的檢測，出現(xiàn)異常或故障時候，該單元將改變或關(guān)斷逆變器的驅(qū)動信號，使變頻器停止工作，實現(xiàn)對變頻器的自我保護。</p&g

53、t;<p>　?、?參數(shù)設定與監(jiān)視單元</p><p>　　該單元主要由操作面板組成，用于對變頻器的參數(shù)設定和監(jiān)視變頻器當前的運行狀態(tài)</p><p>　　(2) 西門子MM420變頻器的基本原理</p><p>　　變頻器可以分為四個部分，如圖2-5所示。通用變頻器由主電路和控制回路組成。給三相交流異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路

54、。主電路包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)（又稱平波回路）、逆變器。</p><p>　　圖2-5 變頻器簡化結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　整流器 </b></p><p>　　它的作用是把工頻電源變換成直流電源。</p><p>　　平波回路（中間直流環(huán)節(jié)）</p><p>　　由于逆變器的負載為

55、三相交流異步電動機，屬于感性負載。無論三相交流異步電動機處于電動狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)，起始功率因數(shù)總不會等于1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和三相交流異步電動機之間總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件—電容器或電感器來緩沖，所以中間直流環(huán)節(jié)實際上是中間儲能環(huán)節(jié)。</p><p><b>　　逆變器 </b></p><p>　　與整流器的作用相反，逆變器是

56、將直流功率變換為所要求頻率的交流功率。逆變器的結(jié)構(gòu)形式是利用6個半導體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變器電路。通過有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的導通和斷開，可以得到任意頻率的三相交流輸出波形。</p><p><b>　　控制回路 </b></p><p>　　控制回路常由運算電路，檢測電路，控制信號的輸入、輸出電路，驅(qū)動電路和制動電路等構(gòu)成。其主要任務是完成對逆變器的開關(guān)控

57、制，對整流器的電壓控制，以及完成各種保護功能?？刂品绞接心M控制或數(shù)字控制。</p><p>　?。?）西門子MM420變頻器的開關(guān)器件</p><p>　　該變頻器里開關(guān)器件主要為IGBT（絕緣柵雙極晶體管），是20世紀80年代中期發(fā)展起來的一種新型復合型器件，它集MOSFET和GTR的優(yōu)點于一身，具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、通態(tài)壓降低、阻斷電壓高、承受電流大以及驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點。&l

58、t;/p><p>　　（4） 西門子MM420變頻器的控制方式</p><p>　　該變頻器的控制方式為U/F控制，U/F控制上面已經(jīng)有所介紹，該控制方式的變頻器結(jié)構(gòu)比較簡單，成本較低，機械特性硬度較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速的要求。但是這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子阻抗壓降的影響較為明顯，使最大輸出轉(zhuǎn)矩減小，必須進行轉(zhuǎn)矩補償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。</p>

59、<p><b>　　系統(tǒng)功能分析</b></p><p>　　本次設計就是基于PLC的變頻器調(diào)速系統(tǒng)。將現(xiàn)在應用最廣泛的PLC和變頻器綜合起來主要功能實現(xiàn)了變壓變頻調(diào)速。電機的正反轉(zhuǎn)，加減速以及快速制動等。因此，該系統(tǒng)必須具備以下三個主體部分：控制運算部分、執(zhí)行和反饋部分。控制運算主要由PLC和變頻器來完成；執(zhí)行元件為變頻器和電機；反饋部分主要為速度反饋。</p>

60、<p><b>　　設計方案的確定</b></p><p>　　變頻調(diào)速的控制方式及選定</p><p>　　開環(huán)控制是最簡單的一種控制方式，它所具有的特點是，控制量與被控制量之間只有前向通路而沒有反向通路。這種控制方式的特點是控制作用的傳遞具有單向性。由于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，成本低。在國民經(jīng)濟各部門均有采用。因此，本系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)。</

61、p><p><b>　　PLC的選擇</b></p><p>　　本系統(tǒng)選用的是西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-200系列小型PLC，可用于代替繼電器的簡單控制場合，也可用于復雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它極強的的通信功能，在大型網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其功能。</p><p>　　S7-200的可靠性高，可以用梯形圖語句表功能塊圖三種語言來編

62、程。它的指令豐富，指令功能強，易于掌握，操作方便，內(nèi)置有高速計數(shù)器、高速輸出、PID控制器、RS-485通信/編程接口、PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由端口模式通信功能，最大可以擴展到248點數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O，最多有30多KB的程序和數(shù)據(jù)存儲空間。</p><p>　　根據(jù)以上所述以及設計要求決定選用的具體型號是CPU224 AC/DC/RLY的S7-200的PLC。</p>&

63、lt;p><b>　　變頻器的選擇</b></p><p>　　正確選擇通用型變頻器對于傳動系統(tǒng)能夠正常運行時至關(guān)重要的，首先要明確使用通用變頻器的目的，按照生產(chǎn)機械的類型、調(diào)速范圍、速度響應和控制精度、啟動轉(zhuǎn)矩等要求，充分了解變頻器所驅(qū)動負載特性，決定采用什么功能的通用變頻器構(gòu)成控制系統(tǒng)，然后決定選用哪種控制方式最合適。所選用的通用變頻器應是既滿足生產(chǎn)工藝要求，又要在技術(shù)經(jīng)濟指標上合

64、理。若對通用變頻器選型、系統(tǒng)設計及使用不當，往往會使通用變頻器不能正常的運行、達不到預期目標，甚至引發(fā)設備故障，造成不必要的損失。另外，為了確保通用變頻器長期可靠的運行，變頻器的地線的連接也是非常重要的。</p><p>　　變頻器在調(diào)速系統(tǒng)中的優(yōu)點：</p><p>　　1．控制電機的啟動電流；2．降低電力線路的電壓波動；3．啟動時需要的功率更低；4．可控的加速功能；5．可調(diào)的運行速度；

65、6．可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限；7．受控的停止方式；8．節(jié)能；9．可逆運行控制；10．減少機械傳動部件。</p><p>　　在本系統(tǒng)中，選用了由西門子生產(chǎn)的通用變頻器MM420。變頻器MM420 具有良好的人機交互界面，其BOP控制面板具體如下圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 BOP控制面板和相關(guān)按鍵的作用</p><p><b>　　電動機的選擇&l

66、t;/b></p><p>　　在變頻電機中，電動機類型選擇的原則是，在滿足工作機械對于拖動系統(tǒng)要求的前提下，所選電動機應盡可能結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉。因此，在選用電動機種類時，若機械工作對拖動系統(tǒng)無過高要求，應優(yōu)先選用三相交流異步電動機。</p><p>　　在三相交流異步電動機中，籠型異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，運行最可靠，維護最方便，對起動性能無過高要求的調(diào)速系統(tǒng)，應優(yōu)

67、先考慮。在電機工作中起動、制動比較頻繁，為提高生產(chǎn)率，又要求電動機具有較大的起動、制動轉(zhuǎn)矩以縮短起動制動時間，同時還有一定的調(diào)速要求，所以本設計采用籠型異步電動機，其參數(shù)為：</p><p>　　型號：WDJ26；電壓：380V；接法：三角形接法；轉(zhuǎn)速：1430r/min; 功率：40W電流：0.2A；頻率：50HZ；絕緣等級：E。</p><p>　　變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計&l

68、t;/p><p>　　變頻調(diào)速系統(tǒng)電路設計</p><p>　　控制接線圖如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 控制外部接線圖</p><p>　　由圖3-1可知通過切斷開關(guān)的通斷來控制PLC輸出點Q0.0、Q0.1、Q0.2的不同組合來控制變頻器的不同的頻率。</p><p>　　變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計<

69、;/p><p>　　變頻調(diào)速系統(tǒng)PLC程序設計</p><p>　　變頻調(diào)速系統(tǒng)PLC程序見附錄。</p><p>　　MM420變頻器參數(shù)設定</p><p>　　在MM420變頻器通過數(shù)字量的輸入DIN1、DIN2、DIN3不同的組合方式可實現(xiàn)七種不同的輸出頻率，從而實現(xiàn)多段速的控制。變頻器的參數(shù)設置如表3-1所示。</p>

70、<p>　　表3-1變頻器的參數(shù)設置一</p><p>　　如果所用的變頻器剛剛出廠的變頻器，則需對它進行快速調(diào)試，試驗中用到的變頻器都已經(jīng)完成了快速調(diào)試。</p><p>　　表3-2變頻器的參數(shù)設置二</p><p>　　注: （1）設置參數(shù)前先將變頻器參數(shù)復位為工廠的缺省設定值</p><p>　?。?）設定P0003=2 允

71、許訪問擴展參數(shù)</p><p>　　（3）設定電機參數(shù)時先設定P0010=1(快速調(diào)試),電機參數(shù)設置完成設定P0010=0(準備)</p><p>　　為了快速修改參數(shù)的數(shù)值，可以單獨修改顯示出的每個數(shù)字，操作步驟如下：</p><p>　　按（功能鍵），最右邊的一個數(shù)字閃爍。</p><p>　　按，修改這位數(shù)字的數(shù)值。</p>

72、;<p>　　再按（功能鍵），相鄰的下一位數(shù)字閃爍。</p><p>　　執(zhí)行2至4步，直到顯示出所要求的數(shù)值。</p><p>　　按，退出參數(shù)數(shù)值的訪問級。</p><p>　　變頻器調(diào)試系統(tǒng)安裝與調(diào)試</p><p>　　變頻器的安裝、布線及抗干擾</p><p><b>　　變頻器的安裝

73、</b></p><p><b>　?。?）設置場所</b></p><p>　　安裝變頻器的場所應具備以下的條件：</p><p>　　① 無易燃、易爆、腐蝕性氣體和液體，粉塵少。</p><p>　?、?結(jié)構(gòu)房或電氣室應濕氣少、無水浸。</p><p>　?、?應具備通風口或換氣裝

74、置，以排出變頻器產(chǎn)生的熱量</p><p>　?、?應與高次諧波和無線電干擾影響的裝置隔離</p><p><b>　?。?）使用環(huán)境</b></p><p>　　環(huán)境溫度。一般為0~40攝氏度或-10~50攝氏度，注意通風</p><p>　　環(huán)境濕度。周圍濕度應為90%以下</p><p>　

75、　振動。安裝場所的振動加速度應限制在0.6g以內(nèi)。</p><p><b>　　（3）安裝方式</b></p><p>　　應該垂直安裝，不可倒置或平放安裝。</p><p>　　變頻器的安裝底板與背面須為耐溫材料。</p><p>　　安裝在柜內(nèi)時，一定要注意通風散熱。</p><p><

76、b>　　變頻器的布線</b></p><p><b>　?。?）主電路的布線</b></p><p>　　要注意的是變頻器的輸入端和輸出端不允許接錯，如圖4-1所示。</p><p><b>　　圖4-1 接線圖</b></p><p><b>　?。?）控制電路布線&

77、lt;/b></p><p>　　要盡量遠離主電路，至少在100mm以上；盡量不和主電路交叉，如果交叉，應采取垂直交叉的方式。</p><p><b>　?。?）變頻器接地</b></p><p>　　應將接地端子與大地相接。</p><p>　　變頻器和其他設備或多臺設備一起接地時，每臺設備應分別與大地相接。&l

78、t;/p><p>　　盡可能縮短接地線，接地電阻應小于或等于國際標準規(guī)定值。</p><p><b>　　變頻器的抗干擾</b></p><p>　?。?）變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設備的供電電源相互獨立，或在變頻器和其他用電設備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器，切斷諧波電流</p><p>　?。?）在變頻器輸入側(cè)與輸出側(cè)串接合適的電

79、抗器或安裝諧波濾波器。</p><p>　?。?）電動機與變頻器之間電纜應穿鋼管敷設或用鎧裝電纜，并與其他弱電信號在不同的電纜溝分別敷設，避免輻射干擾。</p><p>　?。?）信號線采用屏蔽線</p><p>　?。?）變頻器使用專用接地線，且用粗地線，鄰近其他電器設備的地線必須與變頻器配線分開，使用短線。</p><p>　　變頻器的保

80、護功能及故障處理</p><p><b>　　變頻器的保護功能</b></p><p>　?。?）過電流保護和失速防止功能</p><p>　　主要指帶有突變性質(zhì)的電流的峰值超過了過電流檢測值。而失速防止功能是為了避免頻繁的跳閘給生產(chǎn)帶來的不便。</p><p><b>　?。?）過電壓保護</b>

81、</p><p>　　過電壓主要出現(xiàn)在減速制動過程中和浪涌電壓所引起，因此也很重要。</p><p>　?。?）欠電壓保護和瞬間停電再啟動功能</p><p>　　當電網(wǎng)電壓過低時，會引起主電路直流電壓下降，從而使變頻器的輸出電壓過低并造成電動機輸出轉(zhuǎn)矩不足和過熱現(xiàn)象，該保護功能動作，使變頻器停止輸出。</p><p>　　當電源出現(xiàn)瞬間停電

82、時，主電路直流電壓也將下降，并可能出現(xiàn)欠電壓現(xiàn)象。為了使系統(tǒng)在這種狀況下仍能繼續(xù)工作，所以又了瞬間停電再啟動功能。</p><p><b>　?。?）過載保護</b></p><p>　　電動機的運行電流雖然超過了額定值，但超過的幅度不大，一般也不形成較大的沖擊電流，電動機能夠旋轉(zhuǎn)。通常采用熱繼電器對電動機進行過載保護。</p><p>　　變

83、頻器的故障分析及處理</p><p>　?。?）過電流故障：變頻器在加減速及運行工程中出現(xiàn)過電流跳閘現(xiàn)象，故障分析和處理如下</p><p>　　檢查負載側(cè)是否短路或接地。</p><p>　　檢查工作機械是否卡住。</p><p>　　檢查逆變器是否完好。</p><p>　　適當延長加減速時間。</p>

84、<p>　　適當減小轉(zhuǎn)矩提升量。</p><p>　　變頻器內(nèi)部故障或諧波干擾大等。</p><p>　?。?）過電壓故障：變頻器顯示OV表示其出現(xiàn)過電壓故障，故障分析和處理如下</p><p>　　檢查電源電壓是否過高。</p><p><b>　　適當延長減速時間。</b></p><

85、;p>　　檢查放電支路或新增外接制動電阻或制動單元。</p><p>　　（3）欠電壓故障：變頻器顯示LV表示其出現(xiàn)欠電壓故障，故障分析和處理如下</p><p>　　檢查電源電壓過低、缺相。</p><p>　　檢查主回路斷路器、接觸器、整流回路是否完好。</p><p>　　同一電源系統(tǒng)中是否有大啟動電流的負載啟動。</p&g

86、t;<p>　?。?）過載故障：變頻器顯示OL表示出現(xiàn)過載故障，故障分析和處理如下</p><p>　　過負載或變頻器容量過小。</p><p>　　熱繼電器保護設定值太小。</p><p>　　轉(zhuǎn)矩提升量設定太小。</p><p><b>　　變頻器內(nèi)部故障。</b></p><p&g

87、t;<b>　　設計總結(jié)</b></p><p>　　本次的畢業(yè)設計，論述了基于PLC的三相交流異步電動機調(diào)速控制系統(tǒng)的設計方法和研制過程，包括硬件設計、軟件設計以及相關(guān)注意事項。硬件電路用西門子PLC、西門子MM420和三相交流異步電動機設計而成。軟件程序用PLC梯形圖語言寫成。</p><p>　　在本次設計中，利用軟硬件結(jié)合，實現(xiàn)對三相交流異步電動機的調(diào)速控制。

88、利用PLC程序和變頻器控制，來準確控制三相交流異步電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等工作狀態(tài)。通過切斷開關(guān)的通斷來控制PLC輸出點Q0.0、Q0.1、Q0.2的不同組合來控制變頻器的不同的頻率。目前利用可編程序控制器（即PLC 技術(shù)）可以方便地實現(xiàn)對電機速度和位置的控制，方便地進行各種其他電機的操作，完成各種復雜的工作，它代表了先進的工業(yè)自動化技術(shù)水平，加速了機電一體化的實現(xiàn)。</p><p><b>　　附錄<

89、;/b></p><p><b>　　PLC梯形圖</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 秦益霖，張志柏，鄧志良編著 西門子S7-300 PLC 應用技術(shù)[M] 北京：電子工業(yè)出版社 2007</p><p>　　[2]王占奎編著 交流變頻調(diào)速應用例

90、集[M] 北京：科學出版社。1995</p><p>　　[3]李愛云，張承慧編著 現(xiàn)代逆變技術(shù)及應用[M] 北京：科學出版社。2000</p><p>　　[4]陳國呈編著 PWM變頻調(diào)速及軟開關(guān)電力變換技術(shù)[M]第一版 .北京：機械工業(yè)出版社 2000</p><p>　　[5]胡崇岳編著 現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)[M] 第二版.北京：機械工業(yè)出版社。1998。<

91、/p><p>　　[6]石玉，栗書賢編著 電力電子技術(shù)題例與電路設計指導[M] 北京：機械工業(yè)出版社 1998</p><p>　　[7]王兆安，黃俊編著 電力電子技術(shù)[M]（第4版）.北京：機械工業(yè)出版社2000</p><p>　　[8]浣喜明，姚為正編著 電力電子技術(shù)[M] 北京：高等教育出版社 2000</p><p>　　[9]鄭瓊林，