课程设计自动旋转检测的PLC控制附变频器工作原理及应用

湖南人文科技学院 课程设计报告 课程名称:电器控制与PLC课程设计 设计题目： 自动旋转检测的PLC控制 系 别： 通信与控制工程系 专 业： 自动化 班 级： 自动化三班 学生姓名: 李园园 严斌 刘阳 彭永权 学 号: 09421340 09421333 09421335 09421320 起止日期: 2012年11月5日~ 2012年11月19日 指导教师: 曹锋 张斌 教研室主任： 岳舟 指导教师评语： 指导教师签名： 年 月 日 成绩评定 项 目 权重 成绩 严斌 李园园 刘阳 彭永权 1、设计过程中出勤、学习态度等方面 0.2 2、课程设计质量 与答辩 0.5 3、设计报告书写及图纸程度 0.3 总 成 绩 教研室审核意见： 教研室主任签字： 年 月 日 教学系审核意见： 主任签字： 年 月 日 摘 要 随着电子技术的快速发展，可编程控制器（PLC）不断更新，PLC控制已经成为自动控制中最常见控制方式之一。由于可编程控制器能够很好的自动检测旋转可以改变其控制方式以及它具有良好的稳定性。本设计采用三菱FX1N-24MR-00PLC可编程进行控制，以此来实现对电机的旋转检测、站号控制、脉冲检测、转速控制、转向控制、定位控制等功能。自动旋转检测控制分为逐位检测和隔位检测。逐位检测当电机启动并正转运行检测传感器检测到相应的位置时位置指示灯点亮提示已检测到目标然后电机反转运行进行反向的逐位旋转检测直至将所有目标被检测后停止。采用自动检测控制技术系统取代传统的操作系统可以有效的节约人力以及能源，在经济建设日新月异的今天，发展自动检测控制技术对促进国民经济的发展具有重要的意义。 关键词：PLC ；自动旋转检测 ；继电器；传感器 目 录 1设计要求 11、论证与对比 11.1方案一 11.2方案二 21.3方案对比与选择 22、 控制系统总体方案设计 22.1自动旋转检测控制过程描述 32.2自动旋转检测的控制过程分析 32.3 控制方法分析 43、系统硬件组成 43.1 编程计算机 43.2继电器 53.3传感器 54、系统软件组成 54.1 I/O分配 64.2 系统接线图设计 74.3 控制程序流程图设计 105 调试与效果 11总结与思考及致谢 12参考文献 13附录 自动旋转检测的PLC控制 设计要求 本系统由“直流电机、电感式传感器、继电器、指示灯、按钮、接线端子”等组成，采用PLC可编程进行控制，实现对电机的旋转检测、站号控制、脉冲检测、转速控制、转向控制、定位控制等功能。要求实现如下功能: 1. 逐位自动旋转检测控制； 2. 隔位自动旋转检测控制； 3. 旋转检测3圈自动停止； 4. 启动/停止，正/反转运行。 1、方案论证与对比 1.1方案一 在方案一中，采用传统继电器的控制方式，继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。需要大量的继电器等元器件。方框图如图1-1 图1-1 传统继电器控制系统 1.2方案二 在方案二中，采用三菱FX1N-24MR-00PLC为控制系统核心，三菱FX1N-24MR-00PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。三菱FX1N-24MR-00PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。除了三菱FX1N-24MR-00PLC，只需要少量的元器件，方框图如图1-2 图1-2 PLC控制系统 1.3方案对比与选择 PLC相对于传统继电器控制系统，有以下优点： ①控制速度快 由于PLC采用的是半导体代替继电器，控制速度为毫秒级，而且没有机械触点的抖动现象； ②控制精度高 由于继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，定时的精度不高，易于收环境的影响，不好调整等；PLC使用半导体集成电路作为定时器，时钟脉冲有晶体振荡器产生，精度很高，调整时间很方便，环境变化影响很小。 ③体积小，能耗低 使用PLC，可以省掉大量的时间继电器与中间继电器，所以，PLC在体积是只有传统继电器控制系统体积的1/10左右。 ④维修方便且维护成本低 PLC的故障率很低，出故障可以根据PLC上的发光二极管或是编程器迅速查明故障的原因，模块代替的方法可以迅速排除故障。 鉴于以上优点，我们才用了PLC为核心的控制系统。 2、 控制系统总体方案设计 2.1自动旋转检测控制过程描述 随着我国经济的飞速发展，自动旋转检测技术在人们的生活中的运用越来越广泛，应该于宾馆、酒店、银行、写字楼、医院、商店等。例如旋转门，感应旋转装置等等。检测技术的完善和发展推动了现代科学技术的进步。人们在自然科学的各个领域内从事的研究工作，一般是利用已知的规律对观测、试验的结果进行概括、推理，从而对所研究的对象取得定量的概念，并发现他的规律性，然后上升到理论。 自动检测技术是产品检验和质量控制的重要手段。借助于检测工具对产品进行质量评价是人们十分熟悉的，这是检测技术的重要领域。另外，随着新型检测技术的不断成熟和发展，它在大型设备安全经济运行和监测设备，通常在高温、高压、高速和大功率状态下运行，保证这些关键设备的安全运行具有十分重要的意义。为此，通常设置故障检测系统以对温度、压力、流量、转速、振动和噪声等多种参数进行长期的动态监测，以遍及时发挥异常情况，加强故障防御，达到早期诊断的目的。这样做可以避免严重的突发情况，保证设备和人生安全，提高经济效益。随着计算机技术的发展，这类检测技术系统已经发展到故障自诊断系统。可以采用计算机技术来处理监测信息，进行分析、判断，及时诊断出设备故障并自动报警或采用相应的对策。 2.2自动旋转检测的控制过程分析 自动旋转检测控制分为逐位检测和隔位检测。逐位检测，当电机启动并正转运行，检测传感器检测到相应的位置时，位置指示灯点亮，提示已检测到目标，然后，电机反转运行，进行反向的逐位旋转检测，直至将所有目标被检测后停止。当出现紧急情况时，按下停止按钮，整个旋转检测系统停止，避免造成伤害。隔位检测，当被检测目标为隔位形式时，电机启动并正转运行，位置检测传感器隔位检测，相应指示灯点亮，提示已检测到目标。然后电机反转运行，反向隔位旋转检测。按下停止按钮，整个旋转检测系统停止。[5] 2.3 控制方法分析 检测控制系统有主控PLC和红外传感器、光传感器、色彩传感器、电容式传感器、电感式传感器：分拣控制系统由主控PLC和舌簧式行程开关、电感式传感器、电容式传感器、继电器、阀岛等组成。全程监视系统采用HMI。控制系统提供电源的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控和DP从站供电。系统的检测部分中采用了红外传感器、光传感器、色彩传感器、电容式传感器、电感式传感器，通过RS422将数据送至主控PLC中。在该检测系统中，传感器限位开关是PLC的输入信号控制开关，通过它的控制PLC得到给定信号，从而操作电机运行，使得电磁阀通电，控制汽缸伸缩，继电器得电，最终让电机转动。 在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。 逐位自动旋转检测技术：K1～K6为位置检测传感器，L1～L6为位置指示灯。电机启动并正转运行，当检测传感器检测到相应的位置时，位置指示灯点亮，计数循环3次后自动停止。电机反转运行，反向逐位旋转检测，并循环运行下去。在任何时候按下停止按钮，整个系统停止运行。 隔位自动旋转检测技术：电机启动并正转运行，位置检测传感器隔位检测，相应指示灯点亮，并循环运行下去。电机反转运行，反向隔位旋转检测，计数循环3次后自动停止。在任何时候按下停止按钮，整个系统停止运行。 3、系统硬件组成 3.1 编程计算机 本系统中为11输入/8输出，故选用FX1N-24MT-001，自带14点输入/10点输出，它还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，即可满足本系统要求，又为以后的功能拓展留有余地；它有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数器的处理能力。其结构图如2-1所示。 图3-1 PLC结构图 LED指示灯选用的是国产的BT系列的BT112/X，最大功耗仅0.1W，最大工作电流20mA，正向电压小于等于2.5V，方向电压大于5V，属于红色发光二极管，全塑封结构，而且亮度适中，而红色更加显眼，易于识别。 3.2继电器 本设计应用电磁式电压继电器。本设计使用的是DY-31电压继电器，其最大整定电压为220V，电压整定范围为50-220V。电磁式电压继电器一般由铁心、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下客服反悔弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。 3.3传感器 本设计应用自感式电感式传感器IGC225。其交流额定频率为50HZ，额定工作电压90V-250V，它是由LC振荡器、开关电路及放大输出电路三大部分组成。直流额定工作电压10V-30V，当外界的金属性导电物体接近这一磁场，并达到感应区时，在金属无题内产生涡流，从而导致振荡衰减停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。 4、系统软件组成 4.1 I/O分配 本次设计共有11个输入端，8个输出端，其中包括启动停止按钮，正/反转逐位按钮，正/反隔位按钮，包括6个位置传感器输入端，2个接触器，6个指示灯输出端。 表4-1 I/O分配表 输入信号 输出信号 信号元件及作用 PLC输入口地址 信号元件及作用 PLC输出口地址 启动/停止带锁按钮 X0 正转接触器 Y0 正转逐位按钮 X1 反转接触器 Y1 正传隔位按钮 X2 位置指示灯L1 Y2 反转逐位按钮 X3 位置指示灯L2 Y3 反转隔位按钮 X4 位置指示灯L3 Y4 位置检测传感器K1 X5 位置指示灯L4 Y5 位置检测传感器K2 X6 位置指示灯L5 Y6 位置检测传感器K3 X7 位置指示灯L6 Y7 位置检测传感器K4 X10 位置检测传感器K5 X11 位置检测传感器K6 X12 4.2 系统接线图设计 根据所选用的PLC产品，了解其使用的性能。按随机提供的资料结合实际需求，同时考虑软件编程的情况进行外电路的设计，绘制电气控制系统原理接线图。PLC硬件接线原理图4-2所示: 图4-2 PLC硬件接线原理图 本设计的PLC硬件分布如下：X0接启动开关,X1接正转逐位开关,X2接正转隔位开关,X3接反转逐位开关,X4接反转隔位开关,X5~X12接传感器,X13接停止开关,Y0、Y1接继电器，Y2~Y7接LED灯。 4.3 控制程序流程图设计 图4-3 控制程序流程图 依据设计要求，把整个过程分为十步。M1起始步，M2、M3、M4分别为正转的 电阻启动、部分电阻启动、正转运行；[6] M5、M6、M7分别为逆转的全电阻启动，部分电阻启动、逆运行；M8为热继电器动作时，电动机停止运转。[6] 由Y2表示L1灯,Y3表示L2灯,Y4表示L3灯,Y5表示L4灯，Y6表示L5灯，Y7表示L6灯。 5 调试与效果 打开电源，按下起动按钮时，开机复位。输入逐位检测程序，主机向驱动器输入脉冲信号，直流电机正转，进行逐位检测，位置传感器检测到目标，信号灯L1～L6依次亮起。然后PLC向驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，直流电机反转，进行逐位检测，信号灯依相反次序亮起。在循环旋转3圈后停止。 打开电源，按下起动按钮时，开机复位。输入隔位检测程序，主机向驱动器输入脉冲信号，直流电机正转，进行隔位检测，位置传感器检测到目标，信号灯L1,L3,L5依次亮起。然后PLC向驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，直流电机反转，进行隔位检测，信号灯L6,L4,L2依次亮起。在循环旋转3圈后停止。 当按下停止开关时，检测系统立即停止。 总结与思考及致谢 课程设计结束了，这次的课程设计让我学会了很多，在老师和同学的指导学习下，终于完成了这一份课程设计。本来以为自己对可编程序控制器原理的知识掌握的还比较好，但是到做课程设计的时候才发现自己存在着诸多不足，其中就有很多基础知识都不是很完善，很多知识都掌握的不是很扎实 我很兴奋，因为整个过程都是我们自己去设计的。设计过程中，通过针对性地查找资料，了解有关电子方面的资料，既增长了自己的知识面，补充最新的专业知识，又提高了自己的应用能力和实践能力。对学过的课本理论知识起到了很好的温习作用。控制系统设计的设计，让我很好的运用了PLC的知识，对课本的知识进一步的消化和巩固。这次课程设计终于顺利完成了，这个设计让我获益良多，只要用心去学习，不怕困难，不管多么艰难，我们都能取得成功。 由于设计的计划没有安排好，设计的时间极为仓促，尤其是在硬件调试的过程中出现了很大的问题。另外资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助。 参考文献 [1] 孙洪程.过程控制工程设计[M].北京：化学工业出版社，2001.03. [2] 钟肇新.可编程控制器原理及应用[M].广州：华南理工大学出版社，2002.11. [3] 廖常初. PLC基础及应用[M].北京：北京机械工业出版社，2004.03. [4] 齐占庆.机床电气控制技术.机械工业出版社,1999.02. [5]陶涛,赵国豪, 乔渠. 步进电机精确控制问题探讨[J].科技信息， 2010.04. [6]高邓波. 电路分析的程序设计[J].中国科技信息,，2010.07. [7]王雯. 利用PLC提升平网印花控制单元可靠性[J].中国纺织报，2010.01. 附录 交流异步电动机变频调速原理： 变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。 现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。 变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。     交-直部分 整流电路：由VD1-VD6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于380V的额定电源，一般二极管反向耐压值应选1200V，二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。 （二）变频器元件作用 电容C1： 是吸收电容,整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波， 变压器是一种常见的电气设备， 可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。 压敏电阻： 有三个作用,一过电压保护,二耐雷击要求,三安规测试需要. 热敏电阻：过热保护 霍尔: 安装在UVW的其中二相,用于检测输出电流值。选用时额定电流约为电机额定电流的2倍左右。 充电电阻： 作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容二端的电压为 0V；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。一般而言变频器的功率越大，充电电阻越小。充电电阻的选择范围一般为：10-300Ω。 储能电容： 又叫电解电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。PN端的电压电压工作范围一般在 430VDC～700VDC 之间，而一般的高压电容都在 400VDC左右，为了满足耐压需要就必须是二个400VDC的电容串起来作800VDC。容量选择≥60uf/A 均压电阻：防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容；因为二个电解电容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏 。 C2电容; 吸收电容,主要作用为吸收IGBT的过流与过压能量。 （2）直-交部分 VT1-VT6逆变管（IGBT绝缘栅双极型功率管）：构成逆变电路的主要器件，也是变频器的核心元件。把直流电逆变频率，幅值都可调的交流电。 VT1-VT6是续流二极：作用是把在电动机在制动过程中将再生电流返回直流电提供通道并为逆变管VT1-VT6在交替导通和截止的换相过程中，提供通道。 （3）控制部分:电源板、驱动板、控制板（CPU板） 电源板：开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路、检测电路及风扇等提供低压电源， 开关电源提供的低压电源有：±5V、±15V 、±24V向CPU其附属电路、控制电路、显示面板等提供电源。 驱动板：主要是将CPU生成的PWM脉冲经驱动电路产生符合要求的驱动信号激励IGBT输出电压。 控制板（CPU板）：也叫CPU板相当人的大脑，处理各种信号以及控制程序等部分        [注:再次整流（直流变交流）--->更贴切的叫法是 逆变!在这里感谢蔡工给我们编辑们提的意见!也欢迎大家多给我们编辑组提出更多宝贵的意见和建议!mym(2005.08.23) ] （三）电机的旋转速度为什么能够自由地改变？        *1: r/min         电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm.        例如：2极电机 50Hz 3000 [r/min]        4极电机 50Hz 1500 [r/min]     　　　　        $电机的旋转速度同频率成比例        本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。 感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。　　 由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。        另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。        因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。        n = 60f/p        n: 同步速度        f: 电源频率        p: 电机极对数     　　        $ 改变频率和电压是最优的电机控制方法        如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。        输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。        例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V     　　        2. 当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？        *1: 工频电源        由电网提供的动力电源（商用电源） （四） 起动电流        当电机开始运转时，变频器的输出电流        ------变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动------        电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。        通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。减小的实际数据在有的变频器中会给出说明。        通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。     　　 （五）当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低-        通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te, P<=Pe)        变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。        当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。        举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。        因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie)     　　 （六）变频器50Hz以上的应用情况        大家知道, 对一个特定的电机来说, 其额定电压和额定电流是不变的.        如变频器和电机额定值都是: 15kW/380V/30A, 电机可以工作在50Hz以上        当转速为50Hz时, 变频器的输出电压为380V, 电流为30A. 这时如果增大输出频率到60Hz, 变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A. 很显然输出功率不变. 所以我们称之为恒功率调速.        这时的转矩情况怎样呢?        因为P=wT (w:角速度, T:转矩). 因为P不变, w增加了, 所以转矩会相应减小.　　        我们还可以再换一个角度来看:        电机的定子电压 U = E + I*R (I为电流, R为电子电阻, E为感应电势)        可以看出, U,I不变时, E也不变.        而E = k*f*X, (k:常数, f: 频率, X:磁通), 所以当f由50-->60Hz时, X会相应减小         对于电机来说, T=K*I*X, (K:常数, I:电流, X:磁通), 因此转矩T会跟着磁通X减小而减小.        同时, 小于50Hz时, 由于I*R很小, 所以U/f=E/f不变时, 磁通(X)为常数. 转矩T和电流成正比. 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力. 并称为恒转矩调速(额定电流不变-->最大转矩不变)        结论: 当变频器输出频率从50Hz以上增加时, 电机的输出转矩会减小.　　　　 （七）其他和输出转矩有关的因素        发热和散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。        载波频率: 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率, 最高环境温度下能保证持续输出的数值. 降低载波频率, 电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。        环境温度：就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值.        海拔高度: 海拔高度增加, 对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑. 以上每1000米降容5%就可以了. （八）矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的？        *1: 转矩提升        此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。　　        $ 改善电机低速输出转矩不足的技术        使用"矢量控制"，可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。        对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做"转矩提升"（*1）。        转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。        "矢量控制"把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。        "矢量控制"可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。        变频器基础原理知识        1.变频器基础        1: VVVF 是 Variable Voltage and Variable Frequency 的缩写，意为改变电压和改变频率，也就是人们所说的变压变频。             2: CVCF 是 Constant Voltage and Constant Frequency 的缩写，意为恒电压、恒频率，也就是人们所说的恒压恒频。             我们使用的电源分为交流电源和直流电源，一般的直流电源大多是由交流电源通过变压器变压，整流滤波后得到的。交流电源在人们使用电源中占总使用电源的95％左右。             无论是用于家庭还是用于工厂，单相交流电源和三相交流电源，其电压和频率均按各国的规定有一定的，如我国大陆规定，直接用户单相交流电为220V，三相交流电线电压为380V，频率为50Hz，其它国家的电源电压和频率可能于我国的电压和频率不同，如有单相100V/60Hz，三相200V/60Hz等等，标准的电压和频率的交流供电电源叫工频交流电。             通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。             为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。        把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。        一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。             变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。        对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。一般变频电源是变频器价格的15－－20倍。             由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器        变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中，不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。             用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。                变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。 （九）电机的旋转速度为什么能够自由地改变？        n = 60f/p(1-s) 　 n: 电机的转速 f: 电源频率 p: 电机磁极对数 s：电机的转差率             电机的转速 = 60(秒)＊频率（Hz)/电机的磁极对数 - 电机的转差率             电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，rpm/min也可表示为rpm               电机的旋转速度同频率成比例 同步电机的转差矩为0,同步电机的转速 = 60(秒)*频率(Hz)／电机的磁极对数             异步的转速比同步电机的转速低。             例如：4极三相步电机 60Hz时 低于 1,800 [r/min] 4极三相异步电机 50Hz时低于 1,500 [r/min]        本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业领域所使用的大部分电机均为此类型电机。        感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极对数和频率。        由电机的工作原理决定电机的磁极对数是固定不变的。由于电机的磁极对数1个磁极对数等于2极，电机的极数不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适和改变该值来调整电机的速度。        另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。        因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。 （十） 改变频率和电压是最优的电机控制方法        如果仅改变频率，电机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。             例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从400V改变到约200V。             如果要正确的使用变频器, 必须认真地考虑散热的问题。             变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度，变频器使用寿命减半。 因此，我们要重视散热问题啊！             在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的, 变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响              通常，变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少. 可以用以下公式估算:              发热量的近似值＝ 变频器容量（KW）×55 [W] 在这里, 如果变频器容量是以恒转矩负载为准的 (过流能力150% * 60s) 如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器, 并且也在柜子里面, 这时发热量会更大一些。 电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。             这时可以用估算: 变频器容量（KW）×60 [W] 因为各变频器厂家的硬件都差不多, 所以上式可以针对各品牌的产品. 注意： 如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大， 因此最好安装位置最好和变频器隔离开， 如装在柜子上面或旁边等。      （十一）那么, 怎样采能降低控制柜内的发热量呢?             当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。             根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。             如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70％的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。             还可以用隔离板把本体和散热器隔开, 使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。             变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的!  （十二）关于冷却风扇        一般功率稍微大一点的变频器， 都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。 注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。其他关于散热的问题              1、在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果。理论上变频器也应考虑降容，1000m每-5%。但由于实际上因为设计上变频器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大， 所以也要看具体应用。 比方说在1500m的地方，但是周期性负载，如电梯，就不必要降容。             2、 开关频率：变频器的发热主要来自于IGBT， IGBT的发热有集中在开和关的瞬间。 因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。 有的厂家宣称降低开关频率可以扩容， 就是这个道理。             矢量控制是怎样使电机具有大的转矩的 （十三）转矩提升         此功能增加变频器的输出电压，以使电机的输出转矩和电压的平方成正比的关系增加，从而改善电机的输出转矩。 改善电机低速输出转矩不足的技术             使用"矢量控制"，可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。             对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做“转矩提升”。             转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。             “矢量控制”把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。 "矢量控制"可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。 （十四）变频器制动的情况        1: 制动的概念             指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速。             负载的能量分为动能和势能. 动能(由速度和重量确定其大小）随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。             机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。             对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程. 由制动产生的功率将返回到变频器侧。这些功率可以用电阻发热消耗。             在用于提升类负载,在下降时, 能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧,进行制动。             这种操作方法被称作“再生制动”，而该方法可应用于变频器制动。             在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做“功率返回再生方法”。在实际中，这种应用需要“能量回馈单元”选件。      （十五) 怎样提高制动能力？             为了用散热来消耗再生功率，需要在变频器侧安装制动电阻。             为了改善制动能力，不能期望靠增加变频器的容量来解决问题。请选用“制动电阻”、“制动单元”或“功率再生变换器”等选件来改善变频器的制动容量。      （十六） 当电机的旋转速度改变时，其输出转矩会怎样？             变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动时的起动转矩和最大转矩。             我们经常听到下面的说法：“电机在工频电源供电时，电机的起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些”。如果用大的电压和频率起动电机，例如使用工频电网直接供电，就会产生一个大的起动冲击（大的起动电流 ）。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机产生的转矩要小于工频电网供电的转矩值。所以变频器驱动的电机起动电流要小些。             通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减些 减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。             通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。             当变频器调速到大于额定频率20％时，电机的输出转矩将降低             通常的电机是按照额定频率电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te, P<=Pe) 变频器输出频率大于额定频率时（如我国的电机大于50Hz），电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。             当电机以大于额定频率20％速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。            举例，额定频率为50Hz的电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie) 变频是可以省电吗? 答:若变频的基频是50Hz，那么，50Hz以下的是恒转矩运行，，即输出转矩是一定的，随着频率的下降，输出转速也下降，那么输出转矩一定，则输出功率变小，，所以，变频是可以省电的，，，所以，22kw的普通电机和50基频以下频率的变频电机的输出转矩是一样的，T=9550P/n ， T为输出转矩，P为功率，n为输出转速，，，若频率是高于基频50Hz，则输出功率一定，扭矩会变小 （十七）恒功率和恒转矩? 在带有速度环，电压环和电流环的非独立激磁的直流电动机调速系统中的两种运转状态。 当磁场恒定，电枢电流恒定，靠改变电枢电压进行调速，为恒转矩调速，此时的运转状态为恒转矩运转。 在基速以上，进入弱磁升速时，电枢电压恒定，靠改变磁场激磁进行调速，为恒功率调速。此时的运转状态，为恒功率运转。 理解及误解： 说直流他励电动机在基速以下是恒转矩运转，这是有先决条件的，那就是电枢电流恒定，要电枢电流恒定，必须是有电流环的自控系统，我们知道直流电动机的转矩与电枢电流激磁电流之积成正比，要是没有电流环电枢电流怎能恒定，试想，一台他励电动机，全磁，全压起动，电枢电流可达几倍甚至于几十倍，怎能是恒转矩呢？ 同理，“基速以上是恒功率运转”也是有先决条件的， 那就是电枢电流恒定，电枢电压恒定，（因此就是功率恒定） 补充回答： 没有用过6RA70,不论什么型号的系统,只要是带有速度环，电压环和电流环的非独立激磁的直流电动机调速系统原理都是一样。 什么是电机容量，变频器容量啊？怎么计算的? 也就是电机的额定功率，变频器的额定功率，都以KW为单位。它们的的铭牌上都有，你仔细看定能看到。 变频器如何选型？ 变频器如何选型？ 变频器选型很重要，如果选型不合理，轻则造成资金和时间的损失，重则造成生产事故、人员损伤。 变频器选择应从以下几个方面考虑： （十八）变频器类型选择 变频器可分为通用型和专用型，一般的机械负载和要求高过载情况，选择通用型变频器。专用型变频器又可分为风泵专用型、电梯专用型、张力控制专用型等。根据自身应用环境加以选择。 (十九） 变频器容量选择 变频器的容量选择是最重要的，应从负载的实际负荷电流、启动转矩、控制方式来合理选择。如负载是风机、水泵，则选择风泵专用型与电机同功率即可；对罗茨风机和深井泵应选择风泵专用型比电机功率大一档的变频器。启动转矩是容易忽视的选项，对大的惯量负载，变频器可能要比电机功率加大数档。如有疑问请发邮件sanjiagk@sina.com与我联系。 （二十) 变频器性价比选择 变频器的性价比是仁者见仁，智者见智。在这里不多说了，不要看广告，要看疗效。 （二十一） 变频器售后服务选择 变频器的售后服务是选择品牌的关键，进口品牌质量可靠，价格高，售后服务好，但是过了保修期，维修的价格非常高。国产品牌质量良莠不齐，质量好的已和进口品牌不相上下，质量差的就不好说了。售后服务好，即使过了保修期，维修价格也算公道。[/size][/size] （二十二）电机的旋转速度为什么能够自由地改变 n = 60f/p，n: 同步速度，f: 电源频率 ，p: 电机极数，改变频率和电压是最优的电机控制方法 。如果仅改变频率，电机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压，例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。 （二十三）变频器制动的有关问题 （1） 制动的概念:指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速.负载的能量分为动能和势能. 动能(由速度和重量确定其大小）随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程. 由制动产生的功率将返回到变频器侧。这些功率可以用电阻发热消耗。在用于提升类负载,在下降时, 能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧,进行制动.这种操作方法被称作"再生制动"，而该方法可应用于变频器制动。在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做"功率返回再生方法"。在实际中，这种应用需要"能量回馈单元"选件。 （2）怎样提高制动能力？  为了用散热来消耗再生功率，需要在变频器侧安装制动电阻。为了改善制动能力，不能期望靠增加变频器的容量来解决问题。请选用"制动电阻"、"制动单元"或"功率再生变换器"等选件来改善变频器的制动容量 （二十四）矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的？ ＊1: 转矩提升 此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。 $ 改善电机低速输出转矩不足的技术 使用"矢量控制"，可以使电机在低速,如（无速度传感器时）1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。 对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做"转矩提升"（＊1）。 转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。 "矢量控制"把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。 "矢量控制"可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。 浅谈变频器的工作原理及应用 　自80年代变频技术在国内兴起以来并得到迅速发展。变频器以其结构简单、可靠性强、调速范围宽等特点被人们认可并应用于各个领域。 　目前广泛应用的低压变频器大多数为交直交过程实现无级调速，即将市电整流滤波再由控制单元经逆变单元逆变为交流输出（如图1所示）。 图1 根据控制原理变频器大致可分为5个部分 1． 整流：将市电AC220V/AC380V经整流桥堆整流滤波后得到直流母线电压DC310V/DC540V，滤波电容的容量根据变频器功率的大小均有不同配置。 2． 充电：因考虑到电容在储能的过程中会产生大电流冲击，在整流桥与电容之间串联一个功率电阻，以限制在充电的瞬间大电流，待电容电压满足母线电压时开关电源工作，旁路接触器吸合（可控硅导通）将该电阻短接。电阻阻值和功率随电容容量变化，电容容量越大则充电电阻功率越大。 3． 逆变：逆变部分现在所用的器件均为IGBT，这种绝缘栅极型功率管，具有大电流、高耐压和功耗小等优点。三相输出由三组共六只IGBT组成，随着控制部分输出的PWM方波有序导通，控制门极限制电压±20V，采用光电耦合器隔离，为了让IGBT可靠关断一般门极控制采用负电压使其截止，正电压导通。如图2所示常态光耦的初级为低电平时门极为-10V关断状态，当控制信号为高电平时门极为+15V导通。六组驱动当中如有任意一组损坏或驱动不良都有可能引起变频器异常（如缺相、输出不平衡等故障）。 图2 4． 能耗：在变频器使用过程中，经常会碰到电机工作在发电状态的情况，发电状态下的电动机所产生的能量均会反馈到变频器，使变频器母线电压升高，如该过程持续则可能导致变频器内部元器件因过电压而烧毁。那么在这种情况下变频器就需要将多余的能量释放，当控制部分检测到变频器母线电压高过阀值，则能耗部分开始工作，直到母线电压低于阀值时关断，从而很好的保护了变频器。目前还有一种更好的方式可将多余的能量反馈给电网，可使资源进一步得到利用。 5． 主控：主控部分主要是由CPU、人机界面、A/D转换及I/O组成。主控部分除了控制变频器输出外还监视本机实时变化以做出相应得保护措施，如过电流保护即负载电流达到电机额定电流2倍时变频器则给出报警型号并停止输出，以更好的保护电机。( 当然还有其它的保护过温度保护、过载保护、缺相保护等等) I/O部分主要是提供与外部设备连接的开关量输入输出信号，以便于和外部设备连接，另外还支持外部通信及模拟量控制。人机部分主要是用来给用户更具不同工艺和不同负载类型设置不同的控制方式，使变频器满足控制条件。像其内置PID、简易PLC等控制让使用者能够更好的发挥与利用。 案例：一个工厂空调冷冻水泵改造的案例，冷冻水循环由冷冻水泵及管道组成，从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻水泵加压送入冷冻水管道，在个房间内进行热交换，带走房间内热量，从而使房间内的温度下降。 该机组共有3台11KW离心泵，常态下2台同时工作，另一台作为备用。在泵的出水口装有电动调节阀，由于冷冻水的流量经常发生变化，引起管道水压的变化较大，为了解决该问题，机组需要不断地调整冷水泵的出水阀开度，以保持管道水压大致恒定，但大多数场合，都是保持出水阀门开度一定，任随压力变化。这样因压力控制精度低，造成能源的浪费极大。 根据流体力学原理，流量Q与转速n的一次方成正比，管压H与转速n的二次方成正比，轴功率与转速n的三次方成正比。当所需流量减少，离心泵转速降低时，其功率按转速的三次方下降。如所需流量为额定流量的80%时，则转速也下降为额定转速的80%，而轴功率降51.2%；当所需流量为而额定流量的50%时，而轴功率降12.5%。若采用压力控制，定能够取得好的节能效果。 图4 改造后的系统如图4所示，在水泵的出水口加装压力变送器。考虑到现场控制室与水泵距离较远，采用电流型输出的压力变送器，其信号受外界的干扰较小，工作稳定。另外现场3台水泵2台工作1台备用，安全起见，控制部分除了保持现场原有的系统不变外还具有变-工频、泵-泵的切换。即常态下1号泵和2号泵变频工作，当1号变频故障时自动切换到工频工作，当1号泵故障时自动切换到3号备用泵工作，2号泵亦同，变频器采用ABB公司ACS410-11KW，PLC采用西门子S7200主机，加昆仑通态触摸屏。控制部分如图5 现场安装完成后进入调试，控制电路电路的功能调试就不说了（因为在工厂装配完成后已调试完成）。首先在将马达旋转方向调正，变频器设定为PID控制宏，PID目标值设定为0.35Mpa，然后将1号机手动运行，启动后发现响应缓慢，压力变化落差大，随即调整积分和微分值，反映比刚才稍快，但仍有不足，再调整比例增益后效果明显，马达转速随流着量变化而不断调整，压力始终恒定。修正传感器与实际压力的误差，细化变频器的增益、积分和微分值，使管道压力相对稳定的情况下将变频器输出稳定，这样才能使机组和变频相对稳定地工作（2号机亦同）。 冷冻水泵改造后经过工频与变频对比其节能率达到35%，厂商非常满意，随即让我们将冷却水系统及冷却塔风机均实施变频改造。 结束语：因变频器是一个干扰源，还应该考虑到其电磁兼容性的问题。 以上一个简单的改造，在变频器的使用中只能算得上是冰山一角，在国内能源紧缺的情况下，尚有更 _1300042576.dwg _1414760292.vsd � � � 启动� 正转=1？� 逐位=1？� 停止� 逐位=1？� 旋转一圈� 旋转二圈� 旋转三圈� N Y N Y Y N _1414863329.vsd � 用户控制输入 三菱FX1N-24MR-00PLC 控制量输出 _1414863966.vsd � � � � � � � - X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 COM SD SB1 SB2 SB3 SB4 K1 K2 K3 K4 K5 K6 COM0 COM1 COM2 COM3 DC24V KM1 KM2 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 L1 L2 L3 L4 L5 L6 FR +