PC机控制的交流变频调速系统设计

基于PLC与变频器的交流电机调速控制硬件系统设计与实现完成日期：指导教师签字：答辩小组成员签字：摘要可编程控制器（PLC）是一种数字运算与操作的控制装置。

PLC作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。

由于PLC可以用软件来改变控制过程，并有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，特别适用于恶劣环境下运行。

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；本文介绍了基于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频调速。

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异步电机，控制运算主要由PLC和变频器来完成，执行元件为变频器和异步电机。

关键词：电力电子；变频器；变频调速；交流电机AbstractProgrammable logic controller (PLC) is a digital computing and control device operation. PLC as a the traditional relay replacement products, widely used in all areas of industrial control. PLC software can be used to change control process, and small size, flexible assembly and programming is simple, strong anti-jamming capability and high reliability, especially suitable for harsh environments.With the development of power electronics technology and control technology, the AC frequency control has been widely used in the field of industrial motor drag; programmable logic controller PLC as a new alternative relay control device, often used for field data collection and control equipment .This article describes the inverter speed control system based on PLC. Now the most widely used PLC and inverter together the main function of frequency control. First set to the given input to the PLC, PLC control inverter to control the motor via the inverter control algorithms mainly by the PLC and inverter to complete the implementation of the components of the inverter and the motor.Key words：Power electronics;Converter; Frequency control;A-c machive目录1概述 (1)2系统设计总体方案与功能分析 (1)2.1设计总体方案 (1)2.2系统功能 (2)3 PLC和变频器的型号选择 (3)3.1 PLC的选择 (3)3.2变频器的选择 (5)4硬件设计 (6)4.1变频器接线 (6)4.1.1变频器主电路接线 (6)4.1.2控制端子接线 (7)4.2变频器的操作及参数设置 (9)4.2.1变频器的操作说明 (9)4.2.2变频器的参数设置 (10)4.3 PLC的硬件接线 (11)4.4 PLC与变频器的连接 (12)4.5调速控制总电路 (13)5安装调试 (14)6总结 (14)参考文献 (15)致谢 (16)附录 (17)1概述PLC就是可编程控制器（Programmable logic Controller），国际电工委员会（International ElectricalCommittee）在1987年发布的PLC标准草案中对PLC做了这样的定义：一种数字运算操作的电子系统就是可编程控制器，主要是在工业环境下应用。

机电传动与控制课程综合训练三一、综合训练项目任务书综合训练项目：交流电机变频调速系统目的和要求：加强对交流变频调速系统及变频器的理解；应用交流变频调速系统及变频器解决交流电机变频调速问题。

提高分析和解决实际工程问题的能力。

促成“富于探索精神，具有较强的自学能力、开拓创新意识和敏锐的观察事物以及分析处理事物的能力”的目标实现。

成果形式：交流电机变频调速系统设计说明书。

相关参数：参看《机电传动控制》（第五版），冯清秀等编著，华中科技大学出版社，P291~316。

一、综合训练项目设计内容1.变频调速系统1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。

一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。

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磁转矩，转子就转动起来。

1.2 变频调速原理变频器可以分为四个部分，如图1.1所示。

通用变频器由主电路和控制回路组成。

给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。

图1.1 变频器简化结构图⑴整流器。

它的作用是把工频电源变换成直流电源。

⑵平波回路（中间直流环节）。

由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。

无论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。

因此，在中间直流环节和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。

一、绪论20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。

在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。

交流异步电动机的调速方式有多种，诸如调压调速、变级调速、串级调速、滑差调速等，而变频调速优于上述任何一种调速方式，是当今国际上广泛采用的效益高、性能好、应用广的新技术。

它采用微机控制、电力电子技术及电机传动技术取得工业交流异步电机的无级调速功能。

目前在国内外已广泛应用，是自动化电力传动的发展方向。

二、交流变频调速2.1、交流变频调速的优异特性1．调速时平滑性好，效率高。

低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。

2．调速范围较大，精度高。

3．起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。

4．变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。

5．易于实现过程自动化。

6．必须有专用的变频电源，目前造价较高。

7．在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

2.2、与其它调速方法的比较交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。

其中，变频调速最具优势。

这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。

在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行检查，电机安装环境受到限制。

例如：不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。

此外，也限制了电机向高转速、大容量发展。

而交流电机就不存在这些问题，主要表现为以下几点：第一，直流电机的单机容量一般为12 - 14MW，还常制成双电枢形式，而交流电机单机容量却可以数倍于它。

第二，直流电机由于受换向限制，其电枢电压最高只能做到一千多伏，而交流电机可做到6～10kV。

交流变频调速电梯的PLC控制系统设计（毕业设计）摘要在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。

特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。

随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了新的发展时期,电梯控制技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。

本设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器(PLC)应用于四层电梯进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，不但提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时延长了使用寿命，缩短了电梯的开发周期，并提高了电梯的控制水平，改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。

本文所设计的电梯与传统的电梯相比，在运行上具有良好的舒适感，在生活中可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了理想的目的。

该电梯控制系统具有指层、厅召唤、选层选向、手动和自动等功能，具有集选控制的特点。

在介绍电梯基本结构的基础上，深入分析了电梯的工作原理，阐述了PLC的优点及特点，重点分析了电梯的硬件设计和软件设计，研究并提出了基于PLC电梯控制系统设计的实现方案，最后对本论文的研究内容进行了总结与展望。

关键词：电梯；变频器；PLC控制；变频调速目录摘要........................................................................................................................... .......... I 1 绪论.. (3)1.1. 综述电梯的发展 (2)1.1.2 电梯的发展趋势 (2)1.2 电梯继电器控制系统 (3)1.2.1 电梯继电器控制系统的优点 (3)1.2.2 电梯继电器控制系统存在的问题 (3)1.3 PLC及其在电梯控制中的应用特点 (4)1.3.1 PLC的特点 (4)1.3.2 PLC控制电梯的优点 (4)1.4 变频调速控制电梯的特点 (4)2 方案选择 (5)2.1 变频器的选择 (5)2.1.1 变频器的分类 (5)2.1.2 简述通用变频器概况 (6)2.1.3 VS-616G5型通用变频器 (7)2.1.4 变频器的参数设置 (9)2.2 PLC的选择 (11)2.2.1 PLC的定义 (11)2.2.2 PLC的主要功能和应用 (11)2.2.3 PLC的选型 (12)2.2.4 SIMATIC S7-300系列PLC系统基本构成 (13)2.2.5 S7-300系列PLC模块性能简介 (14)3 系统的硬件开发 (15)3.1 电梯设备 (15)3.1.1 电梯的分类 (15)3.1.2 电梯的主要组成部分 (16)3.1.3 电梯的安全保护装置 (17)3.1.4 一般电梯的控制要求 (17)3.2 PLC控制系统硬件设计 (19)3.2.1 PLC控制系统设计的基本原则 (19)3.2.2 PLC的控制系统的组成 (19)3.2.3 设计思想 (20)3.3 电梯曳引电机及门电机电路图 (23)图3.4 电梯曳引电机及门电机电路图 (24)3.4 电梯自动门的设计 (24)3.5 换速和平层感应器装置 (26)3.6 电梯的安全保护环节 (26)3.7 运行方向灯、轿内指令及厅外召唤信号灯 (29)3.8 I/O点数的估算与分配 (30)3.8.1 I/O点数的估算 (30)3.8.2 S7-300 输入/输出扩展模块选型表 (31)3.8.3 I/O点数的分配 (31)3.9 PLC外部接线图 (32)4 系统软件开发 (34)4.1 电梯的三个工作状态 (34)4.1.1 电梯的自检状态 (34)4.1.2 电梯的正常工作状态 (34)4.1.3 电梯强制工作状态 (34)4.2 确定系统软件开发方法 (35)4.2.1 软件设计特点 (35)4.2.2 软件设计流程图 (36)4.3 系统的软件开发过程 (37)4.3.1 电梯的外指令、内召唤信号的登记、消除回路 (37)4.3.2 电梯的平层信号处理 (39)4.3.3 电梯的选层定向及反向截梯回路 (40)4.3.4 内指令外召唤信号的保持 (44)4.3.5 各楼层停车信号 (46)4.3.6 自动开关门及其仿真 (48)结论 (54)致谢 (55)参考文献 (56)1 绪论随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。

目录绪论 (3)任务 (4)一、设计题目 (4)二、设计的原始资料 (4)三、设计目的要求及步骤 (4)总体设计方案 (6)1.选择机型 (6)2.确定系统控制结构 (6)3. 系统流程图 (6)4.系统原理接线图 (7)5. 设计步骤 (8)硬件部分设计 (9)1. CS1W-MAD44模拟量I/0模块图 (9)2. CS1W-MAD44模拟量I/0功能块 (9)3.模拟量输出回路 (10)4. 输出规格 (10)5. 标度转换 (10)6. 数据交换概要 (11)7. I/O刷新数据 (11)8. 固定数据 (11)9. 模拟量I/0模块的软件设置过程 (11)软件部分设计 (15)1. 程序的主体主要由以下三部分组成 (15)2. I/0分配表 (15)3. 程序助记符 (15)4. 程序说明 (17)5.调试过程： (17)6.调试结果： (18)总结 (19)参考文献 (19)近年来,随着我国经济的发展,城市的交通拥挤问题日趋严重,因此提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫。

传统的十字路口交通控制灯,通常的做法是：事先经过车辆流量的调查,运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。

然而,实际上车辆流量的变化往往是不确定的,有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。

即使是经过长期运行、较适用的方案,仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆,而红灯方向却排着长队等候通过。

这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的,统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状,更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。

目前,有多种对十字路口交通灯的改良设计,有一种用PLC对道路十字路口交通灯作自适应模糊控制的方法,较好地解决了车辆流量不均衡、不稳定的问题。

因此,十字路口交通灯控制的设计还存在非常广阔的前景。

一、设计题目PLC的变频器调速系统设计二、设计的原始资料1.变频调速器受0~10V输入电压控制；0V输出频率为0HZ，对应同步转速为0 r/min；5V输出频率为18HZ，对应同步转速为1500 r/min；10V输出频率为36HZ，对应同步转速为3000 r/min；输入电压与输出频率按线性关系变化。

基于PLC和触摸屏的交流变频调速系统设计引言 可编程逻辑控制器(PLC)以其编程简单方便、控制稳定可靠、功能强大等优点通常作为控制器广泛应用于现代工业控制领域。

触摸屏作为人机交互界面在一定程度上减少PLC的外部I／O点的使用以及减轻系统外部按钮开关的连线复杂程度，同时也提高了运行维护的方便性。

随着工业现场对控制设备小型化、易操作化、智能化的要求的不断提高，基于PLC和触摸屏的交流变频调速系统的应用前景将非常广阔。

本文采用三菱PLC(Fx2N－64MR)、海泰克触摸屏(PWS6AOOT)、伦茨变频器和外部按钮实现两台三相异步电机的交流变频调速实验系统设计。

实际运行结果表明，该系统运行稳定可靠，控制性能良好。

 1 控制系统要求 本套系统要求能够实现两台三相异步电动机的如下状态的控制：正转；反转；停止；点动；加速；减速。

要求可以由触摸屏或外部按钮实现上述功能，两种开关量输入方式互为冗余备用，以提高控制系统的可靠性。

另外，对于各种开关量状态及硬件不正常状态需要指示灯显示。

 2 控制系统硬件设计 交流变频调速系统的硬件结构如图1所示。

 控制系统硬件结构主要包括：可编程控制模块、控制指令输入模块、D／A转换模块、变频器调节模块。

 2．1 模块功能 2．1．1 可编程控制模块 该模块是整个控制系统控制的核心处理器，是触摸屏指令和按钮开关指令的执行中枢和变频器指令触发元件。

 2．1．2 控制指令输入模块 该模块就是给PLC加载控制指令以实现相应的输出操作。

这里指令输入可由触摸屏按键实现，也可以由外部开关按钮实现，两种指令输入方式互为备用。

为避免由按钮开关指令实现众多指令会导致接线复杂情况出现，可以对重要的开关量实现冗余备用，非重要开关量仅由触摸屏按键实现。

 2．1．3 D／A模块 D／A是将PLC输出的数字量转换成模拟电压量以实现变频调速的目的。

此系统采用的FX2N－2DA模块，该模块有两路模拟量输出以实现对两台变频器的控制。

基于PLC控制的交流变频调速系统的设计摘要交流变频调速系统广泛应用于各种工业自动化领域中，PLC 控制作为一种高可靠性、高灵活性的控制方式，被广泛运用于交流变频调速系统中。

本文提出了一种基于 PLC 控制的交流变频调速系统设计方案，并对其进行了仿真和实验验证。

该系统采用三相交流异步电机驱动，利用 PLC 控制交流变频器对电机进行调速，实现对电机的无级变速控制。

实验结果表明，该系统具有良好的控制性能和稳定性，能够满足实际应用的要求。

关键词：PLC；交流变频调速系统；电机驱动；控制性能；稳定性AbstractAC variable frequency speed control system is widely used in various industrial automation fields. PLC control, as a high reliability and high flexibility control mode, has been widely used in AC variable frequency speed control system. This paper proposes a design scheme of AC variable frequency speed control system based on PLC control, and simulates and experimentally verifies the system. The system adopts three-phase AC asynchronous motor drive, and uses PLC to control the AC frequency converter to achieve seamless speed control of the motor. Experimental results show that the system has good control performance and stability, and can meet the requirements of practical applications.Keywords: PLC; AC variable frequency speed control system; motor drive; control performance; stability 引言随着工业自动化的发展，交流变频调速系统作为一种常见的电机调速方式，被广泛应用于各种工业场合。

摘要现在流行的异步电动机的调速方法可分为两种：变频调速和变压调速，其中异步电动机的变频调速应用较多，它的调速方法可分为两种：变频变压调速和矢量控制法，前者的控制方法相对简单，有二十多年的发展经验。

因此应用的比较多，目前市场上出售的变频器多数都是采用这种控制方法。

关键词:交流调速系统, 异步电动机, PWM技术.目录摘要 (1)前言 (3)1.1 设计的目的和意义 (3)1.2变频器调速运行的节能原理 (3)第二章变频器 (4)2.1变频器选型： (4)2.2变频器控制原理图设计： (5)2.3变频器控制柜设计 (6)2.4变频器接线规范 (7)2.5变频器的运行和相关参数的设置 (8)2.6 常见故障分析 (8)第三章交流调速系统概述 (10)3.1 交流调速系统的特点 (10)第四章变频电动机的特点 (14)4.1电磁设计 (14)4.2结构设计 (14)第五章变频电机主要特点和变频电机的构造原理 (15)5.1 变频专用电动机具有如下特点： (15)5.2变频电机的构造原理 (15)第六章交流异步电动机 (16)6.1交流异步电动机变频调速基本原理 (16)6.2 变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性 (18)6.3变压变频运行时机械特性分折 (19)第七章 PWM技术原理 (24)7.1 正弦波脉宽调制(SPWM） (25)7.2单极性SPWM法 (26)结论 (31)致谢 (32)参考文献 (33)前言1.1 设计的目的和意义近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即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许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。