利用变频器完成交流电机调速系统设计.docx
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利用变频器完成交流电机调速系统设计
南京理工大学紫金学院
毕业设计说明书（论文）
作者:
XXXX
学号：
XXXX
系：
电子工程与光电技术系
专业:
电气工程及其自动化
题目:
交流电动机调速系统设计
副教授
XX
指导者：
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
2012年5月
南京理工大学紫金学院
毕业设计（论文）评语
学生姓名：
XXXX班级、学号：
电气二班XXXXX
题目：
交流电动机调速系统设计
综合成绩：
指导者评语：
论文采用PLC设计异步电机控制系统.论文对方案进行了论证，
给出了硬件接线图、IO分配、软件流程图和PLC程序.论文编制了组态界面，实现了与PLC的通讯，在组态界面上实现了各种状态和数据的显示.
论文很好地完成了任务书规定的内容.论文结构合理，书写规范，语法正确，用词准确，表述流畅，内容充实.
建议成绩评定为优秀.
可以提交答辩.
指导者（签字）：
年月日
毕业设计（论文）评语
毕业设计说明书（论文）中文摘要
交流电机当前已经广泛地运用于工业中的方方面面，掌握了交流电机调速方法，就能够了解到一定的现代工业基础并可以应用在现实之中.交流调速技术的发展推动着工业迅速升级.自20世纪50年代起至今，随着电力电子器件的飞速发展，交流调速技术日新月异.而其中应用最为广泛的是通过变频器调速.
本文主要研究的是通过变频器实现对交流电机的调速，所选用的变频器型号为西门子MM440.其中操作方式有两种，一种通过西门子S7-200PLC连接的硬件开关控制，另一种，通过组态王软件的操作界面来控制.这个设计中主要采用的是变频器的数字量输入.有八段固定速度选择以及一个自动运行两种功能.在八段固定速度选择中，我们可以按下一个按键，变频器就会输出一个相应的频率，带动电机以相应的运转.而在自动运行中，我们只要按下这一个键，变频器便会自动随着时间变化而切换频率，带动电机改变速度.经过验证，功能都能够实现.
关键词交流调速技术变频器MM440S7-200PLC控制器组态王软件数字量输入控制
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleTheDesignofACmotorspeedcontrolsysterm
Abstract
Nowdays，ACmotorhasbeenwidelyusedinlotsofindustryaspects.WhenmasteringthetechnologyofregulatingACmotor’sspeed,wewillknowsomemodernindustrialbaseandcanuseitinreality.ACspeedregulationtechnologypromotesthedevelopmentofindustrialupgradequickly.Since1950s,withtherapiddevelopmentofpowerelectronicdevices,thetechnologyofACspeedregulationchangerapidly.Ofallthemethods,themostwidelyusedoneisregulatingspeedbyafrequencyconverter.
ThispapermainlystudiesusingafrequencyconvertertoregulateACmotor’sspeed.ThetypeofconverterisSiemensMM440.Inmyexperiment,therearetwomethodstoregulatespeed.TheoneisthroughtheswitchsconnectedtoSiemensS7-200PLC,theotheristhroughtheinterfaceofKingviewsoftware.Afrequencyconverterhasthreewaystocontrolspeed,theyaredigitalinput,analoginputandUSSprotocol.Thispapermainlyadoptsthemethodofdigitalinput.Therearetwofunctionsinmyexperiment.Theoneiseight-fixed-speedselection,theotherisautomaticoperation.Afterverification,functionscanberealized.
KeywordsACspeedregulationMM440converterS7-200PLCcontroller
Kingviewdigitalinputcontrol
目次
1.绪论
1.1课题的背景
世界上，最先制造电动机的人是雅可比，一个德国人，他在两个u型电磁铁中间，安装了一六臂轮，每个臂连接两根棒型磁铁.通电之后，棒型的磁铁与u型的磁铁之间产生相互吸引以及排斥的作用，带动轮轴的转动.后来，他又做了一具大型的装置安装在小艇上，用320个电池供电，1838年小艇在易北河上第一次航行，时速只有2.2公里，同一时间，美国的达文波特成功地制出了驱动印刷机的电机，这个印刷机印刷过美国电学期刑《电磁和机械情报》，但是，这两种电动机都没有太大商业价值，使用用电池作它们的电源，成本太大、不实用.
直到第一台实用的直流发动机问世，电动机才开始被广泛应用.1870年比利时工程师格拉姆发明了直流发电机，在设计原理上，直流发电机和电动机很相似.后来，格拉姆证明了向直流发动机中输入电流，其转子会象电动机一样开始旋转.在此之后，这种格拉姆型电动机被大量制造，效率不断提高.与此同时，西门子开始着手于研究用电动机来驱动车辆，后来，西门子公司制成了电车.1879年，在柏林工业展览会上，西门子公司不冒烟的电车赢得观众的一片喝彩.西门子电机车当时马力很小，只有3马力，后来美国发明大王爱迪生试验的电机车在此基础上取得了一定的进步，能达到15马力，但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电车.
1888年出生在南斯拉夫的美国发明家特斯拉发明了交流电动机.它又称感应电动机，是根据电磁感应原理制成，这种电动机使用交流电，无需整流，结构简单，无火花，所以被广泛应用于家庭电器中，一半而言，交流电动机使用三相交流供电.
1902年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想.同步电动机工作原理同感应电动机一样，由定子产生旋转磁场，转速固定不变，不受负载影响.因此同步电动机特别适用于钟表，电唱机和磁带录音机.
近二十年来，科学技术突飞猛进.当今世界，电机的发展状况已成为衡量一个国家现代化程度的重要标志.随着计算机技术和控制理论、电力电子技术的发展，电机调速技术得到迅速发展，使得电机的应用不再仅仅局限于工业应用，它在商业及家用设备等各个领域也获得了更加广泛的应用；而随着如稀土永磁材料Nd-Fe-B、磁性复合材料的新材料的出现，电机设计更是如虎添翼，各种高效、新型、特种电机层出不穷.这些都极大地拓宽了电机的应用领域、丰富了电机理论，同时也给电机设计和制造工艺提出更高的要求.
1.2变频器发展概况
近年来，变频技术是一项国际家电领域全面开发和应用的高新技术，它采用新型变频器，能够将50Hz的固定供电频率转换为30-130Hz范围内的变化频率，实现电动机运转转速的自动调节，达到提高效率和节能的目的.
在上个世纪80年代初，变频器实现了商品化.而在近20年的时间内，变频器又经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT进行控制的两个大发展过程.
80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化.到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了600KVA,400KVA以下.前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三、四年的时间，IGBT变频器的单机容量己达800IVA，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大.
变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化.另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速.
电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展.特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证.
人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融入软件功能.日益丰富的软件功能使通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能，即可以把原有生产机械的工艺水平“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变成一种具有高度软件控制功能的新机种.
目前出现了一类“多控制方式”通用变频器.例如安川公司的VS616—G5变频器就有:
无PG（速度传感器）V/f控制:
有PGV/f控制:
无PG矢量控制:
有PG矢量控制等四种控制方式.通过控制面板，可以控制上述四种控制方式中的一种，以满足用户的需要.
通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强.最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展.如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器.各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超高速伺服机的精确位置控制都己应用通用变频器.
本系统是通过可编程控制器控制三相交流异步电动机的调速功能.具体内容如下：
在理论研究的基础上，对变频调速系统进行总体方案的设计.
对变频调速系统进行硬件设计，包括变频器参数的设置、变频开多段速控制、多段速控制以及自动运行的设计.
在硬件设计的基础上，对变频调速系统进行软件设计，包括程序的编写和分析.
实现调速系统的组态王设计.
2.变频调速系统的方案确定
2.1变频调速系统
2.1.1三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.
2.1.2变频调速原理
变频器可以分为四个部分，如图2.1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2.1变频器简化结构图
整流器.它的作用是把工频电源变换成直流电源.
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.
逆变器.与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率.逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路.通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形.
控制回路.控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成.其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能.控制方式有模拟控制或数字控制.
2.1.3变频调速的基本控制方式
普通控制型V/f通用变频器
普通控制型V/f通用变频器是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路比较简单；电动机选择通用标准异步电动机，因此其通用性比较强，性价比比较高，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式.
具有恒定磁通功能的V/f通用变频器
为了克服普通控制型的V/f通用变频器对V/f的值进行调整的困难，如果采用磁通反馈，让异步电动机所输入的三相正弦电流在空间产生圆形旋转磁场，那么就会产生恒定的电磁转矩.这样的控制方法叫做磁链跟踪控制.由于磁链的轨迹是靠电压相加矢量得到的，所以磁链跟踪控制也叫做电压空间矢量控制.
矢量控制方式
矢量控制方式的基本思想是：
仿照直流电动机的调速特点，使异步交流电动机的转速也能通过控制两个互相独立的直流磁场进行调节.矢量控制方式分为无速度传感器的矢量控制和有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制.
无速度传感器的矢量控制.它是对异步电动机进行单电动机传动的典型模式.主要性能是：
在1：
10的速度范围内.速度精度小于0.5%，转速上升时间小于100ms；在额定功率10%的范围内，采用电流闭环控制的转速开环控制.工作模式可采用软件功能选择.当工作频率高于额定频率的10%时，进入矢量控制状态.转速的实际值可以利用由微型机支持的对异步电动机进行模拟的仿真模型来计算.
有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制.这种方式的主要特征更是：
在速度设
定值的全范围内，转矩上升时间大约为15ms，速度设定范围大于1：
100；对于闭环控制而言，转速上升时间不大于60ms.
2.2系统的控制模型
本系统的结构如图2.2所示.
图2.2系统的结构图
由图1.2可知，本文通过PLC控制变频器达到变频调速的目的，从而实现交流电机的正反转、起停、加速、减速控制以及速度的调节，并且能够在在组态王操作界面上进行操作，控制电机调速.
2.3元器件的选择
2.3.1电动机的选择
在变频电机中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉.因此，在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用交流电动机.
在交流电动机中，笼型异步电动机结构简单，运行最可靠，维护最方便，对起动性能无过高要求的调速系统，应优先考虑.在电机工作中起动、制动比较频繁，为提高生产率，又要求电动机具有较大的起动、制动转矩以缩短起动制动时间，同时还有一定的调速要求，所以本设计采用笼型异步电动机，其参数为：
电压：
659V；
接法：
星形接法；
功率：
60W；
电流：
0.16A；
频率：
50HZ；
绝缘等级：
E.
开环控制是最简单的一种控制方式，他所具有的特点是，控制量与被控制量之间只有前向通路而没有反向通路.这种控制方式的特点是控制作用的传递具有单向性.由于开环控制结构简单，调整方便，成本低.在国民经济各部门均有采用.因此，本系统采用开环控制系统.
2.3.2变频器的选择
随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速得到广泛应用.其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵.所以我选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果.
本设计采用的变频器是西门子公司面向世界推出的21世纪通用型变频器MM440.它可实现平稳操作和精确控制，使电动机达到理想输出，这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围.
MM440变频器的特点如下：
包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化.
有丰富的内藏与选择功能.
由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小.
保护功能完善、维修性能好.
3.变频调速系统的硬件设计
3.1S7-200PLC
本系统选用的是西门子公司生产的SIMATICS7-200系列小型PLC，可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统.由于它极强的的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其功能.
S7-200的可靠性高，可以用梯形图语句表功能块图三种语言来编程.它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由端口模式通信功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB的程序和数据存储空间.
3.2MicroMaster440变频器
本系统采用的是通用变频器MicroMaster440，MicroMaster440是全新一代模块化设计的多功能标准变频器.它有强大的通讯能力、精确的控制性能、模块化结构设计，具有更多的灵活性，操作方便.最新的IGBT技术，具有7个固定频率，4个跳转频率.灵活的斜坡函数发生器带有起始段和结束段的平滑特性，防止运行中不应有的跳闸，直流制动和复合制动方式提高制动性能.用BiCo技术，实现I/O端口自由连接.MICROMASTER440是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列，从单相电源电压额定功率120W到三相电源电压额定功率11KW可供选用，由微处理器控制，用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件.因此，具有很高的运行可靠性和功能的多样性.其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声，全面完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护.MICROMASTER440具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置.由于MICROMASTER440具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统.
3.3变频器参数设置
3.3.1变频器的操作步骤
首先复位,如图3.1所示.
图3.1复位操作步骤图
然后，设置电机参数,如图3.2所示.：
图3.2变频器参数修改流程
3.3.2变频器的参数设置值
本系统主要完成异步电机数字量调速，此种调速方法首先需要设置变频器参数，接着连接硬件电路并且编写梯形图程序，进行调试.成功之后，在编写组态，调试组态与PLC之间的通讯.
变频开环调速根据输入端的控制信号经过程序运算后由通信端口控制变频器运行.打开启动开关，变频器开始运行.
首先应对变频器的参数进行设置，如表3.1所示.
表3.1变频器的参数设置
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
1
P0304
230
659
电动机的额定电压（659V）
2
P0305
3.25
0.16
电动机的额定电流（0.16A）
3
P0307
0.75
0.06
电动机的额定功率（60W）
4
P0310
50.00
50.00
电动机的额定频率（50Hz）
5
P0311
0
1400
电动机的额定转速（1400r/min）
6
P1000
2
3
固定频率设定
7
P1080
0
0
电动机的最小频率（0Hz）
8
P1082
50
50.00
电动机的最大频率（50Hz）
9
P1120
10
10
斜坡上升时间（10S）
10
P1121
10
10
斜坡下降时间（10S）
11
P0700
2
2
选择命令源（由端子排输入）
12
P0701
1
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）
13
P0702
12
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）
14
P0703
9
17
固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）
15
P0704
15
1
控制运转与停止
16
P1001
0.00
10.00
固定频率1
17
P1002
5.00
20.00
固定频率2
18
P1003
10.00
30.00
固定频率3
19
P1004
15.00
40.00
固定频率4
续表3.1变频器的参数设置
20
P1005
20.00
50.00
固定频率5
21
P1006
25.00
-30.00
固定频率6
22
P1007
30.00
-50.00
固定频率6
其中：
在设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值；设定P0003=2允许访问扩展参数；设定电机参数时先设定P0010=1（快速调试）,电机参数设置完成设P0010=0（准备）.
3.4硬件接线设计
3.4.1I/O分配表
根据系统分析，需要九个输入量，其I/O分配如表2.2所示.
表3.2系统的I/O分配
序号
PLC地址（PLC端子）
电气符号
功能说明
1
I0.0
启停开关
变频器开始停止
2
I0.1
10Hz开关
变频器10Hz运行
3
I0.2
20Hz开关
变频器20Hz运行
4
I0.3
30Hz开关
变频器30Hz运行
5
I0.4
40Hz开关
变频器40Hz运行
6
I0.5
50Hz开关
变频器50Hz运行
7
I0.6
-30Hz开关
变频器-30Hz运行
8
I0.7
-50Hz开关
变频器-50Hz运行
9
I1.0
自动运行开关
变频器自动运行
10
Q0.0
接DIN4
决定变频器的启动、停止
11
Q0.1
接DIN1
决定变频器的输出频率
12
Q0.2
接DIN2
决定变频器的输出频率
13
Q0.3
接DIN3
决定变频器的输出频率
3.4.2硬件接线图
变频开环调速外部接线，如图3.3所示.
图3.3变频开环调速外部接线图
4.变频调速系统的软件设计
4.1编程软件的介绍
本系统采用的编程软件是STEP7MicroWIN,该编程软件可以方便的在Windows环境下对PLC编程、调试、监控.使得PLC编程更加方便、快捷.
项目的组成
程序块
程序块由可执行的代码和注释组成，可执行的代码由主程序（OB1）、可选的子程序和中断程序组成.代码被编译并下载到PLC.
数据块
数据块由数据（变量存储器的初始值）
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