变频调速plc课程设计.docx
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变频调速plc课程设计
1.交流变频调速技术概述-------------------------------------------------------1
1.1变频调速技术的发展概况-----------------------------------------------1
1.2常见变频器-----------------------------------------------------------------3
1.3变频调速的特点、应用-------------------------------------------------3
2变频器的调速原理--------------------------------------------------------------4
3.变频器调速设计----------------------------------------------------------------5
3.1三菱FR-500技术参数--------------------------------------------------6
3.2开关控制变频器多段速度控制----------------------------------------6
3.3PLC控制变频器多段速度运行-----------------------------------------8
3.4变频器内部程序控制-----------------------------------------------------12
4.设计小结---------------------------------------------------------------------------14
5.参考文献---------------------------------------------------------------------------15
机械电子控制系统课程设计
1.交流变频调速技术概述
近些年来，以变频调速为核心的交流调速技术在电力电子技术、自动控制技术的推动下有了飞速的发展。
交流变频调速技术发挥了交流电机本身固有的优点（结构简单、动态响应好等），并且很好地解决了交流电机调速性能先天不足的问题。
交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动展的主流方向。
目前，变频调速理论已经形成较为完整的科学体系，成为一门相对独立的学科。
交流变频调速理论最初诞生于20世纪20年代，到80年代，变频器已经产品化，性能也不断提高，并开始被应用于工业各部门。
进入90年代，由于新型电力电子器件如IDBT、IGCT等的发展及性能的提高、微型计算机技术（如DSP）的发展，以及先进控制理论的发展和完善（如磁场定向矢量控制、直接转矩控制）等原因，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用方便性等方面大大超过了其它常规交流调速方式，变频调速技术取得了显著的成就并日臻成熟。
目前，交流变频调速技术以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，并已取得了著的社会效益。
变频调速技术在电力、轧钢、造纸、化工、煤炭、纺织、船舶、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术中得到发展应用。
1.1我国变频调速技术的发展概况
1.1.1国外现状
在大功率交-交变频调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万千瓦的电气传动设备用于船舶推进系统。
在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万千瓦的设备用于抽水蓄能电站。
在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司SimovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10~2600kVA，Si-movertPGTOPWM变频调速设备单机容量为100~900kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。
国外变频调速技术有以下特点：
功率器件的发展。
近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及串、并联技术的发展应用，使高抵押、大功率变频器的生产及应用成为现实；控制理论和微电子技术的发展。
矢量控制、磁通控制、转矩控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16/32位高速微处理器以及信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段；市场的大量需求。
随着工业自动化程度的不断提高和全球性能源短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金等各个行业，取得显著的经济效益。
1.1.2国内现状
在我国，60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要的行业。
我国电气传动产业始建于1954年，现在已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。
我国电气传动与变频调速技术的发展简史见表1。
我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。
各类在用电机中，80%以上为0.55~220kW以下的中小型异步电动机。
但我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平，至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。
随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场。
国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套公司在自行设计制造的成套装置中采用外国企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。
虽然近些年取得了很大的成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性还是很严重。
因此，在国家十一五规划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。
从总体上看，我国电气传动的技术水平落后国际先进水平10~20年。
在大功率交-交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。
在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。
国内变频调速技术产业状况如下：
变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模；变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白；产销量少，可靠性及艺水平不高。
1.2常见变频器
表1.1常见变频器品牌及型号
地区
品牌
常见型号
欧美
施耐德
ATV11ATV12ATV21
西门子
MicroMaster440MicroMaster430
MicroMaster420MicroMaster410
日本
三菱
通用高性能FR-A740FR-A720
轻载节能型FR-F740FR-F720
精巧型FR-E740FR-E720
简易通用型FR-D740FR-D720S
富士
FRENIC5000VG7SFRENIC5000G11SFRENIC5000P11SFRENIC-MEGAG1SFRENIC-VPF1SC1SE1S
安川
H1000A1000V1000J1000L1000T1000
中国
英威腾
CHVCHAGOODDRIVECHFCHH
汇川
MD280HD90MD300MD320MD330
MD300AMD380MD601
台达（台）
VFD-C2000CP2000VJVLEL
1.3变频调速的特点、应用
1.3.1特点
①调速范围广；
②平滑无极调速；
③负载性质能根据需要加以控制；
④控制设备比较复杂。
1.3.2应用举例
（1）变频器在化工行业的应用
变频器应用到自动提取液化气系统设备改造上，解决了对电网冲击大，人工操作的繁琐，而最重要的是节能节电以及实现自动化提取液化气系统。
据统计，每个月町节电40％左右，照此推算半年就可以回收成本，效果十分显著。
（2）变频器在塑胶机械上的应用
在塑料产品的生产过程巾，由于塑料的特性，产品的规格繁多和生产工艺的要求不同，所以，很多的地方都需要对生产机械进行调速，随着电力电子技术的迅速发展，变频调速的技术已经成熟，变频调速器已广泛应用在国民经济各行业之中，它的平滑的无级调速，高可靠性，高精度，而且节约电能，可以提高自动化水平等优点，在一定的程度上提高了塑胶机械的自动化水平，推动了塑胶行业的发展。
（3）变频器造纸机械上的应用
造纸企业是高能耗企、每吨纸所耗电能在500度以上，电能消耗十分严重，从设备和类型看50％以上为风机、泵类负载，而这些设备目前基本上是采用阀门或挡板来调节风量或液体流量的，大量的能量消耗在阀门或挡板上，采用变频器进行调节，可以大量减少损耗，节约电能经济利益十分明显，值得企
业大力推广。
（4）变频器在注塑机节能中应用
注塑机是对各种塑料进行加热、融熔、搅拌、增压后，将塑料流体注入模具控内，完成工件一次注塑成型的设备，它的工序过程基本是相同的，大致可分为7个工序过程：
锁模、射胶、保压、熔胶、冷却、歼模、顶针每一个工序都需要不同的压力和流量，也就是说被加工的工件不都是任最人压力或流量下工作的，其压力和流量是靠压力比例阀和流量比例阀来调节的，通过调整压力或流量比例阀的开启度来控制压力和流量大小。
（5）锅炉变频调速技术应用
锅炉变频调速的鼓（引）风控制系统：
为了提高锅炉风量的控制水平，又能达到节能的效果，采用变频调速方式对风量进行调节，是首选的方案。
由于，应用变频调速技术可根据用汽量的变化，随时调整鼓（引）风机的转速，减少了噪音对环境的污染（电机均运行于额定转速以下，风的噪音随之下降），对提高工业卫生水平起到一定的作用。
由于鼓（引）风机长期低于额定转速的状态之下运行，电机及风机的轴承不易损坏，延长了使用寿命，电机的发热量也减少了，维修量下降，停机时间减少，节约了大量的维修费用。
2．变频器的调速原理
异步电动机的同步调速，即旋转磁场的转速为n=60
，而异步电动机的轴转速为
式中，n为同步转速，r／min；f为定子频率，Hz；P为磁极对数；S为异步电动机的转差率。
可，异步电动机的调速方法有3种：
①通过改变电动的极对数P来改变转速，这种调速方法是有级差，不能达到无级凋速，不适用于火电厂风机和水泵辅机运行转速的调节。
②改变转差率s，这种调速方法虽然能达到无级调速，但主要应用在小容量电动机调速上，并存在故障率高，整体效率低的缺点，不适用于火电厂大容量电动机调速。
③改变定子频率，可以改变异步电动机的转速。
根据公式n=60×f×（1一s）。
式中．F为电源频率；s为电动机转差率；P为电动机极对数。
当P和s确定后，电动机转速与电源频率成正比，所以改变电源频率即可改变转速n，从而实现变频调速。
变频器所运用的调速方法就是改变定子频率进行调速。
常见的变频技术有交-交变频技术（直接变频）和交-直-交变频技术（间接变频）。
（1）交-交变频技术。
交-交变频是把市电直接变成频率低的交流电,大量用在大功率的交流调速中。
交-交变频电路一般采用三相桥式电路。
因其最高输出频率只能是电网频率的1/3以下,所以在变频领域其逐渐被淘汰。
（2）交-直-交变频技术。
交-直-交变频是将市电整流成直流,在变频为要求频率的交流,它又分谐振变频和方波变频。
谐振变频主要用于中频加热;方波变频又分为等幅等宽和SPWM变频。
交-直-交变频电路由整流器、滤波环节和逆变器三部分组成,根据中间滤波环节的不同,可分为电流源型和电压源型,使用最多的是电压型变频调速器。
在其工作时首先将三相交流电桥式整流为直流电,脉动的直流电经平滑滤波后在微处理器的调控下,用逆变器接直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源,采用正弦脉宽调制（SPWM）方法,使输出波形近似正弦波,输出到需要调速的电动机。
3.变频器调速设计
变频器的调速可通过外部输入信号或者内部程序进行控制。
在外部输入信号模式下，变频器上RH、RM、RL分别接收控制信号，通过信号的组合可实现七段速度变化，如RH，RM，RL，RHRL，RHRM，RLRM，RHRLRM，而分别对应的频率值则通过变频器内部参数设定；在变频器内部程序控制下，变频器相应参数可以对转动方向、频率、开始时间进行设定，从而实现变频器直接对电机的调速控制。
3.1三菱FR-500技术参数
表3.1三菱FR-A500主要技术参数
适用电机容量（kW）
0.4～55
额定输出容量（kVA）
1.1～84
额定电流（A）
1.5～110
过载能力
150%60s、200%0.5s
输入输出电压
三相，380V至480V50Hz/60Hz
允许频率波动范围
±5%
控制方式
柔性-PWM控制/高频波频率PWM控制
输出频率范围
0.2～400Hz
频率精度
模拟量输入时最大输出频率的±0.2%以内（25°C±10°C）,数字量输入时设定输入频率的0.01%以内
模拟量输入
0到5VDC,0到10VDC,0到±10VDC,4到0mADC
数字量输入
使用操作面板或参数单元3位BCD或12位二进制输入
运行状态
可从变频器正在运行,频率到达,瞬时电源故障（欠电压）,频率检测,第二频率检测,第三频率检测,正在程序运行,正在PU模式下运行,过负荷报警,再生制动预报警,电子过电流保护预报警,零电流检测,输出电流检测,PID下限,PID上限,PID正/负作用,工频电源-变频器切换MC1,2,3,动作准备,抱闸打开请求,风扇故障和散热片过热预报警中选择五个不同的信号通过集电极开路
输出。
3.2变频器开关多段速度控制
如图3.2示将变频器控制口RH、RM、RL分别连接外部开关实现变频器的多段速度控制，变频器控制口STF、STR外接开关实现电机正反转。
在PU模式下，通过面板在相应参数设置参数值（如表3.2），将操作模式Pr.79设定在2（外部模式），按时序图接通RH、RM、RL，实现电机速度分段运行。
3.2.1速度状态图
图3.1电机运行状态图
3.2.2控制电路图
按下图将外部开关连接至变频器：
图3.2多段速度控制电路
3.2.3变频器参数设置
表3.2变频器参数
参数号
设定值
说明
Pr.4
45Hz
速度1（高速）设定为45Hz
Pr.5
30Hz
速度2（中速）设定为30Hz
Pr.6
10Hz
速度3（低速）设定为10Hz
Pr.7
1S
电机加速时间1S
Pr.8
1S
电机减速时间1S
Pr.24
30Hz
速度4设定为25Hz
Pr.25
20Hz
速度5设定为20Hz
Pr.26
10Hz
速度6设定为15Hz
Pr.27
5Hz
速度7设定为5Hz
Pr.79
2
操作模式设定为外部模式
3.2.4运行时序图
图3.3变频器运行时序图
3.3PLC控制变频器多段速度运行
变频器在PLC控制下，通过将PLC输出口分别连接变频器RM、RL、RH端口实现变频器的多段调速，连接变频器STF、STR端口实现变频器的正反转，而运行时间则由PLC内部计时器控制。
在PU模式下，按照参数设置表在控制面板上设置七段运行速度频率，将操作模式Pr.79设定为2（外部模式），并将所编写的PLC控制程序控制变频器运行。
3.3.1速度状态图
图3.4PLC控制速度状态
3.3.2控制电路图
将电机及PLC按下图连接到变频器上，合上电源开关：
图3.5PLC控制变频器电路
3.3.3PLC输入输出分配
表3.3PLCI/O口分配
地址
作用
X0
启动按钮
X1
停止按钮
Y11
正转信号，送至STF端
Y12
反转信号，送至STR端
Y13
速度控制，送至RH端
Y14
速度控制，送至RM端
Y15
速度控制，送至RL端
3.3.4变频器参数设置
表3.4PLC控制变频器参数设置
参数号
设定值
说明
Pr.4
50Hz
速度1（高速）设定为50Hz
Pr.5
20Hz
速度2（中速）设定为20Hz
Pr.6
0Hz
速度3（低速）设定为0Hz
Pr.7
2S
电机加速时间2S
Pr.8
2S
电机减速时间2S
Pr.24
20Hz
速度4设定为20Hz
Pr.25
30Hz
速度5设定为30Hz
Pr.26
20Hz
速度6设定为25Hz
Pr.27
10Hz
速度7设定为10Hz
Pr.79
2
操作模式设定为外部模式
3.3.5变频器运行时序
图3.6变频器运行时序图
3.3.6PLC控制程序（SFC）
3.4.变频器内部程序控制
在变频器的Pr.201~Pr.231参数中，可设定3组运行程序，第一组设在Pr.201~Pr.210中，第二组设在Pr.211~Pr.220中，第三组设在Pr.221~Pr.230中。
每一个参数包括三项内容：
旋转方向（0：
停止；1：
正转；2:
反转）、频率、开始时间。
组信号RH、RM、RL用于选择预定程序运行组，RH第一组；RM第二组；RL第三组。
预定程序运行开始信号STF，输入开始运行预定程序。
3.4.1控制电路图
如下图接线：
图3.7变频器内部控制电路图
3.4.2变频器参数设定
表3.5变频器内部控制参数设置
参数
设定值
说明
Pr.79
5
操作模式选择程序运行模式
Pr.200
2
时间单位设定：
分/秒
PR.201
1,20,1:
00
正转，20Hz，1分整
Pr.202
0,0,3:
00
停止，3分整
Pr.203
2,30,4:
30
反转，30Hz，4分30秒
Pr.204
1,10,7:
00
正转，10Hz，7分整
Pr.205
1,30,9:
20
正转，30Hz，9分20秒
Pr.206
0,0,11:
00
停止
Pr.211
1,20,0
正转，20Hz
Pr.212
0,0,2:
00
停止，2分整
Pr.213
2,30,4:
00
反转，30Hz，4分整
Pr.214
1,15,6:
00
正转，15Hz，6分整
Pr.215
1,30,8:
30
正转，30Hz，8分30秒
Pr.216
0,0,10:
00
停止
Pr.221
2,10,0
反转，10Hz
Pr.222
0,0,3:
00
停止，3分整
Pr.223
1,30,5:
00
正转，30Hz,5分整
Pr.224
1,10,7:
00
正转，10Hz，7分整
Pr.225
2,30,9:
00
反转，30Hz，9分整
Pr.226
0,0,11:
00
停止
3.4.3运行曲线
图3.8组一运行状态曲线
4.设计小结
这次课程设计的主要内容是了解变频调速的原理以及变频器的实际操作应用。
之前对机电控制电路的了解仅仅局限于核心的控制元件，如PLC主模块、单片机等，而对一些不可或缺的辅助模块认识不足。
这次设计对于我了解控制电路的其他模块是一次很好的机会。
机电系统的控制电路除了主要的控制元件外，配套的辅助元件也起了很重要的作用，如变频器就能实现交流电的频率转化，从而控制电机转速的精确变化，而这种功能仅依靠PLC控制则不容易实现。
变频器的使用对于整个机电系统来说也不仅仅只发挥其主要功能，还能很好的实现节电环保的作用，对于今后机电设备的发展起着重要作用。
在实际操作中，详细了解了变频器的外部控制以及内部程序控制两种模式。
外部控制可通过触摸屏、控制台或者外接PLC组合式来实现信号的外部输入；而内部程序控制则可以直接在变频器上输入程序，自身实现对电机的直接控制。
由此可见变频器使用方式的多样性。
变频器在外接电位器控制时可以实现输出频率的无级调速，这一强大性能对于需要精确控制的场合起着至关重要的作用，也体现了变频器功能的强大。
在这次设计过程中，小组组员分工合作，遇到问题相互讨论、搜索资料，很好的完成各自分配的任务，从中再次体会到团队合作的强大。
最后感谢指导老师的悉心指导以及鼎力支持。
5.参考文献
[1]郁汉琪.电气控制与可编程序控制器应用技术[M].东南大学出版社，2003.6
[2]《机械电子控制系统》课程设计技术手册（PLC部分）
[3]王兆义，杨新志.小型可编程控制器实用技术[M].机械工业出版社，2006.10
[4]张树国，李栋，胡竞.变频调速技术的原理及应用[J].《节能技术》,2009.1,
（1）
[5]蒋永华，余愚，孙海山.变频调速技术的行业现状与发展趋势[J].《工业仪表与自动化装置》,2007,
（1）
[6]三菱调速变频器FR-A500使用手册197-198
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