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电气控制技术论文

Theapplicationofelectricalcontroltechnologyintheindustrialproduction

--------电气控制技术在工业上产中的应用

姓名：

韩冲

学号：

班级：

机械2094

授课教师：

周力

2012年5月

前言.....................................................................................................................................................................1

摘要.....................................................................................................................................................................2

第1章PLC的简介

PLC的发展.............................................................................................................................................3

与电气控制相结合的优点..................................................................................................3

PLC与电气控制的特例解析......................................................................................................4

第2章三相异步电动机基础

三相异步电动机的结构............................................................................................................5

三相异步电动机的工作原理.................................................................................................6

三相异步电动机的几个工作过程的分析......................................................................7

第3章PLC基础

PLC的定义...........................................................................................................................................10

PLC与继电器控制的区别..........................................................................................................10

PLC的工作原理................................................................................................................................10

PLC的应用分类................................................................................................................................11

第四章三相异步电动机的PLC控制

三相异步电动机的正反转控制.............................................................................................12

两台电动机顺序起动联锁控制............................................................................................13

三相异步电动机使用PLC控制优点..................................................................................15

结束语..............................................................................................................................................................16

参考文献.........................................................................................................................................................17

前言

电气控制技术是一门多学科交叉的技术,是实现工业生产自动化的重要技术手段。

随着科学技术的不断发展,特别是计算机和网络技术的应用,以及新型控制策略的出现,使电气控制系统从控制结构到控制理念均发生了根本的变化。

系统介绍先进科学技术的成果在工业生产中的应用以及电气控制系统的发展方向。

电气控制技术是随着科学技术的不断发展、生产工艺不断提出新的要求而得到迅速发展的.从最早的手动控制发展到自动控制,从简单的控制设备发展到复杂的控制系统，从有接触的硬接线继电器控制系统发展到以计算机为中心的软件控制系统。

现代电气控制技术综合应用了计算机、自动控制、电子技术、精密测量等许多先进的科学技术成果。

本论文主要讲述PLC和三相异步电动机的综合应用。

三相异步电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域,在这些应用领域中,三相异步电动机常常运行在恶劣的环境下,导致产生过流,短路,断相,绝故,对缘老化等事故，应用于大型工业设备重要场合的高压电动机,大功率电动机来说,一旦发生故障所造成的损失无法估量。

在生产过程中,科学研究和其它产业领域中,电气控制技术应用十分广泛,在机械设备的控制中,电气控制也比其它的控制方法使用的更为普遍。

　　本系统的控制是采用PLC的编程语言----梯形语言,梯形语言是在可编程控制器中的应用最广的语言，因为它在继电器的基础上加进了许多功能，使用灵活的指令，使逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强，所实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路，可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，它是专为在恶劣工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术等操作的指令，并采用数字式，模拟式的输入和输出，控制各种的机械或生产过程。

　　长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用，它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业，企业对自动化的需要。

进入20世纪80年代，由于计算机技术和微电子技术的迅猛发展，极大地推动了PLC的发展，使得PLC的功能日益增强，目前，在先进国家中，PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业，企业。

由于PLC综合了计算机和自动化技术，所以它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平，它不但可以很容易的完成逻辑，顺序，定时，计数，数字运算，数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动化控制。

特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息，网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛的运用于众多行业。

摘要

PLC在三相异步电动机控制中的应用，与传统的继电器控制相比具有速度快，可靠性高，灵活性强，功能完善等优点。

长期以来，PLC始终处于自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用，它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。

本文设计了2个三相异步电动机的PLC控制电路，分别是三相异步电动机的正反转控制和两台电动机顺序起动联锁控制，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强等优点，可作为高校学生学习PLC的控制技术的参考，也可作为工业电机的自动控制电路。

关键词

PLC;三相异步电动机;

Abstract

PLCinthethree-phaseasynchronousmachinecontrol`sapplicationcompareswiththetraditionalblack–whitecontrol,hasthecontrolspeedtobequick,themainbattlefield,hasprovidedtheveryreliablecontrolapplicationforvariousautomationcontroldeviceitcanprovidesafereliableandthequiteperfectsolutionfortheautomatedcontrolapplication,suitsinthecurrentindustrialenterprisetotheautomatedneed.Thispaperdesignsathree-phaseasynchronousmotor,2ofPLCcontrolcircuit,whichisofpositive&negativethree-phaseasynchronousmotorcontrolandtwomotorstartinginterlockscontrol,andthesequenceoftraditionalrelaycontrol,controlspeed,highreliabilityandflexibility,ascollegestudents'learningPLCcontroltechnology,butalsocanbeusedasreferencefortheautomaticcontrolofindustrialelectricalcircuit.

Keywords

PLC;Three-phaseasynchronousmachine;

第一章PLC的简介

PLC的发展

在工业生产过程中，大量的开关量顺序的控制，需要它们按照一定的逻辑顺序条件进行一定的顺序动作，并按照相应的逻辑关系进行连锁保护动作的控制，以及大量离散量的数据的采集。

传统上，这些工作是通过气动或者电气控制系统来加以实现的。

在1968年美国通用汽车公司提取出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用了程序化的手段应用于电气化的控制，这就是第一代可编程控制器，称为ProgrammableController（PC）。

个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。

上个世纪80年代至90年代中期是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持在30%--40%之间。

在这个时期，PLC在处理模拟量能力、人机接口能力和网络能力得到了大幅度的提高，PLC逐渐进入了过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰性能强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位在现在乃至今后一段很长的时间内将是其他控制系统无法取代的。

PLC与电气控制相结合的优点

PLC的优点是外部接线简单，内部程序可变，在不改变接线的情况下，可以重新设计程序，而且相应的施工周期较短，内部软继电器是寄存器，没有触动，故障率低，寿命长，抗干扰能力强，执行时间短，应用指令多，可实现复杂的控制功能等等。

传统继电器的不足之处是有触动系统，故而故障率高，平均修复时间长，寿命短，功耗大，如需改变系统功能将需重新的接线，工作量相对较大且容易出错，执行时间长等等。

然而PLC对于高压控制元件的控制却没有继电器等系统的优点，在许多工厂的电力系统中有许多的高压电力设备所需的控制系统只能通过大型的继电元件来实现动作，而对于要实现自动化程度较高的工厂生产线而言这种继电系统却没有PLC系统的结构简单，操作容易，方便快捷等优点，然而将这两种系统相结合却可以实现对工厂电气系统的控制，使之更科学，更简洁，更加具有高速的运行速度，让工厂的自动化成度更高。

PLC与电气控制的特例解析

在许多的工厂之中相信三相异步电动机的运用是必不可少的，对于电力系统相对严密的工厂而言容量小的电动机才允许直接启动，而容量大的电动机在直接启动时其启动电流是其额定电流的4到8倍，所以一般都采用降压启动的方式，即启动时降低加在电动机定子绕组上的电压，启动后再恢复到额定电压下运行。

由于电枢电流和电压成正比所以降低启动电压即可降低启动电流，不至于在启动瞬间造成由于电流大而产生过大的电压降，从而对电网电压造成影响。

降压启动的方法有定子绕组串电阻（或阻抗）、星形-三角形（Y/△）、自耦变压器和使用软启动器等，而最常用的方法就是Y/△降压启动和软启动器。

在工厂中最常用的就是Y/△降压启动，下面介绍的就是Y/△降压启动的方法及原理。

1.当负载对电动机启动力矩无严格要求又要限制电动机启动电流且电机满足380V/Δ接线条件才能采用星三角启动方法；

2.该方法是：

在电机启动时将电机接成星型接线,当电机启动成功后再将电机改接成三角型接线（通过双投开关迅速切换）；

3.因电机启动电流与电源电压成正比,此时电网提供的启动电流只有全电压启动电流的1/3，但启动力矩也只有全电压启动力矩的1/3。

星三角启动，属降压启动他是以牺牲功率为代价来换取降低启动电流来实现的。

所以不能一概而以电机功率的大小来确定是否需采用星三角启动，还的看是什么样的负载，一般在需要启动时负载轻运行时负载重尚可采用星三角启动，一般情况下鼠笼型电机的启动电流是运行电流的5—7倍，而对电网的电压要求一般是正负10%（我记忆中）为了不形成对电网电压过大的冲击所以要采用星三角启动，一般要求在鼠笼型电机的功率超过变压器额定功率的10%时就要采用星三角启动。

只有鼠笼型电机才采用星三角启动。

一家之言,姑且听之.

本人在实际使用过程中,发现需星三角降压启动的电机从11KW开始就有需要的,如风机、在启动时11KW电流在7-9倍（100）A左右,按正常配置的热继电器根本启动不了,（关风门也没用）热继电器配大了又起不了保护电机的作用，所以建议用降压启动。

而在一些启动负荷较小的电机上，由于电机到达恒速时间短，启动时电流冲击影响较小，所以在30KW左右的电机，选用倍额定电流的断路器直接启动，长期工作一点问题都没有。

第二章三相异步电动机基础

三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机由静止的定子和旋转的转子两个重要部分组成，定子和转子之间由气隙分开。

图1-1为三相异步电动机结构示意图。

（a）外形图；（b）内部结构图

图1-1三相异步电动机结构示意图

定子

　　定子由定子铁心、定子绕组、机座和端盖等组成。

机座的主要作用是用来支撑电机各部件，因此应有足够的机械强度和刚度，通常用铸铁制成。

为了减少涡流和磁滞损耗，定子铁心用mm厚涂有绝缘漆的硅钢片叠成，铁心内圆周上有许多均匀分布的槽，槽内嵌放定子绕组，如图1-2所示。

图1-2三相异步电动机的定子

转子

　　转子由转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等组成。

转子铁心也用mm厚硅钢片冲成转子冲片叠成圆柱形，压装在转轴上。

其外围表面冲有凹槽，用以安放转子绕组。

按转子绕组形式不同，可分为绕线式和鼠笼式两种。

三相异步电动机的工作原理

图1-3为三相异步电动机工作原理示意图。

为简单起见，图中用一对磁极来进行分析。

三相定子绕组中通入交流电后，便在空间产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子将作切割磁力线的运动而在其两端产生感应电动势，感应电动势的方向可根据右手螺旋法则来判断。

由于转子本身为一闭合电路，所以在转子绕组中将产生感应电流，称为转子电流，电流方向与电动势的方向一致，即上面流出，下面流进。

图1-3三相异步电动机工作原理图

转子电流在旋转磁场中受到电磁力的作用，其方向可由左手定则来判断，上面的转子导条受到向右的力的作用，下面的转子导条受到向左的力的作用。

电磁力对转子的作用称为电磁转矩。

在电磁转矩的作用下，转子就沿着顺时针方向转动起来，显然转子的转动方向与旋转磁场的转动方向一致。

三相异步电动机的几个工作过程的分析

三相异步电动机的起动

三相异步电动机接通电源，使电机的转子从静止状态到转子以一定速度稳定运行的过程称为电动机的起动过程。

起动方法有直接起动和降压起动两种。

1.直接起动直接起动又称为全压起动，起动时，将电机的额定电压通过刀开关或接触器直接接到电动机的定子绕组上进行起动。

直接起动最简单，不需附加的起动设备，起动时间短。

只要电网容量允许，应尽量采用直接起动。

但这种起动方法起动电流大，一般只允许小功率的三相异步电动机进行直接起动；对大功率的三相异步电动机，应采取降压起动，以限制起动电流。

2.降压起动通过起动设备将电机的额定电压降低后加到电动机的定子绕组上，以限制电机的起动电流，待电机的转速上升到稳定值时，再使定子绕组承受全压，从而使电机在额定电压下稳定运行，这种起动方法称为降压起动。

前面讲过，起动转矩与电源电压的平方成正比，所以当定子端电压下降时，起动转矩大大减小。

这说明降压起动适用于起动转矩要求不高的场合，如果电机必须采用降压起动，则应轻载或空载起动。

常用的降压起动方法有下面三种。

（1）Y-△降压起动这种起动方法适用于电动机正常运行时接法为三角形的三相异步电动机。

电机起动时，定子绕组接成星形，起动完毕后，电动机切换为三角形。

图1-4Y-△降压起动控制线路

　　图1-4是一个Y-△降压起动控制线路，起动时，电源开关QS闭合，控制电路先使得KM2闭合，电机星形起动，定子绕组由于采用了星形结构，其每相绕阻上承受的电压比正常接法时下降了。

当电机转速上升到稳定值时，控制电路再控制KM1闭合，于是定子绕组换成三角形接法，电机开始稳定运行。

定子绕组每相阻抗为|Z|，电源电压为U1，则采用△连接直接起动时的线电流为

采用Y连接降压起动时，每相绕组的线电流为

则

　（1-5）

由式（1-5）可以看出，采用Y-△降压起动时，起动电流比直接起动时下降了1/3。

电磁转矩与电源电压的平方成正比，由于电源电压下降了，所以起动转矩也减小了1/3。

以上分析表明，这种起动方法确实使电动机的起动电流减小了，但起动转矩也下降了，因此，这种起动方法是以牺牲起动转矩来减小起动电流的，只适用于允许轻载或空载起动的场合。

（2）自耦变压器降压起动这种起动方法是指起动时，定子绕组接三相自耦变压器的低压输出端，起动完毕后，切掉自耦变压器并将定子绕组直接接上三相交流电源，使电动机在额定电压下稳定运行。

三相异步电动机的制动

　三相异步电动机脱离电源之后，由于惯性，电动机要经过一定的时间后才会慢慢停下来,但有些生产机械要求能迅速而准确地停车，那么就要求对电动机进行制动控制。

电动机的制动方法可以分为两大类：

机械制动和电气制动。

机械制动一般利用电磁抱闸的方法来实现；电气制动一般有能耗制动、反接制动和回馈发电制动三种方法。

1.能耗制动正常运行时，将QS闭合，电动机接三相交流电源起动运行。

制动时，将QS断开，切断交流电源的连接，并将直流电源引入电机的V、W两相，在电机内部形成固定的磁场。

电动机由于惯性仍然顺时针旋转，则转子绕阻作切割磁力线的运动，依据右手螺旋法则，转子绕组中将产生感应电流。

又根据左手定则可以判断，电动机的转子将受到一个与其运动方向相反的电磁力的作用，由于该力矩与运动方向相反，称为制动力矩，该力矩使得电动机很快停转。

制动过程中，电动机的动能全部转化成电能消耗在转子回路中，会引起电机发热，所以一般需要在制动回路串联一个大电阻，以减小制动电流。

这种制动方法的特点是制动平稳，冲击小，耗能小，但需要直流电源，且制动时间较长，一般多用于起重提升设备及机床等生产机械中。

2.反接制动反接制动是指制动时，改变定子绕组任意两相的相序，使得电动机的旋转磁场换向，反向磁场与原来惯性旋转的转子之间相互作用，产生一个与转子转向相反的电磁转矩，迫使电动机的转速迅速下降，当转速接近零时，切断电机的电源，如图1-6所示。

显然反接制动比能耗制动所用的时间要短。

（a）接线图；（b）原理图

图1-6反接制动示意图

正常运行时，接通KM1，电动机加顺序电源U—V—W起动运行。

需要制动时，接通KM2，从图可以看出，电动机的定子绕组接逆序电源V—U—W，该电源产生一个反向的旋转磁场，由于惯性，电动机仍然顺时针旋转，这时转子感应电流的方向按右手螺旋法则可以判断，再根据左手定则判断转子的受力F。

显然，转子会受到一个与其运动方向相反，而与新旋转磁场方向相同的制动力矩，使得电机的转速迅速降低。

当转速接近零时，应切断反接电源，否则，电动机会反方向起动。

反接制动的优点是制动时间短，操作简单，但反接制动时，由于形成了反向磁场，所以使得转子的相对转速远大于同步转速，转差率大大增大，转子绕组中的感应电流很大，能耗也较大。

为限制电流，一般在制动回路中串入大电阻。

另外，反接制动时，制动转矩较大，会对生产机械造成一定的机械冲击，影响加工精度，通常用于一些频繁正反转且功率小于10kW的小型生产机械中。

3.回馈发电制动回馈发电制动是指电动机转向不变的情况下，由于某种原因，使得电动机的转速大于同步转速，比如在起重机械下放重物、电动机车下坡时，都会出现这种情况，这时重物拖动转子，转速大于同步转速，转子相对于旋转磁场改变运动方向，转子感应电动势及转子电流也反向，于是转子受到制动力矩，使得重物匀速下降。

此过程中电动机将势能转换为电能回馈给电网，所以称为回馈发电制动。

第三章PLC基础

的定义

可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

PLC与继电器控制的区别

1.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