電動機智能軟啟動控制系統(tǒng)設計

第2章電動機的啟動2.1電動機啟動的發(fā)展自從電動機被發(fā)明到今，由于電子和控制方面的技術的快速研發(fā)，交流電動機在人們的生活中普及，同時在伴著電動機的普及，電動機的維護保養(yǎng)也更加受到人們的關注。然而，電動機在直接起動的情況下電流達到了正常啟動時標準的四到七倍。沖擊電流太大就會導致電動機減少它的的使用時間，會降低電網中的二次電壓，也會降低電動機起動時的轉矩，以至于有時會導致電動機不啟動，沖擊電流會造成電網中電壓的波動,影響在供電網絡的設備。因此，對于電機的啟動，國家有關部門頒布了這樣的規(guī)定：電動機起動時電網電壓不能超過15%。為此，從經濟角度來看，人們設計了各種啟動方式來減小電動機的起動電流。例如定子串電阻，Y-三角轉換，自耦降壓。電動機應用在工業(yè)、農業(yè)和交通運輸業(yè)上，完成了電能轉換為動能的重要步驟，是十分重要的設備。電動機廣泛應用在工業(yè)生產上。電動機被當作一種主要的動力裝置，因其構造簡潔、所占空間小、價格低、便于維修、容易制造而被在工業(yè)生產中的應用得到普及。當需要交流電動機啟動時，直接起動以及降壓起動是人們經常使用到的啟動方式。一直以來，電動機普遍的啟動方式為直接啟動，在人們的生產和生活中的應用是十分普遍的?？墒遣坏貌徽f，直接啟動的方式所具有的弊端被人們漸漸發(fā)現。最近幾年里，變頻技術和軟起動技術的發(fā)展越來越快，越來越成熟，使得變頻起動和軟啟動方式在電動機的啟動上的到了普及，從基礎上解決了電機起動電流大、降低電網的二次電壓的問題。2.2定子串電阻降壓啟動這種啟動方式是在定子和電源之間加入了一個電阻，通過串聯(lián)電阻能夠分去一部分電壓的原理，合理的減小了加載在定子繞組上的電壓值，電動機的實際轉速不斷加快，等到達到額定轉速的那一刻，從電路中切除電阻，從而達到了降低起動電流的目的，也保障了了電壓為在額定電壓時，電動機能夠正常工作，達到要求。從人們使用定子串電阻降壓啟動交流電動機的經驗中，我們可以的發(fā)現這種方法的主要弊端有：（1）串聯(lián)電阻小，會傳遞較大電流。所以啟動過程會消耗大量的動力；（2）啟動轉矩會因啟動電流而降低；（3）使用成本高。所以這種起動方法經常用于電機不頻繁起動。2.3Y-△轉換啟動Y-△轉換啟動：電動機啟動時的接線的為Y（星接），在這個過程中電動機的轉速會慢慢升高，等到升高到額定轉速后，將其改為△（角接）。具體而言，電動機的Y-△接轉換，就是啟動前為Y（星接），啟動后改為△（角接）。當電動機是采用這種方式啟動的時候，加載在定子繞組上的電壓值是50%的總電源電壓，并且這時的起動電流也是很小的，只有直接啟動是產生的電流的30%，從而保障其的起動轉矩非常小，沖擊電流對電網造成的影響也較小，允許更多的啟動次數。Y-△啟動模式消除了額外的設備，所以這種方式更多的應用在小型電機頻繁啟動上。Y-△起動方法的主要優(yōu)點是：（1）結構較為簡單；（2）造價低；（3）大大的減少了在啟動過程中電流對電網的沖擊力。主要缺點是：啟動力矩為正常啟動力矩的30%。所以

當電動機滿足電壓為額定電壓、三角形接線方式的條件、要求啟動電流能夠被限制并且不嚴歷的去要求啟動力矩的大小，電動機在運行時，定子繞組的接線方式為三角形接線、電動機的容量為7.5KW以上時才可以采用星三角啟動方法。電動機的星接與角接方法如圖2-1所示圖2-1星接（左）與角接（右）2.4自耦降壓啟動自耦降壓啟動的啟動過程為：電機定子繞組上加載的啟動電壓被自耦變壓器降低，直到電動機啟動成功，電動機和變壓器就會分離開，而后在加載電壓為額定電壓的條件下，能夠正常運行電動機，這時電動機就啟動成功了。自耦降壓啟動在人們使用的過程中，被發(fā)現的主要優(yōu)點有：可以根據起動電流的被允許條件以及我們所設置的啟動扭矩來連接變壓器側的不同的接線口，在實際應用電動機時，無論定子繞組采用的是星形接法還是三角形接法都能夠正常使用。缺點為：（1）構造簡單。（2）所占空間大。（3）造價高。（4）操作復雜，不能夠頻繁操作。由于自耦降壓啟動的方法在應用時，能夠依照目的對啟動電流進行調整，從而導致力矩在啟動的時候會非常大，所以重負載在啟動時，啟動大型的機械時使用自耦降壓啟動比較合適。2.5軟啟動器的工作原理及作用2.5.1軟啟動器原理軟啟動器的內部實際上就是一個三相反并聯(lián)的晶閘管，三相反并聯(lián)晶閘管可以被看做為一個調壓器，把它串接到電源和定子中間的電路中。當電動機啟動時，電動機的轉速會漸漸的加快，加載在電動機上的實際電壓會慢慢升高，待加載電壓為額定電壓時，從電動機的機械特性上來講，就會完成軟啟動，啟動電流也就相應的減小了。當電動機的轉速慢慢升高，等到達到額定轉速后，第一步驟的啟動結束，接下來軟啟動器會發(fā)出命令，這時旁路接觸器也就會導通，并且晶閘管也會斷開，這時加載在電動機上的就是額定電壓了，而且也正常運轉了，此為第二步驟。軟啟動器的原理如圖2-2所示：圖2-2軟啟動器原理圖目前市場上的軟啟動器都是利用三相反并聯(lián)晶閘管來實現電動機的啟動。晶體閘流管的簡稱為晶閘管，還被人們稱為硅可控整流器。PNPN的構造為四層的半導體結構，由一個陽極，一個陰極，一個門三構造而成；電流的流向是從陽極到陰極，因此它能夠工作在大電流、高電壓的環(huán)境中，并且還可以控制它的工作過程。2.5.2軟啟動器的控制功能將軟啟動器連接在電源和要啟動的電機中間，晶閘管導通角由小到大，使加載在電動機上的電壓慢慢升高，等到啟動完成后，加載在電動機上的電壓為額定電壓，這就完成了軟啟動，在整個啟動流程當中，起動轉矩會慢慢的增大，速度也會加快。以下是常見的幾種軟啟方式。

第3章變頻器3.1變頻器概述微電子技術和變頻技術是變頻器的中心技術，經過改變變頻器輸出端的頻率，也就是改變電動機的輸入頻率，完成控制異步電動機的啟動和工作目的的設備。變頻器把工業(yè)用電的頻率轉換成了我們所需要頻率，從而可以完成對電機的速度的控制的目的，也就是對電動機進行調速。變頻器是一種軟啟動，電壓頻率以特定的百分比的穩(wěn)定上升的啟動模式，轉差功率的變化在整個過程中不會發(fā)生，對電機的平穩(wěn)啟動非常有利，從而實現了電動機的啟動消除了電動機在啟動時電流對電網影響，進而消除了啟動時電源的損耗，并且電動機的啟動速度也是可以被控制的?？刂谱冾l器啟動的核心技術是一個綜合性的技術，電力電子技術，自動控制技術，計算機技術這三項技術是它的基礎，通過運用在直流電動機的上慢慢的開展、研發(fā)出來的；正反轉等因素對直流電機的限制，從而高速旋轉的功能不能實現，但對異步電動機的應用上，上述限制根本不存在，可以以非常高的速度運行。變頻器在對于電動機的控制上，電動機正反轉轉換是非常容易實現的，變頻器內部有變頻逆變管，只需要改變將它閉合和斷開順序改變，轉換可以實現，因為錯誤的換向使電動機燒毀的問題并不會存在。這樣，變頻器可以更方便實現啟動和停止。直流制動的功能使得變頻器適用于各種環(huán)境。3.2變頻器的基本構造變頻器的基本構造圖如3-1所示。供電網電源交流電整流電路直流中間電路逆變電路交流電供電網電源交流電整流電路直流中間電路逆變電路交流電電壓和頻率可調控制電路3.3變頻器與軟啟動器的比較變頻器與軟起動器兩者之間的區(qū)別主要是指：軟啟動器用作為電壓調節(jié)器，啟動電機時，輸出電壓變化，輸出頻率不變；但是，變頻器不僅僅會使電壓發(fā)生改變，而且還會使頻率發(fā)生改變，需要改變速度的環(huán)境才會用到的變頻器。軟啟動器的所有功能變頻器都具有，但它比軟啟動器的價格更加昂貴，有比軟啟動器更加復雜結構。關于變頻器本身所擁有的功能來說，可以考慮它是一個會改變輸出電壓和輸出頻率的交流電源，變頻器能夠給更多的電動機同時提供電源，電機的功率因數也不會影響電源的功率因數，脈沖電流小，節(jié)能效果非常明顯，節(jié)電效率使平常耗電功率的百分之二十到百分之六十之間，雖然早期設備的購買成本高，但節(jié)能效果是很明顯。而高性能變頻器的外部接口功能非常豐富，可以將其應用在自動控制系統(tǒng)中，作為組成部分中的一個硬件設備，更加方便的使我們設計出一個自動化控制系統(tǒng)。3.4變頻器的特點（1）無極調速：電動機速度在平穩(wěn)連續(xù)的過程中，可以使電機在整個速度調節(jié)范圍內穩(wěn)定運行使調速的準確度大大提高。（2）啟動平穩(wěn)，軟啟動時，啟動時的產生的沖擊電流被有效降低，起動時需要很低的功率，電力線路中產生的電壓波動被大大降低，電機啟動時更加的俺去。（3）擁有多個信號輸入與輸出的端口，可以接收和發(fā)送模擬信號、數字信號以及電流、電壓信號，可以將其非常便捷的接入到通訊網絡系統(tǒng)里，可以對生產過程中的自動化完成控制時的命令輸出。（4）電機正反轉的轉換不需要通過外部接觸器來切換。（5）為了使工作效率顯著提升，在機械設備允許頻率改變的情況下，可以使變頻器的輸出頻率改變。

第4章可編程控制器4.1PLC的概述PLC是作為數字計算操作電子系統(tǒng)的控制核心的二次微處理器，專門設計其用于工業(yè)領域，可編程的存儲器被使用在其內部存儲器中，以執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時/計數和算術運算等指令，輸入輸出接口為數字或模擬，從而控制各種生產過程或者各類的機械。計算機技術和傳統(tǒng)繼電器觸點控制技術的結合衍生了PLC，擁有接線簡單、可靠性高、功耗低、通用性和靈活性強的優(yōu)點，微處理器得到了充分的利用，電氣設備操作和維護人員得到了照顧，尤其是PLC的編程，不用去學習計算機編程語言里的專門知識，而是使用一套簡單的梯形圖為指令，用戶程序形象，直觀，方便，易學;尋找錯誤調試和也非常方便。4.2PLC的基本構成通常在一個PLC中，CPU模塊是它的“大腦”，電源模塊是它的“血液”，I/O模塊是它手臂，這樣它就成為了一個系統(tǒng)的智能處理中心。可編程控制器有著以下優(yōu)點：便于人們安裝，占有空間小，能耗低還能夠診斷整個系統(tǒng)中的故障，能夠在其他項目中多次使用。現如今，雖然PLC的各項功能，如運行速速度、數據通信、數據處理能力都被大幅度的優(yōu)化，但是PLC還是堅持了容易操作的初衷。結構如圖4-1所示：圖4-1PLC結構圖4.3PLC的編程與調試PLC的制造商和規(guī)格是多種多樣的，各種不同的PLC各成體系，各自使用不同的編程語言和方法，但編程的過程和模式是一樣的，編程和調試步驟為：(1)I/O接線圖的設計，根據輸入條件和程序運行后的實際狀況，以及現場生產的要求，設計PLC與其他組件的接線圖，是現場接線和PLC程序設計的基礎。(2)書寫PLC的程序梯形圖以及指令表，按照現場生產工藝的要求,使用編程軟件，將生產過程書寫為PLC梯形圖，并將梯形圖轉換為指令語句表(3)程序編寫和在線調試，用數據下載線連接電腦和PLC，執(zhí)將程序下載到PLC中，并執(zhí)行程序。PLC輸入連接信號，輸出連接組件，開始調試。4.4PLC的工作過程給PLC通電，系統(tǒng)以固定的方式對輸入的程序進行查錯，一遍又一遍的對任務掃描，從而將結果輸出。這就是依次掃描的過程。（1）恢復初值，。給PLC通電，先將系統(tǒng)恢復出廠值，將內部的所有元件復位。（2）CPU檢測。PLC每次掃描錢都會對供電端、PLC電路系統(tǒng)、程序是否有錯這些方面實行檢測。保證系統(tǒng)能夠完成任務。（3）通訊檢測。對每個與PLC有通訊連接的設備進行模擬通訊，保證通訊正常。（4）接收外部設備信息。PLC在每次掃描前接收其他設備的信息，人們從而對數據進行檢測、更改。實現數據更新。（5）執(zhí)行程序。PLC運行時，每次掃描完畢都會輸出結果。（6）刷新。PLC運行時，每次掃描都會解決輸入和輸出的問題。把輸入信號和輸出結果，通過掃描輸入到映像區(qū)中，最后將命令發(fā)給機械設備。PLC停機后，結束意思過程。PLC的內部工作過程如圖4-2所示圖4-2PLC內部工作過程圖

第5章設備選型5.1電動機的選擇與參數本次設計所采用的水泵為ISG/IRG80-160-7.5KW管道泵，參數如表5-1所示：表5-1電動機參數表額定電壓功率工作溫度流量頻率380V7.5KW80℃50m3/h50Hz5.2PLC選型及參數根據客戶要求選擇永宏FBs-20MA型可編程控制器，其參數如表5-2所示：表5-2PLC參數表工作電壓輸入點數輸出點數220V128詳細介紹：24VDC輸入點12點（2點高速100KHz，4點中速20KHz，6點中速總和5KHz）；8點繼電器或晶體管輸出（2點高速100KHz，6點中速20KHz）;一個RS232通訊端口。本次設計需要用到8個輸入點，6個輸出點，以及通訊端。5.3變頻器的選型及參數根據客戶要求選擇安弗森Z2400-7R5P型變頻器，其規(guī)格如表5-3所示：表5-3變頻器參數表額定電壓輸出功率輸入電流輸出電流適用電機380V7.5KW20.0A17.0A7.5KW以下詳細介紹：選擇安弗森Z2400-7R5P變頻器。安弗森Z2400-7R5P是一套用來對三相交流電動機啟停和速度控制的變頻器。在各種啟停及變速傳動中應用，不僅具有模塊化的設計，而且是理想的成本優(yōu)化的解決方案。由微處理器控制的變頻器系列，以及功率輸出裝置使用現代先進技術的絕緣柵雙極晶體管。所以，它具有可靠的操作性和多樣的功能性。當變頻器在使用時。根據電機的參數、系統(tǒng)功能要求和操作特點，系統(tǒng)設置有關的變頻器參數。變頻器的基本接線圖如圖5-1所示：圖5-1變頻器基本接線圖5.4其他元器件在本次設計中用到的其他元器件如表5-4所示：

表5-4元器件參數表器件名稱型號規(guī)格參數數量斷路器DZ47-604PD25D25A4PACU380V1DZ47-603PD16D16A3PACU=380V2DZ47-601PC10C10A1PACU=220V2開關電源HS-100-24ACU=220V1按鈕NP2-BS542急停常閉DCU=24V1NP2-BA31綠色常開DCU=24V4NP2-BA42紅色常閉DCU=24V2指示燈ND16-22DS/2紅色DCU=24V1ND16-22DS/2綠色DCU=24V2浮漂開關DCU=24V1電壓表42L6-450VAC=450V15.5變頻器拖動多臺電機方案對于變頻器控制多臺的電動機，現有以下兩種方法。第一個是一臺變頻器連接任意臺數的的電動機，實現對多臺電動機的拖動，用一臺PLC去控制多臺變頻器。如今隨著對變頻技術的深入研究，變頻器的功能已經十分豐富，市場上的變頻器大多數類型都帶動兩個或者更多的電動機，這樣就里一臺變頻器控制多臺電機的任務。此種控制方法僅僅用了一臺變頻器，花費低，另外的硬件使用的就少了，從而對設計的投入減少，設備的利用率同時得到了提升，潛在的功能被充分利用。然而，這種方式只適用于電機相對較少，電機配置集中的控制系統(tǒng)中。第二個是使用對應數量變頻器控制電動機，然后使用多臺變頻器采用PLC控制多臺變頻器，這樣來完成推動多臺電機的任務。通此種方法種運用了較多的變頻器，比第一種方法的花費高，應該用在使用電機數量較多的生產環(huán)境中。電動機的控制系統(tǒng)由PLC和變頻器構成，不僅僅能夠對設備進行自動化管理和監(jiān)控操作，使系統(tǒng)更加的可靠安全，同時也使生產的效率以及帶來的經濟效益大大上升。在本次設計任務中，我們使用一臺PLC去控制兩臺變頻器，再用變頻器各自控制一臺電動機，完成了一備一用的要求。

第6章系統(tǒng)設計方案6.1PLC程序編寫6.1.1程序編寫思路在水箱中安裝一個浮漂開關，并串聯(lián)一個指示燈，對水位進行監(jiān)控，在水位下降到一定程度時使水泵停機，防止水泵空轉，并且指示燈亮，進行報警；每臺水泵啟動與停止水泵各對應一個按鈕，按鈕為一個常開一個常閉，常開用于啟動，常閉用于停機，串聯(lián)一個指示燈，對水泵的狀態(tài)進行監(jiān)視；有一個急停按鈕，用于緊急情況時停機，不論那臺水泵運行，都能夠使其停止；有兩個按鈕，可以分別在變頻器報警后對其進行復位。6.1.2程序梯形圖本次設計控制系統(tǒng)中PLC的程序如圖6-1所示：圖6-1PLC程序6.2控制系統(tǒng)I/O點與功能控制系統(tǒng)中的I/O點與功能如表6-1所示：

表6-1I/O點與功能輸入端輸出端地址元件功能地址功能X0浮漂開關無水停止Y01號變頻器（水泵）啟動X1SB11號水泵啟動按鈕Y12號變頻器（水泵）啟動X2SB21號水泵停止按鈕Y21號變頻器報警復位X3SB32號水泵啟動按鈕Y32號變頻器報警復位X4SB42號水泵停止按鈕C0變頻器GND端及0VX5SB51號變頻器報警清除按鈕C10VX6SB62號變頻器報警清除按鈕RS+變頻器RS+X7SB0急停按鈕RS-變頻器RS-6.3系統(tǒng)功能簡介X0處接一個浮漂開關，水量充足時浮漂開關為斷開狀態(tài)，當水量不足時浮漂開關閉合，使電動機停止，可以防止電動機在空載狀態(tài)下運行；按下一號水泵啟動按鈕SB1，PLC給變頻器一個電子信號，使變頻器啟動，也就是使一號水泵實現軟啟動；按下一號水泵停止按鈕SB2，PLC斷開給變頻器的電子信號，從而變頻器停止運行，使二號水泵軟停機；當系統(tǒng)檢測到水泵或系統(tǒng)故障時，發(fā)出報警信號，并停止水泵的運行，在消除故障后，按下一號變頻器報警清除按鈕SB5，將一號變頻器復位；二號水泵的操作同一號水泵；如發(fā)生緊急情況，只需按下急停按鈕SB0就可使系統(tǒng)停止運行。RS+和RS-是實現變頻器與PLC之間的通訊。6.4PLC端子接線圖PLC端子接線圖如圖6-2所示：圖6-2PLC端子接線圖6.5變頻器參數設置變頻器參數設置如表6-2所示：表6-2變頻器參數設置功能代號設置參數值功能P0.011無速度傳感器矢量控制P0.021端子命令通道6.6系統(tǒng)電路圖及控制流程圖6.6.1系統(tǒng)電路圖系統(tǒng)電路圖如圖6-3所示圖6-3系統(tǒng)電路圖6.6.2控制流程圖控制流程圖如圖6-4所示.按鈕按鈕PLC1號變頻器2號變頻器M1M2圖6-4控制流程圖

總結機械設備重要組成部分為電氣控制系統(tǒng)，它對機械設備發(fā)出命令，就相當于人類的大腦，其他的機械設備就相當于人類的身軀和四肢。因此，電氣控制系統(tǒng)很大程度上的決定了機械設備的好壞。由于異步電動機選擇了變頻器的作為起動裝置，軟起動器的功能變頻器全部具有，因此在設計中，只需要考慮PLC怎樣去控制變頻器，以及變頻器的設定參數是什么就可以?？删幊踢壿嬁刂破?PLC)作為三相異步電動機的控制系統(tǒng)的核心元件，對電動機的控制通過PLC的模擬輸出實現?？傊?，想要設計出一個好的電動機控制程序，我們首先要寫一個好的PLC程序，然后選擇與之相匹配的機械設備和元器件，通過PLC與這些器件的共同運行才能夠實現我們所需要的生產過程，實現自動化。