交流电机的PLC控制

目 录 第 1 章 交流电机 PLC 控制工艺流程分析 .1 1.1 交流电机 PLC 控制过程描述 .1 1.2 交流电机 PLC 控制过程工艺分析 .1 第 2 章 交流电机 PLC 控制系统总体方案设计 .5 2.1 系统硬件组成 .5 2.2 控制方法分析 .5 第 3 章 交流电机 PLC 控制系统梯形图程序设计.6 3.1 交流电机 PLC 控制系统程序流程图设计 8 3.2 交流电机 PLC 控制系统程序设计思路 .8 3.3 交流电机 PLC 控制系统控制过程. .11 第 4 章 交流电机 PLC 控制系统调试及结果分析 9 4.1 PLC 控制工作过程的细节分析 .9 4.2 交流电机 PLC 控制系统优点 .9 课程设计心得 .10 参考文献 .11 附录 .12 PLC 控制系统课程设计 1 第 1 章 交流电机 PLC 控制工艺流程分析 1.1 交流电机 PLC 控制过程描述 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。本文设计了三相异步电动机的 PLC 控制电路，实现三相 异步电动机的星三角启动、正反转点动、连续、定时等控制，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。 1.2 交流电机 PLC 控制过程工艺分析 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。 由于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 Y-降压起动、 自耦变压器降压起动、延边三角形减压启动、定子串电阻或电抗启动等。 此 PLC 控制系统选用大容量笼型异步电动机，这里用 Y-降压起动。 Y- 降压起动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。 PLC 控制系统课程设计 2 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 1-1 Y-降压起动控制线路 图 1-1 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 （1-1） 由式（1-1 ）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。 PLC 控制系统课程设计 3 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 1-2 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 1-2 反接制动示意图 正常运行时，接通 KM1，电动机加顺序电源 UVW 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 VUW， 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 PLC 控制系统课程设计 4 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 10 kW 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。 PLC 控制系统课程设计 5 第 2 章 交流电机 PLC 控制系统总体方案设计 2.1 系统硬件组成 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 2-1 为三相异步电动机结构示意图。 (a) 外形图； (b) 内部结构图 图 2-1 三相异步电动机结构示意图 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 0.5 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 2-2 三相异步电动机的定子 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 0.5 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。 2.2 控制方法分析 图 2-3 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。 PLC 控制系统课程设计 6 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 2-3 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。 第 3 章 交流电机 PLC 控制系统梯形图程序设计 3.1 交流电机 PLC 控制系统程序流程图设计 1、正反转、连续运行控制部分梯形图 2、星三角启动部分梯形图 PLC 控制系统课程设计 7 3、控制系统总梯形图 PLC 控制系统课程设计 8 PLC 控制系统课程设计 9 PLC 控制系统课程设计 10 PLC 控制系统课程设计 11 图 3-1 控制系统语句表 3.2 交流电机 PLC 控制系统程序设计思路 点动时按下按钮 SB4 或 SB5 使得电机正向或反向点动。 正向启动时按下按钮 SB2，电机星三角启动，然后正向连续运行。同样， 按下按钮 SB3，电机星三角启动，然后反向连续运行。SB2 与 SB3 进行按钮互锁， 保证在不停车的前提下进行正反向的直接切换。 在电机运行过程的任意时刻，按下按钮 SB6，通过时间继电器定时时间延 迟后，电机停车。 3.3 交流电机 PLC 控制系统控制过程 按下按钮 SB2（SB3） ，输入继电器 X002（X003）常开触点闭合，输出 继电器 Y1（Y4）线圈接通并自锁，中间继电器 KA1(KA4)得电吸合，控制接触 器 KM1(KM4)得电吸合。同时 Y1(Y4)的动和触点闭合，输出继电器 Y3 线圈接 通并自锁， 中间继电器 KA3 得电吸合，此时接触器 KM3 得电吸合，同时 Y3 的动和触点闭合，时间继电器 T1 开始计时。电机在定子绕组星型连接下正 (反) PLC 控制系统课程设计 12 向运转启动，到达时间继电器 T1 的设定时间后，输出继电器 Y2 线圈接通并自 锁，中间继电器 KA2 得电吸合，此时接触器 KM2 得电吸合，同时输出继电器 Y2 动断触点断开，输出继电器 Y3 失电，接触器 KM3 失电断开，电机切换到 定子绕组三角形连接实现全压正（反）向运行。 在任意时刻按下按钮 SB6，输入继电器 X006 常开触点闭合，时间继电器 T2 得电开始计时并自锁。到达时间继电器 T2 设定的时间后，T2 的常闭触点断 开，输出继电器 Y1 线圈和输出继电器 Y4 线圈同时失电，电机停止运行。 按下按钮 SB4（SB5） ，输入继电器 X004（X005）常开触点闭合，中间继 电器 M1(M2 线圈接通， M1(M2）的动和触点闭合，输出继电器 Y1（Y4）线 圈接通并自锁，中间继电器 KA1(KA4)得电吸合，控制接触器 KM1(KM4)得电 吸合。松手后按钮 SB4（ SB5）自动复位，由于没有自锁环节，其所控制环节 也相应复位，电机点动运行。 第 4 章 交流电机 PLC 控制系统调试及结果分析 4.1 PLC 控制工作过程的细节分析 1、在电机的连续运行控制中，进行按钮 SB2 和 SB3 的互锁，实现正转和 反转的直接切换，而不需经过中间停车过程。 2、在电机的正反转控制回路中，分别串入中间继电器 KA1 和 KA4 的 常闭触点进行互锁，保证电机的可靠运行。 3、在定时控制回路串入中间继电器 KA1 和 KA4 的常开触点，保证只有在 电机运行的情况下才可以进行定时停车，以免出现误操作，保证电机的可靠运 行。 4、 4.2 交流电机 PLC 控制系统优点 本文设计就对三相异步电动机的正反转控制，星三角起动等系统进行了设 计，还有其它的像制动和调速控制在这里我就不再设计，主电路都是一样的， 就控制电路有一点小差异，使用 PLC 控制三相异步电动机有很多好处的：不易 老化，设备简单，结构合理，便于控制价格便宜等，三相异步电动机要旋转起 来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是要来产生 旋转磁场的。 我们知道，在相电源与相之间是相差 120 度的，三相异步电动机定子中的 三个绕组在空间方位上也相差 120 度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时， 定子绕组就会产生一个旋转磁场。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转 一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化时同步的。旋转磁场的转速为 n=60t/p 式中 f 为电源效率，P 是磁场的磁极对数，n 的单位是：每分钟转数， 根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和使用的电源频率有关，用 PLC 控 PLC 控制系统课程设计 13 制三相异步电动机也需要对电动机的属性和旋转方式有所了解，这样才能控制 好三相异步电动机的方向和特性，不至于使用不当使电动机损坏，电动机的频 率一定要符合要求。 课程设计心得 这次实习是对我们自身所学知识的一次检验和考核，也是对我们动手操作 能力和创新思维能力的一次训练，本次 PLC 控制系统课程设计，培养识图、设 计、安装、调试仪表的能力。 这次的实习让我们增加了自己控制系统设计能力，也让我们在一步步的探 索中培养了解决问题的能力，任何事情只有一步步的探索才能最终发现解决问 题的方法。也学习了组态王软件的使用，用学会了一个专业软件。经过此次课 程设计的学习，使我对 PLC 设计与调试有了更深层次的理解，对 PLC 控制理 论有了更加系统的认识。 通过学习，使我们对三相交流电机的 PLC 控制理论有了初步的系统了解。 这些知识不仅在课堂上有效，对以后的过程控制的学习有很大的指导意义，也 对自己的学习能力是个很大的锻炼。只有把自己所学知识应用于实践，才能够 使我们真正成为切实掌握自动控制原理与 PLC 控制系统的真正人才。 PLC 控制系统课程设计 14 参考文献 1 许顺隆，徐朝阳 .轻松学电机.北京：中国电力出版社，2008 2 曹祥.机床电气控制技术.北京：国防工业出版社，2009.1 3 孙余凯，吴鸣山 .电器控制与 PLC 应用.北京：电子工业出版社，2006.6 4 郭晓波.可编程序控制器教程.北京：北京航空航天大学出版社，2007.9 5 黄净.电气控制与可编程序控制器.北京：机械工业出版社，2009.1 PLC 控制系统课程设计 15 附录 系统硬件选型及参数整定 1、电动机型号及参数 交流异步电机型号为 Y2-180L-6，其具体参数如下： 额定功率 15KW 额定电流 31.6A 转速 970r/min 效率 89.0% 功率因数 0.81 堵转转矩 2.0N.m 堵转电流 7.0A 最大转矩 2.1N.m 2、电机启动时间的计算 一台电动机能否直接启动可根据下列经验公式来判断：起动电流/额定电流3/4+ 车间 变压器容量/电动机额定功率，满足上式可直接启动否则要降压启动，新的电工安全条例则 规定大于十一千瓦的电机要降压启动。 由所选用电机型号及参数可知，此电机应降压启动，采用星三角降压启动的方式。根 据启动时间的经验计算公式容量开方乘以二，积数加四单位秒可得启动时间 Tst=215+4=11.8s 4、隔离开关选型 刀开关起隔离电源作用，有明显的断开点，以保证检修电气设备时的人员安全。普通 的刀开关不能带负荷操作，没有灭弧罩等灭弧装置。根据选用电机额定电压为交流 308V， 在电机的保护电路中选用 HD11-100/38 型隔离开关，其适用于交流 50H 电网中，额定电压 380V,额定电流 100A。 5、熔断器型号及参数 低压熔断器的主要技术参数 （1）额定电压。指熔断器长期工作时和分断后能够承受 的电压。熔断器的额定电压等级有交流 220V、380V 、600V、1140V 等，直流 110V、220V、440V、800V、1000V 、1500V 等。 （2）额定电流: 熔断器额定电流分为 熔体额定电流和载熔体额定电流即熔断器额定电流两部分，熔体的额定电流是指在规定的 工作条件下，长时间通过熔体而熔体不熔断时最大电流值，通常一个额定电流等级的熔断 器可以配用若干个额定电流等级的熔体，但熔体的额定电流不能大于熔断器的额定电流值。 （3）极限分断能力 熔断器在故障条件下能可靠的分断最大短路电流，它是熔断器的主要 技术指标之一。 （4）弧前电流时间特性。 降压起动电动机 熔体额定电流 (1.52)电动机额定电流。根据电机额定电流 31.6A，选 PLC 控制系统课程设计 16 用 RT14-63型熔断器。其额定电压为380V ，熔断体的额定电流选为63A 。 6、热继电器选型及参数 热继电器是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。 大于 3KW 的电机采用三角型接线，因此所选用电机 Y2-180L-6 为三角型接线方式。 对于三角形接线的电动机，应选用带断相保护装置的热继电器。 热继电器的额定电流应大于电动机额定电流。然后根据该额定电流来选择热继电器的 型号。热元件的额定电流应略大于电动机额定电流。当电动机启动电流为其额定电流的 6 倍及启动时间不超过 5S 时，热无件的整定电流调节到等于电动机的额定电流；当电动机 的启动时间较长、拖动冲击性负载或不允许停车时，热元件整定电流调节到电动机额定电 流的 1.11.15 倍。 正泰 JR36 热继电器具有断相保护、温度补偿、自动与手动复位、产品性能稳定可靠。 对于一台 15kW、380V 的电动机，额定电流 31.6A，可使用 JR36-63 28-45A 型热继电器， 考虑过载倍数 1.25,，发热元件整定电流为 273340A ，先按一般情况整定在 33A，若发 现经常提前动作，而电动机温升不高，可将整定电流改至 40A 继续观察；若在 33A 时，电 动机温升高，而热继电器滞后动作，则可改在 27A 观察，以得到最佳的配合。 根据 1.3 倍的额定电流，热继电器电流应选为 41.08A,取 42A。 7、接触器选型及参数 交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。 交流接触器的选用，应根据负荷的类型和工作参数合理选用。 选择交流接触器 种类为 AC3 类，用途是鼠笼型异步电动机的运转和运行中分断。 接触器额定电流是指接触器在长期工作下的最大允许电流，持续时间8h，且安装于 敞开的控制板上，如果冷却条件较差，选用接触器时，接触器的额定电流按负荷额定电流 的 110%120%选取。对于长时间工作的电机，由于其氧化膜没有机会得到清除，使接触 电阻增大，导致触点发热超过允许温升。实际选用时，可将接触器的额定电流减小 30%使 用。 根据过载 1.25 倍选取，接触器额定电流为 40A，此处选用电磁接触器 MC，型号为 LC1D40Q7C 此为三级接触器，交流 380V 控制。 8、断路器选型及参数 断路器的额定电压必须大于或等于线路的工作电压。断路器的额定电流线路的负载电 流。此处选用中型 MCCB（塑壳断路器）断路器，型号为 NSX100N 3P3D TM45D。同样， 根据 1.3 倍的额定电流，断路器电流应选为 41.08A,取 42A。 PLC 控制系统课程设计 17