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变频器调速设计.doc
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变频器调速设计.doc
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摘 要
三相交流异步电动机是工农业中最重要的拖动设备之一,因为其结构简单、维
修容易而得到了广泛的应用,而随着社会进一步的发展,交流电机已经不仅仅局限
于简单的恒速控制,在更多的现代工业生产中,很多设备需要根据不同的工作环境,
要调节到一个特定的转速。从而对三相交流异步电动机的速度提出要求,希望能对
电机运行速度进行调节,并能稳定运行。
电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、
推动技术进步的一种主要手段。三相交流异步电动机变频技术有调速时平滑性好,
效率高;低速时,特性静关率高,相对稳定性好,调速范围大,精度高等特点和优
点。变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用,而且几乎已经扩展到
了工业生产的所有领域,尤其在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中的应用。为了
实 现 在 恶 劣 的 工 作 环 境 中 对 三 相 交 流 异 步 电 动 机 进 行 远 程 控 制 , 引 入 PLC
(Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)控制单元,实现了对变频调速
系统的智能控制,使得该调速系统性能更加优越,满足了现代工业化生产的需要。
本次设计就是基于 PLC 的变频器调速系统,将现在应用最广泛的 PLC 和变频器
综合起来实现电机的正反转,加减速以及快速制动等。
关键词:变频器;PLC;交流电机;调速
ABSTRACT
AC induction motor is one of the most important industrial and agricultural drag
equipment. It has been widely used because of its simple structure and easy maintenance.
With the further development of society, AC motor is not limited to simple constant speed
control, in the more modern industrial production. Many devices need to be adjusted to a
specific speed according to different working environments. For AC motor speed
proposed requirements. The realization of operation speed regulation and stable operation.
AC variable frequency technology is energy saving, a major means to improve the
process to improve product quality and improve the environment, promoting technological
progress. AC motor frequency conversion technology are speed smooth and good, high
efficiency; low speed characteristics, static clearance rate high, relatively good stability,
wide speed range, high precision advantages and characteristics. Variable-frequency Drive
has been widely used not only in traditional electric drive system, and almost has been
extended to all areas of industrial production. Especially in air conditioners, washing
machines, refrigerators and other appliances. In order to achieve the remote control in
poor working conditions in the motor, the introduction of the PLC (Programmable Logic
Controller ) control unit, realize the variable frequency speed regulation system of
intelligent control, makes the speed regulation system performance more superior, meet
the need of modern industrial production.
The design is based on PLC, frequency converter speed control system, PLC and
frequency converter together to achieve the reversing of the motor, acceleration and
deceleration, and rapid braking.
Keywords: Variable-frequency Drive; PLC; AC motor ; speed control
目录
1. 绪论 ....................................................1
1.1. 本设计的背景...................................................................................................................................1
1.1.1. 变频调速的背景与研究意义 ..................................................................................................1
1.1.2. 变频调速技术介绍 ..................................................................................................................1
1.1.3. 变频调速技术发展和现状 ......................................................................................................3
1.2. 本设计的主要内容...........................................................................................................................5
2. 本设计方案的确定 ........................................6
2.1. 变频调速系统...................................................................................................................................6
2.1.1. 三相交流异步电动机 ..............................................................................................................6
2.1.2. 西门子 MM420 变频器 .........................................................................................................10
2.2. 系统功能分析.................................................................................................................................13
2.3. 设计方案的确定.............................................................................................................................14
2.3.1. 变频调速的控制方式及选定 ................................................................................................14
2.3.2. PLC 的选择 ............................................................................................................................14
2.3.3. 变频器的选择 ........................................................................................................................14
2.3.4. 电动机的选择 ........................................................................................................................15
3. 变频调速系统的硬件设计和软件设计 .......................16
3.1. 变频调速系统电路设计.................................................................................................................16
3.2. 变频调速系统的软件设计.............................................................................................................16
3.2.1. 变频调速系统 PLC 程序设计 ...............................................................................................16
3.2.2. MM420 变频器参数设定 ......................................................................................................17
4. 变频器调试系统安装与调试 ...............................19
4.1. 变频器的安装、布线及抗干扰.....................................................................................................19
4.1.1. 变频器的安装 ........................................................................................................................19
4.1.2. 变频器的布线 ........................................................................................................................20
4.1.3. 变频器的抗干扰 ....................................................................................................................21
4.2. 变频器的保护功能及故障处理.....................................................................................................21
4.2.1. 变频器的保护功能 ................................................................................................................21
4.2.2. 变频器的故障分析及处理 ....................................................................................................22
5. 设计总结 ...............................................23
6. 附录 ...................................................24
参考文献....................................................27
1. 绪论
1.1. 本设计的背景
1.1.1. 变频调速的背景与研究意义
我国对交流变频调速技术的研究起步较晚,直到上个世纪 90 年代才有产品出现,
而且采用的控制技术相对单一,主要以 V/F 控制方式为主,而且性能较低,无法满
足动态性能要求和生产节能需求。但随着变频技术的不断发展,交流电动机变频技
术也日趋完善,各种复杂控制技术在变频器技术中逐步应用,使变频器的性能不断
提高,而且应用范围也越来越广。变频器现不但在传统的电力拖动系统中得到了广
泛的应用,而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域,尤其在空调、洗衣机、电
冰箱等家电产品中的应用。
目前,变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一,采用变
频器构成变频调速传动系统的主要目的,一是为了满足提高劳动生产率、改善产品
质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求;二是为了节约
能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变
频器。
1.1.2. 变频调速技术介绍
随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展,三相交流异步电动机的调速已
经从继电器控制时代发展到今天的由变频器控制调速,且在工业各个领域中得到了
极为广泛的应用,而在现在的工业自动化控制系统中,最为常见的是 PLC 控制,PLC
是可编程控制器的简称,PLC 技术是在继电接触器控制和计算机基础上开发的工业
自动控制装置。由于它可以通过软件来改变控制过程,且编程较为简单,所以目前
PLC 在工业控制中占据了主导地位,得到了非常广泛的应用。
交流调速系统具备宽的调速范围,高的稳速范围,高的稳速精度,快的动态响
应功率等特点。随着半导体器件的不断进步,尤其是新型可关断器件,如 BJT(双
极型晶体管)、MOSFET(金属氧化硅场效应管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的
实用化,使得开关高频化的 PWM 技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、
大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。典型的电力电子变频装置有电压型交-
直-交变频器、电流型交-直-交变频器和交-交变频器三种。电流型交-直-交变频器的
中间直流环节采用大电感作储能元件,无功功率将由大电感来缓冲,它的一个突出
优点是当三相异步电动机处于制动(发电)状态时,只需改变网侧可控整流器的输
出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网,构成的调速系
统具有四象限运行能力,可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合,
在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。电压型交-直-交变频器的中间直流环节采
用大电容作储能元件,无功功率将由大电容来缓冲。对于负载电动机而言,电压型
变频器相当于一个交流电压源,在不超过容量限度的情况下,可以驱动多台电动机
并联运行。电压型 PWM 变频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位。但电压
型变频器的缺点在于三相交流异步电动机处于制动(发电)状态时,回馈到直流侧
的再生电能难以回馈给交流电网,要实现这部分能量的回馈,网侧不能采用不可控
的二极管整流器或一般的可控整流器,必须采用可逆变流器,如采用两套可控整流
器反并联、采用 PWM 控制方式的自换相变流器(“斩控式整流器”或 “PWM 整流
器”)。网侧变流器采用 PWM 控制的变频器称为“双 PWM 控制变频器”,这种再生
能量回馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调,输入电流(网侧电流)波形
基本为正弦,功率因数保持为 1 并且能量可以双向流动的特点,代表一个新的技术
发展动向,但成本问题限制了它的发展速度。通常的交-交变频器都有输入谐波电流
大、输入功率因数低的缺点,只能用于低速(低频)大容量调速传动。为此,矩阵
式交-交变频器应运而生。矩阵式交-交变频器功率密度大,而且没中间直流环节,省
去了笨重而昂贵的储能元件,为实现输入功率因数为 1、输入电流为正弦和四象限运
行开辟了新的途径。
随着电压型 PWM 变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛,PWM 技术
的研究越来越深入。PWM 利用功率半导体器件的高频开通和关断,把直流电压变成
按一定宽度规律变化的电压脉冲序列,以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。
PWM 技术可分为三大类:正弦 PWM、优化 PWM 及随机 PWM。正弦 PWM 包括以
电压、电流和磁通的正弦为目标的各种 PWM 方案。正弦 PWM 一般随着功率器件开
关频率的提高会得到很好的性能,因此在中小功率交流传动系统中被广泛采用。但
对于大容量的电力变换装置来说,太高的开关频率会导致大的开关损耗,而且大功
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