1 绪 论

1.1 PLC 和变频器控制交流电机的调速的发展与现状

随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，电动机的调速已经从继电器控制时代发展到今天的变频器控制调速。且在工业各个领域中得到了极为广泛的应用。在现在的在工业自动化控制系统中，最为常见的是由PLC控制变频器实现电动机调速控制。该方法主要通过程序来控制电动机的变频调速，从而实现了自动控制[1]。

交流调速系统的发展与应用领域直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。在20世纪的大部分年代里，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量 80%的不变速传动则采用交 20 流电动机，这种状况在一段时期内已成为一种举世公认的格局。世纪 70 年代后， 随着大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用，交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美[2]。目前，交流调速技术在工业发达国家已得到广泛应用。美国有 60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了交流调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。而高性能电力、电子器件的应用更是推动了交流调速系统的发展，例如在通用变频器方面，针对中、低压应用领域的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的高开关频率使得高性能的变频器成 为可能，而在以后出现的智能功率模块（IPM） ，更加简化了通用变频器的设计。 此后，交流调速系统主要沿用下述三个方向发展和应用。(1)一般性能的节能调速。 在过去大量的所谓不变速交流传动中，风机、水泵等机械总容量几乎占工业电气 传动总容量的一半，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去交流电机本身不具备调速性能，不得不依赖挡板和阀门来调节送风或供水的流量，许多电能因而白白地浪费掉了。如果把这些设备的控制系统换成交流调速系统，就能节省消耗在挡板和阀门上的能量。根据有关计算统计，由于风机、水泵对调速范围和动态性能的要求都不高，只需要一般的调速性能就已足够，那么换成交流调 速系统以后，每台风机、水泵平均约可节能 20%，这种节能效果是非常可观的。(2)高性能交流调速系统。许多在工艺上就需要调速的生产机械，过去多用直流传动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、

工作可靠、维护方便、转动惯量小、效率高，如果改成交流调速传动，显然能够带来不少的效益[3]。 交流调速系统的国内外研究现状近年来随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展以及现代控制理论和计算机控制技术的应用，交流调速领域发展非常迅速，交流传动技术取得了突破性的进展，获得了许多创造性的成果。自从 70 年代矢量控制技术发展以来，从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题[4]。

1.2 PLC 和变频器控制交流调速的目的

目前，我国的能源消费仅次于美国，位列世界第二，但国民生产总值却排在第八位左右，其中最重要的原因之一就是单位产值能耗太大。我国具有各类风机约780 万台，水泵 4000 万台，空压机 560 万台，这些装置又占去了电机耗电的一半以上。由于这些设备一般均采用恒速驱动，每年造成大量能源浪费。国家在<十一五>规划中指出：坚持开发节约并重、节约优先，按照减量化、再利用、资源化的原则，大力推进节能节水节地节材，加强资源综合利用，完善再生资源回收利用体系，全面推行清洁生产，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的节约型增长方式。实行有利于资源节约的价格和财税政策。强化节约意识，鼓励生产和使用节能节水产品、节能环保型汽车，发展节能省地型建筑，形成健康文明、节约资源的消费模式。我国对交流变频调速技术的研究起步较晚，到上个世纪 90 年代才有产品出现，采用的控制技术几乎都还只是 V/F 控制，调速性能根本无法与国外产品相比。目前在中、低压交流传动中，变频器的使用越来越多，而我国在研究矢量控制系统所需的各种硬件条件已经具备，如已出现的智能化功率器件（IPM），其电压等级、开关频率都有很大的提高；数字化控制元件也已出现单指令周期 10ns 的高速数字信号处理器（DSP）和几乎能完成一个系统功能的专用集成电路。变频调速已成为电动机调速的最新潮流，有其自身的特点和优点，随着交流电动机变频技术的日趋完善和推广应用，特别是在矿用大功率高压设备中的绞车、提升机、通风机、带式输送机等矿用设备上的应用效果则更加明显。对耗电大、生产环境恶劣的煤炭行业推广应用变频技术更具有现实意义。本课题以 PLC 和变频器控制交流调速为研究对象，设计出基于 PLC 和变频器控制交流调速系统的实验装置。本论文的选题不论是从理论上还是从实践上都有十分重要的意义。

2 变频器控制方式的选择

2.1 PROFIBUS 的通讯原理

PROFIBUS 是一种应用较为广泛的现场总线，其总线标准是国际总线标准 ie61158 的重要组成部分。PROFIBUS 具有开放式系统，令牌结构，以互联网（open system interconnection-sio）作为参考模型。有 3 个兼容部分组成部分即 PROFIBUS-DP， PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS。其中 DP 是一种高速低成本通讯，用于设备级控制系统与分散式 i/o 的通讯。采用 rs485 数据接口，传输介质用光纤或双绞电缆，传输波特率从（9.6k～12m）bps，传输距离可以通过 repeter 进行扩展，每个dp网上可以同时配置 122 个从站，是一种功能强大的现场总线。

2.2 变频器的选择

变频器的选择采用变频器传动,电机启动电流小,可以连续调速,最高速度不受电源影响,低速时恒定转矩输出,可以使用笼型电机且一般不需要维修,以下是选择变频器的一般步骤。1.确定负载机械特性确定负载机械特性后,再选择变频器和电机,否则所选电器不能充分发挥性能,如产生大马拉小车或电机过热等现象。(1)恒转矩负载。转速n变化,转矩T基本不变,如输送带、起重机、台车、机床进给、挤压机等。(2)恒功率负载。转速越高,转矩越小,如卷取机、机床主轴、轧机等。(3)风机、泵类负载。转速降低,转矩也变小。2.根据负载特性,选择变频器控制方式常见的变频器控制方式(控制变频器输出电压和频率)有:①电压/频率线性关系,用于同步电机或多台电机并联。②磁通电流控制(FCC),可保持电机处于全磁通状态,降低功耗。③电压/频率平方关系,用于风机、泵类。④免测速机矢量控制,变频器可计算出用于维持所需电机转速的输出电压变化量,该方式提供最优磁通控制和较高转矩。目前变频器均有①控制方式,但不一定有②③④控制方式,因此,要根据已确定的控制方式,选择变频器。

3 变频器与可编程控制器

3.1 变频器原理介绍

（1）变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器主要是由主电路、控制电路组成：a 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。b 控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

（2）我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：

n＝60f (1－s)/p ①

式中 n———异步电动机的转速； f———异步电动机的频率； s———电动机转差率； p———电动机极对数。

由式①可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在 0～50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

3.2 交流电机的运行理论

(1)当三相异步电机接入三相交流电源(各相差120度电角度)时，三相定子绕组 流过三相对称电流产生的三相磁动势并产生旋转磁场，该磁场以同步转速n0沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转。

(2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生 感应电动势并产生感应电流。