1、 I变频器的设计摘 要 随着电气控制设备的迅猛发，工业生产自动化技术发生了巨大的变化。目前无论是从国外引进的自动生产线，还是自行设计的自动化控制系统，可编程控制器作为控制系统的核心器件。而在现代工业生产中，有一些设备需要根据不同的工作环境，要调节到一个特定的转速。从而对电动机的速度提出了要求，希望能达到一台设备运行时，能根据不同材质的加工产品，实现运行速度的调节，并能稳定运行。为此，利用工控组态软件实现 PLC 与计算机通信的方法，设计了硬件电路，相关梯形图程序及触摸屏显示程序。调试应用表明简单易行，可缩短设计周期，而且系统的兼容性好，可靠性高,实用。 通过该综合设计型试验或课程设计的实践、锻
2、炼可使我们进一步掌握PLC 和变频调速控制系统原理及应用熟练使用触摸屏为将来进行相关设计工作打下基础。 关键词： 变频器；电机；可编程控制器；触摸屏。Design frequency units in order to achieve the purpose of controlling the motorAbstractWith the rapid development of electrical control equipment, industrial automation tremendous changes have taken place. At present, both fr
3、om abroad automated production lines, or self-designed automated control systems, programmable controller as the core of the control system devices. In the modern industrial production, there are some devices according to different needs of the work environment to be adjusted to a specific speed. Th
4、us the speed of the motor requests, hoping to reach a piece of equipment is running, according to the different materials processed products, to achieve the speed of adjustment, and stable operation. For this reason, the use of industrial control configuration software PLC communications and compute
5、r methods, designs the hardware circuit, the relevant ladder program and touch screen display program. Debug application shows simple, can shorten the design cycle, and good system compatibility, high reliability, and practical. Through this type of integrated design practice test or curriculum desi
6、gn, exercise will enable us to further understand the PLC and Frequency Control System Principles and Applications skilled use of the touch screen to lay the foundation for future related design work.Keywords: converter; motor; programmable controller; touch screen.绪 论PLC 应用技术是一门实践性很强的专业课，PLC 可编程控制器
7、技术在当今社会发展异常迅速，各生产厂家也推出了许多强大的新型 PLC、各种特殊模块和通信联网器件，使可编程控制器成为集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置，成为实现工业自动化的一种强有力的工具。PLC 具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强、寿命长等到一系列优点。可编程控制器(PLC)的核心微处理器，通过将计算机技术与传统的继电器控制系统有结合起来，能够实现高度灵活、高可靠性的工业控制。为了进一步提高设备的自动化程度，越来越多的企业将 PLC 技术应用于其工厂设备中。将原有电机控制系统的技术进行改造，引入电机控制系统的数据自动采集、监控以
8、及变频、组态技术完善并改进电机变频调速机构。该系统能对电机转速实现精确控制，实用性强，具有一定的推广价值随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用。变频器传动已成为实现工业自动化的主要手段之一，在各种生产机械和生产线中有着广泛的应用。其中，重要的技术特征是可以充分地与现代网络技术结合，发挥智能控制的优势，实现分布式网络控制系统，这是工业企业自动化的重要发展方向，并已有一些很好的范例。现在，通用变频器在各行各业中的应用，已成为改造传统工业、改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、提高产品质量、改善生产环境、节约能源、推动技术进步的主要技术手段之一，也是国际上更
9、新最快的新技术领域之一。欧姆龙可编程控制器 CP1H-PLC 和 KINGVIEW6.51 组态软件在变频器控制电机系统的应用，通过分析变频器控制电机的特点，给出相应的控制策略及计算法，设计了相应的程序模块。可编程控制器与工控组态软件 WINCC 之间经编程计算机设置通信端子，多点接口网络 MPI 地址传输速率等参数，通过 MPI 端口对可编程控制器进行硬件组态，再将组态下载到 PLC 以确认。所有的控制开关在 WINCC 显示屏的模拟，简化了控制电路，同时节约了 PLC 的输入点。变频试验台可以实现的功能有，可通过变频器的操作按钮控制电机，可通过 PLC 控制变频器达到控制电机的目的，可通过
10、 KINGVIEW6.51 组态软件来实现。目录变频器的设计 .摘 要 .绪论 .11 变频器 .41.1 变频器的基本结构（如图所示） .6图 1 变频器的基本结构 .61.1.1 变频器的主电路 .61.1.2 变频器的控制电路构成 .71.2 变频调速的基本原理 .81.3 变频调速的优点 .82 PLC 可编程控制器 .102.1 PLC 的基本组成及各部分的作用 .102.1.1 PLC 的基本组成 .102.1.2 PLC 各部分的作用 .102.2 A/D 和 D/A 转换概念 .122.2.1 A/D 和 D/A 原理 .122.2.2 模拟量输入输出系统 .122.2.3 输
11、入输出数据的处理 .132.3PLC 的主要特点 .132.4 CP1H 型 PLC： .143 组态软件技术 .153.1 组态软件的构成 .153.2 组态软件的功能特点 .163.3 组态软件的数据处理流程 .184 变频实验台的设计实现 .184.1 变频实验台设计要求分析 .184.1.1 系统结构 .184.2 变频实验台的硬件实现 .194.2.1 变频器容量选择 .194.2.2 变频器的系统功能设 定 .194.2.3 电机的选择： .294.2.4 电机的旋转编码器选择： .294.3.1 变频器控制原理接线图 .304.3.2 变频器的数字操作器对电机的控制的实现 .31
12、4.3.3 操作过程说明： .364.4 PLC 通过变频器控制电机的实现 .384.4.1 电气元件选型 .384.4.2 外围接线图： .40.4.3 PLC 梯形图 .424.4.4 基本原理概述 .464.5 上位机软件实现 .464.5.1 上位机应用软件开发方法 .464.5.2 监控画面的设计 .47总 结 .48致 谢 .49参 考 文 献 .501 变频器 变频器是在保证电机原有性能的情况下,通过改变电机的供电频率和电压的方式,实现电机 转速的调节现代电力电子设备. 它根据电机不同负载可分别实现节能,提高生产效率,提高产品质量,实现自动化,增加设 备使用寿命并使设备小型化等用
13、途。变频器的应用概况我国国内各工矿企业应用变频器还处于起步阶段，只有少数效益好的企业愿意采 变频器，一般的企业并不热衷于使用变频器。主要原因有：资金困难。我国企业步入转轨阶段，大部分效益不好，只能维持简单再生产，对于新建项目，为节省资金，也不采用变频器；性能价格比差。现在质量可靠的变频器均为国外品牌，但价格高，国内产品价格虽然较低，但质量不能让人放心。所以好多企业有以下共识，要么不用，要用就用最好的，这样就提高了变频器的使用门槛，同时延长了投资回收的时间；思想观念问题。一是人们的节能意识不强，在中国相同产品的能耗是发达国家的两倍左右，但许多企业都习以为常；二是部分技术人员思想保守，习惯使用传统
14、的控制方式，尽管故障率较高，但能够自行处理；基于售后服务考虑。变频器硬件出现故障，用户不能自行维修，而供货商不能及时处理，影响生产。在使用中主要会遇到的问题有：1)软故障较多，如电机起动、停止或运行时，出现跳闸、过流、过压和缺相等故障。2)电源污染问题，变频器运行时出现的高次谐波对其他设备有干扰，若进行有效处理，会增加投资。3)硬件故障问题。随着技术不断进步，变频器质量越来越可靠，但还没有完全成熟，特别是大功率变频器，故障率较高。4)售后服务问题。由于变频器应用不够广泛，售后服务网点人员较少，对用户的响应较慢，特别个别进口产品，保修期过后，维修较难。5)技术人员对变频器、可编程序控制器知识掌握
15、不多，部分简单故障不能自行处理。我国变频器应用跟国外差距表现在：6)观念差别。发达国家企业使用变频器 感到习以为常，像日本，用了两年左右时间就全面推开。国内企业的节能意识差，如果有资金，更愿意上新项目，也不愿进行变频改造。7)控制方式差别。国外企业大部分采用“一对一”控制方式，无形中提高了可靠性，而国内大都采用“一控二”或“一控三”等控制方式，虽然节省投资，但降低了可靠1.1 变频器的基本结构（如图所示） 整 流 器 逆 变 器 高 频控 制 电 路运 行 指 令图 1 变频器的基本结构1.1.1 变频器的主电路电力电子开关器件电力半导体器件已经历了已晶闸管为代表的分立器件，亦可关断晶闸管（G
16、TO） ，巨型晶闸管（GTR） ，功率 MOSFET，绝缘栅双极 晶体管（IGBT）为代表的功率集成器件（PID） ，以智能化功率集成电路（SPIC） ，高压功率集成电路（HVIC）为代表的功率集成电路（PIC）的三个发展时期。从晶闸管靠幻想电流过零关断的半空器件发展到PID，PIC 通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。在控制器件的模式上，从电流型控制模式转换成电压型控制模式，不仅大大降低了门极（栅极）的控制功率，而且大大提高了器件的导通和关断的转换速度，从而使器件的工作频率不断提高。在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模式，既而将功率变换电路与触
17、发控制电路，缓冲电路，检测电路的组合在一起的复杂模块。整流电路一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源 。直流中间电路的作用是对整流电路的输出平滑，以保证逆变电路和控制电路能够得到质量较高的直流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其他辅助电路。逆变电路逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。由于逆变
18、器的负载为一步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动还是发电制动状态，变频器功率总不会为 1。因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠之间直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都可任意调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电机的调速控制。 1.1.2 变频器的控制电路构成包括主控电路，信号检测电路，门极驱动电路，外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的好坏决定了变频器的好坏。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能
19、。控制算法随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变频技术新的突破性发展，70 年代后期发展起来的脉宽调制（PWM）技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略。PWM 控制利用了采样控制理论中的一个重要理论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上，其效果基本相同。冲量即窄波脉冲的面积。这里所说的效果相同，指环节的输出响应波形基本相同。根据这个原理，可以用一系列等幅 而不等宽的脉冲来近似正旋波，且脉冲的宽度按正弦规律变化，这种方法称为 SPWM。SPWM 各脉冲的宽度和间隔可以准确地计算出来，按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的 SPWM 波
20、形。但这种计算很繁琐。较为常用的方法是采用调制的方法，即把正弦波作为调制信号，把接收调制的信号作为载波，通过对载波的调制剂即可得到 SPWM 波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度线性关系，且左右对称，当它与正弦波调制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于正弦波幅值得脉冲，这正好符合SPWM 控制的要求。三角载波的频率和正弦调制波的频率之比称为载波比。用生成的SPWM 波控制逆变器开关器件的通断，可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出的电压。正弦旋调制波的频率即是逆变器的输出频率。三角载波的幅值为恒定，因而改变正弦调制的幅值就
21、改变了矩形载波的面积，由此实现输出电压幅值的改变。1.2 变频调速的基本原理当一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。当使三相异步电机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将产生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。交流电动机的转速为：n=60f(1-s)/pf-频率p-极对数s-转差率由转速公式可见，改变三相异步电机电源的频率可以改变旋转磁通势的同
22、步转速。达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调（恒功率调速） ，也可以从基频向下调（恒转矩调速） 。因此变频调速方式比改变极对数 p 和转差率 s 两个参数简单多。1.3 变频调速的优点变频技术是一门综合性的技术，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电器制动，可以对电动机进行高速驱动。电机在带较大负载启动时，会有较大的冲击电流，采用变频器时，可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。完善的保护功能：变频器的保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种
23、故障，并显示故障类别，并立即封锁输出电压。这种功能，不但保护了变频器，还保护了电机不易损坏。1.4 VSV-616G5 变频器的性能介绍VSV-616G5 作为通用变频器适合任何应用场合，在低速下能够实现平稳启动，并且及其精确的运行，它的自动调速功能可使世界各地生产的电动机达到高性能运行。VS616G5 将四种控制方式融为一体，包括磁通矢量和传统的 V/F 控制。VS-616G5 在精密机械及驱动多台电机的任何应用中，都可实现极佳的驱动效果。它是改善品质和提高生产效率特别理想的选择。优点：（1）低速大转矩和全频域平稳加速和减速。 （2）驱动普通电机能达到极佳的控制效果。（3）操作简单灵活。（4
24、）具有扩展功能，即可单机使用，也可联网使用。（5）设计平均无故障时间 250，000 小时。特点：（1）矢量控制使任何类型的负载都可在低速下平稳启动。VS-616G5 具有全频域磁通电流矢量控制的特点。它是根据现代控制理论，采用磁通检测和神经网络控制技术，直接控制电机的转矩。它在低速下即使不采用 PG 反馈，也可提高启动转矩和无故障运行，当增加 PG 控制时，可以实现零速高转矩控制。（2）可靠的力矩控制。VS-616G5 是通过精确的力矩控制功能来控制输出力矩的。万一发生故障时也能无冲击安全运行。（3）宽调速范围的精确控制。VS-616G5 即使在负载变动条件下，也具有全速范围高精度运行的特点
25、。（4）优秀的伺服响应。带 PG 反馈时需要选用 PG 速度控制卡，对负载波动有很强的实用性。2 PLC 可编程控制器 可编程控制器，因为早期主要应用于开关量的控制，因此也称 PLC，即可编程控制器。现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集中的新兴工业控制装置，使计算机技术与工业控制技术相结合的产品。PLC 自问世以来，已经成为最受欢迎的工业控制类产品。它之所以高速发展，除了工业自动化的客观条件外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中的普遍关心的可靠，灵活，安全，方便，经济等问题。2.1 PLC 的基本组成及各部分的作用2.1.1 PLC 的基本组成 PLC 是一种通用的工业控
26、制装置，其组一的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC 可分为整体式和组合式两类。 整体式 PLC 是将中央处理单元（CPU） ，存储器，输入单元，输出单元，电源，通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O 扩展单元 与主机配合使用。主机中 CPU 是 PLC 的核心，I/O 单元是连接 CPU 与现场设备的接口电路，通信接口用于 PLC 与可编程控制器和上位机 等外部设备的连接。 组合式 PLC 将 CPU 单元，输入单元，输出单元，智能 I/O 单元，通信单元等分别做成相应的通信板块或电路板，各板块插入板底上，板块之间通过底板上的总线相互联系。装在 CPU 单元的底板称为 C
27、PU 底板，其它称为扩展底板。CPU 底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过 10m 。 无论哪种结构类型的 PLC，都可以根据需要进行配置与组合。2.1.2 PLC 各部分的作用1 中央处理器（CPU）CPU 在 PLC 中的作用类似于人体的神经中枢，它是 PLC 的运算，控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：（1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。（2）诊断电源，PLC 内部电路的工作状态和编程的语法错误。（3）用扫描的方式接收输入信号，送入 PLC 的数据寄存器保存起来。(4) PLC 进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用
28、户程序中规定的各项操作。(5)将用户程序的执行结果送至输出端子。2 存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下 3 种：()系统程序存储器：和各种计算机一样，PLC 也有其固定的程序，解释程序，它们决定了 PLC 的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器 ROM 或 EPROM。 （2）用户程序存储器: 用户根据控制功能要求而编制的应用程序称用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动，调试，故用户程序存储器多为可随时读写的ROM。由于 PAM 掉电会丢失数据，因此使用 RAM，以免电源
29、掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改变是，可将用户程序写入 EPROM。目前较先进的 PLC（如欧姆公司的 CP1H 型 PLC）采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需要用后备电池保护。（3）工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在 RAM 中，以适应随机存取的要求。在 PLC 的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储 PLC 的开关量输入/输出和定时器。计数器、辅助继电器等内部继电器的 ON/OFF 状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数
