电机变频调速系统设计

摘要： 随着电力电子技术与控制技术的不断发展，交流变频调速取代直流调速在工业拖动领域得到了广泛的应用；可编程控制器（PLC）功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制；组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，可以在PC机上开发出友好人机界面，实现对现场设备的远程监控。本文以三相异步电机为控制对象，结合PLC、变频器及组态软件技术开发设计了对电机变频调速的多种控制方式的试验系统。主要内容包括：简要介绍了变频器的构造、PLC的组成及各部分的功能、组态软件的构成及功能特点；分析了松下PLC与上位机的链接、深入理解了PLC的工作原理、异步电机变频调速的原理及变频器的调速原理；开发设计了对电机变频调速的八段速控制、基于PID调节的无级调速控制、基于模糊控制的无级调速三种控制方式，给出了控制方案，编写了PLC控制梯形图程序，设计了硬件连线，构建了人机监控界面。通过该试验系统的设计，可以使学生加深对异步电机变频调速的理解；进一步掌握PLC的应用技术；能够熟练进行PLC的编程；正确的建立PLC与上位机的通讯及PLC与变频器的连接；熟练使用组态软件构建人机监控界面，从而能对PLC控制技术有更加深入的理解，对远程监控有更加清楚、直观的认识。[1]

关键词：变频调速，PLC，组态软件,变频器

1. 研究目的及意义

随着大功率电力电子器件和微控制器及其控制技术的发展，结合交流电动机的交流变频调速技术越来越显示出其全面的竞争优势，它以体积小、重量轻、精度高、通用性强、工艺先进、功能丰富、保护齐全、操作方便等优点，优于以往的多种调速方式，如变极调速、调压调速、滑差调速、串级调速、液力耦合器调速等，因此，变频器的发展十分迅速.在工业领域中的应用日益广泛。[2]随着变频器的成本日趋降低，利用变频器驱动交流电动机所构成的调速系统，将越来越发挥出巨大的作用。利用变频器实现调速运行，在风机、水泵等机械设备运行过程中，节能效果最为明显。随着我国近年来“节能减排”战略的实施，相信交流变频技术在以后的项目中会得到越来越多的应用。[3]

原有的变频器调速系统多以单片机或继电器等组成控制系统，存在着寿命短、系统故障率高等缺点。针对这些问题工程上急需一种能够把计算机的简单功能以及灵活、通用性等优点集一体的装置。[4]当前PLC已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心装置。它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，在恶劣环境下长时间、不间断的运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接。因此基于 PLC 的变频调速系统具有广泛的应用前景。[5]

1. 国内外研究概况

从 20 世纪 30 年代开始，我国科学家就发现了交流调速技术对与工业发展的重要性，开始致力于对交流调速技术的研究，这也就是变频技术的初步发展阶段。20 世纪 60 年代以后，我国的电力电子技术、微电子技术和控制技术都在不断向前发展，这也就给了变频技术很大的发展空间和机会。到目前为止，变频技术的应用已经相当广泛了。[6]

当前交流调速技术研究和讨论的热点是变频器矢量控制和直接转矩控制技术，二者都是在交流异步电动机高性能变频调速装置中得到广泛应用的两种控制方案，并且都已经普遍应用到实际的变频器产品中，实际中共同存在两方面的讨论研究。针对这些交流调速系统需要进行复杂的控制任务，世界上各大公司推出了针对电机控制的PLC，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，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等优点。长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，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求。

虽然我国的 PLC 控制的变频调速技术已经发展十分迅速了，但所需的 PLC、变频器还主要受控于国外产品，使国产的 PLC、变频器占国内市场的份额仍然不大，原因之一就是国产在质量上还得不到国人的信任。[7]人们买东西往往追求的质量可靠、安全性能佳的产品。国产在技术上就显得要简单些，而且工艺不够好，品质上也难以保证。尤其变频器所需的半导体功率器件，在这一领域，我国技术相对外国成熟技术相差甚远。所以说，我国基于 PLC 控制的变频技术还有很大发展的空间，还可以更上一层楼，而且在现在的市场背景下，我国的国产的变频器还需更加进步。[8]

基础工业和各种制造业的高速发展,变频器相关配套件社会化、专业化生产。在应用方面,在一些发达国家中,变频调速技术广泛应用在国民经济的各个领域。可以这么说,凡是有调速要求的场合,几乎都采用了变频调速技术,这包括在一些基础研究性的领域。例如,德国的公司采用了公司采用直接转矩控制技术生产的变频器,为其压气机和风洞试验台提供动力,取得了较好的效果。[9]