电动机智能软起动控制系统的研究与设计PLC格式.docx

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电动机智能软起动控制系统的研究与设计PLC格式

毕业设计论文

题目电动机智能软起动控制系统的研究与设计（PLC）

电动机智能软起动控制系统的研究与设计

摘要：

本文阐述了PLC技术在大中型异步电动机软起动自动控制中的应用及其优越性，并给出了具体的实施办法。

即采用PLC来对以串联在笼型电机的转子回路中的电压调节式可漏电抗、A/D、D/A转换模块、电力电子装置、PID调节等共同组成的一套起动系统加以控制，大致原理即电机起动时由于串联了可调电抗，起动电流较小。

起动过程中通过PLC调节装置调节可调电抗的控制电压，使之电抗逐渐减小至零，电机由起动状态平稳过渡到正常运行状态再将可调电抗旁路后退出运行，电机起动过程完成。

此外，本文针对目前在变频器输出切换问题上存在的情况，试图从技术和经济实用的角度出发，对变频器的同步切换问题进行了分析和探讨。

关键词：

可编程序控制器（PLC）；电动机；软起动；变频器；同步切换

Anelectricmotorissofttostart

theresearchandthedesignofcontrolthesystem

Abstract:

Thistextintroducedanelectricmotorofbigandmedium-sizeddifferencesofttheconceptandthemovementprinciplesthatstart,elaboratedtheprogrammableprefacecontroller（PLC）techniqueinanelectricmotorofbigandmedium-sizeddifferencesoftlystartautomaticcontrolofapplicationanditssuperiority,andgiveconcreteimplementway.AdoptthePLCnamelytoturninanelectricalengineeringofcagebyestablishtheelectricvoltageinthesub-backtrackregulatetypecantheelectricleakage,A/D,theD/Aconversionmoldpiece,theelectricpowerelectronicsequip,thePIDregulatesetc.toconstitutetogetherasetoftostartthesystemtocarryoutthecontroltocarryonsoftstart,thusattainthepurposeofprotecttheelectricmotor.Mostlyprinciplenamelytheelectricalengineeringstartbecauseofestablishingtheadjustableelectricity,startingtheelectriccurrentsmaller.Starttoregulatetoequiptoregulatethecontrolelectricvoltageoftheadjustableelectricityanti-throughaPLCintheprocess,theelectricityanti-thatmakeletsuptozerothgradually,electricalengineeringfromstarttheappearancesteadytransferthenormalmovementappearancetoretreattheadjustableelectricitybypassagainamovement,theelectricalengineeringstartstheprocesstocomplete.Inaddition,thistextaimatcurrentlyexistentcircumstanceinchangingthefrequencymachinetooutputtocutovertheproblem,tryfromthetechniqueandeconomiesthepracticalanglesetout,cuttingovertheproblemtocarryontheanalysisandstudiestowardschangingthefrequencymachinesynchronously.

Keyword:

Theprogrammableprefacecontroller（PLC）；Motor；Soft-starting；Changingfrequencymachine；InverterOutputswitching

第1章异步电动机及其起动方式

1.1异步电动机

1.1.2异步电动机全压直接起动的危害

一、电动机较大的起动电流引起电压下降，对电动机本身有着不良影响，因电压太低会使电动机起动转矩下降很多，当负载较重时，电动机可能不能起动。

通常电动机起动过程时间很短，短时间过大的电流，从发热角度来看，电动机本身是可以承受的。

但是，对于起动频繁的电动机，过大的起动电流会使电动机内部过热，导致电机温升过高，使电机绕组绝缘过热而老化。

因此要采取措施，减少最初起动电流的影响。

电动机起动时，起动电流的大小为：

IST=

由上式可见，降低起动电流有三种方法：

1.降低电源电压；2.定子边串接电阻或电抗；3.转子边串接电阻或电抗。

从上面分析看出，不同的电源和不同的负载情况，对电动机起动的要求不一样的。

有时要求有大的起动转矩；有时要求起动电流要小，有时上述两个要求要同时满足。

总之电动机起动过程需要考虑以下几个问题：

1．应有足够大的最初起动转矩（TS≥1.1TL）；

2．尽可能小的最初起动电流；

3．起动操作简便，起动设备简单和经济；

直接全压起动的危害性主要有如下几点：

（1）电动机在空载全压直接起动时，起动电流会达到额定电流的5～7倍。

当电动机容量相对较大时，该起动电流将引起电网电压急剧下降，电压频率也发生变化，这会破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会引起电网失去稳定，造成更大的事故。

（2）电动机直接全压起动时的大电流在电机定子线圈和转子上产生很大的冲击力，会破坏绕组绝缘和造成鼠笼条断裂，引起电机故障，大电流还会产生大量的焦耳热，损伤绕组绝缘，减少电机寿命。

（3）电动机直接全压起动时的起动转矩约为额定转矩的2倍，对于齿轮传动设备来说，很大的冲击力会使齿轮磨损加快甚至破碎；对于皮带传动设备来说，加大了皮带磨损甚至拉断皮带。

对于水泵类负荷来说，电动机全压起动时，水流会在很短的时间内达到全速，在遇到管路拐弯时，高速的水流冲击到管壁上，产生很大的冲击力，形成水锤效应，会破坏管道。

如果水泵前面的管路比较长，当水泵电机突然停止时，高速的水流会冲击到水泵的叶轮上，产生很大的冲击力，会使叶轮变形或损坏。

直接起动时电机速度上升很快，润滑油往往不能及时到位，会引起轴承干磨，降低其使用寿命。

（4）电动机在起动时，会产生短时间的谐波电流，使电网的谐波大量增加。

电网谐波含量的增加，将导致电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加。

同时，还可能引起继电保护和自动装置误动，仪表指示和电度计量不准以及通信受干扰等一系列问题。

（5）直接全压起动还会在高压开关关合时产生陡度很大的操作过电压，使定子绕组上电压分布不均匀，对其绝缘造成极大的伤害。

许多电机的自身故障都是由于绝缘受到伤害而引起的。

以上各点都会使设备增加停工台时，影响生产的正常进行，增加维修费用。

综合考虑，在经济条件允许的情况下应尽量避免采用电动机的直接起动方式，以保证电网的供电质量。

在这种情况下，大中型异步电动机的软起动作为一个重要的课题被提出来。

1.1.3异步电动机常用的起动方式

目前国内大型电动机的起动方法有定子回路串电抗器、自耦变压器、水电阻等减压起动方式，（但起动电流仍然很大（一般是额定3到5倍）对电机仍然有较大的冲击，而且会引起电网电压急剧下降。

所以称之为减压起动。

）

现以Allen-Bradley公司SMCDialogPlus系列交流电动机软起动器为例来说明工作原理和运行特点:

（a）Ma特性（b）La特性

图1-1降低电动机端子的电压时启动转矩Ma和启动电流La的特性

1.2软启动概述

1.2.1软起动的概念

电动机的软起动是采用串接于电源与被控电动机间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电动机输入电压从零开始逐渐上升，直至起动结束，赋于电动机全电压的起动方式。

1.2.2软起动的常用起动方式

目前的软启动器有以下五种起动方式（图1-2）：

图1-2软起动器的五种起动方式

限流起动顾名思义是限制电动机的起动电流，它主要是用在轻载起动的负载降低起动压降，在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动力矩，对电动机不利。

斜坡电压起动顾名思义是电压由小到大斜坡线性上升，它是将传统的降压起动从有级变成了无级，主要用在重载起动，它的缺点是初始转矩小，转矩特性抛物线型上升对拖动系统不利，且起动时间长有损于电机。

转矩控制起动用在重载起动，它是将电动机的起动转矩由小到大线性上升，它的优点是起动平滑，柔性好，对拖动系统有更好的保护，它的目的是保护拖动系统，延长拖动系统的使用寿命。

同时降低电机起动时对电网的冲击，是最优的重载起动方式，它的缺点是起动时间较长。

转矩加突跳控制起动与转矩控制起动相仿也是用在重载起动，不同的是在起动的瞬间用突跳转矩克服电机静转矩，然后转矩平滑上升，缩短起动时间。

但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷，应用时要特别注意。

电压控制起动是用在轻载起动的场合，在保证起动压降下发挥电动机的最大起动转矩，尽可能的缩短了起动时间，是最优的轻载软起动方式[3]。

1.2.5几种大中型异步电动机软起动方式在高压电动机软起动应用中的综合比较

目前，高压电动机的起动方式种类繁多，主要有：

高压电抗器起动、高压变压器起动、高压固态软起动、高压液态软起动、电动机-电动机组起动等方法。

其中高压固态软起动器主要依赖进口，成本高，价格虽略低于高压变频器，但它采用SCR降压不降频的控制方式，性能却远不如高压变频器。

且容量仅限于10KV，5000KW以下。

因此，其对高压电动机起动的应用并不广泛。

1、高压变频器

随着电力电子技术的发展，半导体电力电子器件在高压领域的应用日益广泛、技术日趋成熟。

目前，应用于高压大容量鼠笼式电动机的调速和起动的高压变频器已能做到13.8KV，10000KW的水平，但比较成熟、可靠的还仅限于电压10KV以下、容量5000KW以下的鼠笼式电动机。

变频器主要应用于鼠笼式电动机的调速节能，但也可用于鼠笼式电动机的软起动、软停车。

变频器应用于高压电动机的起动，主要控制方式有如下两种：

1）10（6）KV电源→降压变压器→低压变频器→升压变压器→高压电动机

2）（6）KV电源→高压变频器→高压电动机

高压变频器之所以在高压领域能够得到广泛地应用，在于其良好的起动及调速特性。

其主要优点如下：

1、采用VVVF控制方式，通常采取SPWM触发模式，可实现恒转或变转矩起动，几乎涵盖各种类型负载的起动。

2、可实现转速、电流、电压斜坡上升方式的起动，以满足不同的负载及工艺起动要求。

3、可实现脉冲突跳方式的起动，以克服足够大的静阻转矩。

4、在各种起动控制方式中,其起动电流最小。

而且最容易实现工况适宜性调整。

5、起动功率因数及起动机械效率均比其它起动方式要高。

6、 高压变频器不仅可以用于电动机的起动，而且可以同时用于电动机运行中的调速节能。

但是，用变频器起动电动机并非十全十美，它也存在不足之处：

1）、高次谐波污染问题

高压变频器结构上使用大功率半导体电力电子器件（如SCR，GTO，IGBT，ICBT等），采用三相桥式整流电路。

对于6脉冲整流电路，电网输入侧的5次谐波畸变率达到基波电流的20%，7次谐波率达到基波电流的14%，忽略11次及以上的高次谐波，总的电流谐波畸变率达到基波电流的34%以上，大大超过国家标准允许的谐波电流限定值。

如此高的谐波严重影响同网其他电力设备的正常运行。

因此须同时投资大容量的谐波滤波装置。

当然，采用6倍脉冲整流电路（如18脉冲，24脉冲），则谐波电流大大降低，但电路结构更为复杂，一般采用较少。

而且从仅用于电动机起动这个角度考虑，可谓得不偿失。

2）、对电动机的影响问题

高压大容量电动机多使用普通鼠笼式电动机，采用变频器供电时，由于变频器采用PWM调制，电压变化率du/dt很高，电压峰值也大大高于额定电压，同时变频器还输出高频电压成分。

如此，将大大降低电动机的绝缘寿命，甚至损坏电机,一般需配置特殊绝缘的鼠笼式电动机。

而且输出高次谐波引起电机的过热，使电机不能满出力运行。

采用级联五电平以上的变频器时，虽可极大地减小这些负面影响，但要配置正弦滤波器。

3）、维护与维修问题

高压变频器较之通用变频器，其技术含量更高，设备更为复杂，所需维护与维修的技术水平更高，维修更为复杂。

而且维修费用是相当高的。

4）、一次投资与收益

一般地，高压变频器用于电动机的调速控制，具有很高的优越性（如调速性能、降流节能等），其一次投资具有明显的收益。

但是，在不是舍我莫谁的情况下，选用高压变频器作为电动机的起动设备，其一次投资并没有什么大的收益，尤其是非频繁起动的负载，更不适宜选用高压变频器。

2、晶闸管电子软启动器

另一种基于电力电子器件开发的晶闸管电子软启动器普遍采用单片机控制技术实现对电动机的软起动的控制。

虽然能够基本实现平滑起动，但造价较昂贵，而且高次谐波含量大、技术相对复杂，所以应用不是很广范。

3、磁控式电机软起动装置

磁控式电机软起动装置是近年来开始在工业上逐渐认可的一种大型电机软起动装置它投资较小，起动效果好它的基本工作原理是将电压调节式可漏电抗串联在笼型电机的转子回路中，电机起动前可调电抗值为最大值。

电机起动时由于串联了可调电抗，起动电流较小。

起动过程中通过PLC调节装置调节可调电抗的控制电压，使之电抗逐渐减小至零，电机由起动状态平稳过渡到正常运行状态。

再将可调电抗旁路后退出运行，电机起动过程完成。

4、高压热变电阻起动器

（一）工作原理：

在电机定子回路串接液体电阻达到降压起动的目的。

热变电阻的导电介质是具有一定浓度的电解液，它的起动原理是将水溶液用一容器加固密封，两极板固定不动，起动时利用极板间大的起动电流将电解液的温度急剧提升，使液阻发生电解反应，电解液的电阻率发生变化。

依据电解液的电阻值与电解液温度的反比例变化关系，电液阻值因电液温度升高而降低，从而达到热变电阻降压起动的目的。

（二）性能特点：

由热变电阻的原理可以看出：

1、起动初始电液阻值不可调

由于两个导电极板是固定安装，两个导电极板的间距固定不变。

起动初始时刻，电液阻值受温度的影响而变化，不同季节的温度变化及连续起动情况下每次电液初始温度的不同，均导致起动初始时刻阻值的不同。

因此，每次起动电流难以保证相同的起动特牲。

2、起动电流不可控、不可调

其电液箱溶液体积与浓度、极板间距一次成型。

阻值不易调整，热变电阻一旦设置好就无法调整,而电液阻值是被动地随主电机电流的变化而因液温间接变化，而不是主动地改变电液阻值去控制主电机的起动电流。

在实际应用中，由于电机参数、工况、负载等参数与计算有一定偏差或需要调整时，这就需对阻值进行调整和在起动过程中对阻值变化进行灵活控制。

从前述的工作原理可以看出，用热变电阻实现的软起动方式，电动机起动电流不可控、不可调。

3、起动时间不可调

用热变电阻起动电动机，决定起动切换到全压运行的时刻，是依据对主电机电流的监测，通过开关触点的控制转换实现的。

电机起动时间的长短根本不由热变电阻决定，依然决定于电动机及负载本身的特性。

4、对电网的电流冲击及对传动机构的机械冲击

热变电阻的液阻值完全是按温度的反比例关系来变化的，电液的温度既不可能无限大，电液阻值就不可能为0。

况且实际的电液温度不会超过800C，那么在起动切换到全压运行的时刻，电液阻值肯定不小。

因此切换至全压运行时刻，会对电网产生浪涌电流冲击，并且对电动机传动机构产生机械冲击。

5、总起动过程中温升明显，巨大的起动电流必然造成局部液体开锅现象，产生大量蒸汽，而液阻箱为严密封闭状态，类似高压锅，因此存在巨大的安全隐患。

6、起动性能差，因为热变电阻完全靠温度调节阻值，温度是人为无法控制的，二次起动时与第一次起动相比其温度发生很大变化，起动特性随之发生变化，起动电流、起动时间也相应出现偏差。

7、 存在二次冲击现象。

由于液态电阻在常压下最高温度为100℃，电阻率ρ不可能为零，因此极板间有一定阻值，在液阻切除时必然会造成二次冲击现象。

由于上述因素，热变电阻软起动在实际应用中存在很多限制，需满足以下条件：

①非常精确的计算；②非常准确的电机负载和电网参数；③严格检测的耐高压箱体；④工况参数不能发生大的变化和调整；⑤连续起动的次数要求低；⑥起动时间不能过长。

从严格意义上讲，热变电阻起动器并不能归类于软起动器的行列，因为热变电阻起动不能实现软起动——最大限度地限制电动机的起动电流，起动过程平滑无冲击，起动性能可控可调。

它的起动性能与电抗器相比较相似，起动性能决定于电动机、电网及负载参数。

第2章可编程序控制器及其特殊功能模块概述

2.1可编程序控制器

2.1.1可编程序控制器的概念及其历史

可编程序控制器（ProgrammableLogicController）是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。

1985年1月，国际电工委员会（IEC）的可编程序控制器标准草案第2稿对可编程序控制器作了如下定义：

“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”通常把PLC认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置[2]。

在全世界上百个可编程序控制器制造厂中，有几家举足轻重的公司。

它们是美国ROCKWELL自动化公司所属的A-B公司、GE-FANUC公司，德国的西门子公司和总部设在法国的施耐得自动化公司，日本的三菱公司和欧姆龙公司。

这几家公司控制着全世界80%以上的可编程序控制器市场。

它们的系列产品有其技术广度和深度，从微型可编程序控制器到有上万个I/O点的大型可编程序控制器应有尽有。

可编程序控制器的推广在我国得到了迅猛的发展，可编程序控制器已经大量应用在引进设备和国产设备中，我国不少厂家引进或研制了一批可编程序控制器，各行各业也涌现出大批应用可编程序控制器改造设备的成果，机械行业生产的设备越来越多地采用可编程序控制器作控制装置。

了解可编程序控制器的工作原理，具备设计、调试和维护可编程序控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。

2.1.2可编程序控制器的主要特点

1）可靠性高

PLC的MTBF（MeanTimeBetweenFailures）平均故障间隔时间一般在40000-50000h以上，三菱、西门子、ABB、松下等微小型PLC可达10万h以上，而且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。

2）模块化组合灵活

可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合。

I/0点数从8^8192点，有多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。

3）功能强,性能价格比高

PLC应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能。

基本型式再加上模拟I/0、基本算术运算、通信能力等。

复杂型式除了具有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络通信能力、远程I/0、多处理器和高速数据处理能力。

一台可编程序控制器可以同时控制几台设备，也可以通过联网通信，实现分散控制，集中管理。

4）编程方便

PLC适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图（SFC）编程，不需要太多的计算机编程知识。

新的编程工作站配有综合的软件工具包，并可在任何兼容的个人计算机上编程。

5）适应工业环境，可靠性高，抗干扰能力强

PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。

6）安装、维修简单

与计算机系统相比，PLC安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。

使用时只要各种器件连接无误，系统便可正常工作。

各个模件上带有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换，使用户可以在最短的时间内查出故障并排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。

一些PLC外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成，结构简单，上面带有散热槽，在高温下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率（RF高频）电磁干扰、防火等。

7）运行速度快

随着微处理器的应用，PLC的运行速度增快，使它更符合处理高速度复杂的控制任务。

8）总价格低

PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。

另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。

2.1.3可编程序控制器的最新发展趋势

现代可编程序控制器的发展有两个主要趋势:

其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展:

其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。

1）大型网络化

主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。

网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC,I/0框架相连;向上可与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。

2）多功能

随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。

3）高可靠性

由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。

例如西门子公司57400系列PLC即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全密封的模板依然可正常工作，在操作运行过程中模板还可热插拔。

2.1.4可编程序控制器的工作原理

在继电器控制电路中，当某些梯级同时满足导通条件时，这些梯级中的继电器线圈会同时通电，这是一种并行的工作方式。

PLC是采用循环扫描的工作方式，在PLC执行用户程序时，CPU对梯形图自上而下、自左向右地逐次进行扫描，程序的执行是按