PLC实现变频调速器多电机控制
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PLC实现变频调速器多电机控制
一、引言以变频调速器为调速控制器的同步控制系统、比例控制系统和同速系统等已广泛应用于冶金、机械、纺织、化工等行业。以比例控制系统为例，一般的系统构成如图1所示。工作时操作人员通过控制机（可为PLC或工业PC）设定比例运行参数，然后控制机通过D/A转换模件发出控制变频调速器的速度指令使各个变频调速器带动电机按一定的速度比例运转。此方案对电机数目不多，电机分布比较集中的应用系统较合适。但对于大规模生产自动线，一方面电机数目较多，另一方面电机分布距离较远。采用此控制方案时由于速度指令信号在长距离传输中的衰减和外界的干扰，使整个系统的工作稳定性和可靠性降低；同时大量D/A转换模件使系统成本增加。为此我们提出了PLC与变频调速器构成多分支通讯控制网络。该系统成本较低、信号传输距离远、抗干扰能力强，尤其适合远距离，多电机控制。本文引用地址：二、系统硬件构成系统硬件结构如图2所示，主要由下列组件构成；1、FX0N&24MR为PLC基本单元，执行系统及用户软件，是系统的核心。2、FX0N&485ADP为FX0N系统PLC的通讯适配器，该模块的主要作用是在计算机&PLC通讯系统中作为子站接受计算机发给PLC的信息或在多PLC构成n:n网络时作为网络适配器，一般只作为规定协议的收信单元使用。本文作者在分析其结构的基础上，将其作为通讯主站使用，完成变频调速器控制信号的发送。3、FR&CU03为FR&A044系列比例调速器的计算机连接单元，符合RS&422/RS&485通讯规范，用于实现计算机与多台变频调速器的连网。通过该单元能够在网络上实现变频调速器的运行控制（如启动、停止、运行频率设定）、参数设定和状态监控等功能，是变频器的网络接口。4、FR&A044变频调查器，实现电机调速。在1:n（本文中为1:3）多分支通讯网络中，每个变频器为一个子站，每个子站均有一个站号，事先由参数设定单元设定。工作过程中，PLC通过FX0N&485ADP发有关命令信息后，各个子站均收到该信息，然后每个子站判断该信息的站号地址是否与本站站号一致。若一致则处理该信息并返回应答信息；若不一致则放弃该信息的处理，这样就保证了在网络上同时只有一个子站与主站交换信息。　三、软件设计1、通讯协议FR&CU03规定计算机与变频器的通讯过程如图3所示，该过程最多分5个阶段。?、计算机发出通讯请求；?、变频器处理等待；?、变频器作出应答；?、计算机处理等待；?、计算机作出应答。根据不同的通讯要求完成相应的过程，如写变频器启停控制命令时完成?~?三个过程；监视变频器运行频率时完成?~?五个过程。不论是写数据还是读数据，均有计算机发出请求，变频器只是被动接受请求并作出应答。每个阶段的数据格式均有差别。图4分别为写变频器控制命令和变频器运行频率的数据格式。2、PLC编程要实现对变频器的控制，必须对PLC进行编程，通过程序实现PLC与变频器信息交换的控制。PLC程序应完成FX0N&485ADP通讯适配器的初始化、控制命令字的组合、代码转换及变频器应答信息的处理等工作。PLC梯形图程序（部分程序）如图5 所示。程序中通讯发送缓冲区为D127~D149；接受缓冲区为D150~D160。电机1启动、停止分别由X0的上升、下降沿控制；电机2启动、停止分别由X1的上升、下降沿控制；电机3启动、停止分别由X2的上升、下降沿控制。程序由系统起始脉冲M8002初始化FX0N&485ADP的通讯协议；然后进行启动、停止信号的处理。以电机1启动为例，X0的上升沿M50吸合，变频器1的站号送入D130，运行命令字送入D135，ENQ、写运行命令的控制字和等待时间等由编程器事先写入D131、D132、D133；接着求校验和并送入D136、D137；最后置M8122允许RS指令发送控制信息到。变频器受到信号后立刻返回应答信息，此信息FX0N&485ADP收到后置M8132，PLC根据情况作出相应处理后结束程序。四、结语1、实际使用表明，该方案能够实现PLC通过网络对变频调速器的运行控制、参数设定和运行状态监控。2、该系统最多可控制变频调速器32台，最大距离500m。3、控制多台变频器，成本明显低于D/A控制方式。4、随着变频器的增加，通讯延迟加大，系统响应速度低于D/A控制方式。
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变频调速器
变频调速器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对的控制，将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行，将直流电再逆成交流电。
变频调速器定义
变频调速器（frequency changer / frequency converter）是一种用来改变交流电频率的电气设备。此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。
过去，变频调速器一般被包含在、旋转转换器等电气设备中。随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频调速器。
对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机供电的频率来达到调速的目的。
变频调速器历史
是应的需要而诞生的。20世纪60年代以后，经历了SCR(晶闸管)、()、()、()、SIT()、SITH()、MGT(MOS控制)、MCT(MOS控制晶闸管)、(绝缘栅)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM－VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的变频器已投入市场并获得了广泛应用。
变频调速器分类
按照工作方式分类，可以分为和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为变频器、转差变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为、高性能、高频变频器、单相变频器和变频器等。
变频调速器工作原理
我们知道，的转速表达式为：
n=60 f(1-s)/p
式中n的转速； f异步电动机的频率； s； 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。
变频调速器控制方式
低压通用变频输出电压为380～650V，为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的都采用交-直-交电路。其控制方式经历了以下四代。
1.U/f=C的()控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，硬度也较好，能够满足一般传动的要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出减小。另外，其机械特性终究没有硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、利用率不高，低速时因定子电阻和效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。
2.电压空间矢量()控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
3.矢量控制(VC)方式
矢量控制变频调速的做法是将在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于的；It1相当于与转矩成正比的)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经，实现正交或。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
4.(DTC)方式
1985年，德国的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析的数学模型，控制的和转矩。它不需要将交流电动机等效为，因而省去了矢量中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为而简化交流电动机的数学模型。
5.矩阵式交-交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、变频都是交?直?交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，大，需要大的电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交-交变频应运而生。由于矩阵式交?交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的大。该技术虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。
具体方法是： 控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现方式；自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型，对自动识别；算出实际值对应定子阻抗、互感、因素、等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制； 实现Band?Band控制按磁链和转矩的Band?Band控制产生，对开关状态进行控制。
矩阵式具有快速的转矩响应(&2ms)，很高的速度精度(±2%，无PG反馈)，高转矩精度(&+3%)；同时还具有较高的及高转矩精度，尤其在低速时(包括0速度时)，可输出150%～200%转矩。
变频调速器相关问答
1、什么是变频调速器？
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。
2、PWM和PAM的不同点是什么？
PWM是英文Pulse Width Modulation()缩写，按一定规律改变脉冲列的，以调节输出量和波形的一种调值方式。
PAM是英文Pulse Amplitude Modulation () 缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。
3、电压型与电流型有什么不同？
变频器的大体上可分为两类：电压型是将的直流变换为交流的变频器，交流回路的滤波是电容；电流型是将的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
4、为什么变频器的电压与电流成比例的改变？
的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使的磁通保持一定，避免和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。
5、电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加；对于变频器驱动，如果频率下降时电压也下降，那么电流是否增加？
频率下降（低速）时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条件下,电流几乎不变。
6、采用变频器运转时，电机的、怎样？
采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%以下(根据机种不同，为125%~200%)。用工频电源时，起动电流为6~7倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.2~1.5倍，起动转矩为70%~120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，为100%以上，可以带全负载起动。
7、V/f模式是什么意思？
频率下降时电压V也成比例下降，这个问题已在回答4说明。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的（ROM）中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择
8、按比例地改V和f时，电机的转矩如何变化？
频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于变小而不变，将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/f模式或调整等方法
9、在说明书上写着变速范围60~6Hz，即10：1，那么在6Hz以下就没有输出功率吗？
在6Hz以下仍可输出功率，但根据电机和的大小等条件，最低使用频率取6Hz左右，此时可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。变频器实际输出频率（起动频率）根据机种为0.5~3Hz.
10、对于一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定，是否可以？
通常情况下时不可以的。在60Hz以上（也有50Hz以上的模式）电压不变，大体为恒功率特性，在 高速下要求相同转矩时，必须注意电机与变频器容量的选择。
11、所谓开环是什么意思？
给所使用的电机装置设速度检出器（PG），将实际转速反馈给控制装置进行控制的，称为“ ”，不用PG运转的就叫作“开环”。多为开环方式，也有的机种利用选件可进行PG反馈.
12、实际转速对于给定速度有偏差时如何办？
开环时，变频器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电机的转速在额定的范围内（1%~5%）变动。对于要求调速精度比较高，即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合，可采用具有PG反馈功能的变频器（选用件）。
13、如果用带有PG的电机，进行反馈后速度精度能提高吗？
具有PG反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的植取决于PG本身的精度和变频器输出频率的分辨率。
14、防止功能是什么意思？
如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速（电）的变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。为了防止失速使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能。
15、有加速时间与减速时间可以分别给定的机种，和加减速时间共同给定的机种，这有什么意义？
加减速可以分别给定的机种，对于短时间加速、缓慢减速场合，或者对于小型机床需要严格给定的场合是适宜的，但对于风机传动等场合，加减速时间都较长，加速时间和减速时间可以共同给定。
16、什么是？
在运转中如果降低指令频率，则电动机变为状态运行，作为而工作，这就叫作再生（电气）制动。
17、是否能得到更大的制动力？
从电机再生出来的能量贮积在变频器的中，由于电容器的容量和耐压的关系，的再生制动力约为额定转矩的10%~20%。如采用选用件，可以达到50%~100%。
18、请说明变频器的保护功能?
保护功能可分为以下两类：
（1） 检知异常状态后自动地进行修正动作，如防止，再生失速防止。
（2） 检知异常后封锁电力半导体器件PWM控制信号，使电机自动停车。如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。
19、为什么用离合器连续负载时，变频器的保护功能就动作？
用离合器连接负载时，在连接的瞬间，电机从空载状态向大的区域急剧变化，流过的大电流导致变频器过电流跳闸，不能运转。
20、在同一工厂内大型电机一起动，运转中变频器就停止，这是为什么？
电机起动时将流过和容量相对应的，电机定子侧的变压器产生，电机容量大时此压降影响也大，连接在同一变压器上的变频器将做出或瞬停的判断，因而有时保护功能（IPE）动作，造成停止运转。
21、什么是变频分辨率？有什么意义？
对于的变频器，即使频率指令为模拟信号，输出频率也是有级给定。这个级差的最小单位就称为变频分辨率。
变频分辨率通常取值为0.015~0.5Hz.例如，分辨率为0.5Hz，那么23Hz的上面可变为23.5、24.0 Hz，因此电机的动作也是有级的跟随。这样对于像连续卷取控制的用途就造成问题。在这种情况下，如果分辨率为0.015Hz左右，对于4级电机1个级差为1r/min 以下，也可充分适应。另外，有的机种给定分辨率与输出分辨率不相同。
22、装设变频器时安装方向是否有限制。
变频器内部和背面的结构考虑了冷却效果的，上下的关系对通风也是重要的，因此，对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位，尽可能垂直安装。
23、不采用，将电机直接投入到某固定频率的变频器时是否可以？
在很低的频率下是可以的，但如果给定频率高则同工频电源的条件相近。将流过大的（6~7倍），由于变频器切断，电机不能起动。
24、电机超过60Hz运转时应注意什么问题？ 超过60Hz运转时应注意以下事项
（1）机械和装置在该速下运转要充分可能（机械强度、噪声、振动等）。
（2） 电机进入恒功率输出范围，其要能够维持工作（风机、泵等轴于速度的立方成比例增加，所以转速少许升高时也要注意）。
（3）产生轴承的寿命问题，要充分加以考虑。
（4） 对于中容量以上的电机特别是2极电机，在60Hz以上运转时要与厂家仔细商讨。
25、变频器可以传动吗？
根据的结构和润滑方式不同，需要注意若干问题。在齿轮的结构上通常可考虑70~80Hz为最大极限，采用油润滑时，在低速下连续运转关系到齿轮的损坏等。
26、变频器能用来驱动吗？可以使用单相电源吗？
基本上不能用。对于调速器开关起动式的单相电机，在工作点以下的调速范围时将烧毁
辅助绕组；对于电容起动或电容运转方式的，将诱发电容器爆炸。变频器的电源通常为3相，但对于小容量的，也有用运转的机种。
27、变频器本身消耗的功率有多少？
它与变频器的机种、运行状态、使用频率等有关，但要回答很困难。不过在60Hz以下的变频器效率大约为94%~96%，据此可推算损耗，但内藏式（FR-K）变频器，如果把制动时的损耗也考虑进去，功率消耗将变大，对于操作盘设计等必须注意。
28、为什么不能在6~60Hz全区域连续运转使用？
一般电机利用装在轴上的外扇或转子端环上的叶片进行冷却，若速度降低则冷却效果下降，因而不能承受与高速运转相同的发热，必须降低在低速下的负载转矩，或采用容量大的变频器与电机组合，或采用专用电机。
29、使用带的电机时应注意什么？
制动器励磁回路电源应取自变频器的输入侧。如果变频器正在输出功率时制动器动作，将造成过电流切断。所以要在变频器停止输出后再使制动器动作。
30、想用变频器传动带有改善功率因数用电容器的电机，电机却不动，清说明原因
变频器的电流流入改善功率因数用的电容器，由于其充电电流造成变频器过电流(OCT),所以不能起动，作为对策，请将电容器拆除后运转，甚至改善功率因数，在变频器的输入侧接入AC电抗器是有效的。
31、变频器的寿命有多久？
变频器虽为静止装置，但也有像、冷却风扇那样的消耗器件，如果对它们进行定期的维护，可望有10年以上的寿命。
32、变频器内藏有冷却风扇，风的方向如何？风扇若是坏了会怎样？
对于小容量也有无冷却风扇的机种。有风扇的机种，风的方向是从下向上，所以装设变频器的地方，上、下部不要放置妨碍吸、排气的机械器材。还有，变频器上方不要放置怕热的零件等。风扇发生故障时，由电扇停止检测或冷却风扇上的过热检测进行保护 33、滤波电容器为消耗品，那么怎样判断它的寿命？
作为使用的电容器，其静电容量随着时间的推移而缓缓减少，定期地测量静电容量，以达到产品的85%时为基准来判断寿命。
34、装设变频器时安装方向是否有限制。
应基本收藏在盘内，问题是采用全封闭结构的盘外形尺寸大，占用空间大，成本比较高。其措施有：
（1）盘的设计要针对实际装置所需要的散热；
（2）利用铝、翼片冷却剂等增加冷却面积；
（3） 采用热导管。
此外，已开发出变频器背面可以外露的型式。
35、想提高原有输送带的速度，以80Hz运转，变频器的容量该怎样选择？
设基准速度为50Hz,50Hz以上为恒功率输出特性。像输送带这样的恒转矩特性负载增速时，容量 需要增大为80/50≈1.6倍。电机容量也像变频器一样增大。
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你可能喜欢如何用时间继电器来控制电动机的三种不同转速？
电动机的三种转速其实就是三速异步电动机，今天我们一起学习用时间继电器控制三速电机的控制线路。
学习目标：
1、了解三速异步电动机的自动控制
2、能够分析时间继电器自动控制三速异步电动机的控制线路的工作原理
学习重点：
三速异步电动机自动控制原理
学习难点：
分析时间自动控制三速电机的工作原理
学习内容：
（一）利用时间继电器控制三速异步电动机的启动线路
学习小结：
主要讲述了利用时间继电器控制三速电动机的控制线路，通过比较按钮接触器手动控制三速电机线路可以知道，添加定时器控制使电路更加复杂，但是功能更加强大
画出时间继电器自动控制三速电动机控制线路图，并写出工作原理
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