基于PLC的雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 1 -摘要摘要本文用電源反相序和動(dòng)力制動(dòng)的方法設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的可逆和制動(dòng)控制線路。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能很好，具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)報(bào)告首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定調(diào)速方案和主電路的結(jié)構(gòu)型式，直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(asr)和電流調(diào)節(jié)器(acr), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。接著詳細(xì)介紹了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)以及一些參數(shù)的選擇和計(jì)算，使其滿足工程設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)。并闡述了串接附加電阻在切換過程中的重要性。對(duì)其電氣操作線路用可編程序控制器予以實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：可編程序控制器、調(diào)速

2、系統(tǒng)、程序控制器、異步電動(dòng)機(jī)皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 2 -第第 1 章：引言章：引言 .- 3 -第第 2 章：雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的可逆和制動(dòng)方案章：雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的可逆和制動(dòng)方案 .- 4 -第第 3 章：串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型章：串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 .- 6 -3.1 轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù).- 6 -3.2 異步電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù).- 8 -3.3 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖.- 9 -第第 4 章：調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)章：調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì) .- 10 -4.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì).- 10 -4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì).- 12 -第第 5 章章 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)方式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)方式

3、 .- 15 -5.1 間接起動(dòng).- 15 -5.2 直接啟動(dòng).- 17 -第第 6 章：操作控制電路章：操作控制電路 .- 18 -6.1 plc 的選擇.- 18 -6.2 可編程序控制器的 i/o 接口 .- 18 -6.3 操作線路圖的梯形圖.- 19 -6.4 可編程序控制器程序清單.- 21 -結(jié)束語結(jié)束語 .- 24 -參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .- 25 -皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 3 -第第 1 章：引言章：引言 由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性的靜差率較大，所以開環(huán)控制系統(tǒng)只能用于對(duì)調(diào)速精度要求不高的場(chǎng)合。為了提高靜態(tài)調(diào)速精度，并獲得較好的動(dòng)態(tài)特性，須采用閉環(huán)控制，通常采用具有電流反饋與轉(zhuǎn)速反饋

4、的雙閉環(huán)控制方式。由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子整流器是不可控的，系統(tǒng)本身不能產(chǎn)生電氣制動(dòng)作用，所謂動(dòng)態(tài)性能的改善只是指起動(dòng)與加速過程性能的改善，減速過程只能靠負(fù)載作用自由降速。皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 4 -第第 2 章：雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的可逆和制動(dòng)方案章：雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的可逆和制動(dòng)方案系統(tǒng)組成方框圖如圖所示圖 1 雙閉環(huán)控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路圖 圖 1 所示為雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖中，轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)取自異步電動(dòng)機(jī)軸上連接的測(cè)速發(fā)電機(jī)，電流反饋信號(hào)取自逆變器交流側(cè)的電流互感器，也可通過霍爾變換器或直流互感器取自轉(zhuǎn)子直流回路。為了防止逆變器逆變顛覆，在電流調(diào)節(jié)器 acr 輸出電壓為零時(shí)，應(yīng)整

5、定觸發(fā)脈沖輸出相位角為 。圖 1 所示的系統(tǒng)與直流不可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，具有靜態(tài)穩(wěn)速與動(dòng)態(tài)恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通過異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路實(shí)皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 5 -現(xiàn)的。 本系統(tǒng)采用電源反相序進(jìn)行可逆控制。它由接觸器km2、km3、km4、km5 組成電氣控制線路。圖中附加電阻 r1，是為了解決在切換過程中及時(shí)啟動(dòng)時(shí)沖擊電流過大的問題。制動(dòng)控制器采用晶閘管串級(jí)調(diào)速制動(dòng)方式進(jìn)行，它由接觸器km2、km5、km6 和制動(dòng)變壓器 t2，三相整流橋組成。皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 6 -第第 3 章：串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型章：串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在圖 1 所示的系統(tǒng)中，可控整流裝置

6、、調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖均與直流調(diào)速系統(tǒng)中相同。在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直流回路中，不少物理量都與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，所以要單獨(dú)處理。3.1 轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù) 根據(jù)下圖 2 的等效電路圖可以列出串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路的動(dòng)態(tài)電壓平衡方程式皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 7 -圖 2 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)a）主電路 b）等效電路式中 ud0 當(dāng) s=1 時(shí)轉(zhuǎn)子整流器輸出的空載電壓，；ui0 逆變器直流側(cè)的空載電壓，；l 轉(zhuǎn)子直流回路總電感，l = 2ld + 2lt + llld 折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的異步電動(dòng)機(jī)每相漏感，；lt 折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相漏感，；ll 平波電抗器電感； r 轉(zhuǎn)差率為

7、 s 時(shí)轉(zhuǎn)子直流回路等效電阻，。于是，式(1)可改寫成將式(2)兩邊取拉氏變換，可求得轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù) 式中 tlr 轉(zhuǎn)子直流回路的時(shí)間常數(shù)， ； ki 轉(zhuǎn)子直流回路的放大系數(shù)，。轉(zhuǎn)子直流回路的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖 3 所示。需要指出，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路傳遞函數(shù)中的時(shí)間常數(shù) tlr 和放大系數(shù) klr 都皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 8 -是轉(zhuǎn)速 n 的函數(shù)，它們是非定常的。圖 3 轉(zhuǎn)子直流回路動(dòng)態(tài)框圖3.2 異步電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)異步電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù) 異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為 或?qū)懗?式中 il負(fù)載轉(zhuǎn)矩 tl 所對(duì)應(yīng)的等效直流電流。 由此可得異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)的傳

8、遞函數(shù)為 其中， 為機(jī)電時(shí)間常數(shù)，tm 與 r、ce、cm 都有皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 9 -關(guān)系，所以也不是常數(shù)，而是 id 和 n 的函數(shù)。3.3 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 把圖 1 中的異步電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)子直流回路都畫成傳遞函數(shù)框圖，再考慮給定濾波環(huán)節(jié)和反饋濾波環(huán)節(jié)就可直接畫出雙閉環(huán)控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖 4 所示。圖 4 雙閉環(huán)控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 10 -第第 4 章：調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)章：調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)雙閉環(huán)控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正一般主要按抗擾性能考慮，即應(yīng)使系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)時(shí)有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在采用工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)

9、設(shè)計(jì)時(shí)，可以像直流調(diào)速系統(tǒng)那樣，電流環(huán)按典型 i 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。4.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì)電流環(huán)的設(shè)計(jì)圖5 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖電流環(huán)設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算：1、時(shí)間常數(shù)的確定 （1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù):st 由附錄知三相橋式電路的平均失控時(shí)間 0.0017sst （2）電流濾波時(shí)間常數(shù):由給定數(shù)據(jù)知oit =0.003s it0（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)it 按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 =+=0.0017s+0.003s =0.0047s itstit0皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 11 -:整流裝置滯后時(shí)間常數(shù),:電流濾波時(shí)間常數(shù)stoit2、選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由附錄表 2 知 kt=0.5 時(shí)

10、,電流調(diào)節(jié)器超調(diào)量 而且對(duì)電源電壓抗壓性能: = iltt 4.04 0047. 0019. 0 因此可按典型 i 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用 pi 型，其傳遞函數(shù)為： sskswiiiacr1)(3電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算acr 超前時(shí)間常數(shù)： =t =t =0.019sillr ,因此，電流環(huán)開環(huán)增益:0.5iik t k =106.38 s-1iiiittk0047. 05 . 0于是，acr 的比例系數(shù)為： k =0.46iksirki011. 01604 . 0019. 038.106所以，電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為： =)(sacrwsskiii1ss019. 0019. 00087. 0皖

11、西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 12 -電流調(diào)節(jié)器的原理圖如圖 6 所示： 圖 6 含給定濾波與反饋濾波的 pi 型電流調(diào)節(jié)器原理圖4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)圖 7 轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算：1時(shí)間常數(shù)的確定（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為: =ki1it2s0094. 00047. 02 （2） 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)為:皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 13 - =0.01snt0（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)為: =+=ntki1nt0s0194. 001. 00094. 0 2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。故 asr 選用 pi 調(diào)節(jié)

12、器，其傳遞函數(shù)為： sskswnnnasr1)( 3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5,asr 超前時(shí)間常數(shù)為： =n0.097s0.0194s5nht轉(zhuǎn)速換開環(huán)增益： =s-1nkntnthhh21 318.850194. 00194. 0 . 025215 因此 asr 的比例系數(shù)為： =nk t2) 1hnrhcetm（100194. 04 . 0022. 052076. 04 . 3011. 06 所以，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： =)(swasrssknnn1ss097. 01097. 0 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的原理圖如圖 8 所示：皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 14 -圖

13、8 含給定濾波與反饋濾波的 pi 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 15 -第第 5 章章 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)方式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)方式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是依靠逆變器提供附加電動(dòng)勢(shì)而工作的，為了使系統(tǒng)工作正常，對(duì)系統(tǒng)的起動(dòng)與停車控制必須有合理的措施予以保證?？偟脑瓌t是在起動(dòng)時(shí)必須使逆變器先于電機(jī)接上電網(wǎng)，停車時(shí)則比電機(jī)后脫離電網(wǎng)，以防止逆變器交流側(cè)斷電，而使晶閘管無法關(guān)斷，造成逆變器的短路事故。 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)方式通常有間接起動(dòng)和直接起動(dòng)兩種。5.1 間接起動(dòng)間接起動(dòng) 大部分采用串級(jí)調(diào)速的設(shè)備是不需要從零速到額定轉(zhuǎn)速作全范圍調(diào)速的，特別對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等機(jī)械，其調(diào)速范圍本來就不大，串級(jí)調(diào)速裝置

14、的容量可以選擇比電動(dòng)機(jī)小得多。為了使串級(jí)調(diào)速裝置不受過電壓損壞，須采用間接起動(dòng)方式，即將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子先接入電阻或頻敏變阻器起動(dòng)，待轉(zhuǎn)速升高到串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最低轉(zhuǎn)速時(shí)，才把串級(jí)調(diào)速裝置投人運(yùn)行。由于這類機(jī)械不經(jīng)常起動(dòng)，所用的起動(dòng)電阻等都可按短時(shí)工作制選用，容量與體積都較小。從串電阻起動(dòng)換接到串級(jí)調(diào)速可以利用對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)或利用時(shí)間原則自動(dòng)控制。皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 16 -圖 9 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介啟動(dòng)控制原理圖圖 9 所示是間接起動(dòng)控制原理圖。起動(dòng)操作順序如下：先合上裝置電源總開關(guān) s，使逆變器在 min 下等待工作。然后依次接通接觸器 k1，接人起動(dòng)電阻 r，再接通 k0，把電機(jī)定子回路與

15、電網(wǎng)接通，電動(dòng)機(jī)便以轉(zhuǎn)子串電阻的方式起動(dòng)。待起動(dòng)到所設(shè)計(jì)的 nmin(smax)時(shí)接通 k2，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子接到串級(jí)調(diào)速裝置，同時(shí)斷開 k1，切斷起動(dòng)電阻，此后電動(dòng)機(jī)就可以串級(jí)調(diào)速的方式繼續(xù)加速到所需的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。不允許在未達(dá)到設(shè)計(jì)最低轉(zhuǎn)速以前就把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路與串級(jí)調(diào)速裝置聯(lián)通，否則轉(zhuǎn)子電壓會(huì)超過整流器件的電壓定額而損壞器件，所以轉(zhuǎn)速檢測(cè)或起動(dòng)時(shí)間計(jì)算必須準(zhǔn)確。停車時(shí)，由于沒有制動(dòng)作用，應(yīng)先斷開 k2，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路與串級(jí)調(diào)速裝置脫離，再斷開 k0，以防止當(dāng) k0 斷開時(shí)在轉(zhuǎn)子側(cè)感生斷閘高電壓而損壞整流器與逆變器。皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 17 -如果生產(chǎn)機(jī)械許可，也可以不用檢測(cè)最低轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制，而

16、讓電動(dòng)機(jī)在串電阻方式下起動(dòng)到最高速，切換到串級(jí)調(diào)速后，再按工藝要求調(diào)節(jié)到所需要的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。這種起動(dòng)方式可以保證整流器與逆變器不致受到超過定額的電壓，工作安全。但電動(dòng)機(jī)要先升到最高轉(zhuǎn)速，再通過減速達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，對(duì)于有些生產(chǎn)機(jī)械是不允許的。5.2 直接啟動(dòng)直接啟動(dòng) 直接起動(dòng)又稱串級(jí)調(diào)速方式起動(dòng)，用于可在全范圍調(diào)速的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。在起動(dòng)控制時(shí)讓逆變器先于電動(dòng)機(jī)接通交流電網(wǎng)，然后使電動(dòng)機(jī)的定子與交流電網(wǎng)接通，此時(shí)轉(zhuǎn)子呈開路狀態(tài)，可防止因電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的合閘過電壓通過轉(zhuǎn)子回路損壞整流裝置，最后再使轉(zhuǎn)子回路與整流器接通。在圖 5 中，接觸器的工作順序?yàn)?sk0k2，此時(shí)不需要起動(dòng)電阻。當(dāng)轉(zhuǎn)子回路接通時(shí)，由于

17、轉(zhuǎn)子整流電壓小于逆變電壓，直流回路無電流，電動(dòng)機(jī)尚不能起動(dòng)。待發(fā)出給定信號(hào)后，隨著 的增大，逆變電壓降低，產(chǎn)生直流電流，電動(dòng)機(jī)才逐漸加速，直至達(dá)到給定轉(zhuǎn)速。皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 18 -第第 6 章：操作控制電路章：操作控制電路6.1 plc 的選擇的選擇plc 產(chǎn)品的種類繁多。plc 的型號(hào)不同,對(duì)應(yīng)著其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等均各不相同,適用的場(chǎng)合也各有側(cè)重。因此,合理選用 plc,對(duì)于提高 plc 控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。plc 的選擇主要應(yīng)從 plc 的機(jī)型、容量、i/o 模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。plc 機(jī)型選擇的

18、基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下,力爭(zhēng)最佳的性能價(jià)格比。選擇時(shí)應(yīng)主要考慮到合理的結(jié)構(gòu)型式,安裝方式的選擇,相應(yīng)的功能要求,響應(yīng)速度要求,系統(tǒng)可靠性的要求,機(jī)型盡量統(tǒng)一等因素。綜合以上因素，我們選擇三菱系列的 plc。6.2 可編程序控制器的可編程序控制器的 i/o 接口接口 由控制電路可知，需要 7 個(gè) pc 輸入接口，6 個(gè)輸出接口。故選擇具有 24 個(gè)輸入接口，16 個(gè)輸出接口的 f-40mr 可編程序控制器，i/o 接口圖如下圖 10 所示。皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 19 -圖 10 f-40mr 控制輸入/輸出接線圖6.3 操作線路圖的梯形圖操作線路圖的梯形圖（1）pc

19、機(jī)執(zhí)行程序是從頭到尾掃描的，速度很快。而繼電器、接觸器動(dòng)作從吸合到釋放有一段延時(shí)，否則會(huì)引起主電路短路，編程時(shí)考慮到這一點(diǎn)。2c、fc 之間的切換時(shí)增加了由 t450，t451 構(gòu)成的延時(shí) 1s 的延時(shí)保護(hù)。（2）控制電路圖中的中間繼電器和時(shí)間繼電器都用 pc 軟件中的中間繼電器和時(shí)間繼電器代替。皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 20 -圖 11 操作控制線路梯型圖皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)- 21 -6.4 可編程序控制器程序清單可編程序控制器程序清單根據(jù)梯形圖編寫程序清單如下：0 ldi x4001 or y4302 and x4o13 ani x4024 out y4305 ld y4306 ani y4347 out y4318 ldi x4039 mc n0 m10011 ld x40412 or m10113 ani x40514 ani x40615 ani m10216 out m10117 ld m10118 out t450 k1022 ldi x40223 and t450 皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)-