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

皖西學(xué)院課程設(shè)計2-摘要本文用電源反相序和動力制動的方法設(shè)計了雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的可逆和制動控制線路。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、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計報告首先根據(jù)設(shè)計要求確定調(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。接著詳細介紹了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計以及一些參數(shù)的選擇和計算，使其滿足工程設(shè)計參數(shù)指標(biāo)。并闡述了串接附加電阻在切換過程中的重要性。對其電氣操作線路用可編程序控制器予以實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：可編程序控制器、調(diào)速系統(tǒng)、程序控制器、異步電動機第1章：引言 -3-第2章：雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的可逆和制動方案 -4-第3章：串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(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異步電動機的傳遞函數(shù) -8-3.3串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 -9-第4章：調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計 -10-4.1電流環(huán)的設(shè)計 -10-4.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計 -12-第5章串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式 -15-5.1間接起動 -15-5.2直接啟動 -17-第6章：操作控制電路 -18-6.1PLC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 -24-參考文獻 -25-第1章：引言由于串級調(diào)速系統(tǒng)機械特性的靜差率較大，所以開環(huán)控制系統(tǒng)只能用于對調(diào)速精度要求不高的場合。為了提高靜態(tài)調(diào)速精度，并獲得較好的動態(tài)特性，須采用閉環(huán)控制，通常采用具有電流反饋與轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)控制方式。由于串級調(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)生電氣制動作用，所謂動態(tài)性能的改善只是指起動與加速過程性能的改善，減速過程只能靠負載作用自由降速。第2章：雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的可逆和制動方案系統(tǒng)組成方框圖如圖所示圖1雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)主電路圖圖1

所示為雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖中，轉(zhuǎn)速反饋信號取自異步電動機軸上連接的測速發(fā)電機，電流反饋信號取自逆變器交流側(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，應(yīng)整定觸發(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機轉(zhuǎn)子回路實現(xiàn)的。本系統(tǒng)采用電源反相序進行可逆控制。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啟動時沖擊電流過大的問題。制動控制器采用晶閘管串級調(diào)速制動方式進行，它由接觸器KM2、KM5、KM6和制動變壓器T2，三相整流橋組成。第3章：串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型在圖1

所示的系統(tǒng)中，可控整流裝置、調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)節(jié)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖均與直流調(diào)速系統(tǒng)中相同。在異步電動機轉(zhuǎn)子直流回路中，不少物理量都與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，所以要單獨處理。3.1

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調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路的動態(tài)電壓平衡方程式

圖2串級調(diào)速系統(tǒng)a）主電路b）等效電路式中Ud0

——當(dāng)

s=1

時轉(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)的異步電動機每相漏感，；

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

s

時轉(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)子直流回路的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖3所示。需要指出，串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子直流回路傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)

TLr

和放大系數(shù)

KLr

都是轉(zhuǎn)速n的函數(shù)，它們是非定常的。圖3轉(zhuǎn)子直流回路動態(tài)框圖3.2異步電動機的傳遞函數(shù)

異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為

電力拖動系統(tǒng)的運動方程式為

或?qū)懗?/p>

式中IL——負載轉(zhuǎn)矩TL所對應(yīng)的等效直流電流。

由此可得異步電動機在串級調(diào)速時的傳遞函數(shù)為

其中，

為機電時間常數(shù)，TM

與

R、CE、CM

都有關(guān)系，所以也不是常數(shù)，而是Id和

n

的函數(shù)。3.3串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

把圖1中的異步電動機和轉(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)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖4所示。圖4雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖第4章：調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計雙閉環(huán)控制串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正一般主要按抗擾性能考慮，即應(yīng)使系統(tǒng)在負載擾動時有良好的動態(tài)響應(yīng)。在采用工程設(shè)計方法進行動態(tài)設(shè)計時，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，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計。4.1電流環(huán)的設(shè)計圖5電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖電流環(huán)設(shè)計及參數(shù)計算：1、時間常數(shù)的確定（1）整流裝置滯后時間常數(shù):由附錄知三相橋式電路的平均失控時間電流濾波時間常數(shù):由給定數(shù)據(jù)知=0.003s（3）電流環(huán)小時間常數(shù)按小時間常數(shù)近似處理，取=+=0.0017s+0.003s=0.0047s:整流裝置滯后時間常數(shù),:電流濾波時間常數(shù)2、選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由附錄表2知KT=0.5時,電流調(diào)節(jié)器超調(diào)量而且對電源電壓抗壓性能:=因此可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：3．電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算ACR超前時間常數(shù)：=T=T=0.019s,因此，電流環(huán)開環(huán)增益:K===106.38s-1于是，ACR的比例系數(shù)為：K==0.46所以，電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：==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)計圖7轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計及參數(shù)計算：1．時間常數(shù)的確定（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為:==（2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)為:=0.01s（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)為:=+=2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)要求，應(yīng)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5,ASR超前時間常數(shù)為：=轉(zhuǎn)速換開環(huán)增益：==s-1因此ASR的比例系數(shù)為：==所以，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：==轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的原理圖如圖8所示：圖8含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器第5章串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式串級調(diào)速系統(tǒng)是依靠逆變器提供附加電動勢而工作的，為了使系統(tǒng)工作正常，對系統(tǒng)的起動與停車控制必須有合理的措施予以保證。總的原則是在起動時必須使逆變器先于電機接上電網(wǎng)，停車時則比電機后脫離電網(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。

串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式通常有間接起動和直接起動兩種。5.1間接起動

大部分采用串級調(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，特別對于風(fēng)機、泵、壓縮機等機械，其調(diào)速范圍本來就不大，串級調(diào)速裝置的容量可以選擇比電動機小得多。為了使串級調(diào)速裝置不受過電壓損壞，須采用間接起動方式，即將電動機轉(zhuǎn)子先接入電阻或頻敏變阻器起動，待轉(zhuǎn)速升高到串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計最低轉(zhuǎn)速時，才把串級調(diào)速裝置投人運行。由于這類機械不經(jīng)常起動，所用的起動電阻等都可按短時工作制選用，容量與體積都較小。從串電阻起動換接到串級調(diào)速可以利用對電動機轉(zhuǎn)速的檢測或利用時間原則自動控制。圖9串級調(diào)速系統(tǒng)簡介啟動控制原理圖圖9所示是間接起動控制原理圖。起動操作順序如下：先合上裝置電源總開關(guān)S，使逆變器在

βmin下等待工作。然后依次接通接觸器

K1，接人起動電阻

R，再接通K0，把電機定子回路與電網(wǎng)接通，電動機便以轉(zhuǎn)子串電阻的方式起動。待起動到所設(shè)計的nmin(smax)時接通

K2，使電動機轉(zhuǎn)子接到串級調(diào)速裝置，同時斷開

K1，切斷起動電阻，此后電動機就可以串級調(diào)速的方式繼續(xù)加速到所需的轉(zhuǎn)速運行。不允許在未達到設(shè)計最低轉(zhuǎn)速以前就把電動機轉(zhuǎn)子回路與串級調(diào)速裝置聯(lián)通，否則轉(zhuǎn)子電壓會超過整流器件的電壓定額而損壞器件，所以轉(zhuǎn)速檢測或起動時間計算必須準(zhǔn)確。停車時，由于沒有制動作用，應(yīng)先斷開

K2，使電動機轉(zhuǎn)子回路與串級調(diào)速裝置脫離，再斷開

K0，以防止當(dāng)

K0

斷開時在轉(zhuǎn)子側(cè)感生斷閘高電壓而損壞整流器與逆變器。如果生產(chǎn)機械許可，也可以不用檢測最低轉(zhuǎn)速自動控制，而讓電動機在串電阻方式下起動到最高速，切換到串級調(diào)速后，再按工藝要求調(diào)節(jié)到所需要的轉(zhuǎn)速運行。這種起動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。但電動機要先升到最高轉(zhuǎn)速，再通過減速達到工作轉(zhuǎn)速，對于有些生產(chǎn)機械是不允許的。5.2直接啟動

直接起動又稱串級調(diào)速方式起動，用于可在全范圍調(diào)速的串級調(diào)速系統(tǒng)。在起動控制時讓逆變器先于電動機接通交流電網(wǎng)，然后使電動機的定子與交流電網(wǎng)接通，此時轉(zhuǎn)子呈開路狀態(tài)，可防止因電動機起動時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，接觸器的工作順序為

S—K0—K2，此時不需要起動電阻。當(dāng)轉(zhuǎn)子回路接通時，由于轉(zhuǎn)子整流電壓小于逆變電壓，直流回路無電流，電動機尚不能起動。待發(fā)出給定信號后，隨著β的增大，逆變電壓降低，產(chǎn)生直流電流，電動機才逐漸加速，直至達到給定轉(zhuǎn)速。第6章：操作控制電路6.1PLC的選擇PLC產(chǎn)品的種類繁多。PLC的型號不同,對應(yīng)著其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等均各不相同,適用的場合也各有側(cè)重。因此,合理選用PLC,對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)有著重要意義。PLC的選擇主要應(yīng)從PLC的機型、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機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下,力爭最佳的性能價格比。選擇時應(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I/O接口由控制電路可知，需要7個PC輸入接口，6個輸出接口。故選擇具有24個輸入接口，16個輸出接口的F-40MR可編程序控制器，I/O接口圖如下圖10所示。圖10F-40MR控制輸入/輸出接線圖6.3操作線路圖的梯形圖PC機執(zhí)行程序是從頭到尾掃描的，速度很快。而繼電器、接觸器動作從吸合到釋放有一段延時，否則會引起主電路短路，編程時考慮到這一點。2C、FC之間的切換時增加了由T450，T451構(gòu)成的延時1S的延時保護?？刂齐娐穲D中的中間繼電器和時間繼電器都用PC軟件中的中間繼電器和時間繼電器代替。圖11操作控制線路梯型圖6.4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：0LDIX4001ORY4302ANDX4O13ANIX4024OUTY4305LDY4306ANIY4347OUTY4318LDIX4039MCN0M10011LDX40412ORM10113ANIX40514ANIX40615ANIM10216OUTM10117LDM10118OUTT450K1022LDIX40223ANDT45024OUTY43225LDM10126OUTT45K2030LDX40631ORM10232A