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1、变频器技术与应用变频器技术与应用 课程设计报告课程设计报告系别系别 自动化工程系自动化工程系 班级班级 08 级电气级电气 5 班班 姓名姓名 谭鸿达谭鸿达 学号学号 08020168 指导教师指导教师 肖宝兴肖宝兴 2011 年 12 月变频器技术及应用变频器技术及应用课程设计课程设计一、课程设计题目一、课程设计题目基于 PLC 的变频器调速系统的设计二、设计目的二、设计目的1、熟悉西门子 S7-200 硬件结构及其实验装置的结构。 2、熟悉应用上位机实验程序设计及调试。 3、完成变频器电机实验程序设计及调试。 、三、可供选择的仪器和设备三、可供选择的仪器和设备1、三相异步电动机 2、变频器
2、控制实验箱 3、连接导线 4、西门子 CPU226 5、模拟量仿真组件四、变频器简介四、变频器简介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，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、 改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。国内技术较领先的品牌有汇川、欧 瑞(原烟台惠丰)、三晶、蓝海华腾。 变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流 的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变 频器，其直流回路滤波是电感。 任何电动机的电磁转矩都是电流和磁通相互作用的结果，电流是不允许超过额 定值的，否则将引起电动
3、机的发热。因此，如果磁通减小，电磁转矩也必减小， 导致带载能力降低。由公式 E=4.44*K*F*N* 可以看出，在变频调速时，电 动机的磁路随着运行频率 fX 是在相当大的范围内变化，它极容易使电动机的磁 路严重饱和，导致励磁电流的波形严重畸变，产生峰值很高的尖峰电流。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，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式 多用于风机、泵类节能型变频器。 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%额定电流以下(根据机种不同，为 125%200%)。用工频电源直接起动 时，起动电
4、流为额定电流 67 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 1.21.5 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，起动转 矩为 100%以上，可以带全负载起动。 通常情况是不可以的。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。五、五、PLC 简介简介1、PLC 的的基基本本概概念念可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控 制应用而设计制造的。早期的可编程控制
5、器称作可编程逻辑控制(Programmable Logic Controller)，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术 的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装 置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的 简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC,plc 自 1966 年出现，美国，日本，德 国的可编程控制器质量优良，功能强大。2、PLC 的的基基本本结结构构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计 算机相同，基本构成为： a、电源 PLC 的电源在整个系统中起着十
6、分重要的作用。如果没有一个良好的、 可靠的电源系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也 十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去 b. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的 功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及 警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首 先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区， 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序
7、，经过命令解释后按指令的规定执 行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序 执行完毕之后，最后将 I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到 相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构 成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障， 整个系统仍能正常运行。 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 d、输入输出接口电路 1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是 PLC
8、与现场控制的接口界面的输入通道。 2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集 成，作用 PLC 通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块 f、通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP 通讯模块等 3、PLC 的的工工作作原原理理一. 扫描技术 当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程 序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运 行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依
9、次地读入所有输 入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后， 转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发 生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是 脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况 下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯 形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控 制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运 算，然后根据逻辑运算的结果
10、，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位 的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要 执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不 会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状 态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排 在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图， 其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的 程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则可以直接存取 I
11、/O 点。即使 用 I/O 指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从 I/O 模块 取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相 应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。 4、PLC 内内部部运运作作方方式式虽然 PLC 所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器 等名称，但 PLC 内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做 逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械
12、装置做实体控制。因此能大大减 少控制器所需之硬件空间。实际上 PLC 执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先 将阶梯图程式码以扫描方式读入 CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描 过程包括三大步骤， “输入状态检查”、 “程式执行”、 “输出状态更新”说明如下： 步骤一“输入状态检查”：PLC 首先检查输入端元件所连接之各点开关或传 感器状态（1 或 0 代表开或关） ，并将其状态写入内存中对应之位置 Xn。步骤 二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入 CPU 中运算，若程式执行中需要输入接 点状态，CPU 直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应 之位置，暂不反应至输出端 Yn
13、。步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至 PLC 输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为 PLC 之扫描周期， 而完成所需的时间称为 PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应 时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入 状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。六、课程设计内容六、课程设计内容（一）（一） 、控制要求、控制要求：（1）采用模拟量输入电压/电流控制变频器，从而实现变频调速的目标； （2）输入电压/电流与输出频率按线性关系变化； （3）要求变频器的输出频率按照课程设计的要求曲线变化，需采用 PLC 编程
14、 的方式完成； （4）除手动设置变频器功能外，只能采用 PLC 对变频器进行控制；需设置启 动、停止按钮。（二）（二） 、变频器输出曲线的要求：、变频器输出曲线的要求：（三）（三） 、实验接线方式、实验接线方式EM235 外供 24V，L 接 24V+,M 接 GNDCPU226 变频器 接线端子1L 24V+ VF-8(13）Q0.0 DIN1 VF-5(10)Q0.1 DIN2 VF-6(11)Q0.2 DIN3 VF-7(12)EM235 变频器 接线端子V0 AIN+ VF-3(8)M0 AIN- VF-4(9)七、总体设计七、总体设计1.曲线的选择、进行 PLC 编程。 2.硬件实现
15、：用扩展模块对 CPU226 和 EM235 进行连接，运行程序，用组态王完成监控。 3 软件实现：应用组态王 6.51 编写实验脚本。 4.设计整体验证： 软件硬件结合、测试验证设计的正确性。八、具体步骤八、具体步骤（一） 、变频器参数设置及 PLC 程序的编译，如：图 8-1。P0003=2P0010=1P0100=0P0304=220P0307=0.18P0310=50P0311=2800P0700=1P1000=2P1080=0P1082=50P1120=10P1121=10P3900=1图 8-1 （二） 、软件实践步骤： 第一步，打开组态王软件新建任务。确认名称为：变频器第八组课设
16、。图 8-2 组态王新建工程第二步，点击下一步，新建。图 8-3 新建任务列表第三步，打开设置配置向导，选择西门子 S7-200 系列 PPI 端口。图 8-4 选择配置向导中的西门子 PLC第四步，选择 COM6 串口进行连接，通讯地址为 2。图 8-5 第八组试验台选择 COM6 实验口第五步，选择数据词典，新建按钮。图 8-6 建成新 I/O 设备第六步，设置 I/O 离散，选择新 IO 设备，设置 M1.0，选择数据类型为 Bit，采集频率 100，读写属性为读写。图 8-7 新建按钮第七步，选择适当按钮图像。图 8-8 选择新建的按钮图案第八步，选择数据变化记录。图 8-9 设置按钮属性第九步，新建曲线，命名为变频器调速系统曲线 2图 8-10 新建曲线第十步，新建变量为变频曲线，设定为 I/O 整数，设置最大值为 327
