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基于PLC的三相异步电机变频节能改造设计与实现

摘要

本研究重点围绕基于可编程控制器的变频调速系统展开研究，在设计过程中，设计系统除了电动机和变频器之外，还包括PLC。本研究工作的开展，加深了对器件和PLC的认识。所谓PLC，实际上指的是既可进行顺序计算，也可进行逻辑运算，根据算数、计数和计时等指令进行操作，以模拟式、数字式的方式进行输入输出，对不同生产过程进行控制的工业计算机。首先，收集与器件相关的各项信息资料，形成初步认识，随后，了解系统工作原理及基本框架，再查找相应的资料来加深认识，最终成功连接硬件设备。面对基于可编程控制器的变频调速系统，本文充分运用机械学、电子学等知识去寻找解决方案。本设计选择了三相异步交流电机，在实际应用、工业生产中，使用最频繁的是交流电机、PLC。从这个层面上来看，本节能改造设计的实用价值非常高。

关键词:交流调速系统；变频技术；异步电动机；PLC控制技术

目录

TOC\o1-2\h\u摘要 I

1绪论 2

1.1课题的背景及意义 2

1.2国内外发展现状 2

1.3论文主要工作 3

2电机变频节能改造原理 4

2.1系统的功能设计分析 4

2.2三相异步电机 4

2.3变频器 6

2.4PLC控制系统 6

3电机变频控制系统 9

3.1电机变频控制系统构成 9

3.2电机变频控制系统原理图 14

4电机变频改造方案分析 15

4.1变频改造后的运行分析 15

4.2变频改造后的节能分析 19

5结论 21

参考文献 22

1绪论

1.1课题的背景及意义

在交流电机无级调速的大范围需求之下，变频技术应运而生。由于以往老旧的直流调速技术体积大、故障频出，故而在应用方面存在诸多的限制。自上世纪六十年代起，晶闸管及其升级产品在电力电子器件当中得到了广泛的运用。但其调速性能远远无法满足需要。直至上世纪七十年代，有关于脉宽调制变压变频调速的探究获取了跨越性的成果，而在八十年代之后，微处理器技术的成熟度持续提升，处于这样的条件之下的优化算法的实现难度也大大减小。到了八十年代中后期，部分先进国家，譬如美国、德国、日本等将VVVF变频器技术引用到了实际当中，并且将其推向市场，受到了一致好评，同时在极短的时间内就被用到了多个领域当中。最初的变频器或许是日本人向英国购买专利之后研发而成的。然而，美、德两国在电子元件的制造及相关技术方面具有较为强劲的优势，所以其高端产品在市场当中占据了一定的份额。到了新世纪之后，国产变频器慢慢发展起来，当前也已经迈进了高端市场当中，并且收获颇丰。

1.2国内外发展现状

1.2.1国外电机变频技术发展现状

近些年，与计算机、电力电子以及自动控制相关的技术都得到了长足的发展，而在这样的大环境下，电机的控制技术也在持续精进，公众不再仅仅看重电机的速度、精准性以及稳定性，而是更加注重环境保护、能源节约以及经济性等。作为具有高新属性的变频技术在近几年颇受关注，吸引了诸多国际家电领域的专家，并且对其展开了全方位的开发及应用，其选用的是新型变频器，即30-130Hz的变化频率，而非过去的50Hz的固定供电频率，使得电动机运转频率的得以自动调节，不但使工作成效大大提升，而且有效节约了能源。变频器在上世纪八十年代早期步入了商品化阶段。在20余年的发展中，历经了两大发展时期，即从模拟控制转变为全数字控制，从BJT转变为IGBT。

1.2.2我国电机变频技术发展现状

可编程控制器（PLC）最早出现于上世纪七十年代，它的发展是以集成电路、计算机以及电气控制技术为基础的，而后慢慢变为了一种全新的工业控制设备，其核心是微处理器，且同时结合了计算机、通信、自动化三类技术。其优势十分突出，不但性能强劲、可依赖性强，而且在配置方面的约束较少，操作便捷、体积小。

工业自动化生产活动对调速系统提出了清晰而明确的条件，即平稳、快速、动态性能佳。该系统十分关键，在理论及实践两方面都深受重视，在一些行业当中被视作重中之重，譬如汽车、机械、国防等。调速控制系统的加工制作经过具有极高的繁杂度，而且存在诸多的未知性，故而对于相关理论及技术的要求都相对较高。

PLC是一类工业控制计算机，它是一种全新的自动化设备，同时聚合了三大技术，在抗干扰方面的性能尤为突出，值得信赖，加之变成复杂度低、易于掌握、性价比佳，故而在工业领域中具有较高的认可度，且得到了大范围的运用。

本文借助西门子S7-200PLC、EM235、西门子MM420变频器等硬件来对变频系统进行设计规划，使其能够对电动机的停止及正反转进行有效控制，同时可以对电动