基于PLC的控制电机变频调速系统设计

2022-09-10

作为电力系统中的主要负载, 电机用户消耗了超过1/2的系统负荷, 但从机电能量转化的角度来看, 大多数电机的效率仍然偏低。随着制造工艺的不断提升, 单纯依靠形态设计手段提高电机运行效率的改进空间已经越来越小[1]。

可编程控制器 (PLC) 的核心微处理器, 通过将计算机技术与传统的继电器控制系统有机结合起来, 能够实现高度灵活、高可靠性的工业控制。为了进一步提高设备的自动化程度, 越来越多的企业将PLC技术应用于其工厂设备中。通过对原有电机控制系统的技术改造, 引入电机控制系统的数据自动采集、监控以及变频、组态技术完善并改进电机变频调速机构[1]。在此基础上, 成为目前提升电机效率的主要方式, 为最终产品的生产效率与质量提供了保障。

1 PLC的工作原理及其应用

1.1 PLC的工作原理

PLC是一种专业用于工业控制的微型计算机系统, 与一般的计算机系统类似, PLC也是由中央存储器 (CPU) 、存储器、电源、输入输出元件、编程器以及外设等部分组成。一般将P L C的运行过程大体分为输入采样、用户程序执行以及输出刷新三个阶段。在PLC的运行过程中, 其CPU会控制系统重复执行由此三阶段组成的运行周期。在输入的采用阶段, PLC将所输入状态以及数据通过扫描的方式一次读取, 然后将其存入I/O映象区中。当进入用户程序的执行阶段后, PLC将按照一定的顺序依次扫描并读取用户程序, 并根据其逻辑运算的结果, 对输入点在I/O映象区以外的存储数据进行刷新。此后, PLC进入输出刷新阶段, 该阶段里, PLC会通过CPU将I/O映象区内部对应的状态数据对所有的输出锁存电路进行刷性, 然后通过输出电路驱动相应的外设执行输出结果。

1.2 三菱FX2N系列PLC

本文的研究对象采用日本三菱公司的三菱FX2N-48MR型PLC, 与其他系列产品相比, FX系列是PLC产品中在中国应用最为广泛, 销量最大的产品系列。FX2N更是小型PLC中性能与运算速度最高的程序装置。该系统内置800步RAM可使用存储盒, 最大可扩充至16K步, 并可兼容包括16点到128点之间的所有型号主机, 并支持最小8点的扩展模块, 配置灵活, 扩展方便。

2 直流电机的PLC控制

图1描绘了他励直流电机的等效电路图, 由此推得其计算模型如式1。

上式中, 感应电动势为Ea=K eΦn, 由此我们可以推算出该直流电机的转速如式2所示, 其电磁转矩为TM=KTIa。

由此, 直流电机机的转矩平衡方程如式3所示。

根据以上系列对直流电机控制的基本原理的数学推导, 我们基本可以将对其转速控制的方法分为对励磁磁通的控制与对电枢电压的控制两种方式, 分别称作励磁控制法与电枢电压控制法。

PLC能够集成脉宽调制 (PWM) 控制信号发生器, 这样PWM的工作方式和主要通过调整事件管理器的定时器控制寄存器来进行调整;PWM的占空比的调节主要通过调整比较值来实现。由于采用了专用们P W M输出口来输出占空比可调的带有死区的P W M控制信号, 其外围的P W M波发生电路和延时电路被省去, 从而使得整个控制器的结构得以简化[3]。

3 交流异步电机的PLC控制的实现

与直流电机相比, 交流异步电机具有结构简单、体积小、成本低以及维护方便的特点, 因而得到广泛运用。计算机技术的引入, 为交流异步电机的发展开辟了全新的空间。

3.1 交流异步电机的变速原理

交流异步电机的转速的计算公式为n=60 (1-s) fp, 其中p、f分别代表电机的磁极对数以及电源的频率 (Hz) , s代表转差率, n即为所求的交流异步电机转速 (r/min) 。由此, 我们可以得出影响电机转速的因素主要包括p、s和f, 亦即电机的磁极对数、转差率以及电源的频率。从实际操作的角度来看, 通过调整电源频率的方式来对交流异步电机的转速进行调整, 最具可操作性。

3.2 交流异步电机的PLC控制

通过以上分析, 可以推断为维持交流异步电机的稳定性, 针对电机在向低于其额定转速调节时, 可以考虑通过转矩补偿的方式进行调整。其基本原理是当转速降低引起频率响应降低时, 电源电压同时也呈现下降趋势, 这时我们采取补偿电压的方式来维持磁通量不变, 从而使的电机的转矩回升。而通过PLC的应用, 我们能够方便的实现在电机频率改变的同时, 调整电机电压。

通过对SPWM实现载波机调制波频率的调整, 可以实现对电机的同步控制、异步控制以及分段式控制[4]。电压SPWM技术能够通过生成电压SPWM信号控制逆变器的开关管, 从而实现了对电机电源的频率调整。一般来讲, 生成SPWM信号的方法主要有硬件法与软件法两种, 前者通常采用集成电路来实现对逆变器的控制。

4 结语

随着电力电子以及信号处理技术的日益完善, 电机控制的数字化逐渐成为现实。尤其以PLC为内核的集成电机控制芯片的引入, 不仅避了免采用微处理器、专门陈列组合以及外围芯片构成的复杂系统所带来的高成本和高复杂性, 同时大大提高了系统的运算精度与可靠性。本文通过对两种电机控制基本原理的概述, 针对PLC技术的特点分析了其在电机控制领域中的优势与应用前景。

摘要：基于PLC控制的电机变频调速通过在电机控制系统中引入数据自动采集、监控以及变频、组态技术, 建立以PLC为控制核心的电机变频调速, 使得电机的数字化控制实现成为可能。本文主要介绍了电机控制的基本原理, 在此基础上对如何利用PLC来实现直流电机与交流异步电机的数字控制进行了分析。

关键词：PLC,电机控制,交流异步电机