网络教育学院专 科 生 毕 业 大 作 业 题 目： 异步电动机的正反转 PLC 控制研究 学习中心： 层 次： 高中起点专科 专 业： 电力系统自动化技术 年 级： 学 号： 学 生： 指导教师： 完成日期： 2022 年 09 月 01 日 异步电动机的正反转 PLC 控制研究3 PLC 在三相异步电动机 Y- △起动、能耗制动中的应用三相交流异步电动机是应用最为广泛的电气设备, 但它直接起动时产生的电流冲击和转矩冲击会对电网、电动机本身及其负载机械设备带来不利影响,因此常常采用降压起动。Y-△降压起动简单经济, 使用比较普遍。传统的 Y- △降压起动采用继电器- 接触器控制, 但由于其操作复杂、可靠性低等缺点, 必将被 PLC 控制所取代, 下面通过对两种控制方式的比较说明取代的必要性。3.1 继电器—接触器控制方式如图 3-1 所示, 工作原理如下: 合上电源开关 QS,(1)启动运转: ① 按下起动按钮SB2, KM1 线圈得电,KM1 常开触头闭合自锁, KM1 常闭触头分断对 KM4 联锁; KM3②线圈得电; KM1③ 、KM3 线圈均得电, 电动机 M 成 Y 联接, 开始起动, 同时 KM3 联锁触头分断对 KM2 联锁; KT ④ 线圈得电, 当 M 转速上升到一定值时, KT 延时结束, KT常闭触头分断, KM3 线圈失电, 解除 Y 联接, 同时 KM3 联锁触头闭合, KT 常开触头闭合, KM2 线圈得电并自锁,电动机 M 接成△全压运行。(2)能耗制动停转: ① 按下停止按钮 SB1, SB1 常闭触头先分断, KM1 线圈失电, KM1 自锁触头分断解除自锁, KM1 主触头分断 M 暂失电, KM1 联锁触头闭合解除对 KM4 联锁; KM2② 、KM3、KT 线圈均失电, 电动机 M 暂失电; SB1 ③ 常开触头后闭合, KM4 线圈得电, 电动机 M 接入直流电能耗制动, 迅速停机。图 3-1 继电器-接触器控制系统这种传统的继电器- 接触器控制方式控制逻辑清晰, 采用机电合一的组合方式便于普通机类或电类技术人员维修, 但由于使用的电气元件体积大、触点多、故障率大, 因此, 运行的可靠性较低。6 异步电动机的正反转 PLC 控制研究3.2 PLC 控制方式采用 PLC 实现三相异步电动机起动控制可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品, 自 60 年代末, 美国首先研制和使用可编程控制器以后, 世界各国特别是日本和联邦德国也相继开发了各自的 PLC, 因此, 与传统的继电器- 接触器控制系统相比较, 采用 PLC 实现三相异步电动机起、制动控制是最明智的选择。下面就是采用 OMRON 公司生产的 CPM2* 型 PLC 实现的三相异步电动机 Y-Δ 起、能耗制动控制电路的接线图( 图 3-2)、地址分配表(表 3-1)、梯形图(图 3-3)、指令程序及工作过程原理。图 3-2 PLC 控制的输入输出接线图3.2.1 PLC 控制的输入输出接线图将起动按钮 SB2、停止按钮 SB1 和热继电器 FR 的辅助触点一端分别接到 PLC 的输入模块上的输入端子 0.00、0.01、0.02, 另一端经 24V 直流电源接入公共端 COM。在输出模块中, 相线 L 经熔断器接输出公共端 COM, 接触器 KM1、KM2、KM3、KM4一端分别接到 PLC 的 输 出 模 块 上 的 输 出 端 子 10.00、10.01、10.02、10.03, 另一端接中性线 N, 如图 3-2 所示。3.2.2 I/O 地址分配表因 PLC 的类型不同, 为方便接线和编程, 上述符号地址必须转换为实际地址, 建立I/O 地址分配表, 图 3-2 的 I/O 地址分配表见表 3-1, 表中实际地址按 CPM2* 型 PLC 填写。表 3-1 I/O 地址分配表7 异步电动机的正反转 PLC 控制研究3.2.3 PLC 控制的梯形图PLC 的用户程序常采用梯形图进行编程, 这种编程方式被大多数用户所接受。根据 I/O 地址分配表( 表 3-1), 符合起动、停止控制要求的梯形图如图 3-3 所示 。图 3-3中 0.00、0.01、0.02 为 输 入 继 电 器 , 10.00、10.01、10.02、10.03 为输出继电器,TIM000、TIM001 为时间继电器, ——表示动合触点, —/—表示动断触点, —○—表示线圈。图 3-3 PLC 控制的梯形图3.2.4 助记符指令程序助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系, 而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲,其顺序为: 先输入, 后输出; 先上, 后下; 先左, 后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。图 3-3 的助记符指令程序见表 3-2, 其中 LD 是指常开触点8 异步电动机的正反转 PLC 控制研究与母线相连接的指令, OR 是并联常开触点的指令, AND NOT 是串联常闭触点的指令,OUT 是指驱动线圈的指令,TIM 是指实现导通延时操作的定时指令。表 3-2 助记符指令程序3.2.5 工作原理PLC 控制逻辑与传统的继电器接- 触器控制工作原理基本一致: (1) 起动时, 按下起动按钮 SB2, 接点 0.00 闭合, 输出继电器 10.00 得电并自锁, 动合触点 10.00 闭合, 导致输出继电器 10.02 也得电, 此时,KM1、KM3 线圈得电, 电动机成 Y 起动; 与此同时, 定时器 KT 开始计时,4S 时间到, 动断接点 TIM000 断开, 输出继电器 10.02 失电, 解除 Y联结, 动合接点 TIM000 闭合, 输出继电器 10.01 得电并自锁, 此时, KM1、KM2 线圈得电成△投入稳定运行; 在输出线圈 10.01 和 10.02 各自的回路相互串联了 10.02 和 10.01 的动断触点,使输出线圈 10.01 和 10.02 不能同时得电, 达到软互锁的目的。(2) 制动时, 按下停止按钮 SB1, 动断接点 0.01 断开, KM1、KM2 线圈失电, 动合接点 0.01 闭合,KM4 线圈得电, KM3 线圈得电,电动机 M 进入接入直流电能耗制动, 迅速停机。(3)过载时, 热继电器 FR 动断接点 0.02 断开, 从而使 KM1 线圈失电, 起到过载保护作用。9 异步电动机的正反转 PLC 控制研究3.3 比较与分析通过比较, 图 3-3 所示梯形图和图 3-1 控制回路分十分相似, 它们都表示了输入和输出之间的逻辑关系,但是它们之间的最大区别在于: 在继电器-接触器控制中, 输入、输出信号间的逻辑关系是由实际的布线来实现的, 要想改变控制顺序, 必须改变其实际布线;而在 PLC 控制方案中, 输入、输出信号间的逻辑关系则是由梯形图(程序的编制)来实现的, 要想改变其控制顺序, 仅需修改程序, 通过软件加以改接, 无需改变实际布线,其改变的灵活性及速度是继电器- 接触器控制电路无法比拟的。4 结论OMRON 系列 PLC 工作可靠, 使用简单, 用它控制三相异步电动机, 可以完成起动、制动、正反转控制等功能, 本文仅就 PLC 在三相异步电动机的 Y- △降压起动、能耗制动中的应用作了一些研究。随着 PLC 技术的发展, 使用 PLC 进行电机的运行控制已成10 异步电动机的正反转 PLC 控制研究为必然趋势。参考文献：[1] 潘政刚.中压(3-10kV)电动机起动方法的分析与比较[J].电气世界，2002．[2] 王俊普.智能控制[M].北京：中国科学技术大学出版社，1996.[3] 许晓鸣.智能控制理论及应用的发展现状[J]. 电子技术应用，1997.[4] 刘红樱，姜婷，周汉义.异步电动机软启动器设计[J]．机电工程，2007．11 异步电动机的正反转 PLC 控制研究[5] 李新兵，张继勇，薛半进.基于改进控制器的异步电动机直接转矩控制[J].机电工程，2006．[6] 周希章，周全.电动机的起动、制动和调速[M].北京：机械工业出版社，2001．[7] 何友全.交流异步电动机的软起动与保护探讨[J].矿山机械，2004．12 异步电动机的正反转 PLC 控制研究内容摘要三相交流异步电动机是应用最为广泛的电气设备, 但它直接起动时产生的电流冲击和转矩冲击会对电网、电动机本身及其负载机械设备带来不利影响,因此常常采用降压起动。一般有四种方式, 即定子回路串电阻起动、Y- △降压起动、自耦变压器起动和延边三角形起动, 其中 Y- △降压起动简单经济, 使用比较普遍。传统的 Y- △降压起动采用继电器- 接触器控制, 但由于其操作复杂、可靠性低等缺点, 必将被 PLC 控制所取代。本文从 PLC 定义和特点入手，进一步介绍了异步电动机及其常规起动方式，最后以 PLC 在三相异步电动机 Y- △起动、能耗制动中的应用进行了比较分析。 关键词：异步电机；PLC 控制；起动目 录I 异步电动机的正反转 PLC 控制研究内容摘要............................................................................................................................I引 言................................................................................................................................11 PLC 概述.......................................................................................................................21.1 PLC 的定义.......................................................................................................21.2 PLC 特点...........................................................................................................21.3 PLC 应用...........................................................................................................32 异步电动机及其起动方式...........................................................................................42.1 异步电动机.......................................................................................................42.2 异步电动机起动方式.......................................................................................42.2.1 直接起动................................................................................................42.2.2 Y-△起动..................................................................................................42.2.3 电阻降压起动........................................................................................42.2.4 自耦补偿起动........................................................................................42.2.5 变频起动................................................................................................52.3 异步电动机全压直接起动的危害...................................................................53 PLC 在三相异步电动机 Y- △起动、能耗制动中的应用..........................................63.1 继电器—接触器控制方式................................................................................63.2 PLC 控制方式...................................................................................................73.2.1 PLC 控制的输入输出接线图................................................................73.2.2 I/O 地址分配表.....................................................................................73.2.3 PLC 控制的梯形图................................................................................83.2.4 助记符指令程序....................................................................................83.2.5 工作原理................................................................................................93.3 比较与分析.....................................................................................................104 结论.............................................................................................................................11参考文献：.....................................................................................................................12II 异步电动机的正反转 PLC 控制研究III 异步电动机的正反转 PLC 控制研究引 言三相异步电动机的应用几乎涵盖了农业生产和人类生活各个领域，在这些应用领域中，三相异步电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故。对于应用于大型工业设备重要场合高压电动机、大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。在生产过程，科学研究和其他产业领域中，电气控制技术应用十分广泛。在机械设备的控制中，电气控制也比其他的控制方法使用的更为普遍。长期以来，PLC 始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。进入 20 世纪 80 年代，由于计算机计数和微电子技术的迅速发展，极大的推动了 PLC 的发展，使的 PLC 的功能日益增强。PLC 是一种固态电子装置，它利用已存入的程序来控制机器的运行或工艺的工序。PLC 通过输入/输出（I/O）装置发出控制信号和接受输入信号。由于 PLC 综合了计算机和自动化技术，所以它发展日新月异，大大超出其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩大了 PLC 的功能，使其具有很强的的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。1 异步电动机的正反转 PLC 控制研究1 PLC 概述1.1 PLC 的定义可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。1.2 PLC 特点1.编程简单，使用方便梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其符号与继电器电路原理图相似。有继电器电路基础的电气技术人员只要很短的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序，梯形图语言形象直观，易学易懂。2.控制灵活，程序可变，具有很好的柔性可编程序控制器产品采用模块化形式，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，不用改变硬件，方便快速地适应工艺条件的变化，具有很好的柔性。3.功能强，扩充方便，性能价格比高可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的逻辑判断、数据处理、PID 调节和数据通信功能，可以实现非常复杂的控制功能。如果元件不够，只要加上需要的扩展单元即可，扩充非常方便。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。4.控制系统设计及施工的工作量少，维修方便可编程序控制器的配线与其它控制系统的配线比较少得多，故可以省下大量的配线，减少大量的安装接线时间，开关柜体积缩小，节省大量的费用。可编程序控制器有较强的带负载能力、可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。一般可用接线端子连接外部接线。可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能，便于迅速地排除故障。5.可靠性高，抗干扰能力强可编程序控制器是为现场工作设计的，采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，硬件措施如屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离、后备电池等，例如，西门子公司 S7-2 异步电动机的正反转 PLC 控制研究200 系列 PLC 内部 EEPROM 中，储存用户原程序和预设值在一个较长时间段（190小时），所有中间数据可以通过一个超级电容器保持，如果选配电池模块，可以确保停电后中间数据能保存 200 天。软件措施如故障检测、信息保护和恢复、警戒时钟，加强对程序的检测和校验。从而提高了系统抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，可编程序控制器已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。1.3 PLC 应用目前，可编程序控制器已经广泛地应用在各个工业部门。随着其性能价格比的不断提高，应用范围还在不断扩大，主要有以下几个方面：1.逻辑控制可编程序控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑运算的能力，可以实现逻辑运算，用触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制，定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域最为普及，包括微电子、家电行业也有广泛的应用。2.运动控制 可编程序控制器使用专用的运动控制模块，或灵活运用指令，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。随着变频器、电动机起动器的普遍使用，可编程序控制器可以与变频器结合，运动控制功能更为强大，并广泛地用于各种机械，如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等场合。3.过程控制可编程序控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，通过模拟量I/0 模块，实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的 A/D 转换和 D/A 转换，并对被控模拟量实行闭环 PID（比例-积分-微分）控制。现代的大中型可编程序控制器一般都有 PID 闭环控制功能，此功能已经广泛地应用于工业生产、加热炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。 4.数据处理可编程序控制器具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以是运算的中间参考值，也可以通过通信功能传送到别的智能装置，或者将它们保存、打印。数据处理一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。3 异步电动机的正反转 PLC 控制研究2 异步电动机及其起动方式2.1 异步电动机 异步电动机定子上有三相对称的交流绕组，三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；转子绕组的导体处于旋转磁场中；转子导体切割磁力线，并产生感应电势，判断感应电势方向。转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，判断电磁力的方向。电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。根据以上电磁感应原理，异步电动机也叫感应电动机。2.2 异步电动机起动方式2.2.1 直接起动直接起动时异步电机最常见的一种起动方式，即在电机起动时，将电源电压全部加在定子绕组上。其优点是接线简单，投资低。缺点是起动电流较大，可达到额定电流的 5～8 倍。这种起动方式常用于小型电机的起动，对于中、大容量电机则不安全。2.2.2 Y-△起动起动时先将三相定子绕组接成星形，待转速接近稳定时再切换成三角形。起动时的电流只有三角形直接起动时线路电流的 1/3。其优点是体积小，重量轻，价廉物美，运行可靠，检修方便。其缺点是起动转矩小，为直接起动的 1/3，只适用于轻载或空载起动。另外在 Y-△切换时存在二次冲击，接触器的主触点易损坏。2.2.3 电阻降压起动在定子电路串电阻，起动电流在电阻上产生压降，降低了电机定子绕组上的电压，从而使起动电流减小。而缺点是成本较高，需单独安装，起动时电能损耗较大，不经济。2.2.4 自耦补偿起动利用自耦变压器降低加到电机定子绕组的电压。其优点是电压抽头可供不同负载起动时选择，缺点是体积大，重量重，价格高，需单独安装，维护检修量大。4 异步电动机的正反转 PLC 控制研究2.2.5 变频起动起动时电机端电压平滑上升，具有起动电流小、起动平滑、安全可靠性高、有多种起动方式可供选择等优点。其缺点是投资成本高，体积大， 需单独安装，一般用于对电机调速要求高的场合。2.3 异步电动机全压直接起动的危害从三相异步电动机固有机械特性的分析中知道，如果在额定电压直接起动三相异步电动机，由于最初起动瞬间主磁通约减少到额定值的一半，功率因数又很低，造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。以普通鼠笼式三相异步电动机为例，起动电流：IS=KIIN=（4-7）IN，起动转矩：TS=KTTN=（0.9-1.3）TN。起动电动机本身，由于电压太低起动转矩下降很多，当负载较重时，可能起动不了。电动机较大的起动电流引起电压下降，对电动机本身有着不良影响，因电压太低会使电动机起动转矩下降很多，当负载较重时，电动机可能不能起动。通常电动机起动过程时间很短，短时间过大的电流，从发热角度来看，电动机本身是可以承受的。但是，对于起动频繁的电动机，过大的起动电流会使电动机内部过热，导致电机温升过高，使电机绕组绝缘过热而老化。因此要采取措施，减少最初起动电流的影响。 从上面分析看出，不同的电源和不同的负载情况，对电动机起动的要求不一样的。有时要求有大的起动转矩；有时要求起动电流要小，有时上述两个要求要同时满足。总之电动机起动过程需要考虑以下几个问题：1．应有足够大的最初起动转矩；2．尽可能小的最初起动电流；3．起动操作简便，起动设备简单和经济；5