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談PLC和變頻器電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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談PLC和變頻器電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要:在工業(yè)發(fā)展的過程中,繼電器控制技術(shù)已經(jīng)跟不上發(fā)展的腳步了,發(fā)展已經(jīng)逐漸趨于電機(jī)變頻控制技術(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中,plc變頻器電機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為了企業(yè)運(yùn)行的基本要求,本文主要論述了PLC和變頻器的電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。

關(guān)鍵詞:PLC;變頻器;電機(jī)控制系統(tǒng);研究

引言

對(duì)于大型的設(shè)備來說,變頻調(diào)速能夠有效的提升它們的效率,使用變頻器可以有效的節(jié)省能源,提升產(chǎn)品的質(zhì)量,節(jié)省勞動(dòng)力。現(xiàn)今,因?yàn)樵谑褂肞LC和變頻器時(shí)信號(hào)抗干擾的能力強(qiáng)、成本低的優(yōu)點(diǎn),所以很多工業(yè)領(lǐng)域開始應(yīng)用它們。

1對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行分析

1.1閉環(huán)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

電機(jī)的控制系統(tǒng)是由下面三個(gè)組成的,電機(jī)、變頻器、PLC。首先對(duì)PLC進(jìn)行設(shè)置輸入,讓PLC對(duì)變頻器進(jìn)行控制,在通過變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制,最后電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以對(duì)PLC進(jìn)行反饋,在進(jìn)行比較后輸出到變頻器,可以完成無靜差調(diào)速。PLC以及光電編碼器可以實(shí)現(xiàn)速度的測(cè)量。使用S7-200采集速度信號(hào),其采集的功能是高速脈沖的,在采集的頻率上面可以實(shí)現(xiàn)30KHZ,擁有的高速計(jì)數(shù)器一共是6個(gè),在進(jìn)行脈沖差值采集時(shí),是在固定的時(shí)間間隔內(nèi)的,當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,通過計(jì)算就可以得出了,所謂的閉環(huán)控制,就是PLC接受速度信號(hào)的反饋,與給定量進(jìn)行比較,輸出數(shù)據(jù)給到PID控制的部分,從而對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié),使其可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定的目標(biāo)。

1.2變頻調(diào)速的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制回路和主電路共同組成了通常使用的變頻器。為異步電動(dòng)機(jī)電力變換,提供調(diào)節(jié)的電壓和電頻電源,稱之為主電路。主電路包含逆變器、中間直流的環(huán)節(jié)、整流器。(1)在將工頻電源轉(zhuǎn)換為直流電源時(shí),使用的就是整流器。(2)因?yàn)楫惒诫姍C(jī)是逆變器的負(fù)載,這是感性負(fù)載范圍內(nèi)的,所以不管電動(dòng)機(jī)是在發(fā)電的狀態(tài),還是電動(dòng)的狀態(tài),起始的功率在因數(shù)方面不會(huì)是1。所以,在電動(dòng)機(jī)和中間直流的環(huán)節(jié),總會(huì)出現(xiàn)交換無功功率的情況,在直流環(huán)節(jié)進(jìn)行儲(chǔ)能的元件(電感器、電容器)可以對(duì)無功能量進(jìn)行緩沖,所以,中間的直流環(huán)節(jié)其實(shí)就是在中間進(jìn)行儲(chǔ)能的環(huán)節(jié)[3]。(3)逆變器的作用是與整流器相反的,逆變器是對(duì)直流功率進(jìn)行交流功率的轉(zhuǎn)化,達(dá)到需要的頻率。6個(gè)半導(dǎo)體形式的開關(guān)器件共同組成了逆變器,逆變器電路是三相橋式的,對(duì)逆變器中主要的開關(guān)進(jìn)行有規(guī)律的斷開和導(dǎo)通控制,其輸出的頻率可以是任意的,呈現(xiàn)出三相交流的波形[4]。(4)制動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)開關(guān)、輸出電路、輸入的控制信號(hào)、檢測(cè)電路等共同構(gòu)成了控制回路。其主要是用來對(duì)逆變器開關(guān)進(jìn)行控制的,控制整流器電壓,實(shí)現(xiàn)保護(hù)的任務(wù)??刂频姆绞接袛?shù)字控制或者模擬控制。

2控制系統(tǒng)的調(diào)試分析

整定PID參數(shù)的方法是對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行比例系數(shù)、微分時(shí)間、積分時(shí)間的確定,對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性進(jìn)行改善,讓系統(tǒng)在過渡的時(shí)候,可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量指標(biāo)的要求。一般情況下是使用理論計(jì)算進(jìn)行確定的。此次測(cè)試是PID控制速度,呈現(xiàn)出在速度上的滯后性比較嚴(yán)重,所以,一般在讓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行增強(qiáng)時(shí),要將微分、積分、比例全部投入到使用中,在多次的對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和比較后,在比例系數(shù)設(shè)定為10的時(shí)候,積分的時(shí)間是0.15,微分的時(shí)間是0.01,系統(tǒng)的控制效果是比較滿意的。表1是輸出的情況。在這個(gè)表中可以看出,系統(tǒng)在10秒左右到達(dá)額定的轉(zhuǎn)速,之后在額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的運(yùn)行。在對(duì)這個(gè)控制系統(tǒng)加入一個(gè)階躍響應(yīng)的時(shí)候,出現(xiàn)的效果如圖1所示。在這個(gè)圖中我們可以看出的是,在輸入階躍信號(hào)到電機(jī)控制系統(tǒng)的時(shí)候,在進(jìn)行階躍響應(yīng)曲線輸出的時(shí)候,其過渡的是很平穩(wěn)的,沒有超出過調(diào)量,曲線在波動(dòng)方面也不大,具有很好的穩(wěn)定性,所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)是有效果的。

3變頻器在多電機(jī)時(shí)的控制方式

3.1正弦脈寬調(diào)制的控制方式

使用這種控制方式,主要是為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩-速度這一特性,讓電動(dòng)機(jī)在磁通方面不變化的情況下,對(duì)電源進(jìn)行頻率的改變,實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。一般使用的變頻器就是使用正弦脈寬調(diào)制的控制方式,實(shí)際上這種變頻器具有非常簡(jiǎn)單的組成結(jié)構(gòu),但是因?yàn)槭褂玫目刂品绞绞情_環(huán)的,所以在不能很好的完成控制的要求,在低頻的狀態(tài)時(shí),就需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償,對(duì)低頻轉(zhuǎn)矩進(jìn)行特性方面的更改??刂品绞降奶攸c(diǎn)主要表現(xiàn)是:低成本的控制電路、比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、在機(jī)械特性方面具有較好的硬度,對(duì)于平滑調(diào)速的需求一般是可以進(jìn)行滿足的,目前來說,已經(jīng)有很多領(lǐng)域使用這個(gè)控制方式了。

3.2矢量控制法

所謂的矢量控制,就是將異步電動(dòng)機(jī)的定子交流電流在三相坐標(biāo)下,Ia、Ib、Ic、之間實(shí)行三相到二相的轉(zhuǎn)換,把交流電流是在兩相靜止坐標(biāo)系下的Ia1和Ib1的效果進(jìn)行相等,然后在使用磁場(chǎng)定向(按轉(zhuǎn)子)對(duì)它們變換旋轉(zhuǎn),達(dá)到Im1、It1的相等效果。通過這種方式對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制方式的模仿,在直流電機(jī)方面,實(shí)現(xiàn)控制量,與其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo),進(jìn)行反交換,可以有效的實(shí)現(xiàn)控制異步電動(dòng)機(jī)。使用這種控制的方式,實(shí)際上就是將直流電機(jī)與交流電機(jī)的效果相等,分別控制其中速度和磁場(chǎng)這兩個(gè)分量,通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈,讓轉(zhuǎn)子磁鏈變成定向,分解定子電流,最后可以收獲磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩這兩個(gè)分量,通過交換坐標(biāo),實(shí)現(xiàn)正交或者解耦控制。但是還是會(huì)有一些問題,譬如,很難對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行準(zhǔn)確的觀測(cè),而且矢量變換是比較復(fù)雜的,實(shí)際的效果可能達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)。雖然提出了矢量控制的方法,但是結(jié)合實(shí)際情況,還是存在很多影響,使得實(shí)際的結(jié)果與理想的結(jié)果存在差距。

3.3轉(zhuǎn)差頻率的控制方式

這種方式是對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制,是在正弦脈寬調(diào)制控制方式的基礎(chǔ)上,結(jié)合異步電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)速的電源頻率,在進(jìn)行變頻器輸出頻率調(diào)節(jié)的時(shí)候,還需要結(jié)合預(yù)期的轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)就可以得到的相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩輸出,使用這樣的控制方式,需要將速度感應(yīng)器安裝到控制系統(tǒng)中,在實(shí)際的操作中,可能需要進(jìn)行電流反饋,以此來控制電流頻率和電流,這種方法就是閉環(huán)的控制方式,讓變頻器可以保持穩(wěn)定性,并且在出現(xiàn)急速的減速、加速時(shí),或者負(fù)載發(fā)生變化的時(shí)候,都可以進(jìn)行良好的響應(yīng)。

3.4直接轉(zhuǎn)矩控制

使用這種控制方式,對(duì)矢量控制出現(xiàn)的問題進(jìn)行了解決,對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新,使其簡(jiǎn)潔,有效的對(duì)動(dòng)靜態(tài)性能進(jìn)行了保障。目前來說,在交流傳動(dòng)功率比較大的方面已經(jīng)廣泛的使用了直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈的轉(zhuǎn)矩,其并不要求直流電機(jī)與交流電機(jī)擁有相等的效果,相比矢量控制來說,省略了很多的復(fù)雜的計(jì)算步驟,也不需要模仿直流電機(jī)的控制方式,也就省略了因?yàn)榻怦疃?jiǎn)單化的數(shù)學(xué)模型。

結(jié)語(yǔ)

PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)在很大程度上促進(jìn)了我國(guó)工業(yè)的發(fā)展。它具有一系列優(yōu)點(diǎn),能有效地優(yōu)化生產(chǎn)過程,提高控制效果。然而,在未來的發(fā)展中,有必要結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)過程的要求,積極優(yōu)化和研究PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]孫金召.基于PLC和變頻器的多電機(jī)速度同步控制[J].山東工業(yè)技術(shù),2018,(15):63-63.

[2]白蕾,孟嬌嬌,辛旗.基于PLC與變頻器的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2018,41(4):61-65.

作者:許琴 單位:江蘇省鹽城技師學(xué)院