PLC和变频器的电机控制系统设计研究

PLC和变频器的电机控制系统设计研究

王兵

大唐保定热电厂，河北 保定 071051

摘要：对于大型设备，变频调速能有效提高其效率，采用变频器能有效节约能源，提高产品质量，节省人力。目前，由于PLC和变频器具有抗干扰能力强、成本低等优点，在许多工业领域得到了广泛的应用。

关键词：PLC；变频器；电机控制；系统设计；研究

1 PLC与变频器介绍

PLC是一种可编程逻辑控制器，可根据用户要求进行逻辑运算、顺序控制、数字运算等操作。PLC是一种可编程存储器，通过对存储器执行逻辑运算、转换数字信号和模拟信号进行输入和输出等一系列指令来控制整个生产过程。逆变器主要由整流器、滤波器和逆变器组成。是一种利用变频技术和微电子技术，通过调节电动机的电源频率来控制交流电动机的功率控制装置。可以根据电机的实际需要，提供合适的电源电压，以达到节能和调速的目的。同时还具有过流保持、过压保持等维护功能。

2 PLC和变频器在控制系统中的适用值

2.1有助于提高电气元件的存储容量

PLC具有独立的存储结构。系统程序存储器的内容是系统软件。用户程序存储器的内容是应用软件。通过这种存储结构，可以确保大的存储空间。此外，系统设计过程可以根据实际需要存储相关设备的历史数据，为以后的故障检测等任务提供可靠的基础。

2.2助力提升电气设备产品智能化水平

PLC技能和变频器在电气自动化控制系统中的主要作用是提高电气设备的响应速度和整体运行功率。这有助于提高电器的智能化水平。 PLC技能允许系统软件控制整个系统，使整个工作过程严格按照特定程序进行。同时，CPU对系统中的数据进行分析处理，评估整个系统的运行状态，并实时可靠地发送数据。变频器的作用是提供实际电源电压，在整个系统运行过程中调节和控制各环节的电压，保证系统的稳定运行。

2.3加减速过电流方面的故障

在变频器运行中，加减速过流引起的故障较为常见。固定功率逆变器在企业生产线上的应用一般在75kW范围内，设备运行过程中功率不适应，过流故障问题最为明显。一般来说，这类问题包括加速过流和减速过流两类。在实际生产中，这两类问题产生的原因是不同的。前者是由于加速度上升速度过快，负载惯性受到影响，导致严重故障。后者是由于逆变器在减速过程中惯性大或减速时间短，影响运行质量和工作效果。一般来说，这一问题的发生与变频器运行不规范密切相关，变频器运行不规范是传统技术应用和管理中普遍存在的问题。

2.4电机过载故障

在工业生产中，特别是在逆变器运行过程中，电机极易发生过载，这主要是由于V/F曲线不适用于其它故障问题。如果长时间处于低速运行环境，保护参数不合理，会产生较大的损耗，散热效果差，不能满足逆变器的运行要求。因此，这一问题在逆变器的运行中相当普遍，对逆变器的运行效果和使用寿命有着重要的影响。这种故障一旦发生，将给企业带来严重的损失。

2.5噪声和振动问题

变频器在运行过程中存在较大的噪声和振动，其主要原因是控制不规范。在实际生产中，要妥善处理这个问题，否则会严重影响整机的运行效果和质量。受通风、电磁、机械等多种因素的影响，会产生一定的噪声。如果输出电压和电流中存在谐波成分，噪声会增大。振动问题的形成包括电磁振动和机械振动，会对逆变器的运行效果带来一定的影响。

2.6变频器过热故障

在变频器的运行和应用中，如果各部分的实际运行不协调到位，就会引起过热故障，大量的热量会使变频器内部工作温度迅速升高。特别是如果外部环境和温度不稳定，会直接影响逆变器的散热效果，使设备无法正常发热，最终造成过热问题。这个问题离不开冷却系统的部署故障。

3 变频器在多电机时的控制方式

3.1 正弦脉宽调制的控制方式

该控制的主要目的是实现目标转矩转速特性，在不改变电机磁链的情况下改变电源频率，从而达到调速的目的。逆变器一般采用正弦脉宽调制的控制方式。实际上，转换器的结构非常简单。然而，由于所采用的控制方式是开环的，不能很好地完成控制要求。在低频状态下，需要通过转矩补偿来改变低频转矩的特性。控制方式的主要特点是：控制电路成本低、结构简单、机械性能硬度好。通常可以满足平稳调速的要求。目前，有许多领域采用这种控制方式。

3.2矢量控制方法

所谓矢量控制就是将异步电动机的定子交流电流从三相坐标系变换为两相，即IA、IB、IC，其交流电流相当于两相静止坐标系中IA1和IB1的作用。然后，利用磁场定向（转子定向）对它们进行变换和旋转，以达到IM1和it1的等效效果。用这种方法对直流电机进行了仿真。在直流电机方面，可以有效地实现控制量、相应的坐标和逆交换。事实上，直流电机和交流电机的作用是相等的，分别控制速度和磁场。通过控制转子磁链，使转子磁链具有方向性，对定子电流进行分解，得到磁场和转矩两个分量。通过坐标的交换，可以实现正交或解耦控制。但仍存在一些问题，如难以准确观测转子磁链，矢量变换复杂，实际效果可能达不到预期目标等。虽然提出了矢量控制方法，但结合实际情况存在诸多影响，使得实际结果与理想结果存在差距。

3.3转差频率控制方式

这种方法是直接控制转矩。它基于正弦脉宽调制的控制方式，结合异步电动机在实际运行过程中的工频转速，在调节变频器输出频率时，需要结合期望转矩，由电动机获得相应的转矩输出。如果使用此控制模式，则需要将转速传感器安装到控制系统中。在实际操作中，可能需要电流反馈来控制电流频率和电流。该方法采用闭环控制方式，使逆变器保持稳定，并能在快速减速、加速或负载变化的情况下做出良好的响应。

3.4变流器释放电路

当变流器的容量被释放时，降压是最有效的方法之一。本质上，变流器容量的释放应在不改变容量的情况下完成。借助变频器的可变电压范围，输出电流应逐步提高，以满足电机控制系统的需要。在理想状态下，变压器原边和二次边之间的电压比等于电流的反比。也就是说，降低电压的方法可以释放转换器的容量。因此，可以设计一个释放电路。具体如下：将变频器与变压器原边连接，电动机转子与变压器辅助边连接。此时，变比处于电机重载状态。当功率因数为1时，辅助侧所需的电压和电流分别为13V和9A，而逆变器输出的电压和电流分别为39V和3a，即变频器释放了约3倍的容量。强调了电机转子具有感应电压特性，并受其影响。逆变器输出全部为低频电压。鉴于此，在开发的节能控制系统中，降压变压器应采用低频变压器，以满足逆变器的需要。

3.5节能效果

在风机和泵的负载运行中，电机存在轻载时间长、负载变化大的现象。当电动机起动次数减少时，即使在轻载状态下，也会产生电能消耗，导致电网功率因数降低，造成能源浪费。根据有关规定，如果功率因数低于0.85-0.9，就要认定为无功，并缴纳无功电费。结果表明，在轻载状态下，电机年平均节能30%以上。

结束语

PLC自动控制系统极大地促进了我国工业的发展。它具有一系列优点，能有效优化生产工艺，提高控制效果。但是，今后有必要结合工业生产过程的要求，对PLC自动控制系统进行优化研究。

参考文献

[1]基于PLC和变频器的多电机速度同步控制[J]. 孙金召. 山东工业技术. 2018(15)

[2]基于PLC与变频器的恒压供水系统设计[J]. 白蕾,孟娇娇,辛旗.电子测量技术. 2018(04)