+论文+三相异步电动机正反转及Y降压启动的PLC控制线路设计.docx
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毕业设计
题目:
三相异步电动机正反转及Y--△降压启动的PLC控制线路设计
专业:
电气工程及其自动化
学号:
姓名:
指导教师:
学习中心:
西南交通大学
网络教育学院
2014年3月26日
院系专业电气工程及其自动化
年级学号姓名
学习中心指导教师
题目三相异步电动机正反转及Y--△降压启动的PLC控制线路设计
指导教师
评语
是否同意答辩过程分(满分20)
指导教师(签章)
评阅人
评语
评阅人(签章)
成绩
答辩组组长(签章)
年月日
毕业设计任务书
班级学生姓名学号
开题日期:
2014年3月日完成日期:
2014年4月日
题目三相异步电动机正反转及Y--△降压启动的PLC控制线路设计
题目类型:
工程设计√技术专题研究理论研究软硬件产品开发
一、设计任务及要求
设计任务:
通过PLC实现对三相异步电动机的正反转控制以及实现三相异步电动机Y--△降压启动
设计要求:
①交流接触器KM1、KM2分别实现对电动机正反转的控制
②交流接触器KM3、实现对电动机的星型联结减压启动,交流接触器KM4实现对电动机的三角形联结全压启动
③按下正向起动按钮SB1后,电动机M先作正向Y起动,10s钟后自动转换为△运行。
④按下反向起动按钮SB2后,电动机M先作反向Y起动,10s钟后自动转换为△运行。
⑤若任何情况下外部按下停止按钮SB3或热继电器FR动作时,都会导致电动机停止。
二、应完成的硬件或软件实验
应完成的硬件:
实现PLC、交流接触器、热继电器、三相异步电动机的连线。
应完成的软件:
PLC程序的编制。
三、应交出的设计文件及实物(包括设计论文、程序清单或磁盘、实验装置或产品等)
设计过程,PLC梯形图,
四、指导教师提供的设计资料
五、要求学生搜集的技术资料(指出搜集资料的技术领域)
六、设计进度安排
第一部分 硬件部分的安装(4周)
第二部分 PLC梯形图的设计(4周)
第三部分 硬件与PLC的连结调试(4周)
评阅或答辩(周)
指导教师:
年月日
学院审查意见:
审批人:
年月日
诚信承诺
一、本设计是本人独立完成;
二、本设计没有任何抄袭行为;
三、若有不实,一经查出,请答辩委员会取消
本人答辩(评阅)资格。
承诺人(钢笔填写):
年 月 日
摘要
在工业生产中三相异步电动机的应用非常广泛,因为三相异步电动机具有结构简单,运行可靠,效率高,控制方便,易于维护以及维修成本低等原因,在农业生产、工业制造或建筑工地中具有广泛的应用。
由于在不同的环境中,为了提高生产效率,我们需要正确合理的利用它。
本设计主要是针对在建筑工地上或者是工厂机械生产中,经常需要运动部件可以实现正反两个方向的起动,这就要求拖动电动机也就是三相异步电动机能作正、反向旋转。
对于正、反向旋转可以使用多种方式进行控制,本设计采用PLC实现对三相异步电动机的正反转控制。
在建筑工地上常常采用大型电动机作为运动部件,大型电动机直接启动容易对电网造成影响,所以在使用中要降压启动,降压启动可以采用多种方式进行,比如串联电阻降压启动、自耦变压器降压启动,本设计采用PLC实现星三角形降压启动。
关键词:
三相异步电动机正反转星三角形降压启动PLC
前言
本设计主要实现三相异步电动机正反转及Y--△降压启动的PLC控制,通过PLC的控制实现对三相异步电动机的正反转控制和实现Y--△降压启动。
本设计具有接线简单,操作方便,人机性能好,可靠性高等特点。
相比其他的降压启动方式,
1.定子绕组串接电阻降压启动。
缺点:
减小了电动机的启动转矩,同时启动时在电阻上功率消耗也较大。
若启动频繁,则电阻温度很高,对设备会产生一定影响
2.自耦变压器降压启动。
缺点:
设备庞大,成本较高。
3.手动控制Y--△降压启动
缺点:
从降压启动到全压运转,需两次按动按钮,操作不便,且间隔时间也不能准确掌握。
4.时间继电器Y--△降压启动
缺点:
延时误差大,难以精确地整定延时值,且延时值易受周围环温度、尘埃等的影响。
而通过PLC改造后的控制系统,其具有接线简单,操作方便,人机性能好,可靠性高等特点。
第一章三相异步电动机的基础
通过电机我们可以机械能与电能的相互转换,它是通过电磁感应原理实现的机械能与电能的相互转换。
我们把机械能转换成电能的设备称为发电机,而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。
在工业生产以及建筑施工中,我们主要使用的是交流电动机,小型设备主要用到的是单向电动机,在机床或者厂房建筑工地上就用到了三相异步电动机。
三相异步电动机结构简单、运行可靠、结构简单、抗干扰能力强、价格低廉、维护成本低等一系列优点,被广泛应用于机械加工、传送带、起重机、通风机等,也就是只要有工业生产或者建筑桥梁公路铁路的施工都离不开三相异步电动机。
1.1三相异步电动机的构造
三相异步电动机分为两个基本部分:
定子(固定部分)和转子(旋转部分)。
在定子和转子之间具有一定的气隙。
此外,还有轴承盖、端盖、轴承、接线盒、转轴、风扇、罩壳、吊环等其他附件如图1.1.1所示的是三相异步电动机的构造。
图1.1三相异步电动机的构造
1.1.1三相异步电动机定子
通过定子及加入三相交流电可以产生旋转磁场。
三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。
(1)外壳
三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。
机座:
铸铁或铸钢浇铸成型,它的作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。
中、小型三相电动机的机座还有两个端盖支承着转子,它是三相电动机机械结构的重要组成部分。
通常,机座的外表要求散热性能好,所以一般都铸有散热片。
端盖:
用铸铁或铸钢浇铸成型,它的作用是把转子固定在定子内腔中心,使转子能够在定子中均匀地旋转。
轴承盖:
也是铸铁或铸钢浇铸成型的,它的作用是固定转子,使转子不能轴向移动,另外起存放润滑油和保护轴承的作用。
接线盒:
一般是用铸铁浇铸,其作用是保护和固定绕组的引出线端子。
吊环:
一般是用铸钢制造,安装在机座的上端,用来起吊、搬抬三相电动机。
(2)定子铁心
异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分,由0.35mm~0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成,如图3.2所示。
由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的,所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。
铁心内圆有均匀分布的槽口,用来嵌放定子绕圈。
(a)定子铁心(b)定子冲片图1.2定子铁心及冲片示意图
(3)定子绕组
定子绕组是三相电动机的电路部分,三相电动机有三相绕组,通入三相对称电流时,就会产生旋转磁场。
三相绕组由三个彼此独立的绕组组成,且每个绕组又由若干线圈连接而成。
每个绕组即为一相,每个绕组在空间相差120°电角度。
线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。
中、小型三相电动机多采用圆漆包线,大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后,再按一定规律嵌入定子铁心槽内。
定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上,首端分别标为U1,V1,W1,末端分别标为U2,V2,W2。
这六个出线端在接线盒里的排列如图4.3所示,可以接成星形或三角形。
(a)星形连接(b)三角形连接
图1.3定子绕组的联结
1.1.2三相异步电动机转子
(1)转子铁心
是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成,套在转轴上,作用和定子铁心相同,一方面作为电动机磁路的一部分,一方面用来安放转子绕组。
(2)转子绕组
异步电动机的转子绕组分为绕线形与笼形两种,由此分为绕线转子异步电动机与笼形异步电动机。
①绕线形绕组
与定子绕组一样也是一个三相绕组,一般接成星形,三相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上,通过电刷装置与外电路相连,这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的运行性能,见图3.4。
1—集电环;2—电刷;3—变阻器
图1.4绕线形转子与
外加变阻器的连接
②笼形绕组
在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条,在铜条两端各用一个铜环(称为端环)把导条连接起来,称为铜排转子,如图3.5(a)所示。
也可用铸铝的方法,把转子导条和端环风扇叶片用铝液一次浇铸而成,称为铸铝转子,如图3.5(b)所示。
100kW以下的异步电动机一般采用铸铝转子。
(a)铜排转子(b)铸铝转子
图1.5笼形转子绕组
其他部分包括端盖、风扇等。
端盖除了起防护作用外,在端盖上还装有轴承,用以支撑转子轴。
风扇则用来通风冷却电动机。
三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙,一般仅为0.2mm~1.5mm。
气隙太大,电动机运行时的功率因数降低;气隙太小,使装配困难,运行不可靠,高次谐波磁场增强,从而使附加损耗增加以及使启动性能变差。
1.2三相异步电动机的工作原理
三相异步电动机的定子铁心中放有三相对称绕组U1U2,V1V2,W1W2,三相异步电动机转子之所以会旋转、实现电能到机械能的能量转换,就是因为三相对称绕组转子气隙内有一个旋转磁场。
当定子绕组中通入三相交流电后,他们共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断的旋转着,这就是旋转磁场。
这旋转磁场同磁极在空间旋转所起的作用是一样的。
当旋转磁场向顺时针方向旋转时,其磁通切割转子导条,导条中就有感应电动势。
电动势的方向由右手定则确定。
在电动势的作用下,闭合的导条中就有电流,这电流与旋转磁场相互作用,而使转子导条受到电磁力作用,电磁力的方向应用左手定则来确定,由电磁力产生电磁转矩,转子就转起来了。
转子转动的方向和磁极旋转的方向相同,当旋转磁场反转时,电动机也跟着反转。
1.3三相异步电动机的正反转工作过程
在工业生产中,有许多生产机械比如机床、搅拌机、升降机等对电动机不仅需要正转控制,同时还需要其实现反转控制,来达到工件往返的目的。
正转控制线路只能使电动机朝一个方向旋转,带动生产机械的运动部件朝一个方向运动,有些情况需要正方两个方向的运动,要满足生产机械运动部件能向正反两个方向运动,就要求电动机能实现正、反转控制。
当改变通入电动机定子绕组的三相电源相序,即把接入电动机三相电源进线中的任意两相对调接线时,电动机就可以反转。
在实际生产中,为了改变三相电源的相序实现方便控制,采用了多种方法,设计了倒顺开关用来改变三相电源的相序,也采用交流接触器用来改变三相电源的相序。
第二章三相异步电动机的起动
2.1起动性能
三相异步电动机的起动就是让电动机开动起来.在电动机起动的瞬间,我们从起动电流和启动转矩这两方面进行分析电动机的起动性能。
首先我们讨论起动电流,在刚起动时,由于旋转磁场对静止的转子有着很大的相对转速,磁通切割转子导条的速度很快,这时转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都很大。
由于转子电流增大,定子电流必然相应增大。
一般来说对于中小型笼型三相异步电动机的定子起动电流也就是线电流与额定电流之比值大约为5~7.
如果电动机在不是经常频繁起动的情况下,虽然起动电流是额定工作电流的5~7倍,但是这对电动机的本身影响不大。
因为虽然起动电流比较大,但是电动机起动运行的时间一般比较短,由于时间短,从发热角度考虑没有问题。
电动机起动后,转速很快升到正常水平,电流便很快降低到额定电流大小。
但是如果电动机起动频繁时,由于热量在电动机内部不断的积累,电动机就会发生过热现象。
因此,在实际生产中电动机尽量不要频繁进行起动。
但是,电动机的起动电流对于外部电网线路是有影响的,由于起动电流比较大,电网线路在短时间内会造成较大的电压降落,从而使负载端的电压降低,进而影响到了邻近的其他负载的正常工作。
其次讨论三相异步电动机的起动转矩。
在电动机起动的瞬间,虽然转子的电流较大,但转子的功率因数很低,所以在刚起动时起动转矩是不大的,它与额定转矩之比值约为1.0~2.2.
如果电动机的起动转矩太小,电动机就不可以在满负载的情况下进行起动工作,应设法提高其起动转矩。
但是如果电动机的起动转矩过大,就会使齿轮这种传动机构收到瞬时的冲击而造成损坏,所以应设法降低其起动转矩。
所以由上述讨论可知,起动电流过大是三相异步电动机在起动时的主要缺点。
所以为了减小起动电流,需要采用适当的起动方法。
2.2起动方法
对于经常用到的笼型电动机有直接起动和降压起动两种。
2.2.1直接起动
所谓的直接起动就是利用闸刀开关或者交流接触器使电动机直接通入额定电压实现电动机的转动。
虽然这种起动方法很简单,但是前面介绍过在起动的瞬间起动电流比较大,容易使电路电压降低,影响负载的工作。
2.2.2降压起动
针对大型电机直接起动造成线路电压降低,我们必须采用降压起动,就是在电动机起动时降低定子绕组的电压,以减小起动电流,等达到一定转速后再使定子绕组提高到额定电压。
笼型三相交流异步电动机常见的降压起动方式有以下几种:
(1)定子绕组串接电阻降压启动。
(2)自耦变压器降压启动。
(3)手动控制Y--△降压启动
第三章PLC基础
3.1PLC的定义
可编程逻辑控制器,一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
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。
3.2PLC与继电器控制的区别
1.控制方式继电器的控制是采用硬件接线实现的,是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑,只能完成既定的逻辑控制。
PLC采用存储逻辑,其控制逻辑是以程序方式存储在内存中,要改变控制逻辑,只需改变程序即可,称软接线。
2.控制速度继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制,工作频率低,毫秒级,机械触点有抖动现象。
PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制,速度快,微秒级,严格同步,无抖动。
3.延时控制继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制,而时间继电器定时精度不高,受环境影响大,调整时间困难。
PLC用半导体集成电路作定时器,时钟脉冲由晶体振荡器产生,精度高,调整时间方便,不受环境影响。
3.3PLC的工作原理
当PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
(一)输入采样阶段在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。
(二)用户程序执行阶段在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。
在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即,在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话,输入过程影像寄存器的值不会被更新,程序直接从I/O模块取值,输出过程影像寄存器会被立即更新,这跟立即输入有些区别。
(三)输出刷新阶段当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。
这时,才是PLC的真正输出。
3.4PLC的应用分类
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为几类。
1.开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2.模拟量控制 在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。
3.运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4.过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5.数据处理 现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6.通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。
第四章设计题目
三相异步电动机正反转及Y--△降压启动的PLC控制线路设计
第5章控制要求
控制要求:
1、按下正转按钮SB1,电机以Y—△方式正向启动,5S秒后转换成△运行;2、按下SB3停止。
3、按下反转按钮SB2,电机以Y—△方式反向启动,5S秒后转换成△运行;按下SB3停止。
第6章设计内容
三相异步电动机ㄚ-△减压起动的PLC控制
星形-三角形减压起动用于定子绕组在正常运行时接为三角形的电动机。
在电动机起动时将定子绕组接成星形,实现减压起动。
正常运转时再换接成三角形接法。
有电工基础知识可知,星形连接时起动电流仅为三角形连接时的1/√3,相应的起动转矩也是三角形连接时的1/3。
输入输出
停止按钮SB1:
X0KM1:
Y0
起动按钮SB2:
X1KM2:
Y1接触器△
FR:
X2KM3:
Y2接触器ㄚ
图6.1三相异步电动机减压起动的I/O接线图
图6.2减压起动梯形图
对应的指令如下表:
表6.3三相异步电动机的ㄚ-△减压起动的指令语句表
步序
指令数据
步序
指令数据
0
LDX001
10
MPP
1
ORY000
11
OUTT0K50
2
ANIX000
12
LDT0
3
ANIX002
13
ORY001
4
OUTY000
14
ANIY000
5
LDY000
15
ANIY002
6
ANIY001
16
ANIX002
7
MPS
17
OUTY001
8
ANIT0
18
END
9
OUTY002
三相异步电动机正反转PLC控制
输入输出
SB1:
X1KM1:
Y0
SB2:
X2KM2:
Y1
SB3:
X0
FR:
X3
SB1为正SB2为反
KM1为正转接触线圈
KM2为反转接触线圈
图6.4输入输出接线图
图6.5梯形图
将PLC连上编程器并接通电源后,PLC电源指示灯亮,将编程器开关打到“PROGRAM”位置,这时PLC处于编程状态。
编程器显示PASSWORD!
这时依次按Cltr键和Montr键,直至屏幕显示地址号0000,这时即可输入程序。
在输入程序前,需清除存储器中内容,按照以上控制的梯形图或程序指令将控制程序写入PLC,当程序输入到PLC指令如下表
对应的指令如下表:
表6.6三相异步电动机正反转的指令语句表
步序
指令数据
步序
指令数据
0
LDX001
7
ORY002
1
ORY001
8
ANIX000
2
ANIX000
9
ANIX003
3
ANIX003
10
ANIY001
4
ANIY002
11
OUTY002
5
OUTY001
12
END
6
LDX002
6.7.I/O接线图
输入
输出
输入继电器
输入元件
作用
输出继电器
输出元件
作用
X0
SB1
正向启动按钮
Y0
KM1
正向运行用交流接触器
X1
SB2
反向启动按钮
Y1
KM2
反向运行用交流接触器
X2
SB3
停止按钮
Y2
KM3
星形联结减压启动
X3
FR
过载保护
Y3
KM4
三角形联结全压启动
I/O口(输入/输出)。
6.8.梯形图
6.9主电路及电源指示电路
主电路及电源指示电路
结束语
本次论文能够顺利的完成在这里非常感谢指导教师张老师的用心指导。
同时也感谢机电教研组的各位老师的帮助。
参考文献
1.电力拖动控制线路与技能训练/李敬梅主编._—4版.北京:
中国劳动社会保障出版社,2007
2.电气控制线路安装与检修/人力资源和社会保障部教材办公室组织编写.—北京:
中国劳动社会保障出版社,2010
3.电机与拖动基础/李发海主编.—4版.清华大学出版社
4.电力拖动/姜广绪主编.—第1版西北工业大学出版社
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- 论文 三相 异步电动机 反转 降压 启动 PLC 控制 线路 设计