1、 江蘇畜牧獸醫職業技術學院論文（設計） 畢業論文（設計）PLC在三相異步電動機控制中的應用指導老師： 宋飛燕 作 者: 那琴 班 級： 機電103053班 系（部）： 機電工程系 專 業： 機電一體化 時 間： 2012.04.08 摘 要 PLC在三相異步電動機控制中的應用，與傳統的繼電器控制相比具有速度快，可靠性高，靈活性強，功能完善等優點。長期以來，PLC始終處于自動化領域的主戰場，為各種各樣的自動化控制設備提供了非常可靠的控制應用，它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業企業對自動化的需要。本文設計了2個三相異步電動機的PLC控制電路，分別是三相異步電動機

2、的正反轉控制和兩臺電動機順序起動聯鎖控制，與傳統的繼電器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、靈活性強等優點，可作為高校學生學習PLC的控制技術的參考，也可作為工業電機的自動控制電路。關 鍵 詞:PLC; 三相異步電動機;繞組; 目錄摘要.I緒論.11 三相異步電動機基礎.2 1.1 三相異步電動機的結構.2 1.2 三相異步電動機的工作原理.2 1.3 三相異步電動機的幾個工作過程的分析.32 PLC基礎.6 2.1 PLC的定義.6 2.2 PLC與繼電器控制的區別.6 2.3 PLC的工作原理.6 2.4 PLC的應用分類.63 三相異步電動機的PLC控制.8 3.1 三相異步電動機的正反

3、轉控制.8 3.2 兩臺電動機順序起動聯鎖控制.9 3.3三相異步電動機使用PLC控制優點.10結論.12致謝.13參考文獻.14 緒論三相異步電動機的應用幾乎涵蓋了工農業生產和人類生活的各個領域,在這些應用領域中,三相異步電動機常常運行在惡劣的環境下,導致產生過流,短路,斷相,絕故,對緣老化等事故，應用于大型工業設備重要場合的高壓電動機,大功率電動機來說,一旦發生故障所造成的損失無法估量。在生產過程中,科學研究和其它產業領域中,電氣控制技術應用十分廣泛,在機械設備的控制中,電氣控制也比其它的控制方法使用的更為普遍。本系統的控制是采用PLC的編程語言-梯形語言,梯形語言是在可編程控制器中的應用

4、最廣的語言，因為它在繼電器的基礎上加進了許多功能，使用靈活的指令，使邏輯關系清晰直觀，編程容易，可讀性強，所實現的功能也大大超過傳統的繼電器控制電路，可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，它是專為在惡劣工業環境下應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用來在內部存儲執行邏輯運算，順序控制，定時，計數和算術等操作的指令，并采用數字式，模擬式的輸入和輸出，控制各種的機械或生產過程。長期以來，PLC始終處于工業自動化控制領域的主戰場，為各種各樣的自動化設備提供了非常可靠的控制應用，它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業，企業對自動化的需要。進入20世紀80年代，由于計

5、算機技術和微電子技術的迅猛發展，極大地推動了PLC的發展，使得PLC的功能日益增強，目前，在先進國家中，PLC已成為工業控制的標準設備，應用面幾乎覆蓋了所有工業，企業。由于PLC綜合了計算機和自動化技術，所以它發展日新月異，大大超過其出現時的技術水平，它不但可以很容易的完成邏輯，順序，定時，計數，數字運算，數據處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產機械數字量和模擬量的聯系，從而實現生產過程的自動化控制。特別是超大規模集成電路的迅速發展以及信息，網絡時代的到來，擴展了PLC的功能，使它具有很強的聯網通訊能力，從而更廣泛的運用于眾多行業。1.三相異步電動機基礎1.1 三相異步電動機的基

6、本結構 三相異步電動機由靜止的定子和旋轉的轉子兩個重要部分組成，定子和轉子之間由氣隙分開。圖1-1為三相異步電動機結構示意圖。(a) 外形圖； (b) 內部結構圖圖1-1 三相異步電動機結構示意圖1.1.1 定子定子由定子鐵心、定子繞組、機座和端蓋等組成。機座的主要作用是用來支撐電機各部件，因此應有足夠的機械強度和剛度，通常用鑄鐵制成。為了減少渦流和磁滯損耗，定子鐵心用0.5 mm厚涂有絕緣漆的硅鋼片疊成，鐵心內圓周上有許多均勻分布的槽，槽內嵌放定子繞組，如圖1-2所示。 圖1-2 三相異步電動機的定子1.1.2 轉子轉子由轉子鐵心、轉子繞組、轉軸和風扇等組成。轉子鐵心也用0.5 mm厚硅鋼片

7、沖成轉子沖片疊成圓柱形，壓裝在轉軸上。其外圍表面沖有凹槽，用以安放轉子繞組。按轉子繞組形式不同，可分為繞線式和鼠籠式兩種。 1.2 三相異步電動機的工作原理圖1-3為三相異步電動機工作原理示意圖。為簡單起見，圖中用一對磁極來進行分析。三相定子繞組中通入交流電后，便在空間產生旋轉磁場，在旋轉磁場的作用下，轉子將作切割磁力線的運動而在其兩端產生感應電動勢，感應電動勢的方向可根據右手螺旋法則來判斷。由于轉子本身為一閉合電路，所以在轉子繞組中將產生感應電流，稱為轉子電流，電流方向與電動勢的方向一致，即上面流出，下面流進。圖1-3 三相異步電動機工作原理圖 轉子電流在旋轉磁場中受到電磁力的作用，其方向可

8、由左手定則來判斷，上面的轉子導條受到向右的力的作用，下面的轉子導條受到向左的力的作用。電磁力對轉子的作用稱為電磁轉矩。在電磁轉矩的作用下，轉子就沿著順時針方向轉動起來，顯然轉子的轉動方向與旋轉磁場的轉動方向一致。 1.3 三相異步電動機的幾個工作過程的分析1.3.1 三相異步電動機的起動 三相異步電動機接通電源，使電機的轉子從靜止狀態到轉子以一定速度穩定運行的過程稱為電動機的起動過程。起動方法有直接起動和降壓起動兩種。1.直接起動 直接起動又稱為全壓起動，起動時，將電機的額定電壓通過刀開關或接觸器直接接到電動機的定子繞組上進行起動。直接起動最簡單，不需附加的起動設備，起動時間短。只要電網容量允

9、許，應盡量采用直接起動。但這種起動方法起動電流大，一般只允許小功率的三相異步電動機進行直接起動；對大功率的三相異步電動機，應采取降壓起動，以限制起動電流。 2.降壓起動 通過起動設備將電機的額定電壓降低后加到電動機的定子繞組上，以限制電機的起動電流，待電機的轉速上升到穩定值時，再使定子繞組承受全壓，從而使電機在額定電壓下穩定運行，這種起動方法稱為降壓起動。 前面講過，起動轉矩與電源電壓的平方成正比，所以當定子端電壓下降時，起動轉矩大大減小。這說明降壓起動適用于起動轉矩要求不高的場合，如果電機必須采用降壓起動，則應輕載或空載起動。常用的降壓起動方法有下面三種。(1) Y-降壓起動 這種起動方法適

10、用于電動機正常運行時接法為三角形的三相異步電動機。電機起動時，定子繞組接成星形，起動完畢后，電動機切換為三角形。 圖1-4 Y-降壓起動控制線路圖1-4是一個Y-降壓起動控制線路，起動時，電源開關QS閉合，控制電路先使得KM2閉合，電機星形起動，定子繞組由于采用了星形結構，其每相繞阻上承受的電壓比正常接法時下降了。當電機轉速上升到穩定值時，控制電路再控制KM1閉合，于是定子繞組換成三角形接法，電機開始穩定運行。定子繞組每相阻抗為|Z|，電源電壓為U1，則采用連接直接起動時的線電流為采用Y連接降壓起動時， 每相繞組的線電流為 則 （1-5） 由式（1-5）可以看出，采用Y-降壓起動時，起動電流比

11、直接起動時下降了1/3。電磁轉矩與電源電壓的平方成正比，由于電源電壓下降了，所以起動轉矩也減小了1/3。 以上分析表明，這種起動方法確實使電動機的起動電流減小了，但起動轉矩也下降了，因此，這種起動方法是以犧牲起動轉矩來減小起動電流的，只適用于允許輕載或空載起動的場合。 (2)自耦變壓器降壓起動 這種起動方法是指起動時，定子繞組接三相自耦變壓器的低壓輸出端，起動完畢后，切掉自耦變壓器并將定子繞組直接接上三相交流電源，使電動機在額定電壓下穩定運行。 1.3.2 三相異步電動機的制動 三相異步電動機脫離電源之后，由于慣性，電動機要經過一定的時間后才會慢慢停下來, 但有些生產機械要求能迅速而準確地停車

12、，那么就要求對電動機進行制動控制。電動機的制動方法可以分為兩大類：機械制動和電氣制動。機械制動一般利用電磁抱閘的方法來實現；電氣制動一般有能耗制動、反接制動和回饋發電制動三種方法。 1.能耗制動 正常運行時，將QS閉合，電動機接三相交流電源起動運行。制動時，將QS斷開，切斷交流電源的連接，并將直流電源引入電機的V、W兩相，在電機內部形成固定的磁場。電動機由于慣性仍然順時針旋轉，則轉子繞阻作切割磁力線的運動，依據右手螺旋法則，轉子繞組中將產生感應電流。又根據左手定則可以判斷，電動機的轉子將受到一個與其運動方向相反的電磁力的作用，由于該力矩與運動方向相反，稱為制動力矩，該力矩使得電動機很快停轉。制

13、動過程中，電動機的動能全部轉化成電能消耗在轉子回路中，會引起電機發熱，所以一般需要在制動回路串聯一個大電阻，以減小制動電流。這種制動方法的特點是制動平穩，沖擊小，耗能小，但需要直流電源，且制動時間較長，一般多用于起重提升設備及機床等生產機械中。2.反接制動 反接制動是指制動時，改變定子繞組任意兩相的相序，使得電動機的旋轉磁場換向，反向磁場與原來慣性旋轉的轉子之間相互作用，產生一個與轉子轉向相反的電磁轉矩，迫使電動機的轉速迅速下降，當轉速接近零時，切斷電機的電源，如圖1-6所示。顯然反接制動比能耗制動所用的時間要短。 (a) 接線圖； (b) 原理圖圖1-6反接制動示意圖 正常運行時，接通KM1

14、，電動機加順序電源UVW起動運行。需要制動時，接通KM2， 從圖可以看出，電動機的定子繞組接逆序電源VUW，該電源產生一個反向的旋轉磁場，由于慣性，電動機仍然順時針旋轉，這時轉子感應電流的方向按右手螺旋法則可以判斷，再根據左手定則判斷轉子的受力F。顯然，轉子會受到一個與其運動方向相反，而與新旋轉磁場方向相同的制動力矩，使得電機的轉速迅速降低。當轉速接近零時，應切斷反接電源，否則，電動機會反方向起動。反接制動的優點是制動時間短，操作簡單，但反接制動時，由于形成了反向磁場，所以使得轉子的相對轉速遠大于同步轉速，轉差率大大增大，轉子繞組中的感應電流很大，能耗也較大。為限制電流，一般在制動回路中串入大

15、電阻。另外，反接制動時，制動轉矩較大，會對生產機械造成一定的機械沖擊，影響加工精度，通常用于一些頻繁正反轉且功率小于10 kW的小型生產機械中。 3.回饋發電制動 回饋發電制動是指電動機轉向不變的情況下，由于某種原因，使得電動機的轉速大于同步轉速，比如在起重機械下放重物、電動機車下坡時，都會出現這種情況，這時重物拖動轉子，轉速大于同步轉速，轉子相對于旋轉磁場改變運動方向，轉子感應電動勢及轉子電流也反向，于是轉子受到制動力矩，使得重物勻速下降。此過程中電動機將勢能轉換為電能回饋給電網，所以稱為回饋發電制動。 2 PLC基礎2.1 PLC的定義 可編程邏輯控制器，一種數字運算操作的電子系統，專為在

16、工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算，順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。2.2 PLC與繼電器控制的區別1.控制方式 繼電器的控制是采用硬件接線實現的，是利用繼電器機械觸點的串聯或并聯極延時繼電器的滯后動作等組合形成控制邏輯，只能完成既定的邏輯控制。PLC采用存儲邏輯，其控制邏輯是以程序方式存儲在內存中，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，稱軟接線。2.控制速度 繼電器控制邏輯是依靠觸點的機械動作實現控制，工作頻率低，毫秒級，機械觸點有抖動現象。PLC是由程序指令控制半導體電路來實

17、現控制，速度快，微秒級，嚴格同步，無抖動。 3.延時控制 繼電器控制系統是靠時間繼電器的滯后動作實現延時控制，而時間繼電器定時精度不高，受環境影響大，調整時間困難。 PLC用半導體集成電路作定時器，時鐘脈沖由晶體振蕩器產生，精度高，調整時間方便，不受環境影響。2.3 PLC的工作原理當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。 (一) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入I/O映象區中的相應得單

18、元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 (二) 用戶程序執行階段 在用戶程序執行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區中對應

19、位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。 即，在用戶程序執行過程中，只有輸入點在I/O映象區內的狀態和數據不會發生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區或系統RAM存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在程序執行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即

20、輸入有些區別。 (三) 輸出刷新階段 當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。2.4 PLC的應用分類 目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類。1.開關量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝

21、生產線、電鍍流水線等。2.模擬量控制在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。3.運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器

22、人、電梯等場合。4.過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。PID調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。5.數據處理現代PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別

23、的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。6.通信及聯網PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發展，工廠自動化網絡發展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統。新近生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3 三相異步電動機的PLC控制3.1 三相異步電機的正反轉控制 在生產過程中,往往要求電動機能夠實現正反兩個方向的轉動,如起重機吊鉤的上升與下降,機床工作臺的前進與后退等等。由電動機原理可知，只要把電動機的三相電源進線

24、中的任意兩相對調，就可改變電動機的轉向。因此正反轉控制電路實質上是兩個方向相反的單相運行電路，為了避免誤動作引起電源相間短路，必須在這兩個相反方向的單向運行電路中加設必要的互鎖。按照電動機可逆運行操作順序的不同，就有了“正-停-反”和“正-反-停”兩種控制電路圖3-1正反轉繼電器控制圖圖3-2 I/O接線圖圖3-3 梯形圖 指令程序地址 指令 數據0000 LD00010001 OR 05000002 AND-NOT 00000003 AND-NOT 05010004 OUT 05000005 LD 00020006 OR05010007 AND-NOT 00000008 AND-NOT 05

25、000009 OUT 05010010 END(01)PLC控制的工作過程的分析： 按下SB2，輸入繼電器0001動合觸點閉合，輸出繼電器0500線圈接通并自鎖，接觸器KM1主觸點，動合輔助觸點閉合，電動機M通電正轉。 按下SB1，輸入繼電器0000動斷觸點斷開，輸出繼電器0500線圈失電，KM1主觸點，動合輔助觸點斷開，電動機M斷電停止正轉 按下SB3,0002動合觸點閉合,0501線圈接通并自鎖,KM2主觸點,動合輔助觸點閉合,電動機M通電反轉3.2 兩臺電動機順序起動聯鎖控制在裝有多臺電動機的生產機械上，有時必須按一定的順序起動電動機，才能滿足工作的需要。例如某個設備要求:“必需首先起動

26、甲電動機，然后才能起動乙電動機，當甲電動機停止后，乙電動機自動停止”。這種要求可采用下面的控制線路來實現。 圖3-4 順序啟動繼電器控制圖圖3-5 I/O接線圖圖3-6 梯形圖 指令程序地址 指令 數據 0000 LD 0000 0001 OR 0500 0002 AND-NOT 0001 0003 OUT 0500 0004 LD 0002 0005 OR 0501 0006 AND 0500 0007 AND-NOT 0003 0008 OUT 0501 0009 END(01) PLC控制的工作過程的分析： 按下M1的起動按鈕SB1,輸入繼電器0000動合觸點閉合,輸出繼電器0500線圈

27、接通并自鎖,接觸器KM1得電吸合,電動機M1起動運轉;同時連接在0501線圈驅動電路的0500動合觸點閉合,為起動電動機M2作準備。可見,只有電動機M1先起動,電動機M2才能起動。這時如果按下M2的起動按鈕SB3,0002動合觸點閉合,0501線圈接通并自鎖,接觸器KM2得電吸合,電動機M2起動運轉。按下M1的停止按鈕SB2，0001動斷觸點斷開，使0500線圈失電，并且由于連接在0501線圈驅動電路的0500動合觸點的斷開，使得0501線圈同時失電，兩臺電動機都停止運行。若只按下M2停止，按鈕SB4時，0003動斷觸點斷開；使得0501線圈失電，M2停止運行，而M1仍運行。 3.3 三相異步

28、電動機使用PLC控制優點 本文設計就對三相異步電動機的正反轉控制，順序起動等系統進行了設計，還有其它的像制動和調速控制在這里我就不再設計，主電路都是一樣的，就控制電路有一點小差異，使用PLC控制三相異步電動機有很多好處的：不易老化，設備簡單，結構合理，便于控制價格便宜等，三相異步電動機要旋轉起來的先決條件是具有一個旋轉磁場，三相異步電動機的定子繞組就是要來產生旋轉磁場的。 我們知道，在相電源與相之間是相差120度的，三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也相差120度，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產生一個旋轉磁場。電流每變化一個周期，旋轉磁場在空間旋轉一周，即旋轉磁場的旋轉速度與電流的變化時同步的。旋轉磁場的轉速為n=60t/p 式中f為電源效率，P是磁場的磁極對數，n的單位是：每分鐘轉數，根據此式我們知道，電動機的轉速與磁極數和使用的電源頻率有關，用PLC控制三相異步電動機也需要