基于PLC控制的三相異步電動機變頻調速系統設計

鄭偉衛

(河南能源化工集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

在當今調速領域，變頻調速已經實現了與直流調速相媲美的調速性能，變頻調速取代直流調速已成必然趨勢[1-3]。在工業控制方面，PLC控制系統正在逐步取代繼電器—接觸器控制系統。本文將PLC控制技術和變頻調速技術結合起來，運用PLC來控制變頻調速系統，為今后設計高性能的調速系統打下良好的基礎[4-6]。

1 變頻調速系統功能

在DJDK-1型實驗臺上構建一個變頻調速系統，系統主要功能[7-11]：①可以進行工頻與變頻的切換；②變頻時電機可正轉、反轉，正向點動、反向點動，當正轉運行時可以選擇低速、中速、高速等運行方式；③電路系統具有自保、過載、過流、過壓等相關保護措施，各運行狀態下有相關指示燈提示；④當變頻器出現故障時，系統報警，并自動切換為工頻運行；⑤變頻器控制策略采用帶編碼器反饋的矢量控制方式；⑥設計出上位機與PLC通信的電氣圖。

2 變頻調速系統設計

系統結構如圖1所示。變頻器和三相異步電動機構成了1個變頻調速系統，并通過旋轉編碼器將電動機的速度信號以脈沖的形式反饋給變頻器，從而構成了1個速度反饋的閉環矢量控制系統；變頻器由PLC控制，當調速系統有報警信息時，變頻器可將報警信號發送給PLC，由PLC來執行相關的動作；PLC可與上位機相互通信，PLC的各種操作可通過上位機監測，上位機發出的操作命令也可通過PLC來執行。

圖1 系統結構Fig.1 System structure

3 硬件配置及系統電氣圖

3.1 設備選型

(1)交流電動機。DJ24三相鼠籠式電動機，容量Pn=180W；線電壓Un=380V；線電流0.6A；頻率50 Hz；轉速1 400 r/min。

(2)PLC。S7-300系列PLC，電源為PS307 2A，CPU為CPU313C-2DP，數字輸入模塊為SM321 DI16×DC24 V，數字輸出模塊為SM322 DO32×DC24 V/0.5 A，前連接器390-1AJ00-0AA0，20針型。

(3)變頻器。西門子A型MM440變頻器，并帶基本操作面板(BOP)和編碼器模板。

(4)旋轉編碼器。DD03-3型旋轉編碼器，該編碼器為增量式光電編碼器。

3.2 總體設計電氣圖

變頻調速系統硬件設計如圖2所示。系統包括：變頻主電路，工頻主電路；PLC控制電路；繼電器接觸器電路；接地電路；熱繼電器FR設定值為電動機額定電流的1.8～2.0倍。

圖2 變頻調速系統硬件設計Fig.2 Electrical diagram of hardware design for variable frequency speed regulation system

其中，變頻器、PLC、三相異步電動機都做接地保護，旋轉編碼器的屏蔽電纜屏蔽層接變頻器的 PE端，從而接地。MM440的輸入端口見表1。

表1 MM440的輸入端口Tab.1 Input port of MM440

4 系統參數設置及PLC程序設計

4.1 變頻器參數設置

依照變頻器說明書對變頻器相關參數號進行設置，如電機相關參數：額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉速等，保護相關參數、頻率相關參數、端口定義等。限于篇幅,本文僅列出高、中、低三段速相關參數設置，見表2。

表2 高、中、低三速度參數設置Tab.2 High,medium and low speed parameter settings

4.2 PLC程序設計

(1)工頻、變頻選擇。工頻、變頻選擇梯形圖如圖3所示。

圖3 工頻、變頻選擇梯形圖Fig.3 Ladder diagram of power frequency and frequency conversion selection

(2)電動機正反轉啟動及高中低速度運行選擇。正反轉啟動及高、中、低速度運行選擇梯形圖如圖4所示。

圖4 正反轉啟動及高、中、低速度運行選擇梯形圖Fig.4 Selection ladder diagram of forward and reverse starting and high,medium and low speed operation

(3)正反向點動的選擇。正反向點動的選擇梯形圖如圖5所示。

圖5 正反向點動的選擇梯形圖Fig.5 Selection ladder diagram of positive and negative point motion

(4)變頻器故障。變頻器故障梯形圖如圖6所示。

圖6 變頻器故障梯形圖Fig.6 Frequency converter fault ladder diagram

5 調試運行

(1)按變頻調速系統電氣圖連接各個硬件，合上閘刀開關Qs。

(2)在STEP 7中創建一個項目，組態硬件，并編寫程序，通過編程電纜將組態信息和程序下載到S7-300 PLC中；在變頻器的基本操作面板上，設置 P0010=30，P0907=1，按下P鍵，恢復變頻器到出廠缺省值，然后設置參數如前。

(3)工頻運行。閉合SB1時，KA3線圈帶電，指示燈H1亮，常開接點KA3閉合，從而KM3線圈帶電，主觸頭KM3閉合，電動機工頻運行；按下SB5，KA3線圈失電，指示燈H1滅，常開接點KA3斷開，從而KM3線圈失電，主觸頭KM3斷開，電動機停止運行。

(4)變頻運行。閉合SB2時，KA1和KA2線圈同時帶電，指示燈H2亮，常開接點KA1和KA2閉合，從而KM1和KM2線圈帶電，主觸頭KM1和KM2閉合，從而變頻器接入電路；按下SB5時，KA1和KA2線圈同時失電，指示燈H2滅，常開接點KA1和KA2斷開，從而KM1和KM2線圈失電，主觸頭KM1和KM2斷開，從而將變頻器從電路中切除。

(5)電動機正轉和停止。先把SB2閉合，將變頻器接入電路；閉合SB3，則Q4.3為邏輯“1”，變頻器數字輸入接口“5”為“ON”，電動機開始按所設置的8 s斜坡上升時間正向啟動，經8 s電動機正向運行速度為1 400 r/min，對應頻率為50 Hz，此時指示燈H3亮；按下SB5，則Q4.3為邏輯“0”，變頻器數字輸入接口“5”為“OFF”，電動機開始按所設置的8 s斜坡下降時間正向停車，經8 s電動機停止運行。

(6)電動機反轉和停止。先把SB2閉合，將變頻器接入電路；閉合SB4，則Q4.4為邏輯“1”，變頻器數字輸入接口“6”為“ON”，電動機開始按所設置的8 s斜坡上升時間反向啟動，經8 s電動機反向運行速度為1 400 r/min，對應頻率為50 Hz，此時指示燈H4亮；按下SB5，則Q4.4為邏輯“0”，變頻器數字輸入接口“6”為“OFF”，電動機開始按所設置的8 s斜坡下降時間反向停車，經8 s電動機停止運行。由于PLC程序中已經設置了正反轉的互鎖，不會出現誤操作。

(7)電動機低速運行。先閉合SB2，將變頻器接入電路；閉合SB6，PLC 輸出端Q4.6，Q4.5邏輯分別為“0”、“1”，變頻器“6”、“5”端口，為“OFF”、“ON”，變頻器工作在由P1001參數所設定的頻率為20 Hz的頻段上，電動機運行在由20 Hz所對應的560 r/min的轉速上，指示燈H5亮。按下SB5，則Q4.3為邏輯“0”，變頻器數字輸入接口“5”為“OFF”，電動機停止運行，指示燈H5滅。

(8)電動機中速運行。先閉合SB2，將變頻器接入電路；閉合SB6，PLC 輸出端Q4.6，Q4.5邏輯分別為“0”、“1”，變頻器“6”、“5”端口，為“OFF”、“ON”，變頻器工作在由P1001參數所設定的頻率為30 Hz的頻段上，電動機運行在由30 Hz所對應的840 r/min的轉速上，對應指示燈H6亮。按下SB5，則Q4.3為邏輯“0”，變頻器數字輸入接口“5”為“OFF”，電動機停止運行，指示燈H6滅。

(9)電動機高速運行。先閉合SB2，將變頻器接入電路；閉合SB6，PLC 輸出端Q4.6，Q4.5邏輯分別為“0”、“1”，變頻器“6、”“5”端口，為“OFF”、“ON”，變頻器工作在由P1001參數所設定的頻率為40Hz的頻段上，電動機運行在由40Hz所對應的1 120 r/min的轉速上，對應指示燈H7亮。按下SB5，則Q4.3為邏輯“0”，變頻器數字輸入接口“5”為“OFF”，電動機停止運行，指示燈H7滅。

(10)電動機正向點動運行。當按下正向點動帶鎖按鈕SB9時，PLC數字輸出端口Q4.7為邏輯“1”，變頻器數字輸入端口“16”為“ON”，電動機按所設置的4 s點動斜坡上升時間正向點動運行，經4 s后穩定運行在420 r/min的轉速上，與所設置的15 Hz頻率對應，此時指示燈H8亮。當松開正向點動帶鎖按鈕SB9時，PLC數字輸出端口Q4.7為邏輯“0”，變頻器數字輸入端口“16”為“OFF”，電動機按所設置的4 s點動斜坡下降時間停車，此時指示燈H8滅。

(11)電動機反向點動運行。當按下反向點動帶鎖按鈕SB10時，PLC數字輸出端口Q5.0為邏輯“1”，變頻器數字輸入端口“17”為“ON”，電動機按所設置的4 s點動斜坡上升時間反向點動運行，經4 s后穩定運行在420 r/min的轉速上，與所設置的15 Hz頻率對應，此時指示燈H9亮。當松開反向點動帶鎖按鈕SB10時，PLC數字輸出端口Q5.0為邏輯“0”，變頻器數字輸入端口“17”為“OFF”，電動機按所設置的4 s點動斜坡下降時間停車，此時指示燈H9滅。

(12)變頻器故障。當變頻器發生故障時，變頻器通過端口“18”，將信號輸入PLC的I1.2地址中，此時，Q6.3輸出邏輯為“1”，繼電器KA4帶電，常開接點KA4閉合，接觸器KA3線圈帶電，其常開觸點KM3閉合，電動機轉為工頻運行。

當變頻器故障修復后，端口“18”輸出為“OFF”，經I1.2，Q6.3輸出為邏輯“0”，繼電器KA4復位，接觸器KM3復位，電動機停止運行。

(13)變頻器過載。變頻器過載時，變頻器跳閘，同時報警，只有變頻器系統復位后，才可重新進行相關的操作。

6 結論

本文基于DJDK-1型試驗臺，設計了一個PLC控制的變頻調速系統，系統可以進行工頻與變頻的切換；變頻時電機可正轉、反轉，正向點動、反向點動，以及當正轉運行時可以選擇低速、中速、高速等運行方式；電路系統具有自保、過載、過流、過壓等相關的保護措施，各運行狀態下有相關的指示燈提示；當變頻器出現故障時，系統報警，并自動切換為工頻運行；變頻器控制策略采用帶編碼器反饋的矢量控制方式，速度控制的精度較高，速度控制和轉矩控制的動態性能也較好。經調試，系統正常運行，系統設計是穩定可靠的。