基于PLC和变频器的异步电机闭环调速系统研究

杨海刚,李小亮,闫力

（兰州石化公司 730060 甘肃省兰州市西固区）

摘要：本文对基于PLC和变频器的异步电机闭环调速系统进行了研究，通过对基于PLC和变频器的闭环调速系统进行建模分析，得到了异步电机闭环调速系统的传递函数。在此基础上，设计了基于 PLC和变频器的异步电机闭环调速系统的硬件电路和软件程序。

关键词：PLC；变频器；调速系统

引言：异步电机在工业电力场合中作为重要的部件设备之一，其能具备较好的调速功能。为了提高异步电机调速系统在实际应用中的效率与应用效果，需要加强其自动化水平。PLC控制技术作为现今广泛使用的控制技术之一，可以将其与变频调速系统结合起来，加强调速系统性能。

1.基于PLC和变频器异步电机闭环调速系统必要性

传统的异步电机控制系统多采用PID（比例-积分-微分）调节器，在控制精度、抗干扰能力和稳定性方面存在较大不足，尤其是在负载突变时，电机的速度响应变慢，从而引起较大的动态误差，使得闭环控制系统不能对电机转速进行实时有效的控制。另外，由于调速系统是一个闭环系统，当电机转速变化时，变频器输出频率也随之变化，因而变频器本身存在一定的机械振动。如果没有采取措施使变频器输出频率与电机转速相匹配，则会对整个调速系统产生不良影响[1]。因此，在异步电机控制系统中引入PLC技术和变频器技术是十分必要的。在传统的控制系统中，采用PID调节器调节速度往往存在着速度响应慢、控制精度低和动态响应差等缺点。另外，传统的PID调节器通常采用机械传感器对电动机转速进行检测，当输入信号频率发生变化时，其输出信号也随之改变。这一特点对于基于PID调节器的闭环调速系统而言是一个不可忽略的缺点。为了克服传统的PID调节器所存在的缺陷，本文将PLC和变频器结合起来实现闭环调速系统的控制。

2.基于PLC和变频器异步电机调速系统的分析

2.1调速系统总体设计

整个系统由输入、输出部分和控制部分组成。PLC通过模拟量输入模块来控制变频器的运行频率，当转速下降时，PLC通过输出一个较低频率的模拟量给变频器，以使其工作于低频率的状态，当转速升高时，PLC通过输出一个较高频率的模拟量给变频器，以使其工作于高频率状态。变频器是一种控制电机转速的设备。它将交流电转变成直流电来控制电动机的转速。它由一个可控硅（IPM）作为逆变器，把交流电变为直流电。该变频器除了具有传统变频器所具有的调速功能外，还能通过调节PID参数来实现负载转矩、转速以及转矩脉动的调节。整个调速系统由PLC和变频器组成[2]。

2.2变频器控制部分

变频器的控制部分主要包括变频器的启动和停止、频率调节等，其中最主要的是电动机的启动和停止。当电动机正常运转时，变频器的输入端电压与输入电流成正比，故可以根据电动机电流的变化来判断电动机是否处于正常运转状态。当电动机处于正常运转状态时，输入电压与输出电压成正比，则输出电流也随输入电压变化。因此，通过检测变频器输出端电流就可以判断电动机是否处于正常运转状态。根据以上原理，可以得出变频器控制部分的数学模型：式中：F为电动机转速；F为变频器输出频率；M为变频器额定输出功率；K为变频器额定转矩；n为电动机定子电阻；n为电机定子电阻；τ为电机定子电流；Δx为电机定子电流与输入电压之比。为了消除变频器输入端电压波动对控制系统的影响，可以将变频器与PLC串联起来。

2.3PLC程序设计

为了保证 PLC程序运行的可靠性，要求 PLC在设计时采用模块化程序设计，便于硬件配置，并可以方便地根据实际需要增减模块。由于本系统的控制要求比较严格，因此本系统的程序设计比较复杂。在本系统中，主要有以下几个模块组成：（1）电机转速检测模块；（2）变频器控制模块；（3）故障报警模块。其中，电机转速检测模块的工作过程如图1所示。当变频器检测到电机转速发生变化时，其输出频率随之变化。为了保证系统的稳定运行，本文采用一种新型的频率检测方法——加速度计检测法，即在变频器输出端接入一个加速度计来测量电机转速变化率。在本系统中，由于传感器的固有误差以及外界环境因素的影响，其测量值与实际值之间存在着一定的误差。因此，为了保证系统的稳定性，本文采用模糊 PID控制器对该误差进行修正。

2.4功率单元硬件部分

功率单元包括主电路和控制电路两部分。主电路包括IGBT驱动模块、整流模块、逆变模块及保护功能。功率单元的控制电路由PLC控制和变频器驱动两部分组成。采用PLC作为系统的主控制器，PLC的程序主要包括梯形图程序和汇编语言程序两部分，其中梯形图程序由PLC中的梯形图模块、输入模块和输出模块三个部分组成，汇编语言程序由PLC中的汇编语言模块和输出模块三个部分组成。功率单元采用三相全控桥式整流电路，将380V工频交流电转换为直流电。三相全控桥式整流电路由三组IGBT组成，每组IGBT上都有一个栅极驱动电压VG0,这一电压由主回路提供。由于本设计采用变频调速系统，因此在直流侧串联了一个5μF的电容C1,用以吸收电源中的谐波分量，从而起到滤波的作用。直流侧电容C1的规格为10μF。

2.5PLC与变频器的通信

在闭环调速系统中，PLC与变频器之间采用串行通信方式进行数据交换。PLC通过串行通信接口与变频器连接，并根据PLC指令和变频器控制程序编写相应的通信程序，在规定的时间内将接收到的数据传输到变频器中。当变频器接收到数据后，首先将数据存储在内部的存储器中，然后根据控制程序确定传输速度和传输时间，并根据通信协议中规定的方法将数据发送到PLC中。同时，通过编程软件编制相应的通信程序将PLC中存储的数据传输到变频器中。在实际应用中，PLC与变频器之间通常采用点对点连接方式，即一个变频器驱动多台PLC[3]。采用这种方式时，如果某一台PLC出现故障，则必须通过软件或硬件进行切换。

2.6闭环调速系统的调试

调试时，首先对电机的转速进行测量，并对其输出电流和转速的关系进行分析，以确定系统是否满足设计要求。然后分别在两个相同的电机上进行测试，记录两个电机转速的差值，并记录下两者之间的差值。如果差值在给定的误差范围内，则表明系统符合设计要求；反之则表明系统不符合设计要求。 最后分别在两个电机上进行调速试验。在调速过程中，可以根据实际情况调整变频器的输出频率，以保证电机转速始终处于一定的范围内，从而达到控制电机转速的目的。另外，还可以通过改变变频器的频率来调节电动机的输出电流，以达到控制目的。

2.7实验结果

通过实验仿真可以得出以下结论：基于PLC和变频器的异步电机闭环调速系统与传统的速度调节方式相比，具有良好的动态特性和较高的控制精度。本控制系统能够有效地克服负载突变对异步电机调速控制所带来的不良影响，有效地提高了系统的动、静态性能。利用PLC和变频器组成闭环调速系统能够有效地解决传统控制方式中存在的速度响应慢、控制精度低和动态性能差等缺点，克服了传统速度调节方式存在的不足，从而实现了对异步电机转速的实时有效控制。本系统在实际运行中，由于受到负载突变等因素影响，速度调节存在一定滞后。为了克服这一缺点，在实际运行过程中可以通过在变频器输出频率上设置一定余量来缩短系统的调节时间，从而提高系统运行效率。

结论：基于PLC和变频器的异步电机闭环调速系统能够提高系统调速性能，实现对异步电机转速的有效控制。设计过程中可以对系统的动静性能进行完善，并且实现闭环操作，提高异步电机调速系统的控制精度。在输出频率上，变频器可以提供余量支持，进而实现调速系统的性能优化。

参考文献：

[1]程国栋. 基于PLC和变频器的异步电机闭环调速系统[J]. 电工技术,2022,(20):7-8+12.

[2]蔡卓剑. 变频调速异步电机额定参数的优化选择[J]. 电机技术,2022,(03):33-38.

[3]张厚升,朱胜杰,孟宪鹏,杜钦君. 转速电流双闭环控制的异步电机串级调速系统研究与仿真[J]. 山东电力技术,2021,48(09):23-27.