基于PLC和变频技术的电机调速研究

任海挺   殷凤飞  彭鹏  王玉轩

山钢股份莱芜分公司型钢厂

摘要：电机调速技术作为电气工程领域的关键研究方向之一，近年来在工业自动化、节能减排以及生产效率提升等方面发挥着愈发重要的作用。在众多调速方法中，基于可编程逻辑控制器（PLC）和变频技术的电机调速方案因其灵活性、高效性和精准性而备受关注。本文旨在深入研究基于PLC和变频技术的电机调速方案，探讨其原理、优势以及在不同应用场景中的实际效果。

关键词：PLC；变频技术；电机调速

在工业生产不断发展和电气设备日益智能化的形势下，对电机调速的要求也变得更加复杂和严格，在该背景下，PLC和变频技术的结合为电机调速带来了新的可能性。PLC作为一种先进的控制器，通过其灵活的编程和多功能性，为电机提供了更为智能化的控制手段，而变频技术则通过调整电机供电频率，实现对电机转速的精确控制，从而更好地满足各种工业场景下的调速需求。

一、基于PLC和变频技术的电机调速原理分析

在工业生产中，对电机的调速需求日益复杂，传统的调速方式难以满足高效、灵活的生产要求，所以引入先进的电机调速技术成为必然选择，基本的电机调速原理是通过调整电机的输入电压、电流或频率，实现对电机输出转矩和速度的控制。电机调速方法主要分为电压调速、电流调速和频率调速，电压调速通过改变电机的输入电压来调整其速度，电流调速则通过改变电机的输入电流来实现，频率调速则是通过改变电机的输入电源频率来控制电机的转速。

PLC是一种可编程的数字计算器，其工作原理是通过在其内部的可编程存储器中加载用户编写的程序，对输入信号进行逻辑运算，然后根据程序的设定来控制输出信号，实现自动化控制。在电机调速系统中，PLC起到了控制中枢的作用，通过用户编写的程序，PLC可以实时监测电机的运行状态，接收传感器反馈的信息，并根据预设的逻辑进行决策，从而控制变频器的输出，实现对电机的精准调速。

变频器是一种能够改变交流电源频率的电子器件，其基本原理是通过电子器件对输入电源进行变换，生成可调频率的输出电源，变频器可以控制电机的输入频率，从而实现对电机转速的调节。与传统的调速方法相比，变频技术具有精度高、能效好、噪音低等优势，通过调整电机的输入频率，变频技术可以实现平滑调速，避免了传统调速方式中频繁启停带来的机械冲击和能耗浪费[1]。下图为基于PLC和变频技术的电机调速原理图。

图1：基于PLC和变频技术的电机调速原理图

二、基于PLC和变频技术的电机调速方法

（一）分段调速控制方法

PLC是一种用于工业控制的计算机，具有可编程、可靠、灵活的特点，在电机调速系统中，PLC作为控制核心，负责接收传感器反馈信息、判断工作状态，并输出相应的控制信号，实现电机的调速控制。PLC通过传感器获取电机的实时状态，包括转速、电流、温度等信息，信息为后续的分段调速提供了准确的基础数据；根据生产工艺的需要，PLC将电机的运行过程划分为不同的工况，每个工况对应特定的转速要求，划分基于时间、工艺阶段或其他生产参数；PLC根据当前的工况判断需要的转速，并制定相应的调速策略，涉及变频器的频率调节、电机绕组的切换等控制手段，以实现电机平稳、精确的调速；最后，PLC输出相应的控制信号，通过接口与变频器、电机等设备进行通信，将调速策略转化为实际的控制动作，电机就能够按照预定的分段调速策略进行运行[2]。下图为分段调速控制的基本流程。

图2：分段调速控制的基本流程

变频器具有高精度的频率控制能力，可以满足对电机转速的精细调节需求。在分段调速系统中，高精度控制能够确保电机在不同工况下都能够稳定运行。

（二）无极调速控制方法

无极调速是指电机在运行过程中可以平滑、连续地调整转速，而非像传统的定速调速方式那样分段调速，无极调速的关键在于能够实现电机转速的无级调节，从而适应不同工况和生产需求。相比传统的分段调速，无极调速具有更为精准、平稳的调速效果，该调速方式能够在电机运行过程中实现连续的、无级的速度调整，避免了传统调速方式中的震动和冲击，提高了电机的运行稳定性和效率。在无极调速控制方法中，PLC起到了控制和调度的中枢作用，PLC通过预设的控制程序，实时监测电机的运行状态，根据需求调整变频器的输出频率，从而实现对电机的无极调速控制；变频器作为实现电机调速的核心设备，通过改变电源的频率，调整电机的转速，在无极调速控制中变频器接收PLC的指令，实时调整输出频率，以实现对电机速度的平滑调节。为了更好地实现无极调速，通常采用PID控制算法，PID控制器通过不断地调整输出信号，使得电机实际转速与期望转速保持一致，该算法具有响应速度快、控制精度高等特点[3]。

（三）光电编码器的闭环控制方法

光电编码器是一种用于测量旋转运动或线性运动的装置，通过对转动或运动的位置进行监测，将其转换为电信号，在电机调速系统中，光电编码器常用于反馈电机的实际转速和位置信息，为闭环控制提供准确的反馈数据。闭环控制通过不断调整电机的输出，使其实际运动状态与期望状态保持一致，光电编码器作为反馈装置，能够实时监测电机运动状态，为闭环控制系统提供准确的反馈信息，以确保电机的稳定性、精度和可靠性。PLC通过特定的模块接收光电编码器传来的反馈信号，包括电机的转速和位置信息，用户通过PLC进行设定，输入期望的电机转速或位置值；PLC通过比较实际反馈值和目标值，计算出电机当前的误差，即实际值与期望值之间的差距，PLC内部运行控制算法，根据误差值计算出相应的控制输出信号；PLC将计算得到的控制信号输出到变频器或其他调速设备，调整电机的输入电压、频率等参数，之后PLC持续监测光电编码器的反馈信号，不断调整控制输出，维持电机的稳定运行状态。

结束语

综上所述，基于PLC和变频技术的电机调速原理是综合运用电机控制、自动化控制和电力电子技术的系统工程。通过PLC实现对变频器的智能控制，使得电机调速系统在精准性、稳定性和高效性方面都得到了提升。

参考文献

[1]韩佳芳. 基于PLC的多段调速系统的设计与仿真[J]. 电子元器件与信息技术,2022,6(8):61-64,105. 

[2]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. 

[3]徐桂敏,李莎. 基于PLC的交流电机调速与测速综合实训设计[J]. 湖北第二师范学院学报,2022,39(8):17-22.