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山东科技大学课程设计说明书

                       

             学院:自动化学院 专业: 自动化  班级:11-1、11-4       姓名:李扬 马国威 艾静  


课程设计题目:基于PLC的电动机星三角起动课程设计                                          

课程设计主要参考资料:

   (1)电气控制技术与PLC》 机械工业出版社  徐文尚 陈霞 武超 2011.8                                                    

   (2S7-200 SMART PLC完全精通教程 机械工业出版社 向晓汉 2013.8                                                                                            

课程设计应解决主要问题:

1.用PLC完成电机的星形-三角形启动程序设计完成实物接线,并调试成功。                                        

课程设计相关附件(如:图纸、软件等):

1.梯形图                                                                

2.STEP7-Micro/WIN SMART 软件、S7-200 SIM2.0软件

任务发出日期: 2014.6.15          

课程设计完成日期:2014.6.22            

摘要

异步电动机结构简单,价格低廉等特点,是使用最多的一种电动机.但是它的启动电流大,是额定电流的4到7倍,为了减少启动电流,通常采用串电阻降压,星三角降压和自耦变压器降压等启动方法,在电动机启动转矩要求不高的情况下,星三角降压启动时一种最简单可靠的启动方式。PLC在三相异步电动机控制中的应用,与传统的继电器控制相比,具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等优点。长期以来,PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场,为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案,适合于当前工业企业对自动化的需求。本文设计了三相异步电动机的PLC控制电路,采用西门子S7—200PLC。


关键词:异步电动机;星三角;降压起动


目录

摘要:-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3

1.课题设计要求:--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4

2.三相异步电动机起动方法-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------4

3.三相交流异步电动机的Y-△启动-----------------------------------------------------------------------------------------------------------8

4.PLC的接线及编程 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------9

5.调试 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------14

6.心得体会--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------15

7.参考文献 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------16


1 课题设计要求:

  1. 定义输入输出接口

  2. 编写流程图并写出程序

  3. 通过调试

2 三相异步电动机起动方法

        2.1三相异步电动机原理与机械特性

            2.1.1工作原理

异步电机是通过一旋转的磁场与感应在转子绕组内所产生的电流相互作用而产生电磁转矩来实现转动的。

当向三定子绕组中通过入对称的三交流电时,就产生了一个以同步转速沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以转速旋转,转子导体开始时是静止的,故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势(感应电动势的方向用右手定则判定)。由于导子导体两端被短路环短接,在感应电动势的作用下,转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用(力的方向用左手定则判定)。电磁力对转子轴产生电磁转矩,驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。并且转速低于同步速并与同步速方向相同旋转。

            2.1.2机械特性

三相异步电动机的机械特性是指在电动机定子电压频率以及绕组参数一定的条件下,电动机电磁转矩与转速或转差率的关系,即n=f(T)或s=f(T)。

            2.1.3起动特性

电动机的启动特性中最主要的是它的启动转矩。设启动转矩为Tst,为了机组能转动起来,必须大于拖动机械在n=0时的静负载力矩TL加上静摩擦阻力

1)启动电流Ist

在刚启动时,由于旋转磁场对静止的转子有着很大的相对转速,磁力线切割转子导体的速度很快,这时转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流均很大,同时,定子电流必然也很大。一般中小型鼠笼式电动机定子的启动电流可达额定电流的4~7倍。

2)启动转矩Tst

电动机启动时,转子电流I2虽然很大,但转子的功率因数很低,由公式

                       

可知,电动机的启动转矩T较小,通常=1.1~2.0。

三相异步电机启动应该满足以下基本要求:

1电动机有足够大的启动转矩;

2一定大小启动转矩前提下,启动电流越小越好;

3启动所需设备简单,操作方便;

4启动过程中功率损耗越小越好

    2.2起动方法介绍

       2.2.1直接启动

直接启动直接启动的优点:是所需设备少,启动方式简单,成本低。电动机直接启动的电流是正常运行的5倍左右,理论上来说,只要向电动机提供电源的线路和变压器容量大于电动机容量的5倍以上的,都可以直接启动。这一要求对于小容量的电动机容易实现,所以小容量的电动机绝大部分都是直接启动的,不需要降压启动。缺点:对于大容量的电动机来说,一方面是提供电源的线路和变压器容量很难满足电动机直接启动的条件,另一方面强大的启动电流冲击电网和电动机,影响电动机的使用寿命,对电网不利,所以大容量的电动机和不能直接启动的电动机都要采用降压启动.

直接启动的条件:

(1)异步电动机功率低于7.5KW

(2)小于或等于1/4乘以3加电源总容量/启动电动机容量

 2.2.2自耦变压器降压启动

电动机动时,定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次电压,一旦启动完毕,自耦变压器便被切除,电动机直接接至电源,即得到自耦变压器的一次电压,电动机进入全电压运行。通常称这种自耦变压器为动补偿器。这一线路的设计思想和串电阻启动线路基本相同,都是按时间原则来完成电动机动过程的。采用自耦变压器降压动会产生较大的动转矩。这种启动方法常用于容量较大、正常运行为星形接法的电动机。其缺点是自耦变压器价格较贵,相对电阻结构复杂,体积庞大,且是按照非连续工作制设计制造的,故不允许频繁操作。

      2.2.3转子串电阻(或电抗)启动

三相交流异步电动机启动过程中,常在三相定子电路中串接电阻(或电抗)来降低定子绕组上的电压,使电动机在降低了的电压下起动,以达到限制起动电流的目的。一旦电动机转速接近额定值时,切除串联电阻(或电抗),使电动机进入全电压正常运行。这种线路的设计思想,通常都是采用时间原则按时切除起动时串入的电阻(或电抗)以完成起动过程。在具体线路中可采用人工手动控制或时间继电器自动控制来加以实现。串电阻起动的优点是控制线路结构简单,成本低,动作可靠,提高了功率因数,有利于保证电网质量。但是,由于定子串电阻降压动,动电流随定子电压成正比下降,而动转矩则按电压下降比例的平方倍下降

2.2.4Y-△降压启动

对于正常运行的定子绕组为三角形接法的鼠笼式异步电动机来说,如果在启动时将定子绕组接成星形,待启动完毕后再接成三角形,就可以降低启动电流,减轻它对电网的冲击。这样的启动方式称为星三角减压启动,或简称为星三角启动(Y-Δ起动)。

定子绕组为连接的电动机,启动时接成Y,速度接近额定转速时转为运行,采用这种方式启动时,每相定子绕组降低到电源电压的58%,启动电流为直接启动时的33%,启动转矩为直接启动时的33%。启动电流小,启动转矩小。

Y-降压启动的优点是不需要添置启动设备,有启动开关或交流接触器等控制设备就可以实现,缺点是只能用于连接的电动机,大型异步电机不能重载启动

3 三相交流异步电动机的Y-△启动

        3.1主电路以及控制电路图

最终.bmp

电路的工作过程如下:

合上电源开关QS,按下启动按钮SB2,这时,接触器KM1、KM3时间继电器KT线圈通电,接触器KM1主触点和自锁触点均闭合。电动机按Y形接法启动,经过所整定延时时间后,时间继电器KT的常开触点闭合和常闭触点断开,使接触器KM3线圈断电,接触器KM3主触点断开,电动机暂时断电,同时接触器KM3互锁触点闭合,使得接触器KM2线圈通电,接触器KM2主触点和自锁触点闭合,电动机改为三角形连接,然后进入稳定运行,同时接触器KM2互锁触点断开,使时间继电器KT线圈断电。

4 PLC的接线及编程

    4.1 在电动机星三角起动中使用PLC的优点

在分析机电式Y-Δ启动特性的基础上,由于大量接触器的使用可能导致可靠性较差,基于传统接触器的控制电路在消除接触器断线不能正常启动、启动时形成的短路等故障时有一定的困难,将PLC应用到以上控制电路中,将使继电器在继电器控制电路中存在的问题迎刃而解。

PLC控制电路相对于继电器控制电路的优点

1、控制方式上看:电器控制硬接线,逻辑一旦确定,要改变逻辑或增加功能很是困难;而PLC软接线,只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。

2、工作方式上看:电器控制并行工作,而PLC串行工作,不受制约。

3、控制速度上看:电器控制速度慢,触点易抖动;而PLC通过半导体来控制,速度很快,无触点,顾而无抖动一说。

4、定时、数看:电器控制定时精度不高,容易受环境温度变化影响,且无记数功能;PLC时钟脉冲由晶振产生,精度高,定时范围宽;有记数功能。

5、可靠、维护看:电器控制触点多,会产生机械磨损和电弧烧伤,接线也多,可靠、维护性能差;PLC无触点,寿命长,且有自我诊断功能,对程序执行的监控功能,现场调试和维护方便。

4.2  PLC选择——西门子S7-200

S7-200 是一种小型的编程序控制器,适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。除此之外,还有以下三个方面的独到之处:

 1. 功能强大的指令集  包括位逻辑指令,计数器,定时器指令,复杂数学运算指令,PID指令,字符串指令,时钟指令,通信指令以及和智能模块配合的专用指令

2. 丰富强大的通信功能  s7-200提供了10种左右的通信方式以满足不同的应用需求

3. 编程软件的易用性  STEP-Micro/WIN32编程软件为用户提供了开发、编程、和监控的良好的编程环境。能够让用户快速上手。

4.2.1I/O地址分配


输入

输出
输入原件名称输入地址输入原件名称
输入地址
SB1启动按钮I0.0KM1接触器Q1.1
SB2停止按钮I0.1KM2接触器Q1.2
FR过载按钮I0.2KM3接触器Q1.3



        4.2.3系统外部接线图

        4.2.4主程序流程图




        4.2.5主程序梯形图

5调试

   ﹙1﹚将编好的程序输入到电脑中,并把编号的程序下载到PLC中。用连导线把PLC输入、输出接上电源,并由PLC到模块接入导线,接线完成后,对照电路图,自行检查电路中有无漏电接,错接和短接;接线端的连接是否牢固。

   ﹙2﹚在电脑中进行监控。按下启动按钮SB2,观察电机在程序控制下能否实现先星形启动,延时5秒再过渡到三角型运行的要求。

   ﹙3﹚按下停止按钮SB1,电动机能否直接停止运行。

   ﹙4﹚调试成功后,在电脑中停止运行的程序,将连接导线拔下理好,关闭各个电源

接线图如下:


6 心得体会

回顾此次PLC课程设计,在这段日子里,从理论到实践学到很多很多的东西, 同时不仅可以巩固了以前所学过的知识 ,而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要性,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。我觉得最重要的不是设计得有多完美,而是通过设计,通过对理论知识的实际运用发现自己的不足,为自己未来的学习指明方向。同时,这这也是一次锻炼我们团队协作的实践,在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,但是最终在同学的协助下,问题都得到了解决,同样让我知道了团队的力量多么可贵。

7 参考文献

《电气控制技术与PLC》 机械工业出版社  徐文尚 陈霞 武超 2011.8