三相异步电动机正反转电路的设计.doc

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1、 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第II页榆林职业技术学院神木校区2011级毕业设计（论文）三相异步电动机正反转电路的设计年 级: 2011 学 号: 11050318 姓 名: 刘强 专 业: 机电一体化 指导老师: 王艳红 二零一四年三月 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第V页 榆林职业技术学院神木校区毕业设计（论文）院 系 机电 专 业 机电一体化 年 级 2011级 姓 名 刘强 题 目 三相异步电动机正反转电路的设计 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 毕 业 设 计 任 务 书班 级 11机3班

2、学生姓名 刘强 学 号 11050318 专 业 机电一体化 发题日期：2014 年 2 月 26 日 完成日期：2014 年 3 月 13 日题 目 三相异步电动机正反转电路的设计 题目类型：工程设计 技术专题研究 理论研究 实验论证一、 设计任务（课题背景、意义和培养目标，工程设计类应有技术经济分析要求） 二、 具体工作内容（原始数据、技术要求、工作要求） 三、 应交出的设计文件及实物（包括设计论文、论文字数、图纸规格、数量，外文翻译字数，程序清单或磁盘、实验装置或产品等） 四、 指导教师提供的设计资料 五、 要求学生搜集的技术资料（指出搜集资料的技术领域） 六、 设计进度安排第一部分 （

3、4 周）第二部分 （6 周）第三部分 （2 周） 评阅及答辩 （1 周） 指导教师： 年 月 日系主任审查意见：审 批 人： 年 月 日注：设计任务书审查合格后，发到学生手上。 榆林职业技术学院神木校区 2012年制摘 要本文主要阐述了关于用PLC控制三相异步电动机双重联锁正反转启动和能耗制动的电路。选用三菱公司的FX2N-16MR型号的PLC，利用PLC控制代替继电器控制，使三相异步电动机的正转、反转和能耗制动，实现三相异步电动机数字化控制。而且PLC使用梯形语言，使用户使用起来形象、直观、方便易学，在工业环境下应用PLC更方便，更安全实惠。关键词：可编程逻辑控制器（PLC）；三相异步电动机

4、；正反转启动；能耗制动AbstractThis article mainly elaborated about the use of PLC control three phase asynchronous motor dual interlocking positive &negative starting and braking energy circuit. With mitsubishi FX2N - 16 Mr Models of PLC, using PLC control instead of relay control, make the three-phase asynchr

5、onous motor forward, reverse and braking energy, realize digital three-phase asynchronous motor control. And PLC ladder language to use, the user to use image, intuitive, convenient and easy to learn, application of PLC in industrial environment more convenient, more secure.Keywords: Programmable lo

6、gic controller (PLC); Three-phase asynchronous motor; Positive &negative launched; Energy consumption braking 目 录目 录2ABSTRACT. II 第1章 设计任务分析4第2章 设计内容概述521三相异步电动机简介522可编程控制器（PLC）简介5第3章 硬件设计831 PLC的选型932 元器件简介933 主电路设计1034 I/O地址分配1135 I/O外部接线图12第4章 软件设计1341 列逻辑公式1342 设计梯形图1443 写出指令14第5章 可编程控制器（PLC）的安装

7、、检修和调试1651 PLC的安装1652 PLC的检修1653 PLC的调试17总结18参考文献19致 谢20附录：实物图21附录：元器件列表22第22页 共29页榆林职业技术学院神木校区毕业设计（论文） 绪 论PLC的简介PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC已经广泛应用于钢铁、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活

8、，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。社会的不断发展，对于动力的需求越来越高。目前动力的来源，绝大部分源于电动机。随着电动机的使用日益增多，电动机的控制也成了一门技术。对于电动机的控制线路有许多种，然而对于比较常用、比较广泛、比较经济、安全的控制线路，则只有按钮和接触器双重联锁正反转控制线路。而用PLC来控制电动机双重连锁正反转启动能耗制动的电路，可以使电路更加更加容易控制。第1章 设计任务分析设计一个用PLC控制的双重联锁正反转启动、能耗制动的电路，并且进行安装调试1.电路设计根据给定的继电器控制电路图,列出PLC控制I/O口(输入/输出)元件地址分配表,设计梯形图及PLC控制I/O口

9、(输入/输出)接线图,根据梯形图,列出指令表2.安装与接线(1)按PLC控制I/O口(输入/输出)接线图在模拟配线板上正确安装,元件在配线板上布置要合理,安装要准确,紧固,配线导线要紧固,美观,导线要进行线槽,导线要有端子标号,引出端要用别径压端子（2）将熔断器,接触器,继电器,转换开关,PLC装在一块配线板上,而将方式转换开关,行程开关,按钮等装在另一块配线板上3.程序输入及调试熟练操作PLC键盘,能正确地将所编程序输入PLC;按照被控设备的动作要求进行模拟调试,达到设计要求4.通电试验正确使用电工工具及万用表,进行仔细检查,最好通电试验一次成功,并注意人身和设备安全第2章 设计内容概述21

10、三相异步电动机简介三相异步电动机根据工作要求不同，主要进行降压启动、正反转、自动循环、制动、变速等不同控制。当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1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n1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）。由于转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。通过上述分

11、析可以总结出电动机工作原理为：当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。22可编程控制器（PLC）简介可编程控制器（简称 PLC，是一种数字运算操作的电子系统，是在20世纪60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，

12、控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。长期以来，PLC在工业自动化控制而发挥着巨大作用，为各种各样的自动化控制设备提供了广泛、可靠的控制应用。这主要是源于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，适合当前自动化工业企业的需要。1.PLC的发展历史20世纪70年代大规模集成电路和微处理机出现后，正式生产出了现在模式的可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）产品

13、。这类产品具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、体积小、应用灵活方便、工程周期短、操作维护方便、应用领域广阔等优点。随着集成电路和计算机技术的发展，现在己诞生了第五代PLC产品。而从应用角度看，PLC大概经历了如下几个阶段：（1）单机就地控制，取代继电器柜，至今仍然是PLC应用的主流。（2）数台PLC与1台PC相连，PC完成编程和在运行中作为人机界面（80年代后期）。（3）90午代，随着系统集成能力的提高，PLC提供系统通信的能力，构成可编程控制系统PCS（Programmable Control System），人机界面逐步完善，具有离散量和模拟量数据采集系统的监控能力。（4）随着近代现场总线、

14、网络、工业PC机（IPC）、软PLC技术的发展，以及系统开放性、电控仪控一体化、管控一体化、IT技术发展的需求，新型的覆盖大、中、小系统的PCS正在形成。2.可编程序控制器的工作原理PLC采用循环（巡回）扫描工作方式，而大、中型PLC还增加了中断工作方式。循环扫描即可按固定顺序，也可按用户程序所规定一级顺序（高级和低级顺序）或可变顺序等进行。因为有的用户程序不需要每扫描一次执行一次，也为的是在控制系统需要处理的I/O点数较多时，通过不同的模块组合的安排，采用分时分批扫描执行的办法，可缩短循环扫描周期和控制的实时性。用户将用户程序设计、调试后，用编程器键入PLC的存储器中，并将现场的输入信号和被

15、驱动的执行元件相应地接在输入模板的输入端和输出模板的输出端上，然后用PLC的控制开关使其处于运行工作方式，PLC就以循环扫描的工作方式进行工作。在输入信号、用户程序的控制上，产生相应的输出信号，完成预期的控制任务。PLC的典型的循环顺序扫描土作过程如图31所示。图21 PLC循环顺序扫描工作流程图从图31中可以看出，一个典型的可编程序控制器在一个扫描周期中要完成六个扫描过程。在系统软件的指挥下，按图24所示的程序流程顺序地执行，这种工作方式成为顺序扫描方式。从扫描过程中的某个扫描过程开始，顺序扫描后又回到该过程成为一个扫描周期。3.可编程控制器的的特点（1）通用性强,使用方便。由于PLC产品的

16、系列化和模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。当控制对象的硬件配置确定以后 ,就可通过修改用户程序 ,方便快速地适应工艺条件的变化。（2）功能性强,适应面广。现代 PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能 ,而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理等功能。因此 ,它既可对开关量进行控制 ,也可对模拟量进行控制 ,既可控制1台生产机械、1条生产线 ,也可控制1个生产过程。PLC 还具有通讯联络功能，与上位计算机构成分布式控制系统 ,实现遥控功能。（3）编程方法简单,容易掌握PLC配备有易于接受和掌握的梯形图语言。该语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当

17、接近。（4）体积小、质量小、功耗低。由于PLC是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品,因而结构紧凑,坚固,体积小,质量小,功耗低,而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。因此,PLC很容易装入机械设备内部,是实现机电一体化较理想的控制设备。第3章 硬件设计三相异步电动机正反转启动、能耗制动工作原理 如图3-1：图3-1三相异步电动机的正反转是靠倒其中一相电源来实现的，转换是用了两个交流接触器来完成，一个正常接法，完成正转，另一个接触器将其中两相调换，实现反转，两个接触器单独控制，并由机械连锁，或触点连锁来保护，那么直接带正反转的电机，就是指的单相带启动线圈的电动机，靠启动线圈的

18、头和尾所接的位置来确定反正转，比如原启动线圈的头，接在主线圈的头，然后火线上，尾接在主线圈的尾，然后接在零线上，它所旋转的方向，我们设为正转，那么，现在我们将启动线圈的尾，调个个儿，接在主线圈的头，启动线圈的头接主线圈的尾，这时我们把它接到电源上，电机就会朝相反方向旋转，这就是带正反转电机的接口技术，那么控制原理呢，一般在接线板上有6个接线端子，其中两个是接启动电容的，在原理上启动电容是串在两组启动线圈里的，串在两组线圈中心也可以，串在一头也可以内部的分离开关也是串在两组启动线圈之中的，电机启动后由他分离，断开启动线圈，剩下另4个端子，两个是启动线圈的头和尾两个是主线圈头和尾，主线圈接电源的，

19、根据以上论述已经很明白了，现在只需要用双挡开关或接触器将启动线圈按以上说法接到主线上就可以了，另外还有一种不带启动电容和分离开关的电机，换向的原理是一样的。所谓能耗制动，即在电动机脱离三相交流电源之后，定子绕组上加一个直流电压，即通入直流电流，利用转子感应电流与静止磁场的作用已达到制动的目。31 PLC的选型本文描述的是对双重联锁正反转的控制,选用核心部件为三菱公司的FX-2N-16MR系列16点编程控制器,该编程控制器具有自诊断功能,采用循环扫描工作方式,这完全能满足要求。FX-2N-16MR属微型编程控制器、输入输出控制方式为循环扫描方式、编程语言为梯形图语言、16点的编程控制器具有8点输

20、入,8点输出。考虑到该PLC所需的输入、输出点数及类型，选用三菱FX-2N-16MR可编程控制器作为该系统的核心，它含有8个输入点（漏型）和8个输出点（继电器型），足够设计所用。FX-2N-16MR属于FX2N系列PLC，FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。FX2N系列具备了如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。32 元器件简介交流接触器：交流接触器主要有四部分组成:(1) 电磁系统 (2)触头系统,包括三组主触头和一至两组常闭、常闭辅助触

21、头,它和动铁芯是连在一起互相联动的；(3)灭弧装置 (4)绝缘外壳及附件。当线圈通电时,静铁芯产生电磁吸力,将动铁芯吸合,由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失, 动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,切断电源熔断器：利用金属导体作为熔体串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路的一种电器。熔断器结构简单，使用方便，广泛用于电力系统、各种电工设备和家用电器中作为保护器件。热继电器：热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，

22、就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。33 主电路设计根据继电器控制电路图（见图3-1）画出主电路图，按图3-2要求接好电路：主电路 图3-21. 正转启动：电动机顺时针转动操作步骤：当L1、L2、L3、N接上三相电，组合开关QS闭合，电流流过熔断器FU1之后，通过PLC控制KM1线圈通电，使KM1交流接触器闭合，从而使三相异步电动机导通，开始正转。2. 反转启动：电动机逆时针转动操作步骤：当L1、L2、L3、N接上三相电，组合开关QS闭合，电流流过熔断器FU

23、1之后，通过PLC控制KM2线圈通电，使KM2交流接触器闭合，从而使三相异步电动机导通，开始反转。3. 能耗制动：所谓能耗制动，即在电动机脱离三相交流电源之后，定子绕组上加一个直流电压，即通入直流电流，利用转子感应电流与静止磁场的作用已达到制动的目的。操作步骤：当L1、L2、L3、N接上三相电，组合开关QS闭合，电流流过熔断器FU1之后，通过PLC控制KM3线圈通电，使KM3交流接触器闭合，电流流过VD4二极管和R电阻导通电路，开始制动，电机马上停止转动。3I/O地址分配根据继电器控制电路图（见图4-1）列出I/O地址分配表图4-3、图3-3输入点代号工程名称X0KH过载保护X1SB1停止制动

24、X2SB2正转启动X3SB3反转启动输入I/O地址分配表 图-3输出点代号工程名称Y7KM1电机正转Y6KM2电机反转Y5KM3能耗制动输出I/O地址分配表 图-43 I/O外部接线图I/O外部接线 图-5取代继电器控制的可编程控制应用设计分析：（1）主令电器（按钮、行程开关、接近开关等）、热继电器触点，速度继电器触点、油压继电器触电等都作为输入信号，接在X端口。（2）输出端口接负载，应视负载容量采取不同接线方式。接触器容量比较小，可以直接作为输出端口（Y口）的负载，如果负载容量较大，Y端口应通过中间继电器再与接触器连接。同时，凡是线圈负载都必须考虑用阻容保护（交流电源）或续流二极管保护（直流

25、电源）。（3）继电控制电路中的中间继电器和时间继电器转换为可编程控制时，直接适用可编程序控制器内部的辅助继电器（M）和定时器（T）。第4章 软件设计41 列逻辑公式根据简易控制电路 图4-6列出逻辑公式：简易控制电路 图4-6公式略解：（1） Y7为电动机正转接触器线圈，X2常开按钮为电机正转开启条件，加Y7常开接触器起到正转线路自锁的作用，X0常闭按钮起过载保护作用，X1常闭按钮起停止制动作用，Y6常闭接触器起联锁作用，Y5常闭接触器起互锁作用。（2） Y6为电动机反转接触器线圈，X3常开按钮为电机反转开启条件，加Y6常开接触器起到反转线路自锁的作用，X0常闭按钮起过载保护作用，X1常闭按钮

26、起停止制动作用，Y7常闭接触器起联锁作用，Y5常闭接触器起互锁作用。（3） Y5为电动机能耗制动线圈，X1常开按钮为电机能耗制动条件，加Y5常开接触器起到能耗制动线路自锁的作用，T0常闭时间继电器起延时断开作用，Y6和Y7起互锁作用。42 设计梯形图根据逻辑公式画出梯形图：梯形图4-743 写出指令根据梯形图写出指令表：0LDX21ORY72ANIX03ANIX14ANIX35ANIY66ANIY57OUTY78LDX39ORY610ANIX011ANIX112ANIX213ANIY714ANIY515OUTY616LDX117ORY518ANIT019ANIY620ANIY721OUTY52

27、2LDY523OUTT024K20PLC基本逻辑指令注释：LD 用于将触点接到母线上OR 常开触点并联连接ANI 常闭触点串联连接OUT 是对输出继电器、辅助继电器、状态继电器、定时器、计算器的线圈的驱动指令第5章 可编程控制器（PLC）的安装、检修和调试51 PLC的安装为保证PLC工作的可靠性，提高它的工作效率，延长其使用寿命，对使用场合、环境温度要有一定的要求。在安装PLC时，要满足下列条件：a) 环境温度在050的范围内；b) 环境相对湿度应在35-85范围内；c) 周围无腐蚀和易燃的气体；d) 应避免太阳光的直接照射及液态物质的溅射；e) 应避免铁屑及灰尘；f) 避免频繁或连续的振动

28、及冲击。除满足以上环境条件外，安装时还应该注意以下几点：a) 在安装和拆卸时，PLC的所有单元必须断电；b) 在接触PLC前，必须事先释放人体所带静电；c) 注意PLC周围的通风和散热；d) 严防导线头、铁屑等从通风窗掉入可编程控制器内部，造成印刷电路板短路，使其不能正常工作甚至水久损坏。e) 尽可能远离高压电源线和高压设备，可编程控制器高压设备和电源线之间应留出至少200mm的距离。f) 小型可编程控制器外壳的4个角上，均有安装孔。有两种安装方法，一是底板安装，不同的单元有不同的安装尺寸；另一种是DIN（德国共和标准）轨道固定。DIN轨道配套使用的安装夹板，左右各一对。在轨道上，先装好左右夹

29、板，装上PLC，然后拧紧螺钉。52 PLC的检修虽然PLC的设计，已使维修和运行故障减少到最小程度，但为了保证系统的正常工作，尽量延长系统的使用寿命，应定期进行维护和检修。注意电源电压、环境指标、I/0参数、安装情况及备份电池等情况的检查与维护，确保PLC的正确稳定运行。53 PLC的调试指令输入PLC,并把PLC拨到RUN使进入运行状态：当按下X2按钮时，PLC上X2灯亮一下，主电路上KM1接触器线圈吸合，PLC上Y7灯亮，电机开始正转,；当按下X3按钮时，PLC上X3灯亮一下，主电路上KM1接触器线圈断开，KM2接触器线圈吸合，PLC上Y6灯亮，电机开始反转；当按下X1按钮时，KM2接触器

30、线圈断开，KM3接触器线圈吸合，电机马上停止，2秒后，KM3接触器自动断开；当按下X0按钮时，KM1、KM2、KM3接触器线圈都断开，电机延时，慢慢停止。结 论在这次独立设计的过程中，发现自己很多不足，自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问

31、题要快一些，少走弯路。多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。致 谢光阴似箭，三年的学习时光已经接近尾声，对于今天的我来说，在成长中给予我帮助的每一个人都功不可没。在校的这五年时间里很感谢老师对我的淳淳教诲，也

32、很感谢校领导给我的机会，让我在学习之外，积累了更多的经验，给我的校园生活增添了更多色彩。当今社会，在市场经济体制和新技术飞速发展的条件下，计算机人才只掌握一门特定的技能已经远远不够。必须全面强调我们的基础知识、基本能力和基本素质，而且专业面要宽，以适应技术进步与市场的不断变化。只有全方位的拓展自己的知识面，在实践中与理论相结合，才能为社会贡献自己的一份力量。我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。这几个月以来，程老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此谨向程老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时，本篇毕业论文的写作也得到了很多同学的热情帮助。最后感谢我的父母和在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在此，我再一次真诚地向帮助过我的父母、我的老师和同学表示感谢！