基于USS協(xié)議的PLC與變頻器的通信設(shè)計(jì)與研究 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

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1、 電氣工程系 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 題 目  基于USS協(xié)議的PLC與變頻器的 通信設(shè)計(jì) 專業(yè)名稱 電氣自動(dòng)化技術(shù) 學(xué)生姓名 張松鶴 指導(dǎo)教師 朱清智 畢業(yè)時(shí)間 2011-6-22 目 錄 摘 要 1 第1章 緒 論 3 1.1 課題研究的背景 3 1.2 課題的來源和意義 4 1.3 本文研究?jī)?nèi)容和所做工作 5 第2章 PLC簡(jiǎn)介 6 2.1 PLC的原理 6 2.2 PLC的特點(diǎn) 7 2.3 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 8 第3章 通用變頻器原理 9

2、3.1 變頻器的工作原理 9 3.1.1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)和原理 9 3.1.2 交-直變換電路 10 3.1.3 直-交變換電路 11 3.1.4 能耗制動(dòng)電路 13 3.1.5 變頻器的控制方式 14 3.1.6 變頻器的干擾問題 15 3.2 變頻器的類別 16 3.2.1 根據(jù)變頻環(huán)節(jié)的不同的分類 16 3.2.2 根據(jù)主電路工作方式分類 16 3.2.3 根據(jù)電壓的調(diào)制方式分類 17 3.3 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) 17 3.4 實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速要解決的問題 18 3.4.1 大功率開關(guān)器件是實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的必要條件 20 3.4.2 變頻變壓 20 3.5

3、變頻調(diào)速的現(xiàn)實(shí)意義 21 第4章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22 4.1 系統(tǒng)的硬件介紹 22 4.1.1 S7-200 PLC 22 4.1.2 TP270觸摸屏 23 4.1.3 變頻器 24 4.2 系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì) 25 4.2.1 Protool組態(tài)語言 26 4.2.3 報(bào)警畫面 28 4.2.4 I/O點(diǎn)畫面 28 第5章 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)和調(diào)試 29 5.1 通信方式的選擇 29 5.2 PLC之間的通訊 31 5.2.1 NETR（網(wǎng)絡(luò)讀）和NETW（網(wǎng)絡(luò)寫）指令 31 5.2.2 通信程序的設(shè)計(jì) 32 5.3 PLC與變頻器的通訊 34 5.3.1 US

4、S協(xié)議 34 5.3.2 USS通信數(shù)據(jù)格式和編程要求 36 5.3.3 S7-200的接收和發(fā)送指令（XTM/RCV） 38 5.3.4 設(shè)計(jì)通信程序 38 5.4 通信參數(shù)設(shè)置 45 5.4.1 PPI和MPI協(xié)議 45 5.4.2 通信參數(shù)設(shè)置 46 5.5 系統(tǒng)通信 49 5.5.1 PLC之間的通信調(diào)試 49 5.5.2 觸摸屏與PLC的通信調(diào)試 49 5.5.3 PLC和變頻器的通信 50 5.5.4 變頻器、編碼器和電動(dòng)機(jī)的通信測(cè)試 51 5.5.5 調(diào)試分析 51 第6章 結(jié)論 52 致 謝 53 參考文獻(xiàn) 54

5、 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 - 2 - 摘 要 目前，各種自動(dòng)化技術(shù)手段并行發(fā)展、相互融合，為工業(yè)控制提供了多種可行的技術(shù)途徑。可編程序控制器技術(shù)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)、分布式控制系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、人機(jī)界面技術(shù)以及各種嵌入式控制器系統(tǒng)的快速發(fā)展進(jìn)一步提升了工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展水平。 在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的發(fā)展過程中，變頻器的使用越來越受人們的關(guān)注。但是變頻調(diào)速具有一定的技術(shù)難度，人們需要一個(gè)慢慢了解和熟悉的過程。變頻器的使用最主要的一個(gè)特點(diǎn)就是節(jié)能和降低成本，許多傳統(tǒng)的耗能設(shè)備都要進(jìn)行技術(shù)改造。所以變頻調(diào)速技術(shù)的推廣有著十分重要的現(xiàn)

6、實(shí)意義。同時(shí)，隨著PLC的不斷發(fā)展，使得工業(yè)自動(dòng)化控制更加的準(zhǔn)確、方便、安全和可靠。把PLC和變頻器結(jié)合起來一起對(duì)電機(jī)傳動(dòng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 在實(shí)際工程中，有的企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了全車間或全廠的綜合自動(dòng)化，即將不同廠家生產(chǎn)的可編程設(shè)備連接在單層或多層網(wǎng)絡(luò)上，相互之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理。因此，通信與網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，也是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。 在小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，USS協(xié)議通信是一種很成功的解決方案，能顯示出具有硬件邏輯簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)車間級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制。本文介紹了自動(dòng)化控制技術(shù)的綜合應(yīng)用，將各

7、種通用的自動(dòng)化技術(shù)與實(shí)踐優(yōu)化結(jié)合，將SIEMENS公司的S7-200 PLC和變頻器應(yīng)用于銅大拉機(jī)的自動(dòng)控制中，通過基于USS協(xié)議的RS485總線進(jìn)行組網(wǎng)，進(jìn)行PLC和變頻器對(duì)電機(jī)的控制，其中PLC和變頻器之間的通信設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵。并且將其作了標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，可以應(yīng)用于多個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，大大節(jié)約了項(xiàng)目的開發(fā)時(shí)間和成本，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。 關(guān)鍵詞：自動(dòng)化控制，USS協(xié)議，變頻器，PLC，通信II Abstract Recently,many ways of automation technology develop together,

8、which provides a series oftechnology solution for Industry Controlling.The development of thetechnology of Programmable Logic Controller,Industry Personal Computer,distribution Control System,HMI,EMCU upgrades industry automation technology. In the process of the industrial automation control deve

9、lopment,the use of frequency onverter is gradually concerned.The use of frequency converter is difficult,we need some timeto understand it.The advantage of frequency converter is that it can reduce the power source andcost,many traditional equipments will be reconstructed at the technical problem.So

10、 thefrequency converter technology which is popularized has a significant social meaning.At thesame time,with the development of PLC,the industry automation is become more precision、more convenience、safer and more credibility.PLC is together with transducer to control the engine,realizing the long-d

11、istance watch network control system. In the projects,the synthetical automation of the whole workshop or factory have come true n many enterprises.Some programmable equipments of different companies that linked in ingle layer or sevaral layers of network could communicate each orther,which can be

12、controlled in distibution or in concentration.So,communication and nets have been important to controlling systems,and the difficulty and priority of the designing of automation systems. In small automation control system,communication based on USS protocal is a good.solution,which has simple hardw

13、are logic,good resistance of interferences.And in this way the field-can-controling of whole-workshop come true.This article discussed comprehensive application of automation control technology,combination of practices and many automation control technologies in common use,and that the S7-200 PLC an

14、d frequency converter of SIEMENS is applied to cupper block controling system.The PLC and frequency converter ontrol the engine,which is based on the USS consultation RS485 to make network.The design of the communication between PLC and frequency converter is the most important.The article troduces

15、a standard design,which could be applied to a series of automation systems.It could ave the period and cost of the projects,which have gotten accomplishtion in a degree. Key words:Automation control,USS protocol,transducer,PLC,CommunicationIII. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第1章 緒論 1.1 課題研究的背景 在工業(yè)自動(dòng)

16、化控制領(lǐng)域的發(fā)展過程中，控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)(DCS:Distribution Control System)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS:Field-bus Control System)?，F(xiàn)場(chǎng)總線具有開放性、分散化和低成本的三大特征。它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生了劃時(shí)代的變革，網(wǎng)絡(luò)化的操作系統(tǒng)開始流行，并發(fā)揮了巨大的作用。計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)環(huán)境中大部分解決方案的核心部分，其在控制系統(tǒng)中的比重正在迅速增加。 目前，在工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用中，自動(dòng)化控制系統(tǒng)廣義上按功能可分為三個(gè)層次，見圖1.1，分別是基礎(chǔ)自動(dòng)化、過程自動(dòng)化和管理

17、自動(dòng)化，核心是基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化。其中，基礎(chǔ)自動(dòng)化部分涵蓋了常規(guī)意義上的自動(dòng)控制系統(tǒng)的內(nèi)容，過程自動(dòng)化部分是基于信息化技術(shù)的自動(dòng)化，管理自動(dòng)化則是最上層的融合了控制技術(shù)、管理技術(shù)的綜合自動(dòng)化技術(shù)。 本文要闡述的是電線、電纜用銅線的拉拔設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前電線電纜專用設(shè)備中僅有很少部分是自動(dòng)化的，在設(shè)備部件中，也似乎只有放線和收線裝置，可使電纜的收線、放線以及調(diào)換線盤實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。生產(chǎn)過程自動(dòng)化的一種可能是將兩道工序合并在一條生產(chǎn)線上。較高一級(jí)的自動(dòng)化是自動(dòng)化物流處理系統(tǒng)以及生產(chǎn)過程和生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。物流處理系統(tǒng)通過自動(dòng)線盤搬運(yùn)和信息加工使兩道或兩道以上的生產(chǎn)工序的生產(chǎn)過程

18、協(xié)調(diào)一致，從而得到均衡的物料流動(dòng)和機(jī)器的高利用率。該系統(tǒng)包括1～4個(gè)線盤搬運(yùn)機(jī)器人，這些機(jī)器人在生產(chǎn)線（機(jī)群）、立體倉庫和控制裝置之間來回搬運(yùn)線盤。 過程控制系統(tǒng)由可編程序控制器和工業(yè)計(jì)算機(jī)組成，通過可編程序控制器對(duì)生產(chǎn)線的運(yùn)行進(jìn)行控制；通過工業(yè)計(jì)算機(jī)跟蹤生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)情況，對(duì)生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行管理；該系統(tǒng)還可通過屏幕實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。采用過程控制系統(tǒng)可使生產(chǎn)線的效率和產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到最佳化，而不受操作者的技術(shù)水平和能力的影響。生產(chǎn)線能儲(chǔ)存大量的工藝文件，以便迅速調(diào)換產(chǎn)品，并能持續(xù)監(jiān)察和記錄產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面的描述。 1.2 課題的來源和意義 大拉機(jī)是銅加工生產(chǎn)中的咽喉設(shè)備。十幾年來國產(chǎn)拉絲機(jī)

19、水平有了穩(wěn)步的提高，并已系列化除拉線速度尚有一定差距外，連續(xù)退火、快速換模、雙盤收線、拉絲鼓輪等離子噴涂等先進(jìn)技術(shù)已得到應(yīng)用。近幾年來，國外拉絲機(jī)雖然沒有突破性的進(jìn)展，最高拉線速度也已穩(wěn)定，但在結(jié)構(gòu)上也有一些值得借鑒的改進(jìn)。例如一些大拉機(jī)采用浸沒式乳濁液潤(rùn)滑系統(tǒng)，提高銅線的表面質(zhì)量，延長(zhǎng)鼓輪和模具的壽命；改進(jìn)大拉連續(xù)退火裝置中導(dǎo)輪和退火輪的布置，簡(jiǎn)化導(dǎo)線路徑，降低操作高度，便于穿線和維護(hù)保養(yǎng)；主齒輪箱采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)用戶訂貨要求組合成不同拉制道數(shù)的拉絲機(jī)。在拉絲機(jī)系列中，巨拉機(jī)和微細(xì)線拉絲機(jī)由于需求量小，發(fā)展緩慢，差距較大。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)的綜合發(fā)展，出

20、現(xiàn)了新型、通用的自動(dòng)化控制裝置PLC?？刂萍夹g(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)設(shè)備控制中大量推廣，變頻控制開始在直進(jìn)式拉絲機(jī)中大量使用，系統(tǒng)并可借助PLC來實(shí)現(xiàn)拉絲速度、品種設(shè)定、過程閉環(huán)控制、定長(zhǎng)控制等功能。在工業(yè)控制中，交流電機(jī)的拖動(dòng)控制越來越多地采用變頻器完成，而它也不僅僅作為一個(gè)單獨(dú)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是隨著其不斷的智能化，可以同上位計(jì)算機(jī)之間可以通過各種通信方式結(jié)合成一個(gè)有機(jī)的整體。本文所作的研究就是在這樣的背景下利用PLC和變頻器對(duì)大拉機(jī)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。大拉機(jī)的工藝流程如圖1.1所示。 1.3 本文研究?jī)?nèi)容和所做工作 自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用即工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用技術(shù)，對(duì)企業(yè)生

21、產(chǎn)過程有明顯的提升作用，提高了工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)量和生產(chǎn)設(shè)備的效率，改善了勞動(dòng)條件，先進(jìn)的控制技術(shù)手段還極大地提高了人們對(duì)社會(huì)生產(chǎn)的預(yù)測(cè)及決策能力。自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，它一般由控制裝置和被控對(duì)象構(gòu)成，如圖1.3所示。其中，控制裝置可由各種嵌入式微控制器、可編程控制器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、分布式控制系統(tǒng)、回路調(diào)節(jié)器、變頻器以及其他控制技術(shù)（如現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、無線通信技術(shù)等）構(gòu)成；控制對(duì)象包括各種電動(dòng)機(jī)、生產(chǎn)單元、生產(chǎn)過程等；過程通道完成控制裝置與控制對(duì)象之間的信號(hào)（也包括相應(yīng)的反饋信號(hào)部分）匹配。 同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)控制迅速地被推廣和普及，相當(dāng)多的企

22、業(yè)已經(jīng)在大量地使用各式各樣的可編程設(shè)備，如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PLC、變頻器、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、柔性制造系統(tǒng)等。有的企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了全車間或全廠的綜合自動(dòng)化，即將不同廠家生產(chǎn)的可編程設(shè)備連接在單層或多層網(wǎng)絡(luò)上，相互之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理。因此，通信與網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，也是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。 本文通過對(duì)大拉機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，涵蓋了目前基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化中典型自動(dòng)控制技術(shù)手段或裝置的應(yīng)用，包括可編程序控制器技術(shù)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)、變頻器技術(shù)、觸摸屏技術(shù)及組態(tài)軟件技術(shù)。并且重點(diǎn)對(duì)PLC和變頻器的通信作了很完整的研究，將通信程序作了標(biāo)準(zhǔn)化

23、設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)主要是針對(duì)小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)所作的一種控制方案，有一定的適用價(jià)值，縮短了項(xiàng)目開發(fā)的周期。設(shè)計(jì)的主要思路是基于USS協(xié)議，實(shí)現(xiàn)SIEMENS S7-200 PLC對(duì)變頻調(diào)速裝置的控制，上位機(jī)采用SIEMENS TP270觸摸屏及Protool組態(tài)語言。 在規(guī)模相對(duì)較小的自動(dòng)化系統(tǒng)中，由于USS協(xié)議是西門子公司一變頻器開發(fā)的通信協(xié)議，可支持變頻器同PC或PLC之間建立通信連接，因此USS協(xié)議通信是一種很成功的解決方案，能顯示出具有硬件邏輯簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)車間級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制。 第2章 PLC簡(jiǎn)介 2.1 PLC的原理 可編程邏輯控制器（Programm

24、able Logic Controller）簡(jiǎn)稱為PLC，是20世紀(jì)60年代末逐步發(fā)展起來的一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置，專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。近幾年來，PLC技術(shù)在各種工業(yè)過程控制、生產(chǎn)自動(dòng)線控制及各類機(jī)電一體化設(shè)備控制中得到了極為廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的一項(xiàng)十分重要的應(yīng)用技術(shù)。 PLC的硬件系統(tǒng)由中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入輸出電路等組成，軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。由于順序控制是PLC的主要功能，因此輸入端以開關(guān)量部件按鈕、繼電觸點(diǎn)、限位開關(guān)等為主，輸出端多為繼電器、電磁閥線圈和指示燈等，其工作過程總可分為三個(gè)階段:輸入采樣(處理)、程序執(zhí)行和

25、輸出刷新(處理)。圖2.1是PLC控制系統(tǒng)圖。 PLC采用循環(huán)掃描的工作方式。在輸入采樣階段，PLC以掃描方式順序讀入所有輸入端的通斷狀態(tài)，并將此狀態(tài)存入輸入映像寄存器。在程序執(zhí)行階段，PLC按先左后右、先上后下順序，逐條執(zhí)行程序指令，從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器讀出有關(guān)元件的通斷狀態(tài)，根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯、算術(shù)運(yùn)算，再將結(jié)果存入輸出映像寄存器中。在輸出刷新階段，PLC將輸出映像寄存器的通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，向外輸出控制信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)用戶輸出設(shè)備。上面三個(gè)階段的工作過程稱為一個(gè)掃描周期，然后PLC又重新執(zhí)行上述過程，周而復(fù)始地進(jìn)行。掃描周期一般為幾ms到幾十ms。 由PLC的工作過程

26、可見，PLC執(zhí)行程序時(shí)所用到的狀態(tài)值不是直接從輸入端獲得的，而是來源于輸入映像寄存器和輸出映像寄存器.因此PLC在程序執(zhí)行階段，即使輸入發(fā)生變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變，要等到下一周期的輸入采樣階段才能改變。同理，暫存在輸出映像寄存器中的內(nèi)容，等到一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束，才輸送給輸出鎖存器。所以，全部輸入、輸出狀態(tài)的改變需要一個(gè)掃描周期。 PLC是以掃描方式循環(huán)、連續(xù)、順序地逐條執(zhí)行程序。任何時(shí)刻，它只能執(zhí)行一條指令，也就是說，PLC是以“串行”方式工作。PLC的這種串行方式可避免繼電器控制系統(tǒng)中觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配的問題。 2.2 PLC的特點(diǎn) PLC的高可靠性和強(qiáng)抗干擾性，平均無故障

27、時(shí)間一般可達(dá)3～5萬小時(shí)，而且PLC的環(huán)境適應(yīng) 性也很能強(qiáng)，這是PLC得到廣泛應(yīng)用的重要原因之一。 編程簡(jiǎn)單，PLC最常用的編程語言是梯形圖語言。梯形圖與繼電器原理圖類似，這種編程語言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)，便于廣大現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員掌握。當(dāng)生產(chǎn)流程需要改變時(shí)，可以現(xiàn)場(chǎng)改變程序，使用方便靈活。在大型PLC中還有高級(jí)編程語言以滿足各種不同控制對(duì)象和不同使用人員的需要。 通用性強(qiáng)，各個(gè)PLC的生產(chǎn)廠家都有其各種系列化的產(chǎn)品、各種模塊供用戶選擇。用戶可根據(jù)控制對(duì)象的規(guī)模及控制要求，選擇合適的PLC產(chǎn)品，組成所需要的控制系統(tǒng)。在進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，一般不再需要用戶制作其它任何附加裝置

28、，從而使設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)化。體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維修方便，PLC體積小，重量輕，便于安裝。一般PLC都具有自診斷、故障報(bào)等、故障種類顯示等功能，便于操作和維修人員檢查，可以較容易通過更換模塊插件來迅速排除故障。它與被控制對(duì)象的硬件連接方式簡(jiǎn)單、接線少，便于維護(hù)。 歸納起來，PLC的特點(diǎn)有： （1）可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，而且PLC采用了許多硬件和軟件抗干擾措施。 （2）編程簡(jiǎn)單、使用方便目前大多數(shù)PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式，很容易被操作人員接受。一些PLC還根據(jù)具體問題設(shè)計(jì)了如步進(jìn)梯形指令等，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了編程。 （3）設(shè)計(jì)安裝容易，維護(hù)工作量少。 （4）適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境

29、，采用封裝的方式，適合于各種震動(dòng)、腐蝕、有毒氣體等的應(yīng)用場(chǎng)合。 （5）與外部設(shè)備連接方便，采用統(tǒng)一接線方式的可拆裝的活動(dòng)端子排，提供不同的端子功能適合于多種電氣規(guī)格。 （6）功能完善、通用性強(qiáng)、體積小、能耗低、性能價(jià)格比高。 2.3 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC已廣泛應(yīng)用國內(nèi)外的機(jī)械、冶金、化工、汽車、輕工等行業(yè)中。隨著其性能價(jià)格比的不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，主要有以下幾個(gè)方面： (1)開關(guān)量邏輯控制 PLC最基本的功能是邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等，可實(shí)現(xiàn)邏輯控制，常常用來取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。PLC對(duì)一些機(jī)床、機(jī)械手的控制、生產(chǎn)自動(dòng)線的控制都屬于這一類應(yīng)用。 (2)運(yùn)動(dòng)控制

30、PLC使用專用的指令或運(yùn)動(dòng)控制模塊，對(duì)直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的位置、速度和加速度進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)單軸、雙軸、3軸和多軸聯(lián)動(dòng)的位置控制，使運(yùn)動(dòng)控制與順序控制功能有機(jī)結(jié)合在一起。PLC的運(yùn)動(dòng)控制功能廣泛用于各種機(jī)械，例如金屬切削機(jī)床、金屬成形機(jī)械、裝配機(jī)械、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。 (3)閉環(huán)過程控制 閉環(huán)過程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。PLC通過模擬量I/O模塊，實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換，并對(duì)模擬量實(shí)行閉環(huán)PID（比例-積分-微分）控制。SIEMENS的S7-300/400有閉環(huán)控制模塊、用于閉環(huán)控制的系統(tǒng)功能塊和

31、閉環(huán)控制軟件包供用戶選用。其閉環(huán)控制功能已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于塑料擠壓成形、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設(shè)備，以及輕工、化工、機(jī)械、冶金、電力、建材等行業(yè)。 (4)數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代的PLC具有整數(shù)四則運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、字邏輯運(yùn)算、求反、循環(huán)、移位、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等運(yùn)算功能，和數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，也可以用通信功能傳送到別的智能裝置，或者將它們打印制表。 第3章 通用變頻器原理 3.1 變頻器的工作原理 3.1.1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)和原理 變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交

32、流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。變頻器的基本構(gòu)成如圖3.1所示，其主電路主要由整流電路、直流中間電路和逆變電路三部分以及有關(guān)的輔助電路組成。其中整流電路將電網(wǎng)的交流電源進(jìn)行整流后給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路是變頻器的最主要的部分之一。它的主要作用是在控制電路的控制下將直流中間電路輸出的直流電壓(電流)轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電壓(電流)。逆變電路的輸出即為變頻器的輸出，它被用來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。 與主電路相對(duì)應(yīng)，為主電路提供所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電路稱為變頻器的控制電路?？刂齐娐返闹饕饔檬歉鶕?jù)事先確定的變頻器控制方式，產(chǎn)

33、生進(jìn)行V/f或電流控制時(shí)所需要的各種門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)或基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此外，變頻器的控制電路還包括對(duì)電流、電壓、電動(dòng)機(jī)速度進(jìn)行檢測(cè)的信號(hào)檢測(cè)電路，為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供保護(hù)的保護(hù)電路，對(duì)外接口電路和對(duì)數(shù)字操作盒的控制電路。 變頻器主控制電路的中心是一個(gè)高性能的微處理器，并配以PROM、RAM、ASIC芯片和其它必要的周邊電路。它通過A/D、D/A等接口電路接收各種檢測(cè)信號(hào)和參數(shù)設(shè)定值，并進(jìn)行處理。它主要完成以下任務(wù):(1)輸入信號(hào)的處理;輸入信號(hào)包括頻率(速度)指令信號(hào)和運(yùn)行、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的操作控制信號(hào)。指令信號(hào)有兩種:模擬指令信號(hào):0～10V的電壓指令信號(hào)或4～20mA的電流指令信號(hào);數(shù)字

34、指令信號(hào):來自RS232C、RS-485(通常為選件)的數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)中PLC輸入變頻器的信號(hào)為4～20mA模擬指令信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過A/D變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后送入微處理器。(2)加減速速率調(diào)節(jié)功能:(3)運(yùn)算處理等。 主電路驅(qū)動(dòng)電路是為變頻器逆變電路的換流器件提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。信號(hào)檢測(cè)電路是將變頻器和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)反饋至微處理器，并由微處理器進(jìn)行處理后為各部分電路給出所需的控制信號(hào)和保護(hù)信號(hào)，以達(dá)到控制變頻器的輸出和為變頻器及電動(dòng)機(jī)提供必要的保護(hù)的目的。 而保護(hù)電路是由微處理器來判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)了異常，異常時(shí)則進(jìn)行各種必要的處理，包括停止變頻器的輸出。變頻器的保護(hù)功能包括對(duì)變

35、頻器的輸出，對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)和對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)三個(gè)方面的內(nèi)容。 變頻器的種類較多，但是工作原理類似，以交-直-交電壓型變頻器為例，簡(jiǎn)要介紹其工作原理。交-直-交電壓型變頻器是中小容量、通用型變頻器的主要形式，其主電路如圖3.2所示。它由交-直變換電路、直-交變換電路和能耗制動(dòng)電路組成。 3.1.2 交-直變換電路 交-直變換電路就是整流和濾波電路，其任務(wù)就是把電源的三相交流電變換成平穩(wěn)的直流電，其結(jié)構(gòu)如圖3.2中的交-直變換電路所示。 1.整流電路 在SPWM變頻器中，大多數(shù)采用橋式全波整流電路。在中、小容量的變頻器中，整流器件采用不可控的整流二極管，如圖3.2中的VD1～VD6，

36、其導(dǎo)通順序是VD1→VD2→VD3→VD4→VD5→VD6。但對(duì)這些整流器件有一定的選擇原則： （1）最大反向電壓 ＵRM =2ＵM (3_1) 式中，ＵM為電源線電壓的振幅值。即當(dāng)電源電壓為380V時(shí)， ＵRM =2380V=1073V，則選擇ＵRM=1200V。 （2）最大整流電流 ＩMAX = 2ＩN (3_2) 式中，ＩN為變頻器的額定電流。 2.濾波限流電路 （1）濾波電路 由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制，濾波電路通常由若

37、干個(gè)電容器并聯(lián)成一組，如3.2中所示，C1和C2。因?yàn)殡娊怆娙萦休^大的離散性，故電容C1和C2的電容量不會(huì)完全相等，這樣使得它們承受的電壓ＵC1和ＵC2不相等。為了是ＵC1和ＵC2相等，在C1和C2的旁邊個(gè)并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻Rc1和Rc2。 （2）限流電路 圖3.2中，串接在整流橋和濾波電容之間，由一個(gè)限流電阻Rs和一個(gè)短路開關(guān)S組成。 1）限流電阻Rs 變頻器在接入電源之前，濾波電容上的直流電壓UD = 0。當(dāng)變頻器剛接入電源的瞬間，將有一個(gè)很大的沖擊電流經(jīng)整流橋流向?yàn)V波電容，使得整流橋可能因此受到損壞，同時(shí)，也可能使得電源瞬間電壓明顯下降，形成干擾。限流電阻S就可起到削弱該

38、沖擊電流而串接在整流橋和濾波電容之間。 2）短路開關(guān)S 限流電阻Rs如果長(zhǎng)期接在電路內(nèi)，會(huì)影響直流電壓UD和變頻器輸出電壓的大小。所以，當(dāng)直流電壓UD增大到一定程度時(shí)，把短路開關(guān)S接通，限流電阻Rs就短路了。 3.1.3 直-交變換電路 三相逆變橋的功能就是把直流電變換成頻率可調(diào)的三相交流電，其基本結(jié)構(gòu)由逆變電路和續(xù)流電路組成。 1.逆變電路 在圖3.2中，有開關(guān)器件V1～V6組成逆變橋，V1～V6的工作接受控制電路中的SPWM調(diào)制信號(hào)控制，把直流電壓逆變成三相交流電。SPWM是指在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使得脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間

39、的間隔則較大。這樣的電壓脈沖系列可以使得負(fù)載電流中的諧波成分大為減少，故稱為正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）。SPWM脈沖系列中，各脈沖的寬度以及相互間的間隔寬度是由正弦波（基準(zhǔn)波或調(diào)制波）和等腰三角波（載波）的交點(diǎn)來決定的，以單極性SPWM法為例，如圖3.3所示。 圖3.3中u r為正弦調(diào)制波，u t為等腰三角載波，每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同。 逆變器件的選擇: （1）截止?fàn)顟B(tài)下的擊穿電壓 UCEX =2DMAX （3-3） 式中，UMAX為直流電壓的最大值。 （2）集電極最大電流 ICM = 2IMA

40、X （3-4） 式中, UMAX為輸出電流的最大值。 2.續(xù)流電路 由圖3.2可知，續(xù)流電路由VD7～VD12構(gòu)成，其功能是： （1）為電動(dòng)機(jī)繞組的無功電流返回直流電路時(shí)提供通路； （2）當(dāng)頻率下降、從而同步轉(zhuǎn)速下降時(shí)，為電動(dòng)機(jī)的再生電能反饋至直流電路提供通路； （3）為電路的寄生電感在逆變過程中釋放能量提供通路。 3.1.4 能耗制動(dòng)電路 1.能耗制動(dòng)電路的作用 （1）電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài) 在頻率剛減少的瞬間，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)

41、，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了1800，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)距變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)距，使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降。從電動(dòng)機(jī)的角度來看，處于再生制動(dòng)狀態(tài)。 （2）變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài) 電動(dòng)機(jī)再生的電能經(jīng)圖3.2中的續(xù)流二極管（VD7～VD12）全波整流后反饋到直流電路，由于直流電路的電能無法回輸給電網(wǎng)，只有靠C1和C2吸收，盡管各個(gè)部分的電路還在繼續(xù)消耗電能，但C1、C2上仍有短時(shí)間的電荷堆積，形成“泵生電壓”，使得直流電壓升高。過高的直流電壓將使得各部分器件受到損害。因此，當(dāng)直流電壓超過一定值時(shí)，就要求提供一條放電回路，將再生的電能消耗掉。所以，從變頻調(diào)速系統(tǒng)的角度看，拖動(dòng)系

42、統(tǒng)在轉(zhuǎn)速下降時(shí)減少的動(dòng)能，由電動(dòng)機(jī)“再生”電能后，在變頻器的直流電路中被消耗掉了。 總的來說，是通過消耗能量而獲得制動(dòng)轉(zhuǎn)距的，屬于能耗制動(dòng)狀態(tài)。用于消耗電動(dòng)機(jī)再生電能的電路，就是能耗制動(dòng)電路。 2.能耗制動(dòng)電路的構(gòu)成 從圖3.2中知，RB為制動(dòng)電阻，用于將電動(dòng)機(jī)的餓再生電能轉(zhuǎn)換成熱量而消耗掉。其選擇原則如下： （1）RB的阻值 RB的阻值大小一般以使制動(dòng)電流不超過變頻器額定電流的一半為宜，即 IRB=UD ∕ RB≤ IN / 2RB≥2UD / IN （3-5） 式中IN為變頻器的額定電流；UD為直流電壓。 （2）RB的功率P 制動(dòng)電阻RB是

43、屬于短時(shí)間工作，所以比長(zhǎng)期通電時(shí)的消耗功率要小。 P ≥AU 2 D ? RB （3-6） 式中，UD為直流電壓；a為選用系數(shù)，取值范圍一般a∈[0.3,0.5]，取決于電動(dòng)機(jī)的容量和工作情況。通常，電動(dòng)機(jī)容量較少、制動(dòng)時(shí)間短時(shí)取小值，反之取較大值。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)狀態(tài)屬于正常工狀態(tài)時(shí)，取a=1.0。 3.1.5 變頻器的控制方式 作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心-變頻器的性能越來越成為調(diào)速性能優(yōu)劣的決定因素，除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外，對(duì)變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。在交流變頻器

44、中常用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。 1.v/f控制 即u/f=c，正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式。v/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。其特點(diǎn)是：控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，己在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓

45、較小，受定子電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。 2.轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在v/f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動(dòng)機(jī)具有對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時(shí)還加有電流反饋，對(duì)頻率和電流進(jìn)行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。 3.矢量控制(磁場(chǎng)定向法),又稱VC控制 矢量控制變頻調(diào)速的做法是:將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流I a、I b、I c

46、通過三相一二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流I a1、I b1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流I m1、I t1(I m1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；I t1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。 其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效

47、直流電動(dòng)機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。 3.1.6 變頻器的干擾問題 變頻器的干擾主要分外部對(duì)變頻器的干擾和變頻器對(duì)外部的干擾。 1.外部對(duì)變頻器的干擾 當(dāng)供電電網(wǎng)內(nèi)有容量較大的其他的換流設(shè)備時(shí)，容易使電網(wǎng)中的電壓出現(xiàn)缺口現(xiàn)象，這樣使得變頻器的輸入側(cè)的整流電路有可能因出現(xiàn)較大的反向回復(fù)電壓而受到損壞。 2.變頻器對(duì)外部的干擾 由于變頻器的主回路的非線形（進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作），變頻器本身就是一個(gè)諧波干擾源，而其周邊控制回路卻是小能量、弱信號(hào)回路，極易遭受其他裝置產(chǎn)生的干擾，這樣就容易造成變頻器自身和周邊設(shè)備無法正常的工作。因此，變頻器在安裝使

48、用時(shí)，必須對(duì)控制回路采取抗干擾措施。 3.抗干擾措施 （1）合理布線 對(duì)于通過感應(yīng)方式傳播的干擾信號(hào)，可以通過合理布線的方式來削弱。具體方法如下： a) 其他設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離變頻器的輸入、輸出線，相距的距離至少達(dá)到導(dǎo)體直徑的40倍，這樣干擾程度才不是很明顯。 b) 其他設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)避免和變頻器的輸入、輸出線平行； c) 所有的電源線和信號(hào)線都要盡量屏蔽。 （2）加入電抗器 如圖3.4所示，在變頻器的輸入電流中，頻率較低的諧波分量（5、7、9、11次諧波等）所占的比重很高，他們除了可能干擾其他設(shè)備的正常運(yùn)行之外，還會(huì)消耗大量的無功功率， LA為交流電

49、抗器，串聯(lián)在電源與變頻器的輸入側(cè)之間，其主要功能有： a) 提高功率因數(shù)（0.75-0.85）； b) 削弱輸入電路中的浪涌電流對(duì)變頻器的沖擊； c) 削弱電源電壓不平衡的影響。 LD為直流電抗器，串聯(lián)在整流橋和濾波電容之間。其主要功能就是削弱輸入電流中的高次諧波成分，提高功率因數(shù)可達(dá)0.95。 （3）加入濾波器 在變頻器的輸入和輸出電路中，除了上述低次諧波成分外，還有許多頻率很高的諧波，為了防止它們以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對(duì)其他設(shè)備的信號(hào)干擾，可在輸入或輸出部分加入電感或電容濾波器，削弱頻率較高的諧波分量。 3.2 變頻器的類別 3.2.1 根據(jù)變頻環(huán)節(jié)的不同的

50、分類 1.交-直-交變頻器 先將頻率固定的交流電通過整流電路“整流”成直流電，再通過逆變電路把直流電“逆變”成頻率任意的可調(diào)的三相交流電。 2.交-交變頻器 不通過中間直流環(huán)節(jié)而把電網(wǎng)頻率的交流電直接變換成不同頻率的交流電，僅用一次變換就實(shí)現(xiàn)變頻。 交-交變頻器與交-直-交變頻器相比，有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）只有一次變流，提高了變流效率； （2）低頻時(shí)，輸出接近正弦波。 主要缺點(diǎn)： （1）接線復(fù)雜，使用的晶閘管較多； （2）受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低； （3）采用相控方式，功率因數(shù)較低。 3.2.2 根據(jù)主電路工作方式分類 交-直-交變頻器可以分為電壓

51、型變頻器和電流型變頻器。 1.電壓型變頻器 在電壓型變頻器中，逆變電路所需要的支流電壓是由整流電路或者斬波電路輸出，通過直流中間電路的電容進(jìn)行濾波平滑后產(chǎn)生的，在逆變電路中被變換為所需頻率的交流電壓。在電壓型變頻器中，還需要有專用的放電電路，防止由于能量回饋給電容時(shí)直流電壓上升，使變流器件因電壓過高而被損壞。 2.電流型變頻器 在電流型變頻器中，整流電路給出直流電，并通過中間電路的電抗進(jìn)行濾波后使電流平滑輸出，在逆變電路中，被變換為所需頻率的交流電流提供給電動(dòng)機(jī)。電流型控制方式更適合于大容量變頻器。 3.2.3 根據(jù)電壓的調(diào)制方式分類 1.正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變頻器 電壓的大

52、小是通過調(diào)節(jié)脈沖寬度與脈沖占空比來實(shí)現(xiàn)的。 2.脈幅調(diào)制（PAM）變頻器 電壓的大小是通過調(diào)節(jié)直流電壓幅值來實(shí)現(xiàn)的。 3.3 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) 在現(xiàn)代的工業(yè)調(diào)速控制裝置中，為了滿足各種工作速度的要求，目前常用的調(diào)速傳動(dòng)方法有:機(jī)械式有級(jí)調(diào)速傳動(dòng)、電氣和機(jī)械配合的有級(jí)調(diào)速、電氣無級(jí)調(diào)速。根據(jù)拖動(dòng)系統(tǒng)采用的調(diào)速電動(dòng)機(jī)種類不同，電氣無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)分為直流調(diào)速和交流調(diào)速兩種類型。它們?cè)诠I(yè)控制中各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面通過比較，詳細(xì)闡述變頻器控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。 與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比，利用變頻器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的交流拖動(dòng)系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，可以實(shí)現(xiàn)大范

53、圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行電氣制動(dòng)，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)，可以適應(yīng)各種工作環(huán)境，可以用一臺(tái)變頻器對(duì)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，電源功率大，所需電源容量小，可以組成高性能的控制系統(tǒng)等等。 在許多情況下，使用變頻器的目的是節(jié)能，尤其是對(duì)于在石化和鋼鐵行業(yè)中大量使用的風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載來說。變頻調(diào)速能夠應(yīng)用在大部分的電機(jī)拖動(dòng)場(chǎng)合，變頻應(yīng)用可以大大地提高工藝的高效性(變速不依賴于機(jī)械部分)，同時(shí)可以比原來的定速運(yùn)行電機(jī)更加節(jié)能。通過變頻器進(jìn)行調(diào)速控制可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)上利用擋板和閥門進(jìn)行的風(fēng)量、流量和揚(yáng)程的控制，所以節(jié)能效果非常明顯。因?yàn)橐怨?jié)

54、能為目的的調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍和精度要求不高，所以通常采用在價(jià)格方面比較經(jīng)濟(jì)的通用性變頻器。 此外，對(duì)在電網(wǎng)電源下運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，如果在電動(dòng)機(jī)尚未停止時(shí)就進(jìn)行相序的切換，電動(dòng)機(jī)內(nèi)將會(huì)由于相序的改變而流過大于起動(dòng)電流的電流，有燒毀電動(dòng)機(jī)的危險(xiǎn)，所以通常必須等電動(dòng)機(jī)完全停下來之后才能夠進(jìn)行換相操作。而在采用變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)中，由于可以通過改變變頻器的輸出頻率使電動(dòng)機(jī)按照斜坡函數(shù)的規(guī)律進(jìn)行減速，并在電動(dòng)機(jī)減速至低速范圍后再進(jìn)行相序切換，進(jìn)行相序切換時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流可以很小。 同樣，在電動(dòng)機(jī)的加速過程中可以通過改變變頻器的輸出頻率使電動(dòng)機(jī)按照斜坡函數(shù)的規(guī)律進(jìn)行加速，從而達(dá)到限

55、制加速電流的目的。因此，在利用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)更容易和其他設(shè)備一起構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)。 對(duì)于利用普通的電網(wǎng)電源運(yùn)行的交流拖動(dòng)系統(tǒng)來說，由于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流較大并存在著與起動(dòng)時(shí)間成正比的功率損耗，所以不能使電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高頻度的起/停運(yùn)轉(zhuǎn)。而對(duì)于采用了變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)來說，由于電動(dòng)機(jī)的起/停都是在低速區(qū)進(jìn)行而且加減速過程都比較平緩，電動(dòng)機(jī)的功耗和發(fā)熱較小，可以進(jìn)行較高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)。變頻調(diào)速系統(tǒng)的上述特點(diǎn)可以用于采用交流拖動(dòng)系統(tǒng)的傳送帶和移動(dòng)工作臺(tái)等以達(dá)到節(jié)能的目的。這是因?yàn)?，在利用異步電?dòng)機(jī)進(jìn)行恒速驅(qū)動(dòng)的傳送帶以及移動(dòng)工作臺(tái)中，電動(dòng)機(jī)通常一直處于工作狀態(tài)，而采用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制后，由于可

56、以使電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以使傳送帶或移動(dòng)工作臺(tái)只是在有貨物活工件時(shí)運(yùn)行，而在沒有貨物或工件時(shí)停止運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。 由于在變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制是通過改變變頻器的輸出頻率進(jìn)行的，當(dāng)把變頻器的輸出頻率降至電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的頻率以下時(shí)，負(fù)載的機(jī)械能將被轉(zhuǎn)換為電能，并被回饋到變頻器。而變頻器可以利用自己的制動(dòng)回路將這部分能量以熱能消耗或回饋給供電電網(wǎng)，并形成電氣制動(dòng)。此外一些變頻器還具有直流制動(dòng)功能，即在需要進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，可以通過變頻器給電動(dòng)機(jī)加一個(gè)直流電壓，并利用該電壓產(chǎn)生的電流進(jìn)行制動(dòng)。 3.4 實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速要解決的問題 三相交流異步電動(dòng)機(jī)從19世紀(jì)80年代

57、發(fā)明后，人們就已經(jīng)知道其轉(zhuǎn)速： n =( 60f ? p )(1 — s) （3-7） 式中，n為每分鐘的轉(zhuǎn)速；f為交流電的頻率；p為磁極的對(duì)數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。 高速驅(qū)動(dòng)是變頻器調(diào)速控制的最重要的優(yōu)點(diǎn)之一。這是因?yàn)閷?duì)于直流電動(dòng)機(jī)來說，由于受電刷和換向環(huán)等因素的制約，無法進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來說，由于不存在上述制約因素，理論講異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到相當(dāng)高的速度。 目前高頻變頻器的輸出頻率己經(jīng)可以達(dá)到300kHZ，所以當(dāng)利用這種高速變頻器對(duì)二極異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以得到高達(dá)18000or/min的高速。而且隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展，高頻變頻器

58、的輸出頻率也在不斷提高，因此進(jìn)行更高速度的驅(qū)動(dòng)也將成為可能。 此外，與采用機(jī)械增速裝置的高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，由于采用高速變頻器的高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中并不存在異步電動(dòng)機(jī)以外的機(jī)械裝置，其可靠性更好，而且保養(yǎng)和維修業(yè)更加簡(jiǎn)單。在變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)中，變頻器和電動(dòng)機(jī)是可以分離設(shè)置的。因此，通過和各種不同的異步電動(dòng)機(jī)的適當(dāng)組合，可以得到適用于各種工作環(huán)境的交流調(diào)速系統(tǒng)，而對(duì)變頻器本身并沒有特殊要求。由于變頻器本身對(duì)外部來說可以看作是一個(gè)可以進(jìn)行調(diào)頻調(diào)壓的交流電源，可以用一臺(tái)變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到節(jié)約設(shè)備投資的目的。而對(duì)于直流調(diào)速系統(tǒng)來說，則很難做到這一點(diǎn)。當(dāng)用一臺(tái)變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)多

59、臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，若驅(qū)動(dòng)對(duì)象為同步電動(dòng)機(jī)，所有的電動(dòng)機(jī)將會(huì)以同一速度(同步轉(zhuǎn)數(shù))運(yùn)轉(zhuǎn)，而當(dāng)驅(qū)動(dòng)對(duì)象為容量和負(fù)載都不相同的異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，則由于轉(zhuǎn)差的原因，各電動(dòng)機(jī)之間會(huì)存在一定的速度差。因?yàn)樽冾l器是通過交流-直流-交流的電源轉(zhuǎn)換后對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，所以電源的功率因數(shù)不受電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的影響，幾乎為定值。 此外，當(dāng)用電網(wǎng)電源對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流為額定電流的5-6倍，這個(gè)電流值將大大增加電機(jī)繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機(jī)的壽命。而在采用變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于可以將變頻器的輸出功率降至很低時(shí)起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流很小，因而，變頻器輸入端電源的容量也可以比較小。一

60、般來說，變頻器輸入端的容量只需為電動(dòng)機(jī)輸出容量的1.5倍左右即可。這也說明變頻器也可以同時(shí)起到減壓起動(dòng)器的作用。 隨著控制理論、交流調(diào)速理論和電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器技術(shù)也得到了充分地重視和發(fā)展，目前，由高性能變頻器和專用的異步電動(dòng)機(jī)組成的控制系統(tǒng)在性能上己經(jīng)達(dá)到和超過了直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。此外，由于異步電動(dòng)機(jī)還具有對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，維護(hù)簡(jiǎn)單等許多直流伺服電動(dòng)機(jī)所不具備的有點(diǎn)，所以在許多需要進(jìn)行高速高精度控制的應(yīng)用中這種高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步替代直流伺服系統(tǒng)。而且由于高性能的變頻器的外部接口功能也非常豐富，可以將其作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)部件使用，構(gòu)成所需的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 3.4.1

61、大功率開關(guān)器件是實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的必要條件 在變頻器中，逆變橋是變頻器的關(guān)鍵部分，它由六個(gè)開關(guān)器件構(gòu)成。逆變過程就是這六個(gè)開關(guān)器件按一定的規(guī)律不停的導(dǎo)通和截止的過程。而要想實(shí)現(xiàn)逆變過程，這六個(gè)開關(guān)器件必須滿足以下要求： （1）能承受足夠大的電壓和電流； （2）允許長(zhǎng)時(shí)間頻繁地接通和關(guān)斷； （3）接通和關(guān)斷的控制必須非常的方面。 但是由于大功率開關(guān)器件發(fā)展的限制，一直都無法進(jìn)行逆變過程。直到20世紀(jì)60年代，隨著晶閘管（SCR）功率的不斷增大，才使得變頻器調(diào)速成為了可能。直到20世紀(jì)70年代，大功率晶體管（GTR）的問世，變頻調(diào)速才普及。后來的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的出現(xiàn)和不斷提高，使得變頻器在各個(gè)

62、方面更加成熟和穩(wěn)定的發(fā)展。 3.4.2 變頻變壓 在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素是希望保持每極磁通量φm為不變額定值。磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi);磁通太大，又會(huì)使鐵芯飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)，勵(lì)磁繞組是獨(dú)立的，只要對(duì)電樞反映的補(bǔ)償合適，保持φm不變是容易做到的.在交流異步電機(jī)中，磁通是由定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生的，怎樣才能保證磁通恒定呢? 電動(dòng)機(jī)要求主磁通φm保持不變，不然影響電動(dòng)機(jī)的性能。 φm = E1X ? 4.44KEfXN （3-8） 式中，φm為主磁通； E1X 、fX為一

63、相定子繞組電動(dòng)勢(shì)和頻率；KE為比例常數(shù)；N為一相繞組的匝數(shù)。 E1X = ?IMZM = ─IM(RM+jXM) （3-9） 式中，IM為激磁電流；RM為激磁阻抗；XM為激磁電抗。 Te =CTφmIM cosψ （3-10） 式中，Te為電磁轉(zhuǎn)距；IMcosψ為電流有功分量；CT為比例系數(shù)。 如果主磁通增大，從上式（3-8）可知，則E1X增大，而（3-9）中可知，E1X增大，勵(lì)磁電流IM也增大，使得電動(dòng)機(jī)的磁路飽和而引起勵(lì)磁電流發(fā)生畸變。 如果主磁通減少，從（3-10）可知電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距也跟著減少。 為使主磁通

64、IM不變，（3-8）式可變?yōu)椋? E1X ∕ fx = 4.44ΦmKEN =Cφm （3-11） 從（3-11）式中可知，要使得φm不變，則E1X和fx要同步增加和減少。即E1X ∕ fx =ΔE1X ∕Δfx ，C = 4.44KEN，要保持電機(jī)磁通恒定，必須使定子電壓隨定子頻率成正比變化，這種E1X和 fx的配合變化稱為恒磁通變頻調(diào)速中的協(xié)調(diào)控制，也就是說變頻的同時(shí)也要變壓。這是恒電壓頻率比的協(xié)調(diào)控制方式(簡(jiǎn)稱恒壓頻比)，其機(jī)械特性曲線簇如圖3.6所示。由圖可見，從同步轉(zhuǎn)速(M=0)到最大轉(zhuǎn)矩(Max)的特性可近似看作是線性關(guān)系，且線性段基本平行，

65、類似于直流電機(jī)的調(diào)壓特性。 但最大轉(zhuǎn)矩Max卻隨fx下降而減少，這是因?yàn)閒x高時(shí)，E1X數(shù)值較大，定子阻抗壓降的比例很小，fx低時(shí)，E1X數(shù)值較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著。所以φm小很多，Max就很小。載起動(dòng)是很不利的。這對(duì)于滿載或過載起動(dòng)是很不利的，而對(duì)于風(fēng)機(jī)水泵類機(jī)械負(fù)載還是合適的。 圖3.5：變頻調(diào)速機(jī)械特性 V/f控制就是這樣一種控制方式，改變頻率的同時(shí)控制逆變器的輸出電壓，使電機(jī)磁保持一定，在廣范圍內(nèi)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)的效率，功率因數(shù)不下降，因?yàn)槭强刂齐妷号c頻率比，因而稱為V/f控制。 3.5 變頻調(diào)速的現(xiàn)實(shí)意義 自從19世紀(jì)80年代發(fā)明了三相交流異步電動(dòng)機(jī)以來，由

66、于其轉(zhuǎn)子回路內(nèi)的電流不必外部通入，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單堅(jiān)固、易于維護(hù)。因而長(zhǎng)期以來，在工農(nóng)業(yè)設(shè)備中占有始終處于絕對(duì)領(lǐng)先地位。然而，在調(diào)速方面，三相交流異步電動(dòng)機(jī)竟長(zhǎng)期處于“低能兒”狀態(tài)，因此，現(xiàn)實(shí)三相交流異步電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速，成為人們新的研究方向。在電力拖動(dòng)領(lǐng)域，解決好三相交流異步電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速具有十分重要的意義： 1.可以大大提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的加工精度、工藝水平以及工作效率等，提高產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量； 2.可以大大減少生產(chǎn)機(jī)械的體積和重量，減少金屬的耗用量； 3.對(duì)于風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，采用調(diào)速的方法，節(jié)電率可達(dá)到（20～60）%。近年來，隨著科技的進(jìn)步、企業(yè)自動(dòng)化程度的提高，對(duì)機(jī)械設(shè)備的要求不僅僅是性穩(wěn)定、操作方便，還應(yīng)該盡可能地節(jié)約能源。變頻器與交流電動(dòng)機(jī)相配合，使交流傳動(dòng)統(tǒng)具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行可靠性高的特點(diǎn)及良好的技術(shù)性能特別是在節(jié)約能源方面起到了很大的作用，變頻器的推廣應(yīng)用引起了人們的高度重視。 第4章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)核心是PLC控制部分，包括接受觸摸屏傳送的邏輯點(diǎn)和數(shù)據(jù)，兩個(gè)PLC的數(shù)據(jù)交換，傳送數(shù)據(jù)對(duì)變頻器實(shí)現(xiàn)控制。該控制系統(tǒng)結(jié)合