橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、I / 56Xxxxx 等?？茖W(xué)校畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)論論文文論文題目:橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 部：專 業(yè)：班 級：學(xué)生：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：2012 年 12 月 12 日I / 56摘 要電氣調(diào)速控制的方法很多，對直流驅(qū)動(dòng)來講 60 年代采用發(fā)電機(jī)電機(jī)系統(tǒng)。從控制電阻分級控制，到交磁放大控制，到可控硅 SCR 激磁控制，到主回路可控硅即晶閘管整流供電系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成模塊出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)、微處理器應(yīng)用，因此控制從分立組成模擬量控制發(fā)展至今天的數(shù)字量控制。從交流驅(qū)動(dòng)來講：常規(guī)的常采用繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，為滿足重物下放時(shí)的低速，一般依靠能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)，后來還采用渦流

2、制動(dòng)，還有靠轉(zhuǎn)子反饋控制制動(dòng)、反接制動(dòng)、單相制動(dòng)器抱閘松勁的所謂軟制動(dòng)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，國外開發(fā)研制變頻調(diào)速，PLC 可編程序控制器的應(yīng)用控制系統(tǒng)的性能更加完美。本次設(shè)計(jì)采用 PLC 和變頻器技術(shù)，以 PLC 控制變頻器，即以程序控制取代繼電接觸器控制，控制變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，設(shè)計(jì)出 PLC 控制的橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)的半自動(dòng)化控制。關(guān)鍵詞：PLC 橋式起重機(jī) 矢量控制ABSTRACT Electric speed control method are many, the dc drive speaking in the s the generator - machi

3、ne system. From the control resistance hierarchical control, to pay magnetic amplifier control, to the silicon controlled SCR excitation control, to the main loop thyristor is thyristor rectifier power supply system. With the rapid development of electronic technology, integrated module appear, comp

4、uter, microprocessor application, therefore control from discrete component analog control development to todays digital volume control. From the ac drive speaking: conventional is often used to wound rotor motor rotor resistance control, in order to meet the weight transfer to a lower level of low

5、speed, generally rely on energy consumption braking, reverse connect braking, and then the eddy current brake, and rely on rotor feedback control braking, reverse connect braking, single-phase brake contracting brake slacken so-called soft brake, with the development of electronic technology, the do

6、mestic and foreign development frequency control, PLC programmable controller to control the application of the performance of the system more perfectII / 56This design USES PLC and frequency converter technology, PLC control frequency converter, namely to program control instead of relay, contactor

7、 control, control frequency converter to realize frequency control of motor speed, design the PLC control of bridge crane of variable speed control system, then realize the crane half automation control.Key Words：Programmable Logic Controller bridge crane vector controlIII / 56I / 56目 錄摘 要IABSTRACTI

8、緒 論 1第 1 章 橋式起重機(jī)介紹 41.1 國外發(fā)展概況 41.2 傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在的問題 5第 2 章 調(diào)速系統(tǒng)介紹 72.1 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速指標(biāo) 72.2 變頻調(diào)速的基本原理 82.3 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性 10第 3 章 變頻器 123.1 變頻器的分類 123.2 變頻器的主電路 123.3 變頻器的控制電路 133.4 脈寬調(diào)制型(PWM)變頻器 13第 4 章 可編程序控制器 184.1 概述 184.2 PLC 的應(yīng)用與發(fā)展和系統(tǒng)組成 194.3 PLC 的工作原理、抗干擾分析與設(shè)計(jì) 21第 5 章 調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部件選型 225.1 概述 225.2

9、 采用變頻調(diào)速的基本考慮 235.3 橋式起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng) 27第 6 章 橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 306.1 S7-200PLC 網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議 306.2 PLC 程序設(shè)計(jì) 30展 望 35致 37參考文獻(xiàn) 38附錄 39電氣圖紙 39PLC 源程序 411 / 56緒 論橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械在整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的地位，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國橋式起重機(jī)制造廠和使用部門在設(shè)計(jì)、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷改造，推動(dòng)了橋式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。但在實(shí)際使用中，傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的控制系統(tǒng)所采用交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速，繼電接觸器控制，在

10、工作環(huán)境差，工作任務(wù)重時(shí)，電動(dòng)機(jī)以與所串連電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生；繼電接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，機(jī)械特性軟，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想。所串連電阻長期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低。要從根本上解決這些問題，只有徹底改變傳統(tǒng)的控制方式。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件的迅猛發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)電氣傳動(dòng)和自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展。其中，具有代表性的交流變頻調(diào)速裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應(yīng)用，為 PLC 控制的變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機(jī)系統(tǒng)提供了有利條件。變頻技術(shù)的運(yùn)用使得起重機(jī)的整體特性得到較大提高，可以解決傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)存在諸多的問題，變頻調(diào)速以其可靠性

11、好，高品質(zhì)的調(diào)速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重運(yùn)輸機(jī)械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。本次設(shè)計(jì)采用 PLC 和變頻器技術(shù)，以 PLC 控制變頻器，即以程序控制取代繼電接觸器控制，控制變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，設(shè)計(jì)出 PLC 控制的橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)的半自動(dòng)化控制。此系統(tǒng)特別適用于橋式起重機(jī)在惡劣條件下的工作情況，對改善橋式起重機(jī)的調(diào)速性能，提高工作效率和功率因數(shù)，減小起制動(dòng)沖擊以與增加起重機(jī)使用的安全可靠性是非常有益的。如果說以第一個(gè)晶閘管的出現(xiàn)作為交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的起點(diǎn)，可以認(rèn)為它的發(fā)展歷史己 40 多年了。而變頻調(diào)速技術(shù)真正高速發(fā)展時(shí)期，應(yīng)該是在 PWM 調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)和微機(jī)

12、控制技術(shù)發(fā)展之后。特別是最近 20 年來，隨著交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用普與，交流變頻調(diào)速在化工、火電廠、礦山、油田、機(jī)械制造、城市建設(shè)、水處理、甚至家電等行業(yè)己經(jīng)全面推廣使用，一般主要用于節(jié)能與控制。隨著變頻技術(shù)的普與和深入，以與國際、國電器設(shè)備使用的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)意識的強(qiáng)化，電力系統(tǒng)行業(yè)和用戶對變頻技術(shù)的質(zhì)量要求也越來越高。變頻調(diào)速的發(fā)展趨勢主要圍繞下面幾個(gè)方而展開。1) 高性能的智能控制變頻器380V 系統(tǒng)的低壓變頻器是國的主要研究對象，應(yīng)用交流調(diào)速的基本理論，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制、模糊控制，或其他智能控制等手段，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行2 / 56參數(shù)的自動(dòng)辨識，以期達(dá)到自適應(yīng)、自調(diào)整的最優(yōu)控制。2) 速

13、度傳感器研究從前面所述的各種變頻調(diào)速的理論可知，一般系統(tǒng)都要用到轉(zhuǎn)速傳感器。在實(shí)際使用中，由于變頻設(shè)備和被控電動(dòng)機(jī)有一定的距離，而高精度的轉(zhuǎn)速傳感器都要使用專門的電源，被控電動(dòng)機(jī)有的是在戶外，運(yùn)行工況非常惡劣，要保證速度反饋的準(zhǔn)確性，有時(shí)不得不采取特別措施，因此也會(huì)增加額外費(fèi)用，運(yùn)行的可靠性和控制精度也會(huì)因此受到影響。無速度傳感器的變頻調(diào)速系統(tǒng)，是通過現(xiàn)場采集的電流電壓量，以與控制的實(shí)施策略，綜合出被控電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。這種控制方案要求計(jì)算機(jī)的控制速度較高，并有足夠的精度。3) 針對功率因數(shù)提高和諧波污染的研究低壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制雖然己經(jīng)是非常成熟了，但目前國際、國的產(chǎn)品，一般都是矢量控制和直

14、接轉(zhuǎn)矩控制，重點(diǎn)放在電機(jī)變頻控制理論的實(shí)現(xiàn)和完善上，而對變頻器的輸出波形、功率因數(shù)，以與諧波污染等問題還沒有引起足夠的重視。最近 10 多年來，國外在這一領(lǐng)域己有較深入的研究。有的針對功率因數(shù)，有的強(qiáng)調(diào)輸出波形。多重化技術(shù)就是為了解決輸出波形問題。最近幾年的研究表明，利用 PWM 輸出控制解決諧波輸出問題，是比較理想的方法，它可以省去多重化中的變壓器，或過多的開關(guān)元器件，使變頻器的體積和重量減少，但這種方法不能解決所有諧波的消除問題，只能部分消除特定諧波。這方面的研究論文還不多，也還沒有成熟的類似低壓變頻器的產(chǎn)品出現(xiàn)。4) 高壓變頻器的研究變頻器的主要作用之一是節(jié)能。而高壓電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果是比

15、較明顯的，大功率的風(fēng)機(jī)和水泵用電動(dòng)機(jī)一般都是高壓電動(dòng)機(jī)。國，高壓變頻調(diào)速和它的節(jié)能控制還是一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié).它主要是針對 610kV 的交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。這種高壓電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠的送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)上。同樣也可用于其他如石油化工、礦山、冶煉、機(jī)械制造等行業(yè)的變頻節(jié)能控制。從某種意義上講，由于目前國還不能完全生產(chǎn)高質(zhì)量的合格電力電子器件，而且，國外低壓變頻器的性能價(jià)格比也比國自己研究的變頻器高得多。隨著電力電子技術(shù)最近 20 多年的飛速發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件的成本逐年下降，技術(shù)工藝和性能也得到不斷改善.電力電子器件的應(yīng)用己從傳統(tǒng)的直流調(diào)速、直流屏、斬波器等領(lǐng)域延伸到交流調(diào)速和電力

16、系統(tǒng)的質(zhì)量控制領(lǐng)域.并正朝著高電壓、大功率的方向發(fā)展.這也是千年之交和世紀(jì)之交我國電力電子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢。5) 無換向器同步電機(jī)的變頻調(diào)速無換向器電動(dòng)機(jī)也是在 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的新型調(diào)速系統(tǒng)。它是一種變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī).也可以認(rèn)為是一種用半導(dǎo)體電子開關(guān)線路代替換向器和電刷作3 / 56用的直流電動(dòng)機(jī)。根據(jù)采用的控制方式不同.可分為直流無換向器電動(dòng)機(jī)和交流無換向器電動(dòng)機(jī)。直流無換向器電動(dòng)機(jī)采用交-直-交或直-交變頻控制系統(tǒng);交流無換向器電動(dòng)機(jī)采用交-交變頻控制系統(tǒng)。近 10 年來.國外雜志上有許多相關(guān)的研究論文。而且，也有一定的成果出現(xiàn)。4 / 56第 1 章 橋式起重機(jī)介紹1

17、.1 國外發(fā)展概況電氣調(diào)速控制的方法很多，對直流驅(qū)動(dòng)來講 60 年代采用發(fā)電機(jī)電機(jī)系統(tǒng)。從控制電阻分級控制，到交磁放大控制，到可控硅 SCR 激磁控制，到主回路可控硅即晶閘管整流供電系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成模塊出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)、微處理器應(yīng)用，因此控制從分立組成模擬量控制發(fā)展至今天的數(shù)字量控制。 從交流驅(qū)動(dòng)來講：常規(guī)的常采用繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，為滿足重物下放時(shí)的低速，一般依靠能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)，后來還采用渦流制動(dòng)，還有靠轉(zhuǎn)子反饋控制制動(dòng)、反接制動(dòng)、單相制動(dòng)器抱閘松勁的所謂軟制動(dòng)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，國外開發(fā)研制變頻調(diào)速，PLC 可編程序控制器的應(yīng)用控制系統(tǒng)的性能更加完美。目前國外幾

18、種常用調(diào)速系統(tǒng)配置與其性能：l) DC-300 直流驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)：GE 公司 DC-300，DC-2000 是微處理器數(shù)字量控制的直流驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，其控制功率從 300HP 到 4000HP，并采用 PLC 對整機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施故障診斷、檢測、報(bào)警與控制。 該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施主回路 SCR 整流，其控制是給定模擬量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過速度環(huán)、電流環(huán)到 SCR 移現(xiàn)觸發(fā)的邏輯無環(huán)流的調(diào)速系統(tǒng)?？捎脺y速反饋或電壓反饋，對磁場弱磁，以實(shí)施恒功率控制。2) 交流調(diào)速控制系統(tǒng)：對于起重機(jī)械來講，交流驅(qū)動(dòng)仍是國普遍采用的方案而且多數(shù)停留在繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻來調(diào)速。隨著功率電子技術(shù)的發(fā)展，早在六十年代后期

19、，國外就開始致力于晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)的開發(fā)研究。目前，該技術(shù)已進(jìn)入了成熟穩(wěn)定的發(fā)展應(yīng)用階段。日本安川電機(jī)制作所于 1972 年就正式定為 VS 系列，應(yīng)用于起重機(jī)與軋機(jī)輔助設(shè)備的交流調(diào)速。法國、英國、德國等大電氣公司亦在這方面展開了重點(diǎn)研制開發(fā)。借助電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，由分離元件發(fā)展到大規(guī)模集成電路，從而實(shí)現(xiàn)控制部件的微型組件化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，進(jìn)而從模擬量控制發(fā)展到數(shù)字量控制?？删幊绦蚩刂破?PLC 引入到交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)后，使傳動(dòng)系統(tǒng)性能發(fā)生了質(zhì)的變化。在橋式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)了抓斗的自動(dòng)控制和故障診斷、檢測顯示等，達(dá)到了新的技術(shù)高度。3) 變頻調(diào)速：變頻調(diào)速技術(shù)是國際上各

20、大電氣公司在 70 年代末 80 年代投入全力研制、開發(fā)，也是國際國這幾年全力研制應(yīng)用的目標(biāo)與方向。這幾年一些公司如德國 SIEMENS，美國 GE，日本三菱等推出全數(shù)字化的矢量控制技術(shù)，大功率的 IGBT 模塊的出現(xiàn)使變頻技術(shù)在起升機(jī)械、電梯等位能負(fù)載控制成為現(xiàn)實(shí)。目前，變頻調(diào)速的控制方法有恒壓頻比控制，轉(zhuǎn)差頻率控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)5 / 56矩控制等。這些控制方法都得到了不同程度的應(yīng)用，但其控制性能有一定的差異。 直流電動(dòng)機(jī)之所以與有良好的控制性能，其根本原因是當(dāng)勵(lì)磁電流恒定時(shí)，控制電樞電流的大小就能無時(shí)間滯后的控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的大小。異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的原理雖然與直流電動(dòng)機(jī)一樣，但由于

21、建立氣隙磁場的勵(lì)磁分量和電磁轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)裝置電流有功分量都應(yīng)包含在定子電流中，無法直接將它們分開，在運(yùn)行過程中，這兩個(gè)分量有會(huì)互相影響。因此要控制異步電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩十分困難。像采用恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)由于是從控制電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因而難以獲得較理想的動(dòng)態(tài)性能，異步電動(dòng)機(jī)在高精度調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。而矢量控制是從根本上解決了這個(gè)問題，使交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用圍迅速擴(kuò)大。 適用于通用的鼠籠式電動(dòng)機(jī)，無速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，該技術(shù)使變頻控制裝置不再配套專用電機(jī)，而且可通過軟件對一般的鼠籠式電機(jī)矢量控制裝置實(shí)施參數(shù)調(diào)整，進(jìn)一

22、步降低電氣電機(jī)的投資而且維護(hù)保養(yǎng)方便。變頻器使用 PWM 技術(shù)可嚴(yán)格地使輸入電流正弦，即在下降過程各機(jī)1cos械減速制動(dòng)中，將動(dòng)能和位能轉(zhuǎn)化為電能反饋電網(wǎng)，達(dá)到理想的節(jié)能指標(biāo)，同時(shí)確保工況正常運(yùn)行，上述發(fā)展己完成了產(chǎn)品系列化上市，對 “變頻”裝置在技術(shù)上以與經(jīng)濟(jì)上與其他驅(qū)動(dòng)裝置競爭將有明顯的優(yōu)勢。同時(shí)隨著 PLC 系統(tǒng)的不斷成熟與完善，以與大容量變頻器在位能負(fù)載上的成功應(yīng)用，變頻調(diào)速系統(tǒng)必將成為未來調(diào)速市場的主流。1.2 傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在的問題 橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械在整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的地位，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國橋式起重機(jī)制造廠和使用部門在設(shè)計(jì)、制造工藝、設(shè)備

23、使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷改造，推動(dòng)了橋式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。但在實(shí)際使用中，結(jié)構(gòu)開裂仍時(shí)有發(fā)生。究其原因是頻繁的超負(fù)荷作業(yè)與過大的機(jī)械振動(dòng)沖擊所引起的機(jī)械疲勞。因此，除了機(jī)械上改進(jìn)設(shè)計(jì)外，改善交流電氣傳動(dòng)，減少起制動(dòng)沖擊，也是一個(gè)很重要的方面。由于傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電控系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行有級調(diào)速，致使機(jī)械沖擊頻繁，振動(dòng)劇烈，因此電氣控制上應(yīng)采用平滑的無級調(diào)速是解決問題的有效手段。傳統(tǒng)的起重機(jī)驅(qū)動(dòng)方案一般采用：（1）直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)；（2）改變電動(dòng)機(jī)極對數(shù)調(diào)速；（3）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；（4）渦流制動(dòng)器調(diào)速；（5）可控硅串級調(diào)速；（6）直流調(diào)速。前四種方案均屬有級調(diào)速，調(diào)速圍小，無

24、法高速運(yùn)行，只能在額定速度以下調(diào)速：起動(dòng)電流大，對電網(wǎng)沖擊大；常在額定速度下進(jìn)行機(jī)6 / 56械制動(dòng)，對起重機(jī)的機(jī)構(gòu)沖擊大，制動(dòng)閘瓦磨損嚴(yán)重；功率因數(shù)低，在空載或輕載時(shí)低于 0.20.4，即使?jié)M載也低于 0.75，線路損耗大?？煽毓璐壵{(diào)速雖克服了上述缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了額定速度以下的無級調(diào)速，提高了功率因數(shù)，減少了起制動(dòng)沖擊，價(jià)格較低，但目前串級調(diào)速產(chǎn)品的控制技術(shù)仍停留在模擬階段，尚未實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能和起制動(dòng)性能，很好的保護(hù)功能與系統(tǒng)監(jiān)控功能，所以有時(shí)采用直流電動(dòng)機(jī)，而直流電動(dòng)機(jī)制造工藝復(fù)雜，使用維護(hù)要求高，故障率高。由于傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電控系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行有級調(diào)速，盡

25、管起動(dòng)性能與調(diào)速性能較交流鼠籠型電動(dòng)機(jī)有很大改善，但由于采用有級調(diào)速，依然存在以下問題：1)控制檔位較多時(shí)，控制電路復(fù)雜，系統(tǒng)的故障率較高；2)在換檔時(shí)依然存在電流與轉(zhuǎn)矩沖擊，重載情況下尤為突出；3)低速定位時(shí)由于采用“倒拉反接制動(dòng)”運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)子中串入了較大電阻導(dǎo)致機(jī)械特性變得很軟，低速定位困難；4)能量損耗大，特別是重載低速時(shí)的損耗尤其嚴(yán)重7 / 56第 2 章 調(diào)速系統(tǒng)介紹調(diào)速就是在一定的負(fù)載下，根據(jù)生產(chǎn)的需要人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這是生產(chǎn)機(jī)械經(jīng)常向電動(dòng)機(jī)提出的要求。調(diào)速性能的好壞往往影響到生產(chǎn)機(jī)械的工作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。2.1 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速指標(biāo)1) 調(diào)速圍電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載(電流為額定

26、值)情況下所能得到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速圍，用 D 表示，即 (2-1)minmaxminmax:nnnnD2)調(diào)速方向調(diào)速方向指調(diào)速后的轉(zhuǎn)速比原來的額定轉(zhuǎn)速(基本轉(zhuǎn)速)高還是低。若比基本轉(zhuǎn)速高，稱為往上調(diào)，比基本轉(zhuǎn)速低，稱為往下調(diào)。3)調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性由一定圍能得到的轉(zhuǎn)速級數(shù)來說明。級數(shù)越多，相鄰兩轉(zhuǎn)速的差值越小，平滑性越好。如果轉(zhuǎn)速只能跳躍式的調(diào)節(jié)，例如只能從 3000r/min 一下調(diào)節(jié)到 1500r/min，在又調(diào)節(jié)到 1000 r/min 等，兩者之間的轉(zhuǎn)速無法得到，這種調(diào)速稱為有級調(diào)速。如果在一定的調(diào)速圍的任何轉(zhuǎn)速都可以得到則稱為無級調(diào)速。無級調(diào)速的平滑性當(dāng)然就比

27、有級調(diào)速好。平滑的程度可用相鄰兩轉(zhuǎn)速之比來衡量，稱為平滑系數(shù)，即 1iinn(2-2)越接近于 1，平滑性越好。無級調(diào)速時(shí)=1，平滑性最好。4)調(diào)速的穩(wěn)定性調(diào)速的穩(wěn)定性是用來說明電動(dòng)機(jī)在新的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載變化而引起轉(zhuǎn)速變化的程度，通常用靜差率來表示。其定義為：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降-與理想空載轉(zhuǎn)速之比，即0nn0n (2-3)%100s00nnn8 / 56s 越小，穩(wěn)定性越好。靜差率與機(jī)械特性的硬度有關(guān)。機(jī)械特性的硬度的定義為 (2-4)nTdndT越大，轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，變化的程度就越小，機(jī)械特性就越硬，靜差率就越小，n穩(wěn)定性就越好。靜差率還與理

28、想空載轉(zhuǎn)速的大小有關(guān)。例如兩條平行的機(jī)械特0n性硬度一樣，在靜差率公式中的-一樣，由于不同，他們的 s 就不同，0nn0n大的，s 小，小的，s 就大。0n0n生產(chǎn)機(jī)械在調(diào)速時(shí)，為保持一定的穩(wěn)定性會(huì)對靜差率提出一定的要求。靜差率還會(huì)對調(diào)速圍起到制約的作用，因?yàn)槿绻{(diào)速時(shí)所得到的最低轉(zhuǎn)速下的 s 太大，則該轉(zhuǎn)速性太差，便難以滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。5)調(diào)速時(shí)的允許負(fù)載 電動(dòng)機(jī)在各種不同轉(zhuǎn)速下滿載運(yùn)行時(shí)，如果允許輸出的功率一樣，則這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速；如果允許輸出的轉(zhuǎn)矩一樣，則這種調(diào)速的方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。不同的生產(chǎn)機(jī)械對此的要求往往不同。例如切削機(jī)床，要求精加工小切削量時(shí)，工件轉(zhuǎn)速高，粗加工大

29、切削時(shí)，工件轉(zhuǎn)速低。因此，它希望電動(dòng)機(jī)能具有恒功率調(diào)速的性能。另一類生產(chǎn)機(jī)械，例如起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等則要求電動(dòng)機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下都能輸出同樣的轉(zhuǎn)矩，因此，它希望電動(dòng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的性能。2.2 變頻調(diào)速的基本原理根據(jù)異步電機(jī)的知識，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： (2-5)1(60spfn 其中：異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min；n定子的電源頻率，單位為 Hz；f電機(jī)的轉(zhuǎn)速滑差率；s電機(jī)的極對數(shù)。p 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法可分為兩大類：一類是通過改變同步轉(zhuǎn)速來改0n變轉(zhuǎn)速，具體方法有變極調(diào)速(改變)和變頻調(diào)速(改變)；另一類是通過改npf變轉(zhuǎn)差率 來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這就需要讓電動(dòng)機(jī)從固有特性上運(yùn)行改為人為

30、特性上運(yùn)s行，具體方法有變壓調(diào)速(改變)，轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速(改變)，等等。由上1U2R式可知，如果改變輸入電機(jī)的電源頻率，則可相應(yīng)改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。f9 / 56 在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素時(shí)希望保持每極磁通量為額定值不變。m磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的磁心，是一種浪費(fèi)；若要增大磁通，又會(huì)使磁通飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槔@組過熱而損壞電機(jī)。對于直流電機(jī)來說，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持 不變m是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。三相異步電動(dòng)機(jī)每相電動(dòng)勢的有效值是：(2-6)mkNfE111144. 4式中：氣隙磁通在定子

31、每相中感應(yīng)電動(dòng)勢有效值，單位為 V；1E 定子頻率，單位為 Hz；1f定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；1N定子基波繞組系數(shù)；1k每極氣隙磁通量，單位為 Wb；由公式可知，只要控制好和，便可m1E1f以控制磁通中不變，需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況；m1)基頻以下調(diào)速當(dāng)電源頻率在基頻以下調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，但在調(diào)節(jié)電源頻率的同1f時(shí)，必須同時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的定子電壓，且始終保持常數(shù)，否則電動(dòng)機(jī)無1U11/ fU常工作。這是因?yàn)槿喈惒诫妱?dòng)機(jī)定子繞組相電壓，當(dāng)mNfEU111144. 4下降時(shí)，若不變，則必使電動(dòng)機(jī)每極磁通增加，在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，處1f1Umm于磁路磁化曲線的膝部，的增加將進(jìn)入

32、磁化曲線飽和段，使磁路飽和，電動(dòng)機(jī)m空載電流劇增，使電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力變小，而無常工作。為此，電動(dòng)機(jī)在基頻以下調(diào)速時(shí)，應(yīng)使恒定不變。所以，在頻率下調(diào)的同時(shí)應(yīng)使電動(dòng)機(jī)定子相電壓隨m之下調(diào)，并使常數(shù)。可見，電動(dòng)機(jī)額基頻以下的調(diào)速為恒磁通NNfUfU1111/調(diào)速，由于不變，調(diào)速過程中電磁轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩m22cosNmTICT調(diào)速。2)基頻以上調(diào)速 當(dāng)電源頻率在基頻以上調(diào)節(jié)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子相電壓是不允許在額定相電1f壓以上調(diào)節(jié)的，否則會(huì)危與電動(dòng)機(jī)的絕緣。所以，電源頻率上調(diào)時(shí)，只能維持電動(dòng)機(jī)定子相電壓不變。于是，隨著升高將下降，但上升，故屬于恒功nU11fmn10 / 56率調(diào)速。 把基頻以下和基頻

33、以上兩種情況合起來，可得到異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性，如圖 2-7 所示。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升容許的條件下長期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)速，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速” 。恒轉(zhuǎn)距調(diào)速恒功率調(diào)速1UmnU1mn1Umonf11f圖 2-7 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性2.3 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性2.3.1 =常數(shù)時(shí)的變頻調(diào)速機(jī)械特性11/ fU下面來分析機(jī)械特性中的三個(gè)特殊點(diǎn)，并由此來決定機(jī)械特性。同步點(diǎn)：由，則，下調(diào)，隨之下降。111/60pfn 11fn 1f1n最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)：由 c=常數(shù)，=常數(shù)，而臨

34、界轉(zhuǎn)差率mT2121/ fU，臨界轉(zhuǎn)速降常121222/12/fLfRxRSm112121/602/pfLfRnSnmm數(shù)。因此，在不同頻率下，最大轉(zhuǎn)矩保持不變，且對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速降也不變。所以其機(jī)械特性基本上是平行的。但當(dāng)下調(diào)過低時(shí)，因也很低，此時(shí)定1f1U子電阻上的壓降已不能再忽略，而使、下降更嚴(yán)重，電動(dòng)機(jī)的將1R11RI1EmmT變小。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。所以起動(dòng)122122122221221/1/)(/fxfRCUxRfRCUTst轉(zhuǎn)矩隨頻率下降而增加。由此可畫出=常數(shù)時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速特11/ fU性如圖 2-8 所示：11 / 561n2n3nNnn321ffff

35、NTNf1f2f3fo圖 2-8 三相異步電動(dòng)機(jī)=常數(shù)變頻調(diào)速機(jī)械特性11/ fU2.3.2 的變頻調(diào)速機(jī)械特性NUU11同步點(diǎn)：由，則，當(dāng)調(diào)高時(shí)，隨之上升。最大轉(zhuǎn)矩111/60pfn 11fn 1f1n點(diǎn)：由，當(dāng)調(diào)高時(shí)，減小。起動(dòng)轉(zhuǎn)2122212121/14/2/fLfCUxfCUTNNst1fmT矩點(diǎn)： ，當(dāng)調(diào)高時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大大減小。此時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性如圖31/1 fTst1f2-9 所示：n1n2n3nNnNf1f2f3fToNffff123如圖 2-9 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性12 / 56第 3 章 變頻器三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速所用的變頻電源有兩種，一種是變頻機(jī)組，另一種是靜止的變頻裝置變頻器

36、。前者由直流電動(dòng)機(jī)和交流發(fā)電動(dòng)機(jī)組成，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就能改變交流發(fā)電動(dòng)機(jī)的頻率，由于變頻機(jī)組設(shè)備龐大，可靠性差。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，靜止式變頻器已完全取代了早期的旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組。3.1 變頻器的分類按變頻的原理有交交變頻器和交直交變頻器。前者是將頻率固定的交流電源變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源，其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，變換頻率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率圍較窄，一般在 ，故主要用于容量較大2/011Nff 的低速拖動(dòng)系統(tǒng)中。后者是將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經(jīng)過逆變電路，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相電流。由于把直流電逆變成交流電較易控制，因此在頻率的調(diào)節(jié)圍、變頻后電動(dòng)機(jī)特性

37、的改善等方面都具有明顯的優(yōu)勢，目前使用最多的變頻器均為交直交變頻器。根據(jù)直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式不同，交直交變頻器又分為電壓型和電流型兩種。 電壓型變頻器是指變頻器整流后是由電容來濾波，現(xiàn)在使用的交直交變頻器大部分為電壓型變頻器。電流型變頻器是指變頻器整流后是由電感元件來濾波，目前少見。13 / 56根據(jù)調(diào)壓方式不同，交直交變頻器又分成脈幅調(diào)制型和脈寬調(diào)制型兩種。脈幅調(diào)制是指變頻器輸出電壓大小是通過改變直流電壓大小來實(shí)現(xiàn)的，常用 PAM表示。這種調(diào)壓方式很少使用。脈寬調(diào)制是指變頻器輸出電壓大小是通過改變輸出脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)的，常用 PWM 表示。目前使用最多的占空比按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制，即

38、 SPWM 方式。3.2 變頻器的主電路 變頻器的主電路包括整流電路、濾波與限流電路、直流中間電路、逆變電路和能耗制動(dòng)電路等部分組成，其中整流電路和逆變電路是很重要的兩部分，下面簡單介紹一下整流電路和逆變電路。1)整流電路 一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它的主要作用是對工頻的外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式，可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進(jìn)行平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。此外，由于電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的需要，在直流中間電路中有時(shí)還包括制動(dòng)電阻以與其它輔助電路。2)逆

39、變電路逆變電路是變頻器主要的部分之一。它是利用六個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出。由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬感性負(fù)載，無論電動(dòng)機(jī)處于拖動(dòng)狀態(tài)還是發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，變頻器功率因素總不會(huì)為 1。因此，在直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率的交換，這種無功能量就靠這之間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件來緩沖。它的主要作用是在控制電路的控制下，將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。3.3 變頻器的控制電路變頻器控制電路包括主控制電路、信號檢測電路

40、、門極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路以與保護(hù)電路等幾個(gè)部分，是變頻器的核心部分。控制電路的優(yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿蓪δ孀兤鏖_關(guān)控制、對整流器的電壓控制以與完成各種保護(hù)功能。14 / 563.4 脈寬調(diào)制型(PWM)變頻器1) 在一般的交直交變頻器供電的變壓、變頻調(diào)速中，為獲得變頻調(diào)速所要求的變頻與變壓的協(xié)調(diào)控制，整流器必須是可控整流，這樣在變頻調(diào)速時(shí)要同時(shí)控制整流器和逆變器，這就帶來一系列的問題。首先是主電路中有兩個(gè)可控功率環(huán)節(jié)，這樣使系統(tǒng)比較復(fù)雜；第二由于中間環(huán)節(jié)存在動(dòng)態(tài)元件，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢；第三由于整流器是可控的，使控電電源的功率因數(shù)隨變頻裝置輸出頻率的降低而變差

41、，并產(chǎn)生高次諧波電源；第四逆變器輸出為六拍階梯波交變電壓，在拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)中形成較多的各次諧波，從而產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作，低速時(shí)尤為嚴(yán)重。為解決上述問題，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方式。圖 3-1 為 PWM 逆變器示意圖，在該逆變器電路中，同時(shí)進(jìn)行輸出電壓幅值與頻率的控制，滿足變頻調(diào)速對電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求。這樣，首先使主電路只有一個(gè)可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)；第二使用了不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小無關(guān)而接近 1；第三逆變器在調(diào)節(jié)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，而與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無關(guān)，加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；第四可獲得比常規(guī)六拍階梯波更好的輸出電壓波形，能

42、抑制或消除低次諧波，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)可在近似正弦波的交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈沖小，大大擴(kuò)展了拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速圍，提高了系統(tǒng)性能。M3整流器逆變器PWMCfU /調(diào)調(diào)UfU圖 3-1 PWM 逆變器組成2) 脈寬調(diào)制器的基本工作原理脈寬調(diào)制是將輸出電壓分解成很多的脈沖，調(diào)頻時(shí)控制脈沖的寬度和脈沖間的間隔時(shí)間就可控制輸出電壓的幅值，如圖 3-2 所示。從圖中可以看到，脈沖的寬度越大，脈沖的間隔越小，輸出電壓的平均值就越大。為了說明、和1t2t1t2t電壓平均值之間的關(guān)系，我們引入了占空比的概念。所謂占空比是指脈沖寬度與一個(gè)脈沖周期比值，用表示，即。)/(211ttt因此，可以說輸出電壓的平均值與占空比成正

43、比，調(diào)節(jié)電壓輸出就可以演化為調(diào)節(jié)脈沖的寬度，所以稱為脈寬調(diào)制。圖 3-2a 為調(diào)制前的波形，電壓周期為，圖 3-2b 為調(diào)制后的波形，電壓周期為。與 a 圖相比，b 圖的電壓周期增NTXT15 / 56大(也就是說頻率降低)，電壓脈沖的幅值不變，仍為，而占空比則減小，故DNU平均電壓降低。uu1t2tDNU0NTtt01t2tDNUXTa )b)a) 調(diào)制前的波形 b) 調(diào)制后的波形圖 3-2 脈寬調(diào)制的輸出電壓由于變頻器的輸出是正弦交流電，即輸出電壓的幅值是按正弦波規(guī)律變化，因此在一個(gè)周期的占空比也必須是變化的，也就是說在正弦波的幅值部分，取大一些，在正弦波到達(dá)零處，取小一些，如圖 3-3

44、所示?？梢钥吹竭@種脈寬調(diào)制，其占空比是按正弦規(guī)律變化的，故這種調(diào)制方法叫正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM。ut0T圖 3-3 正弦波脈寬調(diào)制的輸出電壓SPWM 的脈沖系統(tǒng)中，各脈沖的寬度 t1和脈沖的間隔 t2都是變化的。為了說明其調(diào)制原理，見圖 3-4 PWM 逆變器簡單原理圖，圖中 V1V6為絕緣柵雙極晶體管，由他們的交替切換來獲得交流信號的輸出。當(dāng) V1導(dǎo)通時(shí)，在 A 相負(fù)載上得到的電壓與 V2導(dǎo)通時(shí)在 A 相負(fù)載上得到的電壓方向相反。因此，V1、V2的輪流導(dǎo)通就可得到 A 相交流電壓的正、負(fù)半周。同時(shí)，其他管子的導(dǎo)通亦可得到三相交流16 / 56電的 B 相和 C 相。在變頻器中，V1、V2

45、的導(dǎo)通、截止是由調(diào)制波和載波的交點(diǎn)來決定的。在這里，把希望得到的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到期望的 PWM 波形。2/dUV1V6V2V3V4V5ABC 0調(diào)制電路raurburcu2/dUdU圖 3-4 PWM 逆變器簡單原理圖3) 單極性 SPWM在單極性的調(diào)制方式中，調(diào)制波為正弦波 載波為單極性的等三角形 ，即調(diào)rau1u制波為正半周時(shí)，載波為正極性的三角波，調(diào)制波為負(fù)半周時(shí)，載波為負(fù)極性的三角波，如圖 3-5 所示(僅畫出了正半周)。V1、V2的導(dǎo)通、關(guān)斷條件可用表 3-5表示(以 A 相為例)。正半周trauuV1 導(dǎo)通V2截止正半周trauuV1

46、關(guān)斷V2截止負(fù)半周trauuV2 導(dǎo)通V1截止負(fù)半周trauuV2關(guān)斷V1截止表 3-5 單極性 SPWM 調(diào)制規(guī)律a 當(dāng) 時(shí)，逆變管 V1、V2導(dǎo)通，決定了 SPWM 系列脈沖的寬度 ；當(dāng) 時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止，輸rautuAOu出為正，即為的正脈沖寬度； 時(shí)，V2導(dǎo)通，V1截止， 輸出為負(fù)，即為AOurautuAOu的負(fù)脈沖寬度，見圖 3-7b 同理可畫出 、 的輸出波形，見圖 3-7c 與圖 3-AOuBOuCOu7d。 b 調(diào)制波 和載波 的交點(diǎn)決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系rutu列也是雙極性的，如圖 3-7b 所示。由于線電壓 =-，所以線電壓的脈沖是單ABuAOuB

47、Ou18 / 56極性的，如圖 3-7e 所示。c 逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩只管子不停地交替導(dǎo)通、關(guān)斷而流過負(fù)載電流是按現(xiàn)電壓規(guī)律的交變電流。ruturaurburcutuAOu2/dU2/dUBOuCOuwtwtwtwtwtBOAOABuuudUabcde)2/dU2/dU2/dU2/dU圖 3-7 雙極性 SPWM 調(diào)制波形第 4 章 可編程序控制器4.1 概述4.1.1 可編程控制器的產(chǎn)生隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，新的控制器件與其控制系統(tǒng)不斷的涌現(xiàn)。1968 年美國通用汽車公司(GM)公開招標(biāo)研制功能更強(qiáng)，使用更方便，價(jià)格便宜，可靠性更高的新型控制器。一年后美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC

48、)根據(jù) GM 公司的招標(biāo)要求，研制成功世界上第一臺(tái)可編程序控制器，型號 PDP-14，并在 GM 公司汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。這就較好地把繼電接觸控制簡單易懂，使用方便、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)功能完善、靈活性強(qiáng)、通用性好的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，并將繼電接觸19 / 56控制的硬連線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)的軟件邏輯編程的設(shè)想逐步變成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)時(shí)人們把第一臺(tái)可編程控制器叫做可編程序邏輯控制器 PLC，只是用來取代繼電接觸控制，僅有執(zhí)行繼電器邏輯、定時(shí)、記數(shù)等較少的功能。 20 世紀(jì) 70 年代中期出現(xiàn)了微處理器和微型計(jì)算機(jī)，人們把微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用到可編程控制器中，使得它兼有計(jì)算機(jī)的一些功能，不但用邏輯編程取代了硬

49、連線邏輯，還增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送與處理與對模擬量進(jìn)行控制等功能，使之真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制設(shè)備。1980 年美國電氣制造協(xié)會(huì)簡稱 NEMA)把這種新的控制設(shè)備正式命名為可編程程序控制器(Programmable Controller 簡稱 PC)。但為了與個(gè)人計(jì)算機(jī)的專稱PC 相區(qū)別，故常常把可編程序控制器簡稱為 PLC。4.1.2 可編程序控制器的主要功能近年來 PLC 把自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)融為一體。它可完成以下主要功能：1)邏輯控制 2）定時(shí)控制 3)記數(shù)控制 4)步進(jìn)控制 5)A/D、D/A 轉(zhuǎn)換 6)數(shù)據(jù)處理 7)通信與聯(lián)網(wǎng) 8)對控制系統(tǒng)監(jiān)控 可以預(yù)料，隨著科學(xué)技術(shù)

50、的不斷發(fā)展，PLC 的功能也會(huì)不斷拓寬和增強(qiáng)。4.1.3 PLC 的主要優(yōu)點(diǎn)1) 編程簡單 PLC 的基本指令不多；編程器的使用簡便；對程序進(jìn)行增減、修改和運(yùn)行監(jiān)視很方便。2) 可靠性高 PLC 是專門為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)與制造過程中均采用了諸如屏蔽、濾波、隔離、無觸點(diǎn)、精選元器件等多層次有效的抗干擾措施。此外，PLC 還具有很強(qiáng)的自診斷功能，可以迅速方便地檢查判斷出故障，縮短檢修時(shí)間。3) 通用性好 PLC 品種多，檔次也多，可由各種組件靈活組合成不同的控制系統(tǒng)，以滿足不同的控制要求。同一臺(tái) PLC 只能改變軟件則可實(shí)現(xiàn)控制不同對象或不同的控制要求。在構(gòu)成不同的 PLC 的控制系統(tǒng)時(shí)，

51、只需在 PLC 的輸入輸出端子上接上不同的相應(yīng)的輸入輸出信號，PLC 就能接收輸入信號和輸出控制信號。4) 功能強(qiáng) PLC 具有很強(qiáng)的功能，能進(jìn)行邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)和步進(jìn)等控制，能完成 A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能。而且 PLC 技術(shù)發(fā)展很快，功能不斷增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更廣。5) 使用方便 PLC 體積小，重量輕，便于安裝。PLC 編程簡單，編程器使用簡便。PLC 自診斷能力強(qiáng)，能判斷和顯示出自身故障，使操作人員檢查判斷故障方便迅速，而且接線少，維修時(shí)只需更換插入式模塊，維護(hù)方便。修改程序和監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)也容易。6) 設(shè)計(jì)、施工和調(diào)試周期短 PLC 在許多方面是以軟件編程來取代

52、硬件接線，用 PLC 構(gòu)成的控制系統(tǒng)比較簡單，編程容易，安裝使用方便，目前的 PLC 已商品20 / 56化，硬件軟件較齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，不需要很多配套的外圍設(shè)備和大量的復(fù)雜的接線，程序調(diào)試修改也很方便。因此可大大縮短 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工和投產(chǎn)周期。從上述 PLC 的功能特點(diǎn)可見，在許多方面可以取代繼電接觸控制。但是 PLC也有其缺點(diǎn)：目前價(jià)格還比較高；工作速度比計(jì)算機(jī)慢；使用中檔和高檔 PLC，要求使用者具有相當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)知識；PLC 制造廠家和 PLC 品種類型很多，而指令系統(tǒng)和使用方法不盡一樣，這給用戶帶來不便。4.2 PLC 的應(yīng)用與發(fā)展和系統(tǒng)組成目前 PLC 廣泛應(yīng)用

53、于汽車制造、石油、化工、冶金、輕工、機(jī)械、電力等各行各業(yè)，實(shí)現(xiàn)邏輯、步進(jìn)、數(shù)字、機(jī)器人、模擬量等的自動(dòng)控制。我國研制與應(yīng)用 PLC 起步較晚，1973 年開始研制，1977 年開始應(yīng)用，20 世紀(jì) 80 年代初期以前發(fā)展較慢，20 世紀(jì) 80 年代隨著成套設(shè)備或?qū)Ｓ迷O(shè)備引進(jìn)了不少 PLC。近幾年來國外 PLC 產(chǎn)品大量進(jìn)入我國市場，我國已有許多單位在消化吸收引進(jìn) PLC 技術(shù)的基礎(chǔ)上，仿制或研制 PLC 產(chǎn)品。20 世紀(jì) 80 年代中后期，我國開發(fā)應(yīng)用 PLC 技術(shù)發(fā)展迅速，目前 PLC 發(fā)展方向主要是朝著小型化、廉價(jià)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、智能化、高速化、大容量化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，這將使 PLC

54、 功能更強(qiáng)，可靠性更高，使用更方便，適用面更廣。PLC 是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)基本一樣。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC 可分為整體式和組合式。1)中央處理單元 (CPU) 中央處理單元一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片，CPU 通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入/輸出接口電路相連接。它是 PLC 的運(yùn)算、控制中心。2)存儲(chǔ)器 根據(jù)存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下 3 種：a 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器 b 用戶程序存儲(chǔ)器 c 工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 3) I/O 單元I/O 單元也稱為 I/O 模塊。PLC 通過 I/O 單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)

55、系。輸入單元接收用戶設(shè)備的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以與其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運(yùn)行時(shí) CPU 從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進(jìn)行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點(diǎn)對應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電21 / 56信號輸出，以驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、指示燈被控設(shè)備的執(zhí)行元件。4)電源部分 PLC 一般使用 220V 的交流電源，部的開關(guān)電源為 PLC 的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供 5V，+12V，+24V 的直流電源，使 PLC 能正

56、常工作，電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結(jié)構(gòu)的 CPU，通常電源封裝到機(jī)殼部：對于模塊式PLC，有的采用單獨(dú)電源模塊，有的將電源與 CPU 封裝到一個(gè)模塊中。5) 擴(kuò)展接口 擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元以與功能模塊與基本單元相連，使 PLC 的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。6) 通信接口 為了實(shí)現(xiàn)“人一機(jī)”或“機(jī)一機(jī)”之間的對話，PLC 配有多種通信接口。PLC通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)和其他的 PLC 或計(jì)算機(jī)相連。 當(dāng) PLC 與打印機(jī)相連時(shí)，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打?。划?dāng)與監(jiān)視器 (CRT)相連時(shí)，可將過程圖像顯示出來；當(dāng)與其他 PLC 相連時(shí)，可以組成多機(jī)系統(tǒng)或

57、連成網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的控制；當(dāng)與計(jì)算機(jī)相連時(shí)，可以組成多級控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合性控制。7)編程器 編程器的作用是提供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機(jī)編程，且往往需要將體形圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機(jī)編程，也可以脫機(jī)編程，具有 LCD 或 CRT 圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。還可以利用 PC 作為編程器，PLC 生產(chǎn)廠家配有相應(yīng)的編程軟件，使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序

58、功能圖程序，井可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言的互相轉(zhuǎn)換。程序被下載到 PLC，也可以將 PLC 中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送?，F(xiàn)在已有些 PLC 不再提供編程器，而且提供微機(jī)編程軟件了，并且配有相應(yīng)的通信連接電纜。4.34.3 PLCPLC 的工作原理、抗干擾分析與設(shè)計(jì)的工作原理、抗干擾分析與設(shè)計(jì)PLC 的 CPU 采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式，PLC 采用的是不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式一掃描技術(shù)，PLC 掃描用戶程序的時(shí)間一般均小于100。PLC 的掃描工作過程一般分為 3 個(gè)階段 1)輸入采樣階 2)用戶程序執(zhí)行階段 3)輸出刷新階段。完成上

59、述 3 個(gè)階段稱作 1 個(gè)掃描周期。在整個(gè)22 / 56運(yùn)行期間，PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述 3 個(gè)階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，PLC 在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。PLC 控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。PLC 控制系統(tǒng)的干擾源大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動(dòng)的部位就是噪聲源。它主要的干擾有：(1)空間的輻射干擾(2)系統(tǒng)外引線的干擾(3)電源的干擾 (4)信號線引入的干擾 (5) 接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾 (6)來自 PLC 系統(tǒng)部的干擾 為了保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少外電磁

60、干擾，必須從設(shè)計(jì)階段開始便采取三個(gè)方面抑制措施：抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑和提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。這三點(diǎn)就是抑制電磁干擾的基本原則。 PLC 控制系統(tǒng)的抗干擾是一個(gè)系統(tǒng)工程，要求制造單位設(shè)計(jì)生產(chǎn)出具有較強(qiáng)抗干擾能力的產(chǎn)品，且有賴于使用部門在工程設(shè)計(jì)、安裝施工和運(yùn)行維護(hù)中予以全面考慮，并結(jié)合具有情況進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運(yùn)行可靠性。主要抗干擾措施 1)采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾 2) 電纜選擇的敖設(shè) 3) 硬件濾波與軟件抗干擾措施 4) 正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)第 5 章 調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部件選型5.1 概述5.1.1 橋式起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的