第十章現(xiàn)代控制技術(shù)

第十章

現(xiàn)代控制技術(shù)第一節(jié)可編程控制器

第二節(jié)變頻器

第三節(jié)傳感器

10.1.1可編程控制器的特點(diǎn)10.1

可編程控制器圖10.1

三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路示意圖

1．可編程控制器（簡稱PLC）：可編程控制器是專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2．控制系統(tǒng)：以圖10.1所示異步電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制為例進(jìn)行分析。10.1.1可編程控制器的特點(diǎn)圖10.1三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路示意圖

正轉(zhuǎn)起動(dòng)按鈕SBstF、反轉(zhuǎn)起動(dòng)按鈕SBstR、停止按鈕SBstP等“發(fā)布命令”的電器移在示意圖的左側(cè)。接觸器線圈等“執(zhí)行命令”的電器移在示意圖的右側(cè)。控制電路中具有邏輯運(yùn)算功能的電路在示意圖中間方框中。10.1.2

可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)可編程控制器基本結(jié)構(gòu)如圖10.2所示。它是由輸入接口、輸出接口、中央處理器（簡稱CPU）和電源部件組成。

圖10.2

PLC基本結(jié)構(gòu)示意圖

如圖10.3為PLC和編程器外形圖。圖中，輸入單元和輸出單元是連接輸入、輸出設(shè)備的接口，持續(xù)在CPU內(nèi)存儲(chǔ)器中處理。編程器用來輸入程序，其作用相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的鍵盤。圖10.3

PLC和編程器外形圖

10.2.1

變頻器的用途及結(jié)構(gòu)10.2

變頻器

1．變頻器的功效（1）功效之一是節(jié)能。電機(jī)在設(shè)計(jì)過程中都留有一定的余量，變頻器通過降低電機(jī)轉(zhuǎn)速減少輸出功耗，實(shí)現(xiàn)“按需供能”例如變頻空調(diào)通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速“按需供能”，這樣壓縮機(jī)就不會(huì)頻繁起動(dòng)，會(huì)使壓縮機(jī)保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，可以使空調(diào)達(dá)到節(jié)電的效果，同時(shí)減少噪音，延長空調(diào)使用壽命。（2）功效之二就是與PLC、計(jì)算機(jī)配合，達(dá)到精確控制、改善產(chǎn)品品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率、降低維護(hù)費(fèi)用、提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平的目的。2．變頻器工作過程。變頻器工作過程示意圖如圖10.4所示。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源電壓變換為另一頻率的電能的控制裝置。變頻器在改變電源頻率的同時(shí)，也對(duì)輸出電源的電壓進(jìn)行線性調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速。

圖10.4變頻器工作過程示意圖

3．變頻器的結(jié)構(gòu)變頻器的結(jié)構(gòu)如圖10.5所示。變頻器由整流器、中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、逆變器和控制器組成。

圖10.5變頻器的基本結(jié)構(gòu)

（1）整流器的作用：將單相或三相交流電整流成直流電。變頻器的負(fù)載為電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載，會(huì)與電網(wǎng)之間有無功功率的交換。這種無功功率的交換要靠中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件來緩沖，儲(chǔ)能元件主要是電感元件和電容元件。（2）逆變器是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的逆變電路。逆變是相對(duì)整流而言，即將直流電逆變?yōu)榻涣麟?。逆變電路通過有規(guī)律地控制逆變器中開關(guān)器件的通與斷，得到所需頻率的三相交流電。（3）控制電路由運(yùn)算電路、檢測電路和驅(qū)動(dòng)電路等組成。其作用是對(duì)逆變電路的開關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等。

10.2.2變頻器的種類變頻器分為交－交、交－直－交兩種形式，其結(jié)構(gòu)如圖10.6所示。

圖10.6變頻器結(jié)構(gòu)

交－交變頻器是將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可調(diào)的交流電。交－直－交變頻器是先將工頻交流電通過整流濾波轉(zhuǎn)換成直流電，然后再把直流電變換成頻率、電壓均可調(diào)的交流電，這種方式又稱為間接式變頻器。目前，廣泛應(yīng)用的是交－直－交變頻器。10.2.2

變頻器的種類1.

按照輸出性質(zhì)分類（1）電流型變頻器。特點(diǎn)：采用大電感作為中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。這種變頻器直流內(nèi)阻較大，接近于電流源，稱為電流型變頻器。用途：用于頻繁急加速、減速的大容量電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)。（2）電壓型變頻器。特點(diǎn)：采用大電容作為中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。由于大電容的作用，主電路直流電壓比較平穩(wěn)，輸出到負(fù)載電動(dòng)機(jī)端的電壓為方波或階梯波。由于這種變頻器的直流電源內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，稱為電壓型變頻器。

2.

按照輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類變頻器在調(diào)速時(shí)，需要同時(shí)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓和輸出頻率，以保證電動(dòng)機(jī)能正常工作，對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)主要有兩種方式。（1）PAM方式。通過改變直流電壓的幅值進(jìn)行調(diào)壓的方式，又稱為脈沖幅值調(diào)節(jié)方式。（2）PWM方式。變壓器的輸出頻率和輸出電壓的調(diào)節(jié)均由逆變器按PWM方式來完成，又稱為脈沖方式調(diào)節(jié)方式。3.

按照控制方式分類（1）U/f控制。對(duì)變頻器的輸出頻率和電壓分別控制，稱為U/f控制。（2）轉(zhuǎn)差率控制。轉(zhuǎn)差率控制方式可以有效地提高調(diào)速精度，它是針對(duì)具體電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性調(diào)整控制參數(shù)，因而這種控制方式的通用性較差。（3）矢量控制。U/f控制方式和轉(zhuǎn)差率控制方式的動(dòng)態(tài)指標(biāo)不高，利用矢量控制主要是為了提高變頻器調(diào)速的動(dòng)態(tài)性能，主要用于軋鋼、造紙?jiān)O(shè)備等對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高的應(yīng)用場合。10.2.3

變頻器參數(shù)的設(shè)定（1）起動(dòng)時(shí)間。起動(dòng)時(shí)間的設(shè)定不宜長。經(jīng)驗(yàn)值1.5～2s/kW，小功率電動(dòng)機(jī)要取大些；大于30kW的電動(dòng)機(jī)取大于2s/kW。（2）制動(dòng)時(shí)間。制動(dòng)時(shí)間的設(shè)定宜長不宜短。對(duì)水泵、風(fēng)機(jī)以自由停車為宜。（3）起動(dòng)頻率。起動(dòng)頻率的設(shè)定值大一些，對(duì)電動(dòng)機(jī)加速起動(dòng)有利，尤以輕載時(shí)更適用。對(duì)重載負(fù)荷起動(dòng)，如果頻率值設(shè)定過大，會(huì)造成起動(dòng)電流加大，一般起動(dòng)頻率從0Hz開始合適。（4）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。與起動(dòng)頻率設(shè)定基本一致。10.3.1

傳感器10.3

傳感器傳感器：將非電能轉(zhuǎn)換成電能的器件稱為傳感器，若轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如4mA～20mA），則這種傳感器稱為變送器。傳感器是測量裝置，它的輸入量是某一被測量，可以是物理量，也可以是化學(xué)量等，它的輸出量是某種物理量，這種物理量應(yīng)該是便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示，這種量可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量。輸出量和輸入量之間有準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有較高的精度。

10.3.2

傳感器的組成傳感器的組成框圖如圖10.7所示。圖10.7傳感器組成的框圖

（1）敏感元件的作用：是直接感受被測量的元件，即被測量通過敏感元件轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系，且易于轉(zhuǎn)換的非電量。（2）傳感元件的作用：也稱為轉(zhuǎn)換元件，是將敏感元件輸出的非電量轉(zhuǎn)換成電參數(shù)再進(jìn)行輸出。（3）測量轉(zhuǎn)換電路的作用：將常規(guī)元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流或頻率量。

10.3.3傳感器的分類傳感器的分類如表10.1所示。

10.3.4傳感器的應(yīng)用1.

液位檢測液位檢測可以使用電容液位傳感器或超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)。電容液位傳感器是利用被測物質(zhì)的不同介電常數(shù)將液位變化轉(zhuǎn)換成電容變化進(jìn)行測量的。電容傳感器分為三類：變極距式、變面積式、變介電常數(shù)式。電容液位或料位檢測傳感器屬于變介電常數(shù)式。如圖10.9為電容液位傳感器的原理圖。

圖10.9電容液位傳感器

圖10.9

電容液位傳感器

在圖10.9（a）中，當(dāng)被測絕緣液體的液面在同軸雙金屬管的兩個(gè)電極之間上下變化時(shí)，引起兩個(gè)電極間不同介電常數(shù)介質(zhì)（上面是空氣，下面為非導(dǎo)電液體）高度的變化，從而導(dǎo)致總電容的變化。圖10.9（b）所示為測量導(dǎo)電液體液位的電容傳感器示意圖，當(dāng)被測介質(zhì)是導(dǎo)電的液體時(shí)，內(nèi)電極應(yīng)采用金屬管外套聚四氟乙烯套管式電極，外電極就是容器內(nèi)的導(dǎo)電介質(zhì)本身。

2.金屬材料厚度測量電容測厚儀可用來測量金屬材料的厚度，圖10.10所示為測量厚度的電容測厚儀示意圖。