【正文】 控機床、加工中 心超高速伺服機的精確位置控制都己應(yīng)用通用變頻器。通過控制面板，可以控制上述四種控制方式中的一種，以滿足用戶的需 要。 人們總結(jié)了交流調(diào)速電氣傳動控制的大量實踐經(jīng)驗，并不斷融入軟件功能。 變頻器主電路中功率電路的模塊化， 控制電路采用大規(guī)模集成電路和全數(shù)字控制 技術(shù)， 結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用“平面安裝技術(shù)”等一系列措施， 促進了變頻電源裝置的小型化。在近 20 年的時間內(nèi)，經(jīng)歷了由模擬 控制到全數(shù)字控制和由采用 BJT 到采用 IGBT 兩個大發(fā)展過程。隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和控制理論發(fā)展，電機調(diào)速技術(shù) 得到迅速發(fā)展， 使得電機的應(yīng)用不再局限于工業(yè)應(yīng)用而且在商業(yè)及家用設(shè)備等各個領(lǐng) 域獲得更加廣泛的應(yīng)用；而隨著新材料如稀土永磁材料 NdFeB、磁性復(fù)合材料的出 現(xiàn)，更給電機設(shè)計插上翅膀，各種新型、高效、特種電機層出不窮。同步電動機工作原理同 感應(yīng)電動機一樣，由定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)速固定不變，不受負(fù)載影響。西門子電機車當(dāng)時只有 3 馬力，后來美國發(fā)明大王愛 迪生試驗的電機車已達 12—15 馬力，但當(dāng)時的電動機全是直流電機，只限于驅(qū)動電 車。后來，格拉姆證明 向直流發(fā)動機輸入電流，其轉(zhuǎn)子會象電動機一樣旋轉(zhuǎn)。通電后，棒型磁鐵與 u 型磁鐵之間產(chǎn)生相互吸引和排斥作用 ， 帶動輪軸轉(zhuǎn)動。后來，雅可比做了一具大型的裝置安在小艇上，用 320 個丹尼爾電池 供電，1838 年小艇在易北河上首次航行，時速只有 公里，與此同時，美國的達文 波特也成功地制出了驅(qū)動印刷機的電動機，印刷過美國電學(xué)期刑《電磁和機械情報》 ， 但這兩種電動機都沒有多大商業(yè)價值，用電池作電源，成本太大、不實用。于是，這種格拉姆型電動機大 量制造出來， 效率也不斷提高。 1888 年南斯拉夫出生的美國發(fā)明家特斯拉發(fā)明了交流電動機。因此同步電 動機特別適用于鐘表，電唱機和磁帶錄音機。這些都極大地豐 富了電機理論，拓寬了電機的應(yīng)用領(lǐng)域，同時也給電機設(shè)計和制造工藝提出更高的要 求。 80 年代初采用的 BJT 的 PWM 變頻器實現(xiàn)了通用化。 另外， 一種混合式功率集成器件， 采用厚薄膜混合集成技術(shù)， 把功率電橋、 驅(qū)動電路、 檢測電路、保護電路等封裝在一起，構(gòu)成了一種“智能電力模塊”這種器件屬于絕緣金 屬基底結(jié)構(gòu)，所以防電磁干擾能力強，保護電路和檢測電路與功率開關(guān)間的距離盡可 能的小，因而保護迅速且可靠，傳感信號也十分迅速。日益 豐富的軟件功能使通用變頻器的多功能化和高性能化為用戶提供了一種可能， 即可以 把原有生產(chǎn)機械的工藝水平“升級”，達到以往無法達到的境界，使其變成一種具有高 度軟件控制功能的新機種。 通用變頻器經(jīng)歷了模擬控制、 數(shù)字控制、 數(shù)?；旌峡刂?， 直到全數(shù)字控制的演變， 逐步地實現(xiàn)了多功能化和高性能化，進而使之對各類生產(chǎn)機械、各類生產(chǎn)工藝的適應(yīng) 性不斷增強。 本系統(tǒng)是通過可編程控制器控制三相交流異步電動機的調(diào)速功能。 ⑷ 實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的觸摸屏設(shè)計。本項目任務(wù)處于《電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用》課程的后期，即學(xué)生通過本課程前幾章的學(xué)習(xí)，已經(jīng)熟練掌握了電氣控制系統(tǒng)常用器件及常用電氣控制線路設(shè)計，了解S7200PLC的原理、結(jié)構(gòu)、編程元件與指令系統(tǒng)，梯形圖設(shè)計原則與技巧，熟悉常用基本環(huán)節(jié)的編程以及計算機輔助編程。集中講授區(qū)低壓電器元件展臺工位1工位3工位5工具存放區(qū) 分組教學(xué)區(qū)工位2工位4工位1工位8工位10工位7工位9低壓電器元件展臺圖1 實訓(xùn)設(shè)備和實訓(xùn)室布局圖 PLC 和變頻器的介紹 4 PLC 的結(jié)構(gòu)及特點(1) PLC 的結(jié)構(gòu)如下 ① 電源 PLC 的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。當(dāng) PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各 輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用 戶程序， 經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù) 據(jù)寄存器內(nèi)。 ③ 存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 ⑤ 功能模塊 如計數(shù)、定位等功能模塊。PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和 輸出有關(guān)的少量硬件， 接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的 1/10~1/100， 因觸點接觸不良造 成的故障大為減少。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇 怪了。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的 數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。它接口容易，編程語 言易于為工程技術(shù)人員接受。 這種編程方法很有規(guī)律， 很容易掌握。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變 程序改變生產(chǎn)過程成為可能。 完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O 映象區(qū)中的相 應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。 即在用戶程序執(zhí)行過程中， 只有輸入點在 I/O 映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化， 而其他輸出點和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變 化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù) 的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到 下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在此期間，CPU 按照 I/O 映象 區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路， 再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。 PLC 控制系統(tǒng)可應(yīng)用于三相異步電動機單向運轉(zhuǎn)控制、三相異步電動機可逆運轉(zhuǎn)控 制、水塔水位控制、自動送料裝車控制、交通信號燈控制、液體混合裝置控制、大小球 分類傳送控制、人行橫道與車道燈控制、電動機的丫△減壓起動控制、送料車控制和 天塔之光控制等。 由于 PLC 上述幾個方面的應(yīng)用，而且 PLC 控制系統(tǒng)使其網(wǎng)絡(luò)又可大可小，所以 PLC 已經(jīng) 應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個行業(yè)，如冶金、機械、化工、輕工、食品、建材等等，不僅如此， PLC 也應(yīng)用于一些非工業(yè)過程，如樓宇自動化、電梯控制、以及農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)調(diào)控等。PLC 由于其性能優(yōu)越、可靠性高、程序編寫容 易、安裝與維修方便，且只要改變其軟件程序即可改變其控制順序，從而輕易地達成控 制上的不同需求。這種 PLC 可以廣泛取代繼電器控 制系統(tǒng)，應(yīng)用于單機控制和規(guī)模比較小的自動線控制，如日本立石公司的 C20P\C40P\C60P\C20H\C40H 等。 從 PLC 的發(fā)展趨勢看，PLC 控制技術(shù)將成為今后工業(yè)自動化的主要手段。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制 裝置。 交流電輸入整流器，變?yōu)橹绷魍ㄟ^中間電路，最后變回交流從逆變器輸出。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。但是，這種控制方式在低頻時， 由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。 (4)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型， 控制電動機的磁鏈 和轉(zhuǎn)矩。為此，矩陣式交—交變頻應(yīng)運而生。其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是 把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。自上世紀(jì) 80 年代被引進中國以來，變頻器作為節(jié)能應(yīng)用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設(shè)備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。 當(dāng)今的運動控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng) 域，總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。而且 PLC 控制變頻器這個組合能更有效率的反應(yīng)故障信息，作用動作更迅速、測 量更精確，控制更簡單方便。 在設(shè)計變頻器的輸入信號電路時還應(yīng)該注意， 當(dāng)輸入信號電路連接不當(dāng)時有時也會 造成變頻器的誤動作。 正確的連接是利用 PLC 電源，將外部晶體管的集電極經(jīng)過二極管接到 PLC。 當(dāng)變頻器和PLC的電壓信號范圍不同時，如變頻器的輸入信號為 0～10V，而 PLC 的輸出電壓信號范圍為 0～5V 時；或 PLC 的一側(cè)的輸出信號電壓范圍為 0～10V 而變頻 器的輸入電壓信號范圍為 0～5V 時，由于變頻器和晶體管的允許電壓、電流等因素的限 制，需用串聯(lián)的方式接入限流電阻及分壓方式，以保證進行開閉時不超過 PLC 和變頻器相應(yīng)的容量。無論哪種情況，都應(yīng)注意：PLC 一側(cè)的輸入阻抗的 大小要保證電路中電壓和電流不超過電路的允許值，以保證系統(tǒng)的可靠性和減少誤差。三相交流異步電動機的工作原理是建立 在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎(chǔ)上的。在電動勢的作用下，閉合的導(dǎo)條中就產(chǎn)生電流。 通用變頻器由主電路和控制回路組成。它的作用是把工頻電源變換成直流電源。因此，在中間 直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換， 這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲 能元件—電容器或電感器來緩沖，所以中間直流環(huán)節(jié)實際上是中間儲能環(huán)節(jié)。 通過有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的導(dǎo)通和斷開， 可以得到任意頻率的三相交流輸出 波形。控制方式有模擬控制或數(shù)字控制。由于磁鏈的軌跡是靠電壓相 加矢量得到的，所以磁鏈跟蹤控制也叫做電壓空間矢量控制。它是對異步電動機進行單電動機傳動的典型模式。當(dāng)工作頻率高于額定頻率的 10%時，進入矢量控制狀態(tài)。16 系統(tǒng)的控制要求本系統(tǒng)