【正文】 器人 、 CAD/CAM）之一 。變頻器自 1964 年問世以來，經(jīng)歷 40 多年的發(fā)展，在歐美發(fā)達國家廣泛應(yīng)用，目前在中國的空調(diào)、電梯、冶金、機械、電子、石化、造紙、紡織等行業(yè)有十分廣闊的應(yīng)用空間。中間直流回路并接濾波電容器作儲能元件的稱為電壓型變頻器。變頻調(diào)速技術(shù)涉及到電機、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息與控制等多個學(xué)科領(lǐng)域，變頻調(diào)速理論已經(jīng)形成較為完善科學(xué)體系，成為一門相對獨 立的學(xué)科。交流驅(qū)動器已在工業(yè)機器人、自動化出版設(shè)備、加工工具、傳輸設(shè)備、電梯、壓縮機、軋鋼、風(fēng)機泵類、電動汽車、起重設(shè)備及其它領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 變頻調(diào)速技術(shù)已深入我們生活的每個角落，變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式包括 V/F、矢量控制 (VC)、直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)等。采用這種方法，由于使用多臺變頻器，相較于第一種方案投資較大，但是適用于大規(guī)模生產(chǎn)線中電機數(shù)目較多，電機分布距離較遠的情況，而且，用 PLC和變頻器搭建的程控系統(tǒng)，不但可以實現(xiàn)設(shè)備運行的自動化管理和監(jiān)控，提高 了系統(tǒng)的可靠性和安全性，而且提高了企業(yè)經(jīng)濟效益和工作效率。 三、在自動化控制領(lǐng)域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，在工業(yè)上的分布式控制系統(tǒng)中，采用串行通信來達到遠程信息交換的目的更簡便。監(jiān)控級采用 Ether 作為通信網(wǎng)絡(luò)；現(xiàn)場級采用 PROFIBUSDP 作為通信網(wǎng)絡(luò)，通過通訊方式完成各個變頻器的控制，增強了系統(tǒng)抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的控制精度，實現(xiàn)了多臺電機的同步調(diào)速。利用 ABB 可升級的 PLC AC500 的 CS31 總線、 Profibus DP 總線、和ProfiNET 實時以太網(wǎng)總線等通訊方式實現(xiàn)對多臺電機的同步控制，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，可以節(jié)約調(diào)整時間，增加設(shè)備的柔性，同時運行穩(wěn)定可靠。 選用正確的控制方式對系統(tǒng)的穩(wěn)定性實現(xiàn)非常重要。 (3) 可實現(xiàn)軟啟、制動功能，減小啟動電流沖擊。美國有 60% 65%的發(fā)電量用于電機驅(qū)動，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動用電就節(jié)約了15% 20%的電量。 (7) 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機的過載能力大為降低。 (3) 起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯。變頻調(diào)速是電機調(diào)速的其中一種， 在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實現(xiàn)過程自動化，深受工業(yè)行業(yè)的青 睞。而在這些控制系統(tǒng)中核心問題便是各動力驅(qū)動軸的同步運行，及各電機的同步運行。第一章 緒論 課題研究的背景 近年來，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的深入發(fā)展，基于變頻器調(diào)速的控制系統(tǒng)在大中型自動化生產(chǎn)中取得了廣泛的應(yīng)用。電機同步運行的穩(wěn) 定性和可靠性對工業(yè)生產(chǎn)有重要的影響，特別是對造紙行業(yè)的安全運行有著關(guān)鍵作用。 1. 交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性 (1) 調(diào)速時平滑性好，效率高。 (4) 變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便。 2. 與其它調(diào)速方法的比較 交流電動機的調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。 采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。 總結(jié)：交 流變頻調(diào)速的方法是異步電機最有發(fā)展前途的調(diào)速方法。查閱以前的設(shè)計方案，使用常規(guī)電器來搭建控制部分非常困難，同時因大量使用繼電器和時間繼電器又造成控制部分的可靠性降低和故障率升高，很少有一個很好地控制方式。因此，利用 ABB 可升級的 PLC AC500 的 CS31 總線、 Profibus DP 總線、和 ProfiNET 實時以太網(wǎng)總線等通訊方式實現(xiàn)對多臺電機的同步控制。 二、利用變頻器來拖動多臺電機實現(xiàn)。發(fā)展起來的 RS485是平衡傳送的電氣標(biāo)準(zhǔn)，在電氣指標(biāo)上有了大幅度的提高。因此，該系統(tǒng)具有一定的工程應(yīng)用和推廣價值。 V/F 控制主要應(yīng)用在低成本、性能要求較低的場合 。隨著半導(dǎo)體技 術(shù)的飛速發(fā)展，MCU 的處理能力愈加強大，處理速度不斷提升，變頻調(diào)速系統(tǒng)完全有能力處理復(fù)雜的任務(wù)，實現(xiàn)復(fù)雜的觀測、控制算法，傳動性能也因此達到前所未有的高度。而相對于大多數(shù)人來說，變頻調(diào)速技術(shù)是一項陌生而新奇的技術(shù)，變頻器是一種高科技產(chǎn)品，是一種將交流電轉(zhuǎn)化為可變頻變壓運行的電能轉(zhuǎn)換裝置，有工業(yè)維生素之稱。整流器將輸入的工頻交流電變換成直流電，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)輸入至逆變器，逆變器將直流電流變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電輸入的電機。 PLC 具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、性能優(yōu)越、靈活通用、使用方便、可靠性高、搞干擾能力強等到一系列優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 PLC 控制技術(shù)之所以能夠發(fā)展如此迅速，除了工業(yè)自動化的客觀需要外，主要是因為其具有許多獨特的優(yōu)點 。 硬件方面，輸入 、 輸出通道采用光電隔離，有效的抑制了外部干擾源對 PLC 的影響；供電電源及線路采用多種形式的濾波，從而消除或抑制高頻干擾 。查找具體故障點時，用電壓法進行查找 。 CS31總線便于設(shè)置和通訊簡單，總線的連接只需通過三個連接端子來實現(xiàn)，省去其他總線所需的額外連接成本。通訊距離不加中繼為 500米，加中繼最大可達到 20xx米，總線帶有自診斷功能。直接數(shù)據(jù)鏈路映像程序（ DDLM）提供對第二層的訪問 [3～ 5]。以太網(wǎng)通信技術(shù)以其協(xié)議簡單、開放、穩(wěn)定性和可靠性好而獲得了全球的技術(shù)支持，且具有以下優(yōu)點：通信速率高、成本低廉、軟硬件資源豐富、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?、易于與 Inter連接，能實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無縫集成。 第二章介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的原理、分類、控制方式以及變頻器的選擇等內(nèi)容。 第五章是系統(tǒng)通信的設(shè)計與調(diào)試。包括人機界面的選型、編程軟件的選擇和系統(tǒng)界面設(shè)計等。 第二章 變頻調(diào)速技術(shù)的分析與應(yīng)用 最近十多年來，由于電力電子器件與微電子、單片機及 PWM控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了交流電動機變頻調(diào)速傳動，其效率高、操作方便，而且調(diào)速性能可以與直流電動機調(diào)速傳動媲美，所以交流變頻調(diào)速傳動是目前最好的調(diào)速傳動方式。通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié) 能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 （ 2）平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源 6 倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。以電壓型 pwm 逆變器為例示出開關(guān)時間和電壓波形。 （ 3）驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。為了電動機的調(diào)速傳動所給出的操作量有電壓、電流、頻率。但這里為了簡化電路，采用單相逆變器來說明電壓型、電流型、電壓控制、電流控制等逆變器的基本工作原理。負載是異步電動機，采用圖 2(b)的等效電路（忽略 IM、 r r2），并為滯后功率因數(shù)負載。 圖 3 電壓型逆變器的原理 a)電路構(gòu)成 b)電壓 /電流波形 c)直流電流波形（瞬時功率） d)開關(guān)動作狀態(tài) 現(xiàn)在，使開關(guān) S S2導(dǎo)通，由直流電壓源 Ed沿圖 a 中①路線供給負載電流 i。瞬時功率 P的平均值 Pa為向負載提供的有功功率。 電壓型 變頻器 的主電路構(gòu)成見表 1 中項 1～ 3所列，由晶閘管或二極管、晶體管構(gòu)成的整流器、平波電容（用作電壓源）以及逆變器組成。負載電壓 u由負載的感應(yīng)電動勢 e決定，為正弦波形，如圖 b中虛線所示。 由于能量吸收回路的作用，負載電流反向后，功率從負載向 電源 反饋，在時刻 t2負載電壓反向。此瞬時功率 P的平均值為有功功率 Pa，如圖 c中虛線所示。 二、 電壓控制與電流控制 主電路方式分為電壓型及電流型兩類，控制方式也分為電壓控制及電流控制兩種。 通用 變頻器 適用電壓型的電壓控制。 對于要求類似直流電動機快速響應(yīng)性的應(yīng)用場合，為了快速控制異步電動機的轉(zhuǎn)矩，適用電流控制。作為這種輸出的控制手段有 PAM 和 PWM 兩種方式。 圖 6 采用 PAM 的電壓調(diào)節(jié) a)高電壓時 b)低電壓時 表 1 中項 5的晶閘管逆變器，其換相時間需要 100～數(shù)百 181。具體實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻的方法有很多種，但總的來說，從 變頻器 的輸出電壓和頻率的控制方法來看，基本上按前所述分為 PAM 和 PWM（ PAM 前已介紹，此處討論 PWM）。在 Uc與 Ur波形相交處發(fā)出調(diào)制信號，部分脈沖調(diào)制波形如圖 8所示。 圖 7 電壓型三相橋式 變頻器 原理電路 圖 8 單極性直流參考信號的部分調(diào)制脈沖波形 輸出的相電壓波形每半個周期出現(xiàn) 6個等寬等距脈沖，中間兩個脈幅高(2E/3)兩邊 4個脈幅低 (E/3)，正負半周對稱，這個脈沖波形可以分解為基波電壓 U1和一系列諧波電壓，基波電壓就是要求輸出的交流電壓，而諧波電壓分量愈小愈好。這種調(diào)制方式叫做同步脈沖調(diào)制方式。 圖 9 正弦波脈寬調(diào)制波形 SPWM 調(diào)制的基本特點是在半個周期內(nèi)，中間的脈沖寬，兩邊的脈沖窄，各脈沖之間等距而脈寬和正弦曲線下的積分面積成正比，脈寬基本上成正弦分布。當(dāng)改變 Ur的幅值時，脈寬即隨之改變，從而改變輸出電壓的大??；當(dāng)改變 Ur的頻率時，輸出電壓頻率即隨之改變。對于三相 變頻器 ，必須產(chǎn)生相位差為 120186。 {{分頁 }} 若三角波頻率一定，只改變正弦參考信號的頻率，正、負半周的脈波數(shù)和相位在不同輸出頻率下就不是完全對稱的了，這種方式叫非同步脈寬調(diào)制方式。其調(diào)制波形如圖 10 所示，圖中畫出三相調(diào)制波形。但 SPWM 型 變頻器 帶異步電動機負載時，在脈寬調(diào)制過程 中，要根據(jù)異步電動機變頻調(diào)速控制特性的要求，在調(diào)節(jié)正弦參考信號頻率的同時，要相應(yīng)地適當(dāng)調(diào)節(jié)其幅值，使輸出基波電壓的大小與頻率之比為恒值，即保持 U1/f1=常數(shù)。當(dāng) Ur從零上升時， A1的輸出電壓 U1迅速升到正飽和值 Us， +Us電壓經(jīng)運算放大器 A2作反向積分，其輸出電壓 UF負向線性增長， UF和 +U1經(jīng) R R3綜合加到運算放大器 A3的反相輸入端， R3R2， A3輸出正向上升電壓 UK， UK與 Ur在運算放大器 A1中相比較，當(dāng) UK SPANr時， A1輸出保持 +Us，一旦 UK上升到 UKUr時， A1迅速翻轉(zhuǎn)輸出負飽和電壓 Us。為了獲得近似正弦波或者獲得高壓，有時采用多重化 變頻器 。 圖 12 多重化的原理 如果將相位差為 60186。這就叫作多重化。 圖 13 變頻器 的多重化構(gòu)成原理圖 a)電壓型 b)電流型 五、 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn) 三相 電源 中任意兩相交換輸入，就會發(fā)生反轉(zhuǎn)。 此時，為了使轉(zhuǎn)動能量反饋到 變頻器 側(cè)（再生），必須具有吸收與此轉(zhuǎn)動能量相對應(yīng)的電功率的能力。 變頻器 時 對于電流型 變頻器 ，再生時直流電流方向不變，而直流電壓的方向反向，所以整流器部分不需要可逆方式，用不可逆整流器即可。同時，在重物下放肘，會有能量回饋，因此要使用制動單元或采用共用母線方式。配合制動單元消除回饋電能。所謂合適是既要好用，叉要經(jīng)濟，以滿足工藝和生產(chǎn)的基本條件和要求為前提。當(dāng)運行方式不同時，變頻器容量的計算方式和選擇方法不同，變頻器應(yīng)滿足的條件也不一樣。此時，變頻器應(yīng)同時滿足以下三個條件：式中： PM、η、 cosφ、 UM、 IM 分別為電動機輸出功率、效率 (取 )、功率因數(shù) (取 )、電壓 (V)、電流 (A)。由于電流的脈動原因，此時應(yīng)將變頻器的最大輸出電流降低 10％后再進行選定。 I1CN≥ IK/Kg 式中： IK：在額定電壓、額定頻率下電機起動時的堵轉(zhuǎn)電流 (A)； Kg：變頻器的允許過載倍數(shù) Kg＝ ～ 在運行中，如電機電流不規(guī)則變化，此時不易獲得運行特性曲線，這時可使電機在輸出最大轉(zhuǎn)矩時的電流限制在變頻器的額定輸出電流內(nèi)進行選定。 m2) TL：負載轉(zhuǎn)矩 (N 3) 電機容量大，則以變頻器容量為基準(zhǔn)的電機漏抗百分比變小，變頻器輸出電流的脈動增大，因而 過流保護容量動作，往往不能運轉(zhuǎn)。有些制造廠 (如 ABB 公司 )還備有確定裝置定額軟件，只要用戶提出明確的負載圖就可 以確定裝置的輸出定額。它具有較好的調(diào)速性能，是現(xiàn)代交流調(diào)速方法中具有重要意義的一種調(diào)速方法。變頻器就是基于上述原理采用交 直 交電源變換技術(shù)，電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。在調(diào)速的整個過程中，從高速到低速可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效、調(diào)速范圍寬 (10%～ 100%)和精度高等性能，節(jié)電效果 20%～ 30%。此外，在許多場合，為了保持在調(diào)速時，電機產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩不變，需要維持磁通不變，這可由頻率和電壓協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)，故稱為可變頻率可變電壓調(diào)速 (VVVF)，簡稱變頻調(diào)速。特別是近二十多年來 ,靜態(tài)電力變頻調(diào)速器突飛猛進的發(fā)展 ,使得三相交流電機變頻調(diào)速成為當(dāng)前電機調(diào)速的主流?，F(xiàn)有的交流供電電源都是恒壓恒頻的，必須通過變頻裝置（即 Variable Voltage Frequency,簡稱 VVVF裝置），才能獲得變壓變頻的電源。因此，頻率和電壓要成比例的改變，是電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在三相坐標(biāo)系下的定子電流 iA、 iB、 iC 通過三相 二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流 iα iβ 1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步