【正文】 nT：并聯(lián)電機(jī)的臺(tái)數(shù) ns：同時(shí)起動(dòng)的臺(tái)數(shù) PCN1：連續(xù)容量 (KVA) PCN1=KPMnT/η cos PM：電動(dòng)機(jī)輸出功率 η：電動(dòng)機(jī)的效率 (約取 ) cosφ：電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù) (常取 ) Ks：電機(jī)起動(dòng)電流 /電機(jī)額定電流 IM：電機(jī)額定電流 K：電流波形正系數(shù) (PWM 方式取 ～ ) PCN：變頻器容量 (KVA) ICN：變頻器額定電流 (A) 變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，但其中可能有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)隨時(shí)掛接到變頻器或隨時(shí)退出運(yùn)行。 加減速時(shí)變頻器容量的選擇 變頻器的最大輸出轉(zhuǎn)矩是由變頻器的最大輸出電流決定的。變頻器的運(yùn)行一般有以下幾種方式。 表 1 不同控制方式變頻器的主要性能和應(yīng)用場(chǎng)合 表 2 幾類常見(jiàn)設(shè)備的負(fù)載特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 采用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 3. 變頻器安裝地點(diǎn)必需符合標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的要求，否則易引起故障或縮短使用壽命；變頻器與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)之間的距離一般不超過(guò) 50 米，若需更長(zhǎng)的距離則需 降低載波頻率或增加輸出電抗器選件才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 D: 大慣性負(fù)載：如離心機(jī)、沖床、水泥廠的旋轉(zhuǎn)窯，此類負(fù)載慣性很大，因此啟動(dòng)時(shí)可能會(huì)振蕩，電動(dòng)機(jī)減速時(shí)有能量回饋。 A: 風(fēng)機(jī)和水泵是最普通的負(fù)載：對(duì)變頻器的要求最為簡(jiǎn)單，只要變頻器容量等于電動(dòng)機(jī)容量即可（空壓機(jī)、深水泵、泥沙泵、快速變化的音樂(lè)噴泉需加大容量）。在這種情況下，對(duì)于通用小容量 變頻器 要裝設(shè)電阻（見(jiàn)表 1），再生時(shí)用此電阻將再生功率消耗掉。 六、 電動(dòng)與再生 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率為正時(shí)，產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，為負(fù)時(shí)則產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 電壓型、電流型兩種 變頻器 的多重化構(gòu)成原理圖，如圖 13 所示。 U U2所含的 3次諧波相位相差 180186。將單相 變頻器 的電壓波形（或電流波形）按傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，則含有不少高次諧波。 圖 11 “Δ”脈寬調(diào)制電路及波形 “Δ” 脈寬調(diào)制電路具有一個(gè)可貴的特性，就是當(dāng)輸入正弦波參考電壓 Ur的幅值一定時(shí)，其輸出調(diào)制脈沖列 U1的基波電壓大小與其頻率之比隨時(shí)保持恒值，這個(gè) U1/fo為恒值的特性正符合異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速對(duì) PWM 逆變器輸出的要求。只要輸入可變頻恒幅正弦波參考電壓 Ur，就可以平滑地變換出調(diào)制工作脈沖，而且能夠自然保持輸出基波電壓與頻率之比為恒值。參考信號(hào)也可以采用階梯式準(zhǔn)正弦波。 上 述單極性脈寬調(diào)制，脈沖的極性不改變，要正、負(fù)半周輸出不同極性的脈沖，必須另加倒相電路。載頻三角波三相可以共用，但必須有一個(gè)可 變頻變幅的三相正弦波發(fā)生器，產(chǎn)生可變頻變幅的三相正弦參考信號(hào)，然后分別比較產(chǎn)生三相輸出脈沖調(diào)制波。輸出電壓的大小和頻率就將失去所要求的配合關(guān)系。由波形可見(jiàn)， SPWM 比 PWM的調(diào)制波形更接近于正弦波，諧波分量大為減小。 2)單極性正弦波脈寬調(diào)制方式及參考信號(hào) Ur為正弦波的脈寬調(diào)制，一般叫做正弦波脈寬調(diào)制，簡(jiǎn)稱 SPWM。顯然，同時(shí)改變?nèi)遣ǖ念l率和參考直流信號(hào)電壓 Ur的大小，就可以使 變頻器 的輸出在變頻的同時(shí)相應(yīng)地改變電壓的大小。在一個(gè)周期內(nèi)有 12 個(gè)三角形，即載頻三角波的頻率 fΔ 為輸出頻率 fo的 12 倍（ fΔ 可以是 fo的任意 6 的整數(shù)倍）。脈寬調(diào)制的方法很多，從調(diào)制脈沖的極性上看，可以分為單極性和雙極性調(diào)制兩種；從載頻信號(hào)和參考信號(hào)（基準(zhǔn)信號(hào)）頻率之間的關(guān)系來(lái)看， 又可以分為同步式和非同步式兩種。 (二 )PWM(Pulse Width Modulation) 在異步電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，隨著 變頻器 輸出頻率的變化，必須相應(yīng)地調(diào)節(jié)其輸出電壓。因此，在逆變器只控制頻率，在整流器側(cè)控制輸出的電壓或電流。該表中項(xiàng) 3，用晶體管和 GTO 晶閘管構(gòu)成的電壓型 變頻器 則適用這樣的電流控制方式，利用逆變器側(cè)的導(dǎo)通率將輸出電流控制成為正弦波。輸出電壓的大小，可以利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通率將輸出電壓控制成為正弦波。 通用 變頻器 等采用電壓控制方式，與輸出頻率成比例地控制輸出電壓。 采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)時(shí)，對(duì)于電流型逆變器通常采用晶閘管，它雖然需要換相電路，但可以兼用作能量吸收回路。 考慮負(fù)載電壓 u 和開(kāi)關(guān)的動(dòng)作狀態(tài)，直流電壓波形 Ed為圖 c的波形。在時(shí)刻 t1關(guān)斷這兩個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)，因?yàn)槭请娏髟?，?fù)載電流必須急速地反向，但是電感負(fù)載的電流不可能瞬時(shí)反向，在負(fù)載兩端需要有吸收電感儲(chǔ)存能量的電路。其中圖 a為單相 橋式電流型逆變器。滯后角 與瞬時(shí)功率 P及有功功率 Pa的關(guān)系，如圖 4所示。 考慮負(fù)載電流 i 和開(kāi)關(guān)的動(dòng)作狀態(tài)，直流電流 Id的波形如圖 c 所示。其中圖 a 為單相橋式電壓型逆變器，如果使開(kāi)關(guān) S1~S4像圖 d那樣導(dǎo)通、關(guān)斷，那么負(fù)載電壓 u就成為矩形波交流電壓，其大小等于直流電壓源電壓 Ed，如圖 b 中實(shí)線所示。電壓型是將電壓源的直流電變換成交流電的 變頻器 ，電流型是指將電流源的直流電變換為交流電的方式。各種方式的組合是為了充分發(fā)揮其控制特性、適用電動(dòng)機(jī)、容量范圍、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)而設(shè)計(jì)制造的。 （ 4）速度檢測(cè)電路 :以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測(cè)器 (tg、 plg 等 )的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。 （ 1）運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出 電壓、頻率。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。 （ 1）整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。變頻調(diào)速是通過(guò)改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來(lái)達(dá)到速調(diào)的目的。 變頻器（ Variablefrequency Drive， VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變 電機(jī) 工作電源 頻率 方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。 本章小結(jié) 本章闡述了論文研究的課題的背景意義，以及方案的選擇，簡(jiǎn)單介紹了變頻調(diào)速技術(shù)和 PLC技術(shù)， ABB可升級(jí)的 PLC AC500的 通訊方式 背景知識(shí)。包括通信協(xié)議的選定、協(xié)議內(nèi)容以及程序設(shè)計(jì)等相關(guān)內(nèi)容。 第四章是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容。 第一章為緒論。這種為高速傳輸用戶數(shù)據(jù)而優(yōu)化的 PROFIBUSDP 協(xié)議特別適用于可編程控制器與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)分散的 I/O設(shè)備之間的通信。 PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUSDP 使用了 ISO/OSI 通信標(biāo)準(zhǔn)中的第一及第二層（即物理層和數(shù)據(jù) 鏈路層）和用戶接口。 CS31總線是一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的 RS485串行通訊。 CS31現(xiàn)場(chǎng)總線 CS31現(xiàn)場(chǎng)總線從 1989年研發(fā)至今，一直起著承先啟后的作用。 應(yīng)用靈活 、 編程方便 、 操作簡(jiǎn)單 模塊化的設(shè)計(jì)方式，使用戶能根據(jù)自己控制系統(tǒng)的大小 、 工藝流程和控制要求等選擇自己所需的極管擊穿等原因造成短路，這一故障通過(guò)在分線盤測(cè)得的數(shù)據(jù)可直接判斷，處理方法是到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行 確認(rèn)測(cè)量 。 其主要特點(diǎn)如下 : 可靠性高 、 抗干擾能力強(qiáng) 可靠性高 、 抗干擾能力強(qiáng)是 PLC 最重要的特點(diǎn)之一 。 PLC— 即可編程控制器 (Programmable logicController), 是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的 ,并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心 ,把自動(dòng)化技術(shù) 、 計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置 。電動(dòng)機(jī)同樣也像一步操作中的機(jī)器心臟，其運(yùn)轉(zhuǎn)速度也需要根據(jù)其負(fù)荷大小來(lái)調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，而變頻器則是為其正常運(yùn)轉(zhuǎn)加上一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。在中間直流電路中串接平波電抗器作儲(chǔ)能元件的稱為電流型變頻器。 變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)電效果 、 優(yōu)良的調(diào)速性能以及廣泛的適用性、系統(tǒng)的安全可靠性和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。近年來(lái)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展及數(shù)字控制的普及，矢量控制的應(yīng)用已經(jīng)從高性能領(lǐng)域擴(kuò)展至通用驅(qū)動(dòng)及專用驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，乃至變頻空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等家用電器。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。 四、 采用每臺(tái)電動(dòng)機(jī)各由一臺(tái)變頻器來(lái)控制的方式，那么這就要用到多臺(tái)交流變頻調(diào)速器，再利用 PLC來(lái)控制多臺(tái)變頻調(diào)速器，從而達(dá)到多電機(jī)控制的目的。使用這種方式，由于只用一臺(tái)變頻器，所以投資少，減少了額外的硬件，又降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本，同時(shí)最大限度的提高設(shè)備利用率，挖掘增效潛力。 一、基于工業(yè)以太網(wǎng)和 PROFIBUSDP 的 PLC控制的調(diào)速系統(tǒng)。 ABB 可升級(jí)的 PLC AC500由于其抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，編程簡(jiǎn)單，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域。目前，國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的變頻技術(shù)正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向發(fā)展，我國(guó)也在加快發(fā)展步伐。 (2) 電機(jī)總是保持在低轉(zhuǎn)差率運(yùn)行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。 3. 合理應(yīng)用 交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)已得到廣泛應(yīng)用。 (6) 必須有專用的變頻電源，目前造價(jià)較高。 (2) 調(diào)速范圍較大，精度高。 本課題正是基于以上背景，提出了一種變頻調(diào)速器多電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò) PLC 的多種通訊方式和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)多電機(jī)的控制。作為配套的電氣控制環(huán)節(jié)則對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用，目前以多種通訊方式作為中心控制元件的設(shè)備占有相當(dāng)大的比重，并以其精確的控制，穩(wěn)定的工作狀態(tài)占據(jù)了十分重要的地位。在實(shí)際的工業(yè)控制領(lǐng)域中，一條生產(chǎn)流水線通常由多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能否實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的協(xié)調(diào)工作，直接關(guān)系到生產(chǎn)的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量，如何實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步控制已成為研究熱點(diǎn)。而 PLC 通過(guò)多種通訊方式完成各個(gè)變頻器的控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的控制精度，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)電機(jī)的同步調(diào)速。低速時(shí)，特性靜關(guān)率較高，相對(duì)穩(wěn)定性好。 (5) 易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化。其中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢(shì)。它主要基于下面幾個(gè)因素： (1) 變頻調(diào)速系統(tǒng)自身?yè)p耗小，工作效率高。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，性能可靠、匹配完善、價(jià)格便宜的變頻器會(huì)不斷出現(xiàn)，這一技術(shù)會(huì)得到更為廣泛、普遍的應(yīng)用。因此，需要選擇更好地控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多電機(jī) 的同步控制。 方案選擇 要實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的同步控制，可以有四種方案來(lái)選擇?，F(xiàn)在變頻器的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，基本 型的變頻器都有一拖二甚至更高的功能，這樣就可以用變頻器來(lái)帶動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行從而實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的控制。由于其性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組網(wǎng)容易，組網(wǎng)成本低廉， RS485總線標(biāo)準(zhǔn)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 ，同時(shí)，在 RS485總線中采用的 MODBUS協(xié)議是公開(kāi)的通信協(xié)議，而且被很多的工控產(chǎn)品生產(chǎn)廠家支持，該協(xié)議已廣泛應(yīng)用于水利、水文、電力等行業(yè)設(shè)備及系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中。 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（ 1s）／ p，（式中 n、 f、 s、 p 分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。而矢量控制的引入，則開(kāi)始了變頻調(diào)速系統(tǒng)在高性能場(chǎng)合的應(yīng)用。而現(xiàn)在變頻驅(qū)動(dòng)主要使用 PWM 合成驅(qū)動(dòng)方式，這要求其控制器有很強(qiáng)的 PWM 生成能力。變頻調(diào)速裝置通常由整流器、平波電抗器或?yàn)V波電容器、逆變器及控制電路組成。打個(gè)比方，變頻器就好比一個(gè)人的心臟，人 在運(yùn)動(dòng)時(shí)，心臟將劇烈跳動(dòng)，心率加快，供應(yīng)大量的血液給身體各器官；人在休息的時(shí)候，心臟將變緩，從而節(jié)約能耗。所以，掌握 PLC 技術(shù)是改造傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝和設(shè)備的重要途徑。 能較好的解決工業(yè)領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠 、安全靈活 、 方便 、 經(jīng)濟(jì)等諸多問(wèn)題 。 軟件方面， PLC 采用掃描工作方式，減少了由于外界環(huán)境干擾引起故障，使用監(jiān)控定時(shí)器用于監(jiān)視執(zhí)行用戶程序的專用運(yùn)算處理器的延遲，保證在程序出錯(cuò)和程序調(diào)試時(shí)，避免因程序出錯(cuò)而出現(xiàn)死循環(huán) 。 本系統(tǒng)主要用的是 ABB可升級(jí)的 AC500系列 PLC, ABB可升級(jí)的 PLC AC500的 通訊方式主要分為以下三種： CS31總線、 Profibus DP總線、和 ProfiNET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線等。 AC500控制系統(tǒng)的 COM1口集成了 CS31主站功能。通訊介質(zhì)為：屏蔽雙絞線。在用戶接口中規(guī)定了 PROFIBUSDP 設(shè)備的應(yīng)用功能，以及各類型的系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性。 1． 4論文的研究?jī)?nèi)容 本論文主要討論了一種變頻調(diào)速器多電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化管理和監(jiān)控，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，全文共分為六章。 第三章介紹了可編程控制器的有關(guān)知識(shí)，包括它的原理、功能特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及選型、發(fā)展?fàn)顩r等相關(guān)知識(shí)，最后還詳細(xì)介紹了本系統(tǒng)所要采用的 SIEMENS S7— 200 PLC等有關(guān)內(nèi)容。重點(diǎn)介紹了變頻器與 PLC， PLC與上位機(jī)通訊的設(shè)計(jì)內(nèi)容 與調(diào)試。 最后總結(jié)本論文所做的主要工作，并提出一些今后需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題和方向。 另外，變頻器在節(jié)約電能的同時(shí)可以減少排放、降低能耗，理解并掌握變頻器的控制具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且現(xiàn)在越來(lái)越多的工業(yè)控制場(chǎng)合選用PLC和變頻器用于電機(jī)的調(diào)速控制。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。 它由三