【正文】 70 年代后期和 80 年代初期，微處理器技術(shù)日趨成熟，單片微處理器、半導(dǎo)體存儲器進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，大規(guī)模集成電路開始普遍應(yīng)用。 本章小結(jié) 本章主要介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的相關(guān)知識，以及文中所需變頻器的選擇，還包括變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，為下一步的設(shè)計打下了堅實的理論基礎(chǔ)。交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類很多，從早期提出的電壓源型變頻器開始，相繼發(fā)展了電流源型，脈寬調(diào)制等各種變頻器。如采用變頻調(diào)速技術(shù) , 則可能節(jié)能 30% , 有的場合甚至可節(jié)能 50%以上 , 這是十分可觀的。提升機(jī)、電梯 在設(shè)置的延時時間 (亦稱死區(qū)時間 )內(nèi) , 輸人電平完全取決于負(fù)載特性 ,即取決于負(fù)載電流的方向。新的技術(shù)可以大大減小這種波形畸變。 控制上缺乏整體性 , 每相之間失去應(yīng)有的聯(lián)系等。更重要的是 , 采用 SVM方法可減小電機(jī)的諧波損耗 , 且其直流電壓利用率也可得到提高。在正弦波與三角波比較產(chǎn)生 SPWM信號的調(diào)制方法中 , 一旦正弦波幅值超過了三角波的幅值 ,低次諧波就開始增加 , 因此這種 SPWM方式一般允許工作的最大調(diào)制度 為 1, 此時直流電壓利用率 (輸出線電壓與直流電壓的比值 ) 較低 , 為 。這種裝置在目前的電力機(jī)車 (其整流部分為單項橋式整流 )、軋機(jī)主傳動上具有良好的應(yīng)用前景 ,可以取代功率因數(shù)低、諧波污 染嚴(yán)重的周波變頻器。 PWM控制的變頻器在兆瓦級大功率范圍的應(yīng)用可以大幅度節(jié)能 ,具有重大意義。理論分析和實驗研究均表明 ,PWM整流電路的應(yīng)用有助于減小濾波器容量 , 與不采用 PWM整流相比 , 濾波器容量可縮小至不到原來的 40%, 變頻器的穩(wěn)定性與傳統(tǒng)的電壓型變頻器相同。隨著電力電子器件的價格進(jìn)一步下降 , 這種結(jié)構(gòu)會得到越來越多的認(rèn)可。電壓型變頻器在工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。 按變頻器的主電路結(jié)構(gòu)可以將其分為交一交變頻電 路和交一直一交變頻電路兩 類。③直接轉(zhuǎn)矩控制，要依賴于精確的電機(jī)數(shù) 學(xué)模型和對電機(jī)參數(shù)的自動識別 (Identification 向你 ID),通過 ID運行自動確立電機(jī)實際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動機(jī)模型估算出電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)矩、定子碰鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 Band－ Band控制產(chǎn)生 PWM 信號對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。因為變頻器的頻率設(shè)定值均為定子頻率，即電動機(jī)的同步頻率，但是電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率隨著負(fù)載的變化波動，所以電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速也隨之變化，故這種方式的速度靜態(tài)穩(wěn)定性不高，不適于對速度要求較高的拖動系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實質(zhì)是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的。 轉(zhuǎn)差頻率控制方式是對 U/f 控制（恒壓頻比控制交流調(diào)速系統(tǒng)）的改進(jìn)。 變頻 調(diào)速 系統(tǒng)有以下及幾種：電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)頻率控制方式的不同，分為： 與異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速一樣，用獨立的變壓變頻裝置給同步電動機(jī)供電的系統(tǒng)稱作他控變頻調(diào)速系統(tǒng)。 實際上僅僅改變電動機(jī)的頻率并不能獲得良好的變頻特性。通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對異步電動機(jī)的調(diào)速，在調(diào)速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。 4) 電機(jī)用通用變頻器起動時，其起動轉(zhuǎn)矩同用工頻電源起動相比多數(shù)變小，根據(jù)負(fù)載的起動轉(zhuǎn)矩特性，有時不能起動。 大慣性負(fù)載起動時變頻器容量的計算 通過變頻器過載容量通常多為 125％、 60s 或 150％、 60s。 K：電流波形的修正系數(shù) (PWM 方式取 ～ ) PCN：變頻器的額定容量 (KVA) ICN：變頻器的額定電流 (A) 式中 IM 如按電動機(jī)實際運行中的最大電流來選擇變頻器時，變頻器的容量可以適當(dāng)縮小。表 1為不同控制方式變頻器的主要性能、應(yīng)用場合，表 2 為常見幾類設(shè)各的負(fù)載特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，可供變頻器選型時參考。 C: 不均行負(fù)載：有的負(fù)載有時輕，有時重，此時應(yīng)按照重負(fù)載的情況 來選擇變頻器容量，例如軋鋼機(jī)機(jī)械、粉碎機(jī)械、攪拌機(jī)等。 當(dāng) 變頻器 的頻率低于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速時，續(xù)流二極管是作為以電動機(jī)為 電源 的整流器而工作，由電動機(jī)產(chǎn)生的再生功率流入直流 電源回路的平波電容中。這種多臺 變頻器 的多重化可以抵消諧波，改善波形；輸出為兩臺 變頻器 之和，容易實現(xiàn)大容量化。 圖 12 為多重化 變頻器 的原理。 3.“Δ”調(diào)制（ DM）方式 “Δ”脈寬調(diào)制方式（ Delta Modulation Technique）的調(diào)制電路及波形如圖 11所示。非同步雖然正、負(fù)半周輸出波形不能完全對稱，會出現(xiàn)偶次諧波，但是每周的輸出的調(diào)制脈波數(shù)將隨輸出頻率的降低而增多，有利于改善低頻輸出特性。但要注意正弦波的幅值 Urm必須小于等腰三角形的幅值 Ucm，否則就得不到脈寬與其對應(yīng)正弦波下的積分成正比這一關(guān)系。同步調(diào)制方式雖然由于輸出波形正負(fù)半周完全對稱，只有奇次諧波，沒有偶次諧波，但是每周的輸出脈沖數(shù)不變，低頻輸出時諧波影響大。圖中畫出的是經(jīng)過三相對稱倒相后的 a、 b點電位、 U’ oo和相電壓 Uao的脈沖列波形。s，所以，難以做到用晶閘管來開關(guān)實現(xiàn) PWM控制，要采用在逆變器只控制頻率的 PAM方式。 表 1 中項 5 的電流型晶閘管 變頻器 ，在逆變器側(cè)控制頻率，在整流器側(cè)控制電流。這兩種方式，不管主電路方式是電壓型還是電流型都可以適用。此后，在 S1， S2再次導(dǎo)通時刻 t3之間的期間，為功率從 電源 流向負(fù)載的電動狀態(tài)。 (二 ) 電流型 電流型 變頻器 的原理及其動作如圖 5所示。在時刻 t1使這兩個開關(guān)關(guān)斷，同時使開關(guān) S S4導(dǎo)通，于是負(fù)載的無功功率就沿②路線反饋給直流電壓源 Ed。 變頻器的分類與控制 一、 電壓型與電流型 作為主電路方式有電壓型 變頻器 和電流型 變頻器 。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。 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)一步研究的問題和方向。 第三章介紹了可編程控制器的有關(guān)知識，包括它的原理、功能特點、結(jié)構(gòu)以及選型、發(fā)展?fàn)顩r等相關(guān)知識，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。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。 AC500控制系統(tǒng)的 COM1口集成了 CS31主站功能。 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)控定時器用于監(jiān)視執(zhí)行用戶程序的專用運算處理器的延遲，保證在程序出錯和程序調(diào)試時，避免因程序出錯而出現(xiàn)死循環(huán) 。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。變頻調(diào)速裝置通常由整流器、平波電抗器或濾波電容器、逆變器及控制電路組成。而矢量控制的引入，則開始了變頻調(diào)速系統(tǒng)在高性能場合的應(yīng)用。由于其性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)簡單，組網(wǎng)容易，組網(wǎng)成本低廉， RS485總線標(biāo)準(zhǔn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用 ，同時，在 RS485總線中采用的 MODBUS協(xié)議是公開的通信協(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)的國際標(biāo)準(zhǔn)中。 方案選擇 要實現(xiàn)多臺電機(jī)的同步控制，可以有四種方案來選擇。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，性能可靠、匹配完善、價格便宜的變頻器會不斷出現(xiàn)，這一技術(shù)會得到更為廣泛、普遍的應(yīng)用。其中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢。低速時，特性靜關(guān)率較高，相對穩(wěn)定性好。在實際的工業(yè)控制領(lǐng)域中，一條生產(chǎn)流水線通常由多臺電機(jī)驅(qū)動，能否實現(xiàn)多臺電機(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，如何實現(xiàn)多電機(jī)的同步控制已成為研究熱點。 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)計方案，通過 PLC 的多種通訊方式和變頻器實現(xiàn)對多電機(jī)的控制。 (6) 必須有專用的變頻電源，目前造價較高。 (2) 電機(jī)總是保持在低轉(zhuǎn)差率運行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。 ABB 可升級的 PLC AC500由于其抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，編程簡單，性價比高等優(yōu)點被應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域。使用這種方式，由于只用一臺變頻器，所以投資少，減少了額外的硬件，又降低了整個系統(tǒng)的成本，同時最大限度的提高設(shè)備利用率，挖掘增效潛力。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。 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設(shè)備使用壽命等優(yōu)點而成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。電動機(jī)同樣也像一步操作中的機(jī)器心臟，其運轉(zhuǎn)速度也需要根據(jù)其負(fù)荷大小來調(diào)整運轉(zhuǎn)頻率，而變頻器則是為其正常運轉(zhuǎn)加上一個自動調(diào)節(jié)裝置。 其主要特點如下 : 可靠性高 、 抗干擾能力強(qiáng) 可靠性高 、 抗干擾能力強(qiáng)是 PLC 最重要的特點之一 。 CS31現(xiàn)場總線 CS31現(xiàn)場總線從 1989年研發(fā)至今，一直起著承先啟后的作用。 PROFIBUSDP現(xiàn)場總線 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。 第一章為緒論。包括通信協(xié)議的選定、協(xié)議內(nèi)容以及程序設(shè)計等相關(guān)內(nèi)容。 變頻器（ Variablefrequency Drive， VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變 電機(jī) 工作電源 頻率 方式來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備。 （ 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。 （ 1）運算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進(jìn)行比較運算，決定逆變器的輸出 電壓、頻率。各種方式的組合是為了充分發(fā)揮其控制特性、適用電動機(jī)、容量范圍、經(jīng)濟(jì)性等特點而設(shè)計制造的。其中圖 a 為單相橋式電壓型逆變器，如果使開關(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 中實線所示。滯后角 與瞬時功率 P及有功功率 Pa的關(guān)系，如圖 4所示。在時刻 t1關(guān)斷這兩個開關(guān)時，因為是電流源，負(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反向，在負(fù)載兩端需要有吸收電感儲存能量的電路。 采用半導(dǎo)體開關(guān)時，對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。輸出電壓的大小，可以利用半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通率將輸出電壓控制成為正弦波。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。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；從載頻信號和參考信號（基準(zhǔn)信號）頻率之間的關(guān)系來看， 又可以分為同步式和非同步式兩種。顯然，同時改變?nèi)遣ǖ念l率和參考直流信號電壓 Ur的大小，就可以使 變頻器 的輸出在變頻的同時相應(yīng)地改變電壓的大小。由波形可見， SPWM 比 PWM的調(diào)制波形更接近于正弦波，諧波分量大為減小。載頻三角波三相可以共用，但必須有一個可 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，然后分別比較產(chǎn)生三相輸出脈沖調(diào)制波。參考信號也可以采用階梯式準(zhǔn)正弦波。 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，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保持恒值，這個 U1/fo為恒值的特性正符合異步電動機(jī)變頻調(diào)速對 PWM 逆變器輸出的要求。 U U2所含的 3次諧波相位相差 180186。 六、 電動與再生 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率為正時，產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩，為負(fù)時則產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。 A: 風(fēng)機(jī)和水泵是最普通的負(fù)載：對變頻器的要求最為簡單，只要變頻器容量等于電動機(jī)容量即可（空壓機(jī)、深水泵、泥沙泵、快速變化的音樂噴泉需加大容量）。 3. 變頻器安裝地點必需符合標(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)動馬達(dá)之間的距離一般不超過 50 米，若需更長的距離則需 降低載波頻率或增加輸出電抗器選件才能正常運轉(zhuǎn)。變頻器的運行一般有以下幾種方式。以變頻器短時過載能力為 150％， 1min 為例計算變頻器的容量，此時若電機(jī)加速時間在1min 內(nèi)，則應(yīng)滿足以下兩式， 若電機(jī)加速在 1mn 以上時式中： nT：并聯(lián)電機(jī)的臺數(shù) ns：同時起動的臺數(shù) PCN1：連續(xù)容量 (KVA) PCN1=KPMnT/η cos PM：電動機(jī)輸出功率 η：電動機(jī)的效率 (約取 ) cosφ：電動機(jī)的功率因數(shù) (常取 ) Ks：電機(jī)起動電流 /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)動多臺電動機(jī)，但其中可能有一臺電動機(jī)隨時掛接到變頻器或隨時退出運行。 tA：電機(jī)加速時間 (s)由負(fù)載要求確定 K：電流波形的