【正文】 ，見圖 34 PWM 逆變器簡(jiǎn)單原理圖，圖中 V1~V6 為絕緣柵雙極晶體管，由他們的交替切換來獲得交流信號(hào)的輸出。?)/(21t???因此，可以說輸出電壓的平均值與占空比成正比，調(diào)節(jié)電壓輸出就可以演化為調(diào)節(jié)脈沖的寬度，所以稱為脈寬調(diào)制。首先是主電路中有兩個(gè)可控功率環(huán)節(jié)，這樣使系統(tǒng)比較復(fù)雜；第二由于中間環(huán)節(jié)存在動(dòng)態(tài)元件，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢；第三由于整流器是可控的，使控電電源的功率因數(shù)隨變頻裝置輸出頻率的降低而變差，并產(chǎn)生高次諧波電源；第四逆變器輸出為六拍階梯波交變電壓，在拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)中形成較多的各次諧波，從而產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作，低速時(shí)尤為嚴(yán)重。由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬感性負(fù)載，無論電動(dòng)機(jī)處于拖動(dòng)狀態(tài)還是發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，變頻器功率因素總不會(huì)為 1。 變頻器的主電路 變頻器的主電路包括整流電路、濾波及限流電路、直流中間電路、逆變電路和能耗制動(dòng)電路等部分組成，其中整流電路和逆變電路是很重要的兩部分，下面簡(jiǎn)單介紹一下整流電路和逆變電路。根據(jù)直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式不同，交—直—交變頻器又分為電壓型和電流型兩種。起動(dòng)轉(zhuǎn)2222/4//LCxTNNst ??mT矩點(diǎn)： ，當(dāng) 調(diào)高時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大大減小。11/60pfn?1fn?1n最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)：由 c=常數(shù)， =常數(shù)，而臨界轉(zhuǎn)差率mT2/U，臨界轉(zhuǎn)速降 常222///fLfRxSm?? ????121/60/pfLfRSm?數(shù)。2) 基頻以上調(diào)速 當(dāng)電源頻率 在基頻以上調(diào)節(jié)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子相電壓是不允許在額定相電1f壓以上調(diào)節(jié)的，否則會(huì)危及電動(dòng)機(jī)的絕緣。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。因此，它希望電動(dòng)機(jī)能具有恒功率調(diào)速的性能。機(jī)械特性的硬度的定義為 (24)nTd????越大，轉(zhuǎn)矩變化時(shí)， 變化的程度就越小，機(jī)械特性就越硬，靜差率就越小，?n穩(wěn)定性就越好。如果轉(zhuǎn)速只能跳躍式的調(diào)節(jié)，例如只能從 3000r/min一下調(diào)節(jié)到 1500r/min，在又調(diào)節(jié)到 1000 r/min 等，兩者之間的轉(zhuǎn)速無法得到，這種調(diào)速稱為有級(jí)調(diào)速。可控硅串級(jí)調(diào)速雖克服了上述缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了額定速度以下的無級(jí)調(diào)速，提高了功率因數(shù)，減少了起制動(dòng)沖擊，價(jià)格較低，但目前串級(jí)調(diào)速產(chǎn)品的控制技術(shù)仍停留在模擬階段，尚未實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能和起制動(dòng)性能，很好的保護(hù)功能及系統(tǒng)監(jiān)控功能，所以有時(shí)采用直流電動(dòng)機(jī)，而直流電動(dòng)機(jī)制造工藝復(fù)雜，使用維護(hù)要求高，故障率高。同時(shí)隨著 PLC 系統(tǒng)的不斷成熟與完善，以及大容量變頻器在位能負(fù)載上的成功應(yīng)用，變頻調(diào)速系統(tǒng)必將成為未來調(diào)速市場(chǎng)的主流。這些控制方法都得到了不同程度的應(yīng)用，但其控制性能有一定的差異。日本安川電機(jī)制作所于 1972 年就正式定為 VS 系列，應(yīng)用于起重機(jī)及軋機(jī)輔助設(shè)備的交流調(diào)速。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成模塊出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)、微處理器應(yīng)用，因此控制從分立組成模擬量控制發(fā)展至今天的數(shù)字量控制。它是一種變頻用的直流電動(dòng)機(jī)。4) 高壓變頻器的研究變頻器的主要作用之一是節(jié)能。無速度傳感器的變頻調(diào)速系統(tǒng)，是通過現(xiàn)場(chǎng)采集的電流電壓量，以及控制的實(shí)施策略，綜合出被控電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。如果說以第一個(gè)晶閘管的出現(xiàn)作為交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的起點(diǎn)，可以認(rèn)為它的發(fā)展歷史己 40 多年了。但在實(shí)際使用中，傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的控制系統(tǒng)所采用交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速，繼電—接觸器控制，在工作環(huán)境差，工作任務(wù)重時(shí)，電動(dòng)機(jī)以及所串連電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生；繼電—接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，機(jī)械特性軟，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想。Xxxxx 等?？茖W(xué)校畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文論文題目:橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 部： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2022 年 12 月 12 日摘 要 電氣調(diào)速控制的方法很多，對(duì)直流驅(qū)動(dòng)來講 60 年代采用發(fā)電機(jī)—電機(jī)系統(tǒng)。所串連電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低。而變頻調(diào)速技術(shù)真正高速發(fā)展時(shí)期，應(yīng)該是在 PWM 調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)和微機(jī)控制技術(shù)發(fā)展之后。這種控制方案要求計(jì)算機(jī)的控制速度較高，并有足夠的精度。而高壓電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果是比較明顯的，大功率的風(fēng)機(jī)和水泵用電動(dòng)機(jī)一般都是高壓電動(dòng)機(jī)。無換向器電動(dòng)機(jī)。 從交流驅(qū)動(dòng)來講：常規(guī)的常采用繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，為滿足重物下放時(shí)的低速，一般依靠能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)，后來還采用渦流制動(dòng)，還有靠轉(zhuǎn)子反饋控制制動(dòng)、反接制動(dòng)、單相制動(dòng)器抱閘松勁的所謂軟制動(dòng)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外開發(fā)研制變頻調(diào)速，PLC 可編程序控制器的應(yīng)用控制系統(tǒng)的性能更加完美。法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等大電氣公司亦在這方面展開了重點(diǎn)研制開發(fā)。 直流電動(dòng)機(jī)之所以與有良好的控制性能，其根本原因是當(dāng)勵(lì)磁電流恒定時(shí)，控制電樞電流的大小就能無時(shí)間滯后的控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的大小。 傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在的問題 橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的地位，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)橋式起重機(jī)制造廠和使用部門在設(shè)計(jì)、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷改造，推動(dòng)了橋式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。由于傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電控系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，盡管起動(dòng)性能與調(diào)速性能較交流鼠籠型電動(dòng)機(jī)有很大改善，但由于采用有級(jí)調(diào)速，依然存在以下問題：1)控制檔位較多時(shí)，控制電路復(fù)雜，系統(tǒng)的故障率較高；2)在換檔時(shí)依然存在電流與轉(zhuǎn)矩沖擊，重載情況下尤為突出；3)低速定位時(shí)由于采用“倒拉反接制動(dòng)”運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)子中串入了較大電阻導(dǎo)致機(jī)械特性變得很軟，低速定位困難；4)能量損耗大，特別是重載低速時(shí)的損耗尤其嚴(yán)重第 2 章 調(diào)速系統(tǒng)介紹調(diào)速就是在一定的負(fù)載下，根據(jù)生產(chǎn)的需要人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果在一定的調(diào)速范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速都可以得到則稱為無級(jí)調(diào)速。靜差率還與理想空載轉(zhuǎn)速 的大小有關(guān)。另一類生產(chǎn)機(jī)械，例如起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等則要求電動(dòng)機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下都能輸出同樣的轉(zhuǎn)矩，因此，它希望電動(dòng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的性能。三相異步電動(dòng)機(jī)每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是： (26)mkNfE??114.式中： —?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值，單位為 V；1E — 定子頻率，單位為 Hz；f —定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；1N —定子基波繞組系數(shù)；k —每極氣隙磁通量，單位為 Wb；由公式可知，只要控制好 和 ，m? 1Ef便可以控制磁通中 不變，需要考慮基頻 (額定頻率)以下和基頻以上兩種情況；m1) 基頻以下調(diào)速當(dāng)電源頻率 在基頻以下調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，但在調(diào)節(jié)電源頻率的同1f時(shí)，必須同時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的定子電壓 ，且始終保持 常數(shù)，否則電動(dòng)機(jī)無1U?1/f法正常工作。所以，電源頻率上調(diào)時(shí)，只能維持電動(dòng)機(jī)定子相電壓 不變。因此，在不同頻率下，最大轉(zhuǎn)矩保持不變，且對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速降也不變。此時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性如圖31f?1f29 所示： n123NnNf12f3ToNf?1如圖 29 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性第 3 章 變頻器三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速所用的變頻電源有兩種，一種是變頻機(jī)組，另一種是靜止的變頻裝置變頻器。 電壓型變頻器是指變頻器整流后是由電容來濾波，現(xiàn)在使用的交—直—交變頻器大部分為電壓型變頻器。 1)．整流電路 一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。因此，在直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率的交換，這種無功能量就靠這之間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件來緩沖。為解決上述問題，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方式。圖 32a 為調(diào)制前的波形，電壓周期為，圖 32b 為調(diào)制后的波形，電壓周期為 。當(dāng) V1 導(dǎo)通時(shí)，在 A 相負(fù)載上得到的電壓與 V2 導(dǎo)通時(shí)在 A 相負(fù)載上得到的電壓方向相反。正半周 trau?V1 導(dǎo)通 V2 截止正半周 tra?V1 關(guān)斷 V2 截止負(fù)半周 trau?V2 導(dǎo)通 V1 截止負(fù)半周 tra?V2 關(guān)斷 V1 截止表 35 單極性 SPWM 調(diào)制規(guī)律a 當(dāng) 時(shí)，逆變管 VV 2 導(dǎo)通，決定了 SPWM 系列脈沖的寬度 ；當(dāng)ru1 1t 時(shí)，逆變管 VV 2 截止，決定了 SPWM 系列脈沖的間隔寬度 。由于控制對(duì)象只有一個(gè) ，所以控制電路相對(duì)要簡(jiǎn)單。 rutrarburctAO2/dU?BOuCO wttwttwtBOABu??dU ab cde)))))2/d/d2圖 37 雙極性 SPWM 調(diào)制波形第 4 章 可編程序控制器 概述 可編程控制器的產(chǎn)生隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，新的控制器件及其控制系統(tǒng)不斷的涌現(xiàn)。 可編程序控制器的主要功能近年來 PLC 把自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)融為一體。4) 功能強(qiáng) PLC 具有很強(qiáng)的功能，能進(jìn)行邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)和步進(jìn)等控制，能完成 A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能。從上述 PLC 的功能特點(diǎn)可見，在許多方面可以取代繼電接觸控制。1) 中央處理單元 (CPU) 中央處理單元一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片內(nèi)，CPU 通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入/輸出接口電路相連接。4) 電源部分 PLC 一般使用 220V 的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為 PLC 的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供 5V，+12V，+24V 的直流電源，使 PLC 能正常工作，電源部件的位置形式可有多種，對(duì)于整體式結(jié)構(gòu)的 CPU，通常電源封裝到機(jī)殼內(nèi)部：對(duì)于模塊式 PLC，有的采用單獨(dú)電源模塊，有的將電源與 CPU 封裝到一個(gè)模塊中。它一般由簡(jiǎn)易鍵盤和發(fā)光二級(jí)管或其他顯示管件組成。完成上述 3 個(gè)階段稱作 1 個(gè)掃描周期。主要抗干擾措施 1)采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾 2) 電纜選擇的敖設(shè) 3) 硬件濾波及軟件抗干擾措施 4) 正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)第 5 章 調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部件選型 概述 橋式起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成 橋式起重機(jī)俗稱行車，是工礦企業(yè)中應(yīng)用得十分廣泛的一種起重機(jī)。所以，拖動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)LT有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；c 重物下降時(shí)，除空鉤和極輕負(fù)載外，在絕大多數(shù)情況下，都是依靠自身的重力而下降的。a 上升運(yùn)行 重物的上升，完全是電動(dòng)機(jī)正向轉(zhuǎn)矩作用的結(jié)果。a 上升運(yùn)行 工作點(diǎn)右移至 點(diǎn)和 點(diǎn)。 變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要求橋式起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的控制動(dòng)作包括：大車的左、右行；小車的前、后行；吊鉤的升、降等。2) 重物升降的控制過程a 設(shè)定一個(gè) “升降起始頻率 ” ，當(dāng)變頻器的工作頻率上升到 時(shí)，將暫RDf RDf停上升。采用變頻調(diào)速后，操作手柄的受力將很小，不易損壞；d 控制系統(tǒng)的故障率大為下降 原系統(tǒng)是十分復(fù)雜的接觸繼電器系統(tǒng)進(jìn)行控制的，故障率較高。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 56 所示：圖 56 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 主要技術(shù)規(guī)格1) 起重量 10t ；2) 起升速度 ；3) 運(yùn)行速度 ； 對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的主要技術(shù)要求1) 起升機(jī)構(gòu)的調(diào)速比為 1:10；大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速比為 1:6；小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速比為 1:4。c 使用 F 級(jí)絕緣系統(tǒng)，在高次諧波作用下仍可保證可靠絕緣。b 可配備制動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。3)制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻 本系統(tǒng)對(duì)于重物下降時(shí)電動(dòng)機(jī)再生電能，采用由變頻器直流回路內(nèi)接入制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻消耗掉的方式?？梢酝ㄟ^ PC/PPI 電纜或兩芯屏蔽雙絞線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。 協(xié)議 USS 通信協(xié)議是西門子專門為 S7200 系列 PLC 開發(fā)的一個(gè)通信協(xié)議。STEP 7micro/win32 軟件工具包采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，它采用文件塊的形式管理用戶編寫的程序及程序運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)。 程序設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，PLC 程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號(hào)(按鈕、繼電器)的輸入，判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號(hào)去控制接觸器、繼電器等器件，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)?？梢酝ㄟ^ 485 電纜或兩芯屏蔽雙絞線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。PPI 是一個(gè)主/從協(xié)議，在這個(gè)協(xié)議中，S7200 一般作為從站，自己不能發(fā)送信息，只有當(dāng)主站，如西門子編程器、TD200 等 HMI，給從站才進(jìn)行響應(yīng)。 4)溜鉤的防止 本系統(tǒng)中，由于變頻器具有零速下的轉(zhuǎn)矩控制功能，故只需通過 PLC 和變頻器之間信號(hào)的適當(dāng)配合，即可圓滿解決溜鉤問題。無速度反饋時(shí)，速比為 1000:1，控制精度為 %；有速度反饋時(shí)，速比達(dá) 1000:1，控制精度為 %，完全滿足要求。e 能承受 160%額定轉(zhuǎn)矩、歷時(shí) 1min 的過載；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩的 倍。各機(jī)構(gòu)正、反向工作的轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)小于 2s 。2) 節(jié)能效果十分可觀 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的外接電阻內(nèi)將消耗大量電能。 上述過程如圖 55 所示：RDfXfCtONOF正轉(zhuǎn)輸出電流制動(dòng)釋放要求制動(dòng)釋放開始制動(dòng)釋放完成圖 55 重物升降的控制過程3) 變頻器的零速全轉(zhuǎn)矩功能和直流強(qiáng)勵(lì)磁功能為了有效地防止溜鉤，某些新型變頻器設(shè)置了一些獨(dú)特的制動(dòng)功能，如：a 零速全轉(zhuǎn)矩功能變頻器可以在速度為 0 的狀態(tài)下，保持電動(dòng)機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩，且不需要速度反饋裝置。橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中