【正文】 每個(gè)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。 三、在自動(dòng)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(dá)到遠(yuǎn)程信息交換的目的更簡(jiǎn)便。利用 ABB 可升級(jí)的 PLC AC500 的 CS31 總線、 Profibus DP 總線、和ProfiNET 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線等通訊方式實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)電機(jī)的同步控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，可以節(jié)約調(diào)整時(shí)間，增加設(shè)備的柔性，同時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。 (3) 可實(shí)現(xiàn)軟啟、制動(dòng)功能，減小啟動(dòng)電流沖擊。 (7) 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)的過載能力大為降低。變頻調(diào)速是電機(jī)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(duì)優(yōu)勢(shì)，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價(jià)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(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化，深受工業(yè)行業(yè)的青 睞。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(dòng)化生產(chǎn)中取得了廣泛的應(yīng)用。 1. 交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性 (1) 調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高。 2. 與其它調(diào)速方法的比較 交流電動(dòng)機(jī)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。 總結(jié)：交 流變頻調(diào)速的方法是異步電機(jī)最有發(fā)展前途的調(diào)速方法。因此，利用 ABB 可升級(jí)的 PLC AC500 的 CS31 總線、 Profibus DP 總線、和 ProfiNET 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線等通訊方式實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)電機(jī)的同步控制。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。 V/F 控制主要應(yīng)用在低成本、性能要求較低的場(chǎng)合 。而相對(duì)于大多數(shù)人來說，變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)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(yùn)行的電能轉(zhuǎn)換裝置，有工業(yè)維生素之稱。 PLC 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(qiáng)等到一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 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(duì) 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 。 CS31總線便于設(shè)置和通訊簡(jiǎn)單，總線的連接只需通過三個(gè)連接端子來實(shí)現(xiàn)，省去其他總線所需的額外連接成本。直接數(shù)據(jù)鏈路映像程序（ DDLM）提供對(duì)第二層的訪問 [3～ 5]。 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。包括人機(jī)界面的選型、編程軟件的選擇和系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)等。通過改變電源的頻率來達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié) 能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。 （ 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(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。 （ 3）驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。但這里為了簡(jiǎn)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。 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(shí)功率） d)開關(guān)動(dòng)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(fù)載電流 i。 電壓型 變頻器 的主電路構(gòu)成見表 1 中項(xiàng) 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。 由于能量吸收回路的作用，負(fù)載電流反向后，功率從負(fù)載向 電源 反饋，在時(shí)刻 t2負(fù)載電壓反向。 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。 對(duì)于要求類似直流電動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)性的應(yīng)用場(chǎng)合，為了快速控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，適用電流控制。 圖 6 采用 PAM 的電壓調(diào)節(jié) a)高電壓時(shí) b)低電壓時(shí) 表 1 中項(xiàng) 5的晶閘管逆變器，其換相時(shí)間需要 100～數(shù)百 181。在 Uc與 Ur波形相交處發(fā)出調(diào)制信號(hào)，部分脈沖調(diào)制波形如圖 8所示。這種調(diào)制方式叫做同步脈沖調(diào)制方式。當(dāng)改變 Ur的幅值時(shí)，脈寬即隨之改變，從而改變輸出電壓的大小；當(dāng)改變 Ur的頻率時(shí)，輸出電壓頻率即隨之改變。 {{分頁(yè) }} 若三角波頻率一定，只改變正弦參考信號(hào)的頻率，正、負(fù)半周的脈波數(shù)和相位在不同輸出頻率下就不是完全對(duì)稱的了，這種方式叫非同步脈寬調(diào)制方式。但 SPWM 型 變頻器 帶異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)，在脈寬調(diào)制過程 中，要根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性的要求，在調(diào)節(jié)正弦參考信號(hào)頻率的同時(shí)，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)。為了獲得近似正弦波或者獲得高壓，有時(shí)采用多重化 變頻器 。這就叫作多重化。 此時(shí)，為了使轉(zhuǎn)動(dòng)能量反饋到 變頻器 側(cè)（再生），必須具有吸收與此轉(zhuǎn)動(dòng)能量相對(duì)應(yīng)的電功率的能力。同時(shí)，在重物下放肘，會(huì)有能量回饋，因此要使用制動(dòng)單元或采用共用母線方式。所謂合適是既要好用，叉要經(jīng)濟(jì)，以滿足工藝和生產(chǎn)的基本條件和要求為前提。此時(shí)，變頻器應(yīng)同時(shí)滿足以下三個(gè)條件：式中： PM、η、 cosφ、 UM、 IM 分別為電動(dòng)機(jī)輸出功率、效率 (取 )、功率因數(shù) (取 )、電壓 (V)、電流 (A)。 I1CN≥ IK/Kg 式中： IK：在額定電壓、額定頻率下電機(jī)起動(dòng)時(shí)的堵轉(zhuǎn)電流 (A)； Kg：變頻器的允許過載倍數(shù) Kg＝ ～ 在運(yùn)行中，如電機(jī)電流不規(guī)則變化，此時(shí)不易獲得運(yùn)行特性曲線，這時(shí)可使電機(jī)在輸出最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的電流限制在變頻器的額定輸出電流內(nèi)進(jìn)行選定。 3) 電機(jī)容量大，則以變頻器容量為基準(zhǔn)的電機(jī)漏抗百分比變小，變頻器輸出電流的脈動(dòng)增大，因而 過流保護(hù)容量動(dòng)作，往往不能運(yùn)轉(zhuǎn)。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。在調(diào)速的整個(gè)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%。特別是近二十多年來 ,靜態(tài)電力變頻調(diào)速器突飛猛進(jìn)的發(fā)展 ,使得三相交流電機(jī)變頻調(diào)速成為當(dāng)前電機(jī)調(diào)速的主流。因此，頻率和電壓要成比例的改變，是電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。 （ Direct Torque Control，簡(jiǎn)稱 DTC 系統(tǒng)） 直接轉(zhuǎn)矩控制（ Direct Torque Control—— DTC），這種 “ 直接自控制 ” 的思想以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行綜合控制，不僅控制轉(zhuǎn)矩，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。 二、 U/f 控制方式無法準(zhǔn)確控制交流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。此外．它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配留轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來不便。今后新器件 MCT等將會(huì)得到應(yīng)用。 （ 2） 交一直一交變頻電路 交一直一交變頻電路又分為電壓型和電流型兩種 , 這種變頻電路先把交流整流為直流 , 再把直流逆變?yōu)轭l率可變的交流。在需要能量向電網(wǎng)回饋的四象限運(yùn)行變頻器中 , 這種雙 PWM變頻電路顯示了較大的優(yōu)越性。 這些方案的關(guān)鍵在于 , 如何確定濾波器元件的參數(shù) , 以及如何盡可能減小濾波器的容量。高頻開關(guān)變頻電路的主要發(fā)展途徑是采用諧振型或軟開關(guān)變頻電路。另外 , 同一橋臂開關(guān)器件相互串聯(lián)適合于承受高電壓 , 如果再采用高電壓大容量的 GTO器件 ,即可將變流器直接接在較高電壓的交流電網(wǎng)上。 由于頻率很高的諧波可以方便地濾除 , 因而調(diào)制信號(hào)也就很容易再經(jīng)功率放大后被重新復(fù)現(xiàn)。它不僅在控制上與 SPWM得到異曲同工之妙 , 而且更為直觀 ,物理意義更為清晰 , 實(shí)現(xiàn)起來也更為方便。但這種方法也存在一些缺點(diǎn) : 開關(guān)頻率不固定造成較為嚴(yán)重的噪音 。但是 , 若采用過調(diào)制 (調(diào)制度大于 1)技術(shù) , 則獲得的波形中會(huì)含有較多的諧波。 ③ 開關(guān)器件的關(guān)斷延時(shí) 電力電子器件的存貯效應(yīng)使得逆變器的驅(qū)動(dòng)電路常常需要加上一個(gè)互鎖延時(shí)保護(hù)電路 , 以防止同一相上下兩個(gè)橋臂的管子直通。軋鋼機(jī) 現(xiàn)在的風(fēng)機(jī)、水泵大都用風(fēng)門、閥門調(diào)節(jié)風(fēng)量。 變頻調(diào)速具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)，是目前運(yùn)用最廣泛且最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。測(cè)速裝置采用編碼器克服了過去調(diào)速系統(tǒng)中采用測(cè)速發(fā)電機(jī) 輸出特性存在死區(qū)和非線性區(qū)，體積大，誤差大等缺點(diǎn)。可編程序控制器功能除邏輯運(yùn)算外，增加了數(shù)值運(yùn)算、計(jì)算機(jī)接口、模擬量控制等；軟件開發(fā)有自診斷程序，程序存儲(chǔ)開始使用 EPROM ；可靠性進(jìn)一步提高，初步形成系列， 結(jié)構(gòu)上開始有模塊式和整體式的區(qū)分，整機(jī)功能從專用向通用過渡?？删幊绦蚩刂破鏖_始向多處理器發(fā)展，使可編程序控制器的功能和處理速度大為增強(qiáng)，并具有通信和遠(yuǎn)程 I/O 能力，增加了多種特殊功能，如浮點(diǎn)運(yùn)算、三角函數(shù)、查表、列表等，自診斷和容錯(cuò)技術(shù)也迅速發(fā)展。 第三章 可編程控制器的分析和應(yīng)用 可編程序控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算機(jī)、通信、聯(lián)網(wǎng)以及自動(dòng)控制技術(shù)而開發(fā)的新一代工業(yè)控制裝置。目前變頻調(diào)速的主要方案有：交 交變頻調(diào)速，交 直 交變頻調(diào)速，同步電動(dòng)機(jī)自控式變頻調(diào)速，正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM）變頻調(diào)速，矢量控制變頻調(diào)速等。因此 , 可以說變頻調(diào)速技術(shù)就是一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。電力機(jī)車、無軌電車、工礦電機(jī)車 死區(qū)時(shí)間會(huì)使得逆變器輸出電壓在相位幅值上發(fā)生畸變 , 而且這種畸變?cè)诘退?、輕載時(shí)表現(xiàn)得愈加明顯 , 嚴(yán)重時(shí)可能影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 ② 同步調(diào)制與異步調(diào)制 異步調(diào)制得到的輸出電壓波形無周期性 , 具有連續(xù)頻譜 , 載波比 (載波頻率與調(diào)制信號(hào)頻率的比值 )較低時(shí)輸出波形將包含低次諧波 , 會(huì)引起電機(jī)低次轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 ⑥ 三角波比較電流跟蹤型 PWM控制將上一種 PWM滯環(huán)控制換成 PI控制 , 然后再用三角波調(diào)制得到相應(yīng)的器件開關(guān)狀態(tài) , 就成為三角波比較電流跟蹤型 PWM控制。 ④ 隨機(jī)載波信號(hào) PWM采用傳統(tǒng)的 PWM方法時(shí) ,諧波的頻譜較為集中 , 這對(duì)抑 制變頻器的噪音極為不利。 ② 諧波注人 PWM(HIPWM)方式在正弦波中加人一定比例的三次諧波 ,調(diào)制信號(hào)便呈現(xiàn)出鞍形 , 而且幅值明顯降低 , 于是在調(diào)制信號(hào)的幅值不超過載波幅值的情況下 , 可以使基波幅值超過三角波幅值。 變頻器中逆變器部分所采用的 PWM技術(shù)在過去的幾十年中得到了深人研究 , 獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。但是傳統(tǒng)的大型變流裝置往往由于功率因數(shù)和諧波電流的因素 , 需要裝設(shè)大功率的無功功率補(bǔ)償器或有源濾波器 , 使整個(gè)系統(tǒng)的 復(fù)雜性提高。目前 ,這類直流環(huán)節(jié)無貯能元件的立案尚處于實(shí)驗(yàn)階段 , 實(shí)驗(yàn)裝置的功率也較小 , 擴(kuò)大功率范圍并使其實(shí)用化是今后的研究課題。最近 , 基于這種結(jié)構(gòu)的兆瓦級(jí)變頻器已應(yīng)用于軋鋼廠 , 取代了傳統(tǒng)周波變流器。目前 , 市場(chǎng)上出售的中、小功率變頻器絕大多數(shù)都是電壓型變頻器 ,少數(shù)電流型變頻器主要用于功率較大的交流調(diào)速傳動(dòng)、感應(yīng)加熱用中頻電源等場(chǎng)合 , 其器件多采用 SCR 。 （ 1） 交一交變頻電路 傳統(tǒng)的交一交變頻器即周波變流器 , 通常只用于某些大容量、低頻的交流傳動(dòng)場(chǎng)合。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度 . 然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到 理想分析的結(jié)果。 三、 U/f 控制方式在轉(zhuǎn)速很低時(shí)，轉(zhuǎn)矩不足。這種方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換 ，而是直接在電機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實(shí)現(xiàn) PWM 脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能。在采用這種控制方式的變頻器 中，電動(dòng)機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)速由安裝在電動(dòng)機(jī)上的速度傳感器和變頻器控制電路得到，而變頻器的輸出頻率則由電動(dòng)機(jī)的時(shí)機(jī)轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差率的和自動(dòng)設(shè)定，從而達(dá)到在進(jìn)行調(diào)速控制的同時(shí)控制電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的目的。下圖是由交 直 交電流型負(fù)載換流變壓變頻器供電的同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 用電動(dòng)機(jī)軸上所帶的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器來控制變頻裝置的逆變器換流，從而改變同步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，因調(diào)速時(shí)定子繞組供電頻率受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制，故稱為自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)。因?yàn)橛僧惒诫姍C(jī)的電勢(shì)公式可知，外加電壓近似與頻率和磁通乘積成正比，即： U∝ E=C1fΦ （ 2） 式（ 2）中， C1 為常數(shù)，因此有： Φ ∝ E/f≈ U/f （ 3） 若外加電壓不變，則磁通 Φ 隨頻率而改變，如頻率 f下降，磁通 Φ 會(huì)增加，造成磁路過飽和，勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵心和線圈過熱，顯然這是不允許的?？梢哉J(rèn)為，變頻調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)的 一種 比較合理和理想的調(diào)速方法。另外，在低速運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)的轉(zhuǎn)矩有比額定轉(zhuǎn)矩減小的傾向，用選定的變頻器和電機(jī)不能滿足負(fù)載所要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低速區(qū)轉(zhuǎn)矩時(shí)，變頻器和電機(jī)的容量還需要再加大。需要超過此值的過載容量時(shí)，必須增大變頻器的容量。 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。 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 幾類常見設(shè)備的負(fù)載特性和負(fù)載