【正文】 轉(zhuǎn)矩特性 采用變頻器驅(qū)動異步電動機(jī)調(diào)速。 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，因此啟動時可能會振蕩，電動機(jī)減速時有能量回饋。在這種情況下，對于通用小容量 變頻器 要裝設(shè)電阻（見表 1），再生時用此電阻將再生功率消耗掉。 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。將單相 變頻器 的電壓波形（或電流波形）按傅立葉級數(shù)展開，則含有不少高次諧波。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。 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。輸出電壓的大小和頻率就將失去所要求的配合關(guān)系。 2)單極性正弦波脈寬調(diào)制方式及參考信號 Ur為正弦波的脈寬調(diào)制，一般叫做正弦波脈寬調(diào)制，簡稱 SPWM。在一個周期內(nèi)有 12 個三角形，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）。 (二 )PWM(Pulse Width Modulation) 在異步電動機(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。該表中項 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。 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。 考慮負(fù)載電壓 u 和開關(guān)的動作狀態(tài)，直流電壓波形 Ed為圖 c的波形。其中圖 a為單相 橋式電流型逆變器。 考慮負(fù)載電流 i 和開關(guān)的動作狀態(tài)，直流電流 Id的波形如圖 c 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。 （ 4）速度檢測電路 :以裝在異步電動機(jī)軸機(jī)上的速度檢測器 (tg、 plg 等 )的信號為速度信號，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。裝置容量小時，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單的平波回路。變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到速調(diào)的目的。 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，簡單介紹了變頻調(diào)速技術(shù)和 PLC技術(shù)， ABB可升級的 PLC AC500的 通訊方式 背景知識。 第四章是系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容。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)場級分散的 I/O設(shè)備之間的通信。 CS31總線是一種點(diǎn)對多點(diǎn)的 RS485串行通訊。 應(yīng)用靈活 、 編程方便 、 操作簡單 模塊化的設(shè)計方式，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，這一故障通過在分線盤測得的數(shù)據(jù)可直接判斷，處理方法是到現(xiàn)場進(jìn)行 確認(rèn)測量 。 PLC— 即可編程控制器 (Programmable logicController), 是在繼電器控制和計算機(jī)控制的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的 ,并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心 ,把自動化技術(shù) 、 計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置 。在中間直流電路中串接平波電抗器作儲能元件的稱為電流型變頻器。近年來隨著半導(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)動及專用驅(qū)動場合，乃至變頻空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等家用電器。 四、 采用每臺電動機(jī)各由一臺變頻器來控制的方式，那么這就要用到多臺交流變頻調(diào)速器，再利用 PLC來控制多臺變頻調(diào)速器，從而達(dá)到多電機(jī)控制的目的。 一、基于工業(yè)以太網(wǎng)和 PROFIBUSDP 的 PLC控制的調(diào)速系統(tǒng)。目前，國外先進(jìn)國家的變頻技術(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，我國也在加快發(fā)展步伐。 3. 合理應(yīng)用 交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國已得到廣泛應(yīng)用。 (2) 調(diào)速范圍較大，精度高。作為配套的電氣控制環(huán)節(jié)則對產(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。而 PLC 通過多種通訊方式完成各個變頻器的控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的控制精度，實現(xiàn)了多臺電機(jī)的同步調(diào)速。 (5) 易于實現(xiàn)過程自動化。它主要基于下面幾個因素： (1) 變頻調(diào)速系統(tǒng)自身損耗小，工作效率高。因此，需要選擇更好地控制方式來實現(xiàn)對多電機(jī) 的同步控制。現(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帶動多臺電動機(jī)運(yùn)行從而實現(xiàn)多電機(jī)的控制。 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)磁極對數(shù)）；通過改變電動機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。而現(xiàn)在變頻驅(qū)動主要使用 PWM 合成驅(qū)動方式，這要求其控制器有很強(qiáng)的 PWM 生成能力。打個比方，變頻器就好比一個人的心臟，人 在運(yùn)動時，心臟將劇烈跳動，心率加快，供應(yīng)大量的血液給身體各器官；人在休息的時候，心臟將變緩，從而節(jié)約能耗。 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)等諸多問題 。 本系統(tǒng)主要用的是 ABB可升級的 AC500系列 PLC, ABB可升級的 PLC AC500的 通訊方式主要分為以下三種： CS31總線、 Profibus DP總線、和 ProfiNET實時以太網(wǎng)總線等。通訊介質(zhì)為：屏蔽雙絞線。 1． 4論文的研究內(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)計方案，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動化管理和監(jiān)控，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，全文共分為六章。重點(diǎn)介紹了變頻器與 PLC， PLC與上位機(jī)通訊的設(shè)計內(nèi)容 與調(diào)試。 另外，變頻器在節(jié)約電能的同時可以減少排放、降低能耗，理解并掌握變頻器的控制具有十分重要的現(xiàn)實意義，而且現(xiàn)在越來越多的工業(yè)控制場合選用PLC和變頻器用于電機(jī)的調(diào)速控制。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 控制電路是給異步電動機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機(jī)的“速度檢測電路”，將運(yùn)算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機(jī)的“保護(hù)電路”組成。 圖 1 變頻器 的基本構(gòu)成 表 1 將實用化的 變頻器 按主電路方式、控制方式等分類。 圖 2 考慮了諧波的異步電動機(jī)等效電路 (一 )電壓型 電壓型逆變器的原理圖及其動作如圖 3 所示。 時刻 t1～ t2的滯后角 相當(dāng)于異步電動機(jī)的滯后功率因數(shù)角， 時有功功率為正（電動狀態(tài)）， 時為負(fù)（再生狀態(tài)）。 圖 5 電流型逆變器原理圖 a)電路構(gòu)成 b)輸出電壓電流波形 c)直流電壓波形（瞬時功率） d)S S2動作、 S S4動作 現(xiàn)在，使開關(guān) S1， S2導(dǎo)通，負(fù)載電流 i 從電流源經(jīng)圖示的路線①流出。 異步電動機(jī)的滯后功率因數(shù)角 與瞬時功率 P 和有功功率 Pa的關(guān)系，同圖 4中的電壓型逆變器波形一樣。表 1 中項 1IGBT 變頻器 和GTO 晶閘管 變頻器 ，是在逆變器側(cè)控制輸出的電壓和頻率。 (一 )PAM(Pulse Amplitude Modulation) PAM 是一種改變電壓源的電壓 Ed（見圖 3）或電流源的電流 Id（見圖 5）的幅值，進(jìn)行輸出控制的方式。 PWM 型 變頻器 靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變調(diào)制周期來控制其輸出頻率，所以脈沖調(diào)制方法對 PWM 型 變頻器 的性能具有根本性的影響。 從波形圖可以看出：當(dāng)三角波幅值一定，改變參考直流信號 Ur的大小時，輸出脈沖的寬度即將隨之改變，從而改變輸出基波電壓的大??；改變 載頻三角波的頻率并保持每周的輸出脈沖數(shù)不變，就可以實現(xiàn)輸出電壓頻率的調(diào)節(jié)。經(jīng)倒相后正半周輸出正脈沖列，負(fù)半周輸出負(fù)脈沖列。的三相調(diào)制波。與上述單極性 SPWM 的情況相同，輸出電壓的大小和頻率也是由改變正弦參考信號 Ur的幅值大小和頻率調(diào)制的。 Us電壓再經(jīng)運(yùn)算放大器 A2反向積分，使其輸出 UF負(fù)值線性減小，從而使 A3的輸出電壓 UK也隨之減小，當(dāng) UK SPANr時， U1又轉(zhuǎn)換為 +Us， UF負(fù)值又增大， UK再次上升，如此循環(huán)不已，便得到圖 11 所示的 “Δ” 脈寬調(diào)制波形。的兩臺單相 變頻器 的 輸出 U U2圖 12a 與圖 b 合成，則合成輸出的導(dǎo)通寬度為 120186。 變頻器 可以用電子回路改變相序?qū)崿F(xiàn)反轉(zhuǎn)。 負(fù)載的分類 1. 變頻器不是在任何情況下都能正常使用，因此用戶有必要對負(fù)載、環(huán)境要求和變頻器有更多了解電動機(jī)所帶動的負(fù)載不一樣，對變頻器的要求也不一樣。 2. 長期低速運(yùn)轉(zhuǎn)，由于電機(jī)發(fā)熱量較高，風(fēng)扇冷卻能力降低，因此必須采用加大減速比的方式或改用 6級電機(jī)，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在較高頻率附近。選擇變頻器容量時，變頻器的額定電流是一個關(guān)鍵量，變頻器的容量應(yīng)按運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇。 頻繁加減速運(yùn)轉(zhuǎn)時變頻器容量的選定 根據(jù)加速、恒速、減速等各種運(yùn)行狀態(tài)下的電流值，按下式確定： I1CN＝ [(I1t1+I2t2+? +I5t5)/(t1+t2+? t5)]K0 式中： I1CN：變頻器額定輸出電流 (A) I I? I5：各運(yùn)行狀態(tài)平均電流 (A) t t? t5：各運(yùn)行狀態(tài)下的時間 K0：安全系數(shù) (運(yùn)行頻繁時取 ，其它條件下為 ) 一臺變頻器傳動多臺電動機(jī)，且多臺電動機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，即成組傳動 用一臺變頻器使多臺電機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時，對于一小部分電機(jī)開始起動后，再追加投入其他電機(jī)起動的場合，此時變頻器的電壓、頻率已經(jīng)上升，追加投入的電機(jī)將產(chǎn)生大的起動電流，因此，變頻器容量與同時起動時相比需要大些。 m) η， cosφ， nM 分別為電機(jī)的效率 (取 )，功率因數(shù) (取 )，額定轉(zhuǎn)速 (r/min)。 變頻調(diào)速技術(shù) 由于異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： n=no(1一 s)=60fo(1一 s)／ p。 三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 : n = n1 (1s)=60f(1s)/p (1) 式中 : n — 電機(jī)的轉(zhuǎn)速， r/min n1 — 同步轉(zhuǎn)速， r/min p — 磁極對數(shù) s — 轉(zhuǎn)差率， % f — 頻率， Hz 由轉(zhuǎn)速公式（ 1）可知 , 我們可以通過改變極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率和頻率的方法實現(xiàn)對異步電機(jī)的調(diào)速。 從結(jié)構(gòu)上看，靜止變頻調(diào)速裝置可分為交 直 交變頻、交 交變頻兩種方式。 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流 過電流之間相互作用而產(chǎn)生的，根據(jù)電機(jī)的磁通： 216。其實質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度、磁場兩個分量進(jìn)行獨(dú)立控制。 U/f控制方式有三點(diǎn)不足之處： 一、這種控制方式很難根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)矩。 基頻向上調(diào)速時候，因為電壓不能再升了，所以可以看成弱磁調(diào)速。直到目前為止 , 其主電路拓?fù)?、采用的器件?PWM控制方式等 , 均已取得了長足的進(jìn)步。與其他方案相比它有許多本質(zhì)的優(yōu)越性，例如：省去中間環(huán)節(jié)， 直接變壓變頻 , 裝置體積減小 , 重量減輕 : 由于只有一次功率變換 , 因而控制效率高等。因此 , 這類變頻電路有采用雙 PWM變流電路的趨勢。同時還需增設(shè)充放電回路 , 使設(shè)備可靠性降低 , 壽命縮短。提高電力電子器件的開關(guān)頻率 , 有利于改善波形 , 減小濾波電抗、電容及變壓器的體積 , 節(jié)省原材料。以此思想為基礎(chǔ) , 提出了三電平中點(diǎn)籍位式 (NPC)變流電路。 (1)PWM控制方法 ① 正弦波與三角波比較 PWM方法它是一種傳統(tǒng)的 PWM方法 , 以其簡單性而 頗為流行。 ③ 空間矢量調(diào)制 (SVM)SVM方法是 1988年提出來的。其通常的做法是按 1:3的比例周期性地改變載波頻率 , 但是如此大的頻率變化必定大大增加開關(guān)頻率 , 故這種方法似乎僅限于在很小的功率范圍內(nèi)應(yīng)用 , 如開關(guān)電源等 ,而不適用于大功率的 PWM逆變器。這種方式與上一種方式均屬電流跟蹤型 PWM控制。為得到寬調(diào)速范圍 , 需進(jìn)行分段同步調(diào)制 , 這又勢必導(dǎo)致跳躍點(diǎn)處頻譜突變 , 引起較大的動態(tài)電流尖峰 , 并伴隨嚴(yán)重的噪音。變頻調(diào)速的主要應(yīng)用領(lǐng)域可以列舉 如下 ： 紡織、造紙、印刷、化工、機(jī)械的中小電機(jī)調(diào)速 。此外 , 由于變頻調(diào)速系統(tǒng)有很好的控制性能 , 所以 , 對提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善工作和生活環(huán)境也都有很大的意義。 本系統(tǒng)采用 PLC和變頻器調(diào)節(jié)交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法。 1. 可編程序控制器的發(fā)展歷程 可編程序控制器問世于 20 世紀(jì) 60 年代，當(dāng)時的可編程序控制器功能都很簡單，只有邏輯、定時、計數(shù)等功能；硬件方面用于可編程序控制器的集成電路還沒有投入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)， CPU 以分立元件組成；存儲器為磁心存儲器，存儲容量有限；用戶指令一般只有二三十條，還沒有成型的編程語言；機(jī)型單一，沒有形成系列