【正文】 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(shí)的可編程序控制器功能都很簡(jiǎn)單，只有邏輯、定時(shí)、計(jì)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(chǔ)器為磁心存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)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。此外 , 由于變頻調(diào)速系統(tǒng)有很好的控制性能 , 所以 , 對(duì)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。變頻調(diào)速的主要應(yīng)用領(lǐng)域可以列舉 如下 ： 這種方式與上一種方式均屬電流跟蹤型 PWM控制。 ③ 空間矢量調(diào)制 (SVM)SVM方法是 1988年提出來的。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。同時(shí)還需增設(shè)充放電回路 , 使設(shè)備可靠性降低 , 壽命縮短。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。 基頻向上調(diào)速時(shí)候，因?yàn)殡妷翰荒茉偕?，所以可以看成弱磁調(diào)速。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度、磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。 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。 變頻調(diào)速技術(shù) 由于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： n=no(1一 s)=60fo(1一 s)／ p。 頻繁加減速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)間 K0：安全系數(shù) (運(yùn)行頻繁時(shí)取 ，其它條件下為 ) 一臺(tái)變頻器傳動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，且多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，即成組傳動(dòng) 用一臺(tái)變頻器使多臺(tái)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)于一小部分電機(jī)開始起動(dòng)后，再追加投入其他電機(jī)起動(dòng)的場(chǎng)合，此時(shí)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(dòng)電流，因此，變頻器容量與同時(shí)起動(dòng)時(shí)相比需要大些。 2. 長(zhǎng)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(jí)電機(jī)，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在較高頻率附近。 變頻器 可以用電子回路改變相序?qū)崿F(xiàn)反轉(zhuǎn)。 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(shí)， 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。的三相調(diào)制波。 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(hào) Ur的大小時(shí)，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?。桓淖?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(shí)現(xiàn)輸出電壓頻率的調(diào)節(jié)。 (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。 異步電動(dòng)機(jī)的滯后功率因數(shù)角 與瞬時(shí)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。 時(shí)刻 t1～ t2的滯后角 相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)的滯后功率因數(shù)角， 時(shí)有功功率為正（電動(dòng)狀態(tài)）， 時(shí)為負(fù)（再生狀態(tài)）。 圖 1 變頻器 的基本構(gòu)成 表 1 將實(shí)用化的 變頻器 按主電路方式、控制方式等分類。 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(dòng)的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。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。通訊介質(zhì)為：屏蔽雙絞線。 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 。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。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(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。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。而 PLC 通過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。 (2) 調(diào)速范圍較大，精度高。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。 四、 采用每臺(tái)電動(dòng)機(jī)各由一臺(tái)變頻器來控制的方式，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。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。 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 。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。 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)。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。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。其中圖 a為單相 橋式電流型逆變器。 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。 (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。 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。 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。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，則含有不少高次諧波。在這種情況下，對(duì)于通用小容量 變頻器 要裝設(shè)電阻（見表 1），再生時(shí)用此電阻將再生功率消耗掉。 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)載轉(zhuǎn)矩特性 采用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。需要超過此值的過載容量時(shí)，必須增大變頻器的容量?？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。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)。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。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。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 。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。 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。 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 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)。電力機(jī)車、無軌電車、工礦電機(jī)車 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?？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。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)?，F(xiàn)在的風(fēng)機(jī)、水泵大都用風(fēng)門、閥門調(diào)節(jié)風(fēng)量。 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。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 。 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)。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。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。今后新器件 MCT等將會(huì)得到應(yīng)用。 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。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。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%。 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)。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)。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。這就叫作多重化。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)。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。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。 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。 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。 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。 （ 3）驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。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。 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。 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。 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。 V/F 控制主要應(yīng)用在低成本、性能要求較低的場(chǎng)合 。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。 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。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。 (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。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。 變頻調(diào)速技術(shù)已深入我們生活的每個(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。變頻器自 1964 年問世以來，經(jīng)歷 40 多年的發(fā)展，在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用，目前