【正文】 在中國的空調(diào)、電梯、冶金、機(jī)械、電子、石化、造紙、紡織等行業(yè)有十分廣闊的應(yīng)用空間。通過這個總線，把前后多套系統(tǒng)有機(jī)的聯(lián)系在一起。簡單介紹了課題研究的背景以及方案的選擇和相關(guān)技術(shù)的介紹。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。 （ 2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。這里假定負(fù)載電流 i 由于負(fù)載電感的 平滑作用為正弦波交流電流，如圖 b中虛線所示。在吸收此能量期間，負(fù)載兩端將產(chǎn)生 di/dt 的尖峰電壓。表 1中項(xiàng) 2及 4的晶閘管 變頻器 ，是在整流器側(cè)控制輸出電壓，在逆變器側(cè)控制頻率。 1)單極性直流參考電壓調(diào)制方法，以圖 7所示電壓型三相橋式 變頻器 的原理電路為例，大功率晶體管 變頻器 的基極驅(qū)動信號在控制電路中一般常采用載頻信號 Uc與參考信號 Ur相比較產(chǎn)生，這里 Uc采用單極性等腰三角形鋸齒波電壓，而Ur采用直流電壓。 輸出電壓的大小和頻率均由正弦參考電壓 Ur來控制。 圖 10 三相正弦波脈寬調(diào)制波形 這種正弦波脈寬調(diào)制方式，當(dāng)然也可以采用同步式和非同步式的調(diào)制方式。在輸出中被互相抵消。 B: 起重機(jī)類負(fù)載：這類負(fù)載的特點(diǎn)是啟動時沖擊很大，因此要求變頻器有一定余量。 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時所需的變頻器容量的計算 由于變頻器傳給電動機(jī)的是脈沖電流，其脈動值比工頻供電時電流要大，因此須將變頻器的容量留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊? 2) 起動時流過的起動電流與電動機(jī)施加的電壓、頻率相對應(yīng)，而與負(fù)載轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)，如果變頻器容量小，此電流超過過流容量，則往往不能起動。變頻調(diào)速是通過改變定子電源頻率來改變同步頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的。如果電壓一定而只是降低頻率，那么磁通就會過大，磁路飽和，嚴(yán)重時將燒毀電機(jī)，反之則磁通達(dá)不到額定值。這都可能引起變頻器過電流跳閘。大容量的變頻器中 , 主要采用GTO和 SCR,也有采用 IGBT的報道。盡管這樣構(gòu)成的變頻器由于多采用一組自關(guān)斷器件 , 而使成本提高 , 而且控制也復(fù)雜一些 , 但這是一種無公害、接近理想的變頻電路。當(dāng)開關(guān)頻率提高到接近兆赫 級時 , 傳統(tǒng)的硬開關(guān)方式已無法應(yīng)用。其調(diào)制準(zhǔn)則是 : 調(diào)制后的信號頻率除含有調(diào)制信號頻率、頻率很高的載波及其倍頻附近的諧波分量外 , 幾乎不含其它的諧波 , 特別是接近基波的低次諧波 。這種 PWM方法實(shí)現(xiàn)方便 , 動態(tài) 性能好。因此隨著 IGBT等高速器件的應(yīng)用 , 異步調(diào)制顯示出越來越明顯的優(yōu)點(diǎn)。在我國電能的使用中 , 僅風(fēng)機(jī) 、水泵所用的電能就達(dá)總電能的 30%以上。由于 PLC與 變頻器之間沒有采用喇行轉(zhuǎn)換，而是采用了 ABB可升級的 PLC AC500的 CS31總線、 Profibus DP總線、和 ProfiNET實(shí)時以太網(wǎng)總線等通訊方式 行數(shù)字通信，有效地提高了系 統(tǒng)的抗干擾能力。 80 年代后期到 90 年代中期，隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及應(yīng)用，超大規(guī)模集成電路、門陣列以及專用集成電路的迅 速發(fā)展，可編程序控制器的 CPU 已發(fā)展為由 16 位或 32 位微處理器構(gòu)成，處理速度得到很大提高，高速計數(shù)、中斷、 PID 、運(yùn)動控制等功能引入了可編程序控制器。這些變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴于大功率半導(dǎo)體器件的制造水平。電動汽車 同步調(diào)制波形對稱度好 , 無低次諧波分量。隨機(jī)載波 PWM正是基于此種考慮提出來的。在傳統(tǒng)的自然采樣法、規(guī)則采樣法、低次諧波消去法等方法的基礎(chǔ)上 ,人們不斷引人新概念 , 開發(fā)出新方法 , 同時新判據(jù)和新準(zhǔn)則也不斷出現(xiàn) , 因而內(nèi)容繁多 ,文獻(xiàn)數(shù)量也很多。 此外 , 目前在小功率家電設(shè)備中 , 尤其是具有雙向節(jié)能潛力的暖風(fēng)、空調(diào)等系統(tǒng)中 ,變頻調(diào)速也逐漸引起重視。 理想的變頻電路應(yīng)具有輸出電壓、輸出電流為正弦 ,功率因數(shù)為 1, 能量損耗小 ,可實(shí)現(xiàn)再生制動等特點(diǎn)。 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 , 主要體現(xiàn)在如下幾個方面 ? 主電路的拓?fù)?、主電路中采用的電力、電子器件控制方法等? 三、對比 ① V/f 恒定、速度開環(huán)控制的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)和滑差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本上解決了異步電機(jī)平滑調(diào)速的問題。 異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)： 對于鼠籠式異步電動機(jī)的變壓變頻調(diào)速，必須同時改變供電電源的電壓和頻率。 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。這種情況下，一般按下式計算變頻器的容量： 式中： GD2：換算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量值 (N在異步電動機(jī)確定后，通常應(yīng)根據(jù)異步電動機(jī)的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流值 (最大值 )來選擇變頻器。對于大容量 變頻器 ，則采用可逆整流器將再生功率反饋給 電源 。并在圖中給出了 3次諧波。與此相對應(yīng)，若在調(diào)制過程中，載頻信號和參考信號的極性交替地不斷改變則稱為雙極性調(diào)制。產(chǎn)生的調(diào)制波是一系列等幅、等距而不等寬的脈沖列，如圖 9 所示。另外，在 變頻器 輸出頻率不變的情況下，為了補(bǔ)償電網(wǎng)電壓和負(fù)載變化所引起的輸出電壓波動，也應(yīng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)其輸出電壓。對于需要快速響應(yīng)的用途則必須控制輸出電流，可采用電流控制方式。如果使開關(guān) S1～ S4像圖 d那樣導(dǎo)通、關(guān)斷，則負(fù)載電流 i就變?yōu)榫匦尾ń涣麟?，大小等于直?電源 電流 Id，如圖 b 中實(shí)線所示。 下面用機(jī)械開關(guān)來說明其基本動作。 （ 3）逆變器：同整流 器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使 6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到 3 相交流輸出。闡述說明了本文研究的內(nèi)容、方法和要實(shí)現(xiàn)的目的。 ProfiNET實(shí)時以太網(wǎng)總線 最近幾年，工業(yè)以太網(wǎng)正在滲透到工業(yè)控制中來，其發(fā)展趨勢表明，工業(yè)以太網(wǎng)將占據(jù)自動控制系統(tǒng) 中層、上層的通信網(wǎng)絡(luò)。 另一類是比較常見的斷路故障，有可能有以下原因造成的：電纜被破壞造成斷路 、 轉(zhuǎn)轍機(jī)接插件接觸不良 、 轉(zhuǎn)轍機(jī)自動開閉器接點(diǎn)接觸不良 、 移位接觸器接觸不良 、 配線斷或各種端子接觸不良 。中間直流回路并接濾波電容器作儲能元件的稱為電壓型變頻器。采用這種方法，由于使用多臺變頻器，相較于第一種方案投資較大，但是適用于大規(guī)模生產(chǎn)線中電機(jī)數(shù)目較多，電機(jī)分布距離較遠(yuǎn)的情況，而且，用 PLC和變頻器搭建的程控系統(tǒng)，不但可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動化管理和監(jiān)控，提高 了系統(tǒng)的可靠性和安全性，而且提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和工作效率。 選用正確的控制方式對系統(tǒng)的穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)非常重要。 (3) 起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯。電機(jī)同步運(yùn)行的穩(wěn) 定性和可靠性對工業(yè)生產(chǎn)有重要的影響，特別是對造紙行業(yè)的安全運(yùn)行有著關(guān)鍵作用。 采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。 二、利用變頻器來拖動多臺電機(jī)實(shí)現(xiàn)。隨著半導(dǎo)體技 術(shù)的飛速發(fā)展，MCU 的處理能力愈加強(qiáng)大，處理速度不斷提升，變頻調(diào)速系統(tǒng)完全有能力處理復(fù)雜的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的觀測、控制算法，傳動性能也因此達(dá)到前所未有的高度。 PLC 控制技術(shù)之所以能夠發(fā)展如此迅速，除了工業(yè)自動化的客觀需要外，主要是因?yàn)槠渚哂性S多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn) 。通訊距離不加中繼為 500米，加中繼最大可達(dá)到 20xx米，總線帶有自診斷功能。 第五章是系統(tǒng)通信的設(shè)計與調(diào)試。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。為了電動機(jī)的調(diào)速傳動所給出的操作量有電壓、電流、頻率。瞬時功率 P的平均值 Pa為向負(fù)載提供的有功功率。此瞬時功率 P的平均值為有功功率 Pa，如圖 c中虛線所示。作為這種輸出的控制手段有 PAM 和 PWM 兩種方式。 圖 7 電壓型三相橋式 變頻器 原理電路 圖 8 單極性直流參考信號的部分調(diào)制脈沖波形 輸出的相電壓波形每半個周期出現(xiàn) 6個等寬等距脈沖，中間兩個脈幅高(2E/3)兩邊 4個脈幅低 (E/3)，正負(fù)半周對稱，這個脈沖波形可以分解為基波電壓 U1和一系列諧波電壓，基波電壓就是要求輸出的交流電壓，而諧波電壓分量愈小愈好。對于三相 變頻器 ，必須產(chǎn)生相位差為 120186。當(dāng) Ur從零上升時， A1的輸出電壓 U1迅速升到正飽和值 Us， +Us電壓經(jīng)運(yùn)算放大器 A2作反向積分，其輸出電壓 UF負(fù)向線性增長， UF和 +U1經(jīng) R R3綜合加到運(yùn)算放大器 A3的反相輸入端， R3R2， A3輸出正向上升電壓 UK， UK與 Ur在運(yùn)算放大器 A1中相比較，當(dāng) UK SPANr時， A1輸出保持 +Us，一旦 UK上升到 UKUr時， A1迅速翻轉(zhuǎn)輸出負(fù)飽和電壓 Us。 圖 13 變頻器 的多重化構(gòu)成原理圖 a)電壓型 b)電流型 五、 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn) 三相 電源 中任意兩相交換輸入，就會發(fā)生反轉(zhuǎn)。配合制動單元消除回饋電能。由于電流的脈動原因，此時應(yīng)將變頻器的最大輸出電流降低 10％后再進(jìn)行選定。有些制造廠 (如 ABB 公司 )還備有確定裝置定額軟件，只要用戶提出明確的負(fù)載圖就可 以確定裝置的輸出定額。此外，在許多場合，為了保持在調(diào)速時，電機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩不變，需要維持磁通不變，這可由頻率和電壓協(xié)調(diào)控制來實(shí)現(xiàn)，故稱為可變頻率可變電壓調(diào)速 (VVVF)，簡稱變頻調(diào)速。矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流 iA、 iB、 iC 通過三相 二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流 iα iβ 1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流 iM iT1（ iM1相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流； iT1 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然 后模仿直流電動機(jī)的控制方法，球的直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。從公式U=E=*f*N*Φ 看出，磁通正比與 E/f(近似正比與 U/f)，所以保持 E/f（ U/f）的比值不變，就可以保證磁通不變。近年來 , 提出了一種基于矩陣變換思想的交一交變頻器 , 也稱為矩陣式變流器 , 引起了人們越來越多 的關(guān)注。一般電解電容器的壽命較普通電容器的短 , 而且所占的體積也較大。在此開關(guān)頻率下 , 為改善 PWM波形、減小諧波分量 , 可以通過增加直流側(cè)電平等級的方法來實(shí)現(xiàn)。采用這種調(diào)制方法 , 直流電壓利用率可得到較大的提高。但是這種方式電流控制仍有靜差 , 電流響應(yīng)也不如上一種快。 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛 , 凡是需要電動機(jī) , 需要調(diào)速傳動的場合 , 都是變頻調(diào)速技術(shù)的用武之地。同時 , 由于可以節(jié)省大量的電能 , 因此 ,變頻調(diào)速技術(shù)也是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì) 效益十分顯著的技術(shù)雖然技術(shù)改造需要投人一定的資金 ,但大約一年左右即可收回成本。隨著全球一體化經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，努力發(fā)展可編程序控制器在我國的大規(guī)模應(yīng)用，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的可編程序控制器技術(shù)，應(yīng)該是廣大技術(shù)人員努力的方向。一臺可編程序控制器最多只能替代 200~300 個繼電器組成的控制系統(tǒng)，在體積方面，與現(xiàn)在的可編程序控制器相比，可以說是龐然大物。采用先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)是發(fā)展的一個趨勢。風(fēng)機(jī) ⑦ 磁場定向電流控制 PWM方式這是一種在高性能交流傳動中常用的方法 ,它通過對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)得到定子電流或電壓指令 , 然后再用前面任何一種前饋 PWM方式實(shí)現(xiàn)對變頻器的控制。與以上方法不同的是 ,SVM跳出用正弦波作為調(diào)制信號的常規(guī)思路 , 從電機(jī)的角度出發(fā) , 以直接控制電機(jī)磁鏈的圓形磁通軌跡為目的。 這種三電平逆變器每相電壓可以是三種電平 , 相應(yīng)的三相合成電壓可以在復(fù)平面上占據(jù) 19個不同的位置。近年來人們紛紛尋找去掉該電容或 大幅度減小該電容器容量的方法 , 已提出了多種 方案。而其根本的改進(jìn)則在于克服了周波變流器輸出頻率低的固有弊病。 ②矢量控制的基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。前者適用于高速小容量電機(jī)，后者適用于低速大容 量拖動系統(tǒng)。其中 fo為定子電壓頻率， P為電動機(jī)極對數(shù)， s為轉(zhuǎn)差率， no為異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。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(yùn)行。 3. 變頻器安裝地點(diǎn)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