【文章內容簡介】 而它卻具有高速計數(shù)、中斷、脈沖調制等功能，同時，它還可以實現(xiàn)模擬器定時器功能并且具有 SFC 指令， FX2 系列 PC 機除了具有開關量 I/O 外，還具有模擬量輸入、輸出以及多種智能模塊，并具有連網(wǎng)通信能力，擴大了小型 PC 機的應用范圍。 (2)向高速度、大容量和智能化方向發(fā)展 由于采用了微處理器或大規(guī)模 集成芯片， PLC 的速度大大提高。如三菱公司的 A3A系列高檔 PLC 就采用了 MSP 芯片，指令速度可達 。 PLC 的內存容量在不斷擴大，有些 PLC 已采用硬盤作為外部存儲器。 智能模塊與 PLC 的 CPU并行工作，提高了 PLC 的速度和效率。各種智能模塊在不斷推出，如高速計數(shù)模塊、 PID 回路控制、溫度控制模塊、遠程 I/O 模塊、通信和人機接口模塊等。這些智能模塊使過程控制功能大為加強。 (3)PLC 編程工具與編程語言的多樣化、高級化、標準化 PLC 的編程語言目前朝著三個方向發(fā)展：一是向多種編程語言發(fā)展；二是 向高級語言發(fā)展，如 BASIC、 C、 FORTRAN 語言等；三是朝著 PC 機編程語言的標準化方向發(fā)展。 (4)向網(wǎng)絡方向發(fā)展 加強 PLC 的聯(lián)網(wǎng)能力成為 PLC 的主要發(fā)展趨勢。 PLC 的聯(lián)網(wǎng)包括 PLC 之間， PLC與計算機之間。 PLC 的生產廠家都在使自己的產品與制造自動化通信協(xié)議標準兼容，從而不同的 PLC 之間可以相互通信。 PLC 與計算機之間的聯(lián)網(wǎng)能進一步實現(xiàn)計算機輔助制造和輔助設計。 (5)發(fā)展容錯技術和故障診斷 為了滿足某些系統(tǒng)極高可靠性和安全性的要求，一些 PLC 增加了容錯功能，如雙機熱備用、自動切換 I/O、雙機表決 I/O、三重表決。為了及時診斷故障，有的公司研制了智能、可編程 I/O 系統(tǒng)或故障診斷程序，供用戶了解 I/O 組態(tài)的狀態(tài)和監(jiān)測系統(tǒng)的故障。近年研制推出了公共回路遠距離診斷和網(wǎng)絡診斷技術。 9 第二章 變頻調速 變頻調速的原理 根據(jù)電機學和電力拖動基礎中提供的結論，異步電動機轉速 n 的表達式為： ? ? ? ?spfsnn ???? 1601 11 （ ） 1n —— 旋轉磁場的轉速即同步轉速 1f —— 電源頻率 p —— 電機極對數(shù) s —— 轉差率 上式表明，交流電動機的調速方式實際上有兩大類：一類是在同步轉速 1n 恒定的情況下調節(jié)轉差率 s ：另一類是調節(jié)同步轉速 1n 。調節(jié)轉差率調速的實質是將輸入功率的一部分轉化為轉差功率以削軸上輸出功率的大小，迫使電動機運行速度下降。異步機的調壓調速、轉子串電阻調速、滑差離合器調速、斬波調速 等等均屬于改變轉差率方式，這類調速方式的主要缺點是：采用這種方式時，必有一部分輸入功率轉化為轉差功率進入轉子電路，這部分功率只能以銅耗的形式消耗在轉于電阻中。由于轉差功率與轉差率成正比，轉速越低，損耗越大，不僅降低了運行效率，電動機本身的發(fā)熱也十分嚴重。串級調速把轉差功率加以回收利用而沒有白白損耗掉，使系統(tǒng)的實際損耗減小，避免了這一點，但它必須以增加一套功率變換設備作為代價。一般來說，改變轉差率的調速方式是一種耗能的辦法，從節(jié)能的觀點，這種調速方式是不經(jīng)濟的。但由于這種方法簡單，設備價格比較便宜，它還是廣泛 應用于一些調速范圍不大，低速運行時間長．電機容量較小的場合中。 調節(jié)同步轉速的方式又有兩種，一種是改變磁極的對數(shù) p ，即變極調速，一種是改變定子供電電源頻率，即變頻調速。變極調速方式比較簡單，設備投資比較少，但它必須選用特殊制造的多速電動機。由于電動機結構和制造工藝的限制，通常只能實現(xiàn) 2— 3種極對數(shù)的切換，調速是有級的，且轉速變化的級差很大，調速范圍也受到限制。 變頻調速是一種典型的交流電動機高速調速方法，它既適用于異步電動機，也適用于同步電動機。交流電動機采用變頻 調速不但能無級調速，而且能根據(jù)負載的不同，通 10 過適當調節(jié)電壓與頻率之間的關系，可使電機始終運行在高效率區(qū)，并保證良好的動態(tài)性能。 在各種異步電動機調速系統(tǒng)中，效率最高、性能最好的系統(tǒng)是變壓變頻調速系統(tǒng)。在變壓變頻調速系統(tǒng)中，在改變電動機的轉速時，須同時調節(jié)定子電源的電壓和頻率，在這種情況下，機械特性基本上平行移動，而轉差功率不變，它是當前交流調速的主要發(fā)展方向。長期以來，變壓變頻調速雖然以其優(yōu)良的性能受到矚目，但因為主要靠旋轉發(fā)電機組作為電源，缺乏理想的變頻裝置而未得到廣泛的應用。直到電力電子開關器件問世以 后，各種靜止式變壓變頻裝置得到迅速的發(fā)展，而價格逐漸降低，才使變壓變頻調速系統(tǒng)的應用與日俱增。 風機、泵類負載耗能與轉速立方成比例，因此現(xiàn)在該類負載多數(shù)采用變頻調速的異步電動機拖動，取得了明顯的節(jié)能效果。 變壓變頻裝置 從結構上看，變壓變頻裝置可分為間接變壓變頻和直接變壓變頻兩類。從變頻電源的性質上看，又可分為電壓源型變頻器和電流源型變頻器兩大類。間接變頻裝置先將電網(wǎng)的交流電源通過整流器整流成直流，然后經(jīng)過逆變器將直流變?yōu)榭煽仡l率的交流。直接變頻裝置將電網(wǎng)交流電源一次變換成可控頻率的交流。 交－直－交變頻器 （ l）用可控整流器調壓、用逆變器調頻的變頻裝置，此類變頻器結構簡單，控制方便。這種控制方式中，調壓和調頻分別在兩個環(huán)節(jié)上進行，兩者需要在控制電路上協(xié)調配合，由于輸入環(huán)節(jié)采用可控整流器，當電壓和頻率調得很低時，電網(wǎng)側功率因數(shù)較低，輸出環(huán)節(jié)多用由晶閘管組成的三相六拍逆變器，輸出諧波較大： （ 2）用不可控整流器整流、斬波器調壓、再用逆變器調頻的交－直－交變壓變頻裝置，此類裝置整流器不調壓，單獨設置斬波器，用脈寬調壓，調壓時輸入功率因數(shù)不變，但仍有諧波較大的問題 . （ 3）用不可控整流器整流、脈寬 調制逆變器同時調壓和調頻的交－直－交變頻裝置，這種控制方式中，用不可控整流，功率因數(shù)高，用 PWM 逆變，諧波可以減小，諧波減小的程度取決于開關頻率，而開關頻率受器件開關時間的限制，是當前最有發(fā)展前途的一種裝置結構。 11 交－直－交變頻裝置中的逆變器一般接成三相橋式電路，以輸出三相交流變頻電源。在一個周期內，控制各個晶閘管輪流導通和關斷，可使輸出端得到三相交流電壓，改變晶閘管導通和關斷的時間，即可得到不同的輸出頻率。在某一瞬間，控制一個晶閘管導通，同時迫使另一個晶閘管關斷，在兩管之間實現(xiàn)換相。在同一橋臂上、下兩管之間互相換相的，如圖 2－ 5 所示，當 VT4 導通時關斷 VT1，而 VT1 導通時又關斷 VT4，這時每個晶閘管在一個周期內導通區(qū)間是 180 度，稱為 180 度導通型逆變器。另一種是在同一橋臂左右兩管之間進行的，如： VT3 導通時，使 VT1 關斷， VT5 導通時使 VT3關斷。這時，每個晶閘管在一個周期內的導通區(qū)間為 120 度，稱為 120 度導通型逆變器。 交－交變壓變頻裝置 整流器導通期間它只有一個變換環(huán)節(jié)，其輸出的每一相都是一個兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。正、反兩組按一定周期相互切換，在負載上獲得交變的輸出電壓。輸 出電壓的幅值取決于兩組整流裝置的的控制角，輸出電壓的頻率取決于兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角保持不變，則輸出平均電壓為方波，要想得到正弦波輸出，就必須在每一組斷改變其控制角。交－交變壓變頻裝置的最高輸出頻率不超過電網(wǎng)頻率的1／ 3－ l／ 2，一般只用于低速、大容量的調速系統(tǒng)。 電壓源型變頻器和電流源型變頻 無論是間接變頻裝置還是直接變頻裝置，從變頻電源的性質上看，都可分為電壓源型變頻器和電流源型變頻器兩大類。 （ l）電壓源變頻器 在交－直－交變壓變頻裝置中，中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，直流電壓波形 比較平直，在理想情況下是一個內阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，電壓控制響應慢，適用于為多臺電機同步運行時的供電電源，但不要求快速減速的場合。 （ 2）電流源型變頻器 當交一直－交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，直流電流波形比較平直，電源內阻抗很大，輸出交流電流是矩形波或階梯波，由于濾波電感的作用，系統(tǒng)對負載變化的反應遲緩，不適用于多電機傳動，更適合于一臺變頻器給一臺電機供電的單電機傳動，但可以滿足快速制動和可逆運行的要求。若系統(tǒng)若采用可控整流器，存在以下不足：l）調頻由逆變器完成，調壓由可 控整流器實現(xiàn)，二者之間需要協(xié)調配合，而且由于中間 12 直流電路采用大慣性環(huán)節(jié)濾波，電壓調節(jié)速度緩慢。 2）使用可控整流器，對電網(wǎng)。產生諧波污染，網(wǎng)側功率因數(shù)降低，電壓和頻率調得低，功率因數(shù)也越低。 3）輸出波形為矩形波或階梯波，含有一系列的（ 6K 士 1）次諧彼， PWM 變頻器較好地解決上述問題。當采用 PWM 方法控制逆變器功率開關元件的通、斷時，即可獲得一組等幅而不等寬的矩形脈沖，改變矩形脈沖的寬度可改變輸出電壓幅值，改變調制周期可以改變輸出頻率。這樣，調壓和調頻在逆變器內部完成，二者始終配合一致，而且與中間直流環(huán)節(jié)無關， 因而加快了調節(jié)速度，改善了動態(tài)性能；由于輸出等幅脈沖，只需恒定直流電源供電，可用不可控整流取代可控整流，這使電網(wǎng)側的功率因數(shù)大為改善：采用 PWM 逆變器，能夠抑制或消除低次諧波，加上使用自關斷器件，開關頻率的大幅度提高，輸出被形可以非常逼近正弦波，可獲得比常規(guī)六拍階梯波更接近正弦波的輸出電壓波形，減小了電機的諧波損耗并且減輕了轉矩脈動，太大擴展了傳動系統(tǒng)的調速范圍，提高了系統(tǒng)的性能。 正弦波脈寬調制（ SPWM）變頻器 SPWM 變頻器是一個交－直－交變壓變頻裝置，整流器 UR 是不可控的，它的輸出經(jīng)電 容濾波（可附加小電感限流）后形成恒定幅值的直流電壓，加在逆變器 UI 上，逆變器的功率開關采用全控式器件，按一定規(guī)律控制其導通或關斷，使輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖電壓波形。 SPWM 調制原理 : 脈寬調制是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個所需要的電壓和電流信號，輸出的矩形波脈沖與正弦波等效。等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個正弦半波分作 n 等分，然后把每一等分的正弦波曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈仲來代替，矩形脈沖的幅值不變，備脈沖的中點與正弦波每一等分點的中點相重合，這 樣，由 n 個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效。以前多用模擬電路元件實現(xiàn) SPWM 的控制，這種方法的缺點是所需硬件較多，而且不夠靈活，改變參數(shù)和調試比較麻煩?，F(xiàn)在大多采用的是數(shù)字電路的 SPWM 逆變器，采用以軟件為基礎的控制模式。隨著高速度、高精度多功能微處理器、微控制器和 SPWM專用芯片的發(fā)展，采用微機控制的數(shù)字化 SPWM 技術己占當今 PWM 逆變器的主導地位。 13 SPWM 調制法原理是利用三角波與正弦波參考電壓相比較，以確定各分段矩形脈沖的寬度。當改變參考信號 RU 的幅值時，輸出脈寬隨之改變，從而可以改變輸出基波電壓的大小。當改變參考信號的頻率時，可以改變輸出基波電壓的頻率。如果控制 RU ，使其頻率、幅值協(xié)調變化，則可以完成變頻器的控制或者改變載頻三角波的頻率，并保持每周期輸出的脈沖數(shù)不變時，就可以改變基波電壓的頻率。這種調制方式的特點是半個周期內脈沖中心線等距，脈沖等幅、調寬，各脈沖面積之和與正弦波下的面積成比例，因此調制波形更接近于正弦波，諧波分量大大減小。在實際應用中，對于三相逆變器，是由一個三相正弦波發(fā)生器產生三 相參考信號，與一個公用的三角波載波信號相比較，而產生三相脈沖調制波。從調制脈沖的極性看， SPWM 可分為單極性和雙極性控制模式兩種，所謂單極性是指在輸出的半個周波內同一相的兩個導電臂僅一個反復通斷，而另一個始終截止。而雙極性調制在輸出的半個周波內同一相的兩個導電臂互補交替通斷。本系統(tǒng)采用雙極性控制模式，調制模式如圖 。 圖 21 雙極性 SPWM 模式調制原理 SPWM 逆變器的性能與兩個重要參數(shù)有關，它們是調制比 m和載波比 K，其分別為： cmRmUUm? () Ccc TTffK ??? ?? () 14 式中 RmU 、 ? ?Tf ,? —— 參考信號 Ru 的幅值、頻率（角頻率周期） 式中 cmU 、 ? ?ccc Tf ,? —— 載波信號 Cu 的幅值、頻率（角頻率周期） 在 SPWM 控制方式中 ， cmU 的值保持不變， m值的改變由改變 RmU 來實現(xiàn)。根據(jù)載彼比 K 的變化與否，分為同步調制和異步調制。在變頻調速時，三角載波與正弦調制波的頻率同步改變，即保持 K 值不變的為同步調制。同步調制輸出電壓半彼內的矩形脈沖數(shù)是固定不變的，如果取 K 為 3 的倍數(shù)，同步調制能保證輸出波形的正、負半波始終保持對稱，并能嚴格保證三相輸出波形間具有互差 120 度的對稱關系。但是，當輸出頻率很低時，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會顯著增加，使負載電 機產生脈動轉矩和較強的噪聲。在改變 f 的同時， cf 的值保持不變，使 K 值不斷變化的為異步調制。異步調制的優(yōu)點是逆變器在低頻運行時 K 值加大，相應地減少諧波含量，以減輕電動機的諧波損耗和轉矩脈動。但是，異步調制可能使 K 值出現(xiàn)非整數(shù)，相位可能漂移，且正、負半波不對稱，偶次諧波就會變得突出起來。將同步調制與異步調制結合進來，成為分段同步調制，這克服了同步調制和異步調制的不足，在整個變頻范圍內劃分成若干個頻段，在每個頻段內都維持載波比 K 恒定，對不同的頻段采取不同的 K 值，頻率越低， K值可取大些。但是隨著