【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 塊等。這些智能模塊使過程控制功能大為加強(qiáng)。 (3)PLC 編程工具與編程語(yǔ)言的多樣化、高級(jí)化、標(biāo)準(zhǔn)化 PLC 的編程語(yǔ)言目前朝著三個(gè)方向發(fā)展：一是向多種編程語(yǔ)言發(fā)展；二是向高級(jí)語(yǔ)言發(fā)展，如 BASIC、 C、 FORTRAN 語(yǔ)言等；三是朝著 PC 機(jī)編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。 (4)向網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展 加強(qiáng) PLC 的聯(lián)網(wǎng)能力成為 PLC 的主要發(fā)展趨勢(shì)。 PLC 的聯(lián)網(wǎng)包括 PLC 之間， PLC與計(jì)算機(jī)之間。 PLC 的生產(chǎn)廠家都在使自己的產(chǎn)品與制造自動(dòng)化通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)兼容，從而不同的 PLC 之間可以相互通信。 PLC 與計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助制造和輔助設(shè)計(jì)。 (5)發(fā)展 容錯(cuò)技術(shù)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(cuò)功能，如雙機(jī)熱備用、自動(dòng)切換 I/O、雙機(jī)表決 I/O、三重表決。為了及時(shí)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(cè)系統(tǒng)的故障。近年研制推出了公共回路遠(yuǎn)距離診斷和網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)。 9 第二章 變頻調(diào)速 變頻調(diào)速的原理 根據(jù)電機(jī)學(xué)和電力拖動(dòng)基礎(chǔ)中提供的結(jié)論，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式為： ? ? ? ?spfsnn ???? 1601 11 （ ） 1n —— 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速即同步轉(zhuǎn)速 1f —— 電源頻率 p —— 電機(jī)極對(duì)數(shù) s —— 轉(zhuǎn)差率 上式表明，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式實(shí)際上有兩大類：一類是在同步轉(zhuǎn)速 1n 恒定的情況下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率 s ：另一類是調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速 1n 。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率調(diào)速的實(shí)質(zhì)是將輸入功率的一部分轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)差 功率以削軸上輸出功率的大小，迫使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度下降。異步機(jī)的調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、滑差離合器調(diào)速、斬波調(diào)速等等均屬于改變轉(zhuǎn)差率方式，這類調(diào)速方式的主要缺點(diǎn)是：采用這種方式時(shí)，必有一部分輸入功率轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)差功率進(jìn)入轉(zhuǎn)子電路，這部分功率只能以銅耗的形式消耗在轉(zhuǎn)于電阻中。由于轉(zhuǎn)差功率與轉(zhuǎn)差率成正比，轉(zhuǎn)速越低，損耗越大，不僅降低了運(yùn)行效率，電動(dòng)機(jī)本身的發(fā)熱也十分嚴(yán)重。串級(jí)調(diào)速把轉(zhuǎn)差功率加以回收利用而沒有白白損耗掉，使系統(tǒng)的實(shí)際損耗減小，避免了這一點(diǎn)，但它必須以增加一套功率變換設(shè)備作為代價(jià)。一般來說，改變轉(zhuǎn)差率的調(diào) 速方式是一種耗能的辦法，從節(jié)能的觀點(diǎn)，這種調(diào)速方式是不經(jīng)濟(jì)的。但由于這種方法簡(jiǎn)單，設(shè)備價(jià)格比較便宜，它還是廣泛應(yīng)用于一些調(diào)速范圍不大，低速運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)．電機(jī)容量較小的場(chǎng)合中。 調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速的方式又有兩種，一種是改變磁極的對(duì)數(shù) p ，即變極調(diào)速，一種是改變定子供電電源頻率，即變頻調(diào)速。變極調(diào)速方式比較簡(jiǎn)單，設(shè)備投資比較少，但它必須選用特殊制造的多速電動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制，通常只能實(shí)現(xiàn) 2— 3種極對(duì)數(shù)的切換，調(diào)速是有級(jí)的，且轉(zhuǎn)速變化的級(jí)差很大，調(diào)速范圍也受到限制 。 變頻調(diào)速是一種典型的交流電動(dòng)機(jī)高速調(diào)速方法，它既適用于異步電動(dòng)機(jī)，也適用于同步電動(dòng)機(jī)。交流電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速不但能無級(jí)調(diào)速，而且能根據(jù)負(fù)載的不同，通 10 過適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓與頻率之間的關(guān)系，可使電機(jī)始終運(yùn)行在高效率區(qū)，并保證良好的動(dòng)態(tài)性能。 在各種異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，效率最高、性能最好的系統(tǒng)是變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，在改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，須同時(shí)調(diào)節(jié)定子電源的電壓和頻率，在這種情況下，機(jī)械特性基本上平行移動(dòng)，而轉(zhuǎn)差功率不變，它是當(dāng)前交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。長(zhǎng)期以來，變壓變頻調(diào)速雖然以其優(yōu)良的性能 受到矚目，但因?yàn)橹饕啃D(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組作為電源，缺乏理想的變頻裝置而未得到廣泛的應(yīng)用。直到電力電子開關(guān)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(jià)格逐漸降低，才使變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用與日俱增。 風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載耗能與轉(zhuǎn)速立方成比例，因此現(xiàn)在該類負(fù)載多數(shù)采用變頻調(diào)速的異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，取得了明顯的節(jié)能效果。 變壓變頻裝置 從結(jié)構(gòu)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(zhì)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(diào)壓、用逆變器調(diào)頻的變頻裝置，此類變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。這種控制方式中，調(diào)壓和調(diào)頻分別在兩個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行，兩者需要在控制電路上協(xié)調(diào)配合，由于輸入環(huán)節(jié)采用可控整流器，當(dāng)電壓和頻率調(diào)得很低時(shí)，電網(wǎng)側(cè)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(diào)壓、再用逆變器調(diào)頻的交－直－交變壓變頻裝置，此類裝置整流器不調(diào)壓 ，單獨(dú)設(shè)置斬波器，用脈寬調(diào)壓，調(diào)壓時(shí)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(diào)制逆變器同時(shí)調(diào)壓和調(diào)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(guān)頻率，而開關(guān)頻率受器件開關(guān)時(shí)間的限制，是當(dāng)前最有發(fā)展前途的一種裝置結(jié)構(gòu)。 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(gè)周期內(nèi)，控制各個(gè)晶閘管輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，可使輸出端得到三相交流電壓，改變晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，即可得到不同的輸 出頻率。在某一瞬間，控制一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，同時(shí)迫使另一個(gè)晶閘管關(guān)斷，在兩管之間實(shí)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(dāng) VT4 導(dǎo)通時(shí)關(guān)斷 VT1，而 VT1 導(dǎo)通時(shí)又關(guān)斷 VT4，這時(shí)每個(gè)晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通區(qū)間是 180 度，稱為 180 度導(dǎo)通型逆變器。另一種是在同一橋臂左右兩管之間進(jìn)行的，如： VT3 導(dǎo)通時(shí)，使 VT1 關(guān)斷， VT5 導(dǎo)通時(shí)使 VT3關(guān)斷。這時(shí)，每個(gè)晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通區(qū)間為 120 度，稱為 120 度導(dǎo)通型逆變器。 交－交變壓變頻裝置 整流器導(dǎo)通期間它只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，其輸出的每 一相都是一個(gè)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(fù)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(diào)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(zhì)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(gè)內(nèi)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(yīng)慢，適用于為多臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)的供電電源，但不要求快速減速的場(chǎng)合。 （ 2）電流源型變頻器 當(dāng)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(nèi)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(duì)負(fù)載變化的反應(yīng)遲緩，不適用于多電機(jī)傳動(dòng)，更適合于一臺(tái)變頻器給一臺(tái)電機(jī)供電的單電機(jī)傳動(dòng)，但可以滿足快速制動(dòng)和可逆運(yùn)行的要求。若系統(tǒng)若采用可控整流器，存在以下不足：l）調(diào)頻由逆變器完成，調(diào)壓由可控整流器實(shí)現(xiàn)，二者之間需要協(xié)調(diào)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(diào)節(jié)速度緩慢。 2）使用可控整流器，對(duì)電網(wǎng)。產(chǎn)生諧波污染，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低，電壓和頻率調(diào)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(dāng)采用 PWM 方法控制逆變器功率開關(guān)元件的通、斷時(shí)，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(diào)制周期可以改變輸出頻率。這樣，調(diào)壓和調(diào)頻在逆變器內(nèi)部完成，二者始終配合一致，而且與中間直流環(huán)節(jié)無關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動(dòng)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(cè)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(guān)斷器件，開關(guān)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(jī)的諧波損耗并且減輕了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，太大擴(kuò)展了傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍，提高了系統(tǒng)的性能。 正弦波脈寬調(diào) 制（ SPWM）變頻器 SPWM 變頻器是一個(gè)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(guān)采用全控式器件，按一定規(guī)律控制其導(dǎo)通或關(guān)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(diào)制原理 : 脈寬調(diào)制是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個(gè)所需要的電壓和電流信號(hào)，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(gè)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(gè)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(diǎn)與正弦波每一等分點(diǎn)的中點(diǎn)相重合，這樣，由 n 個(gè)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(shí)現(xiàn) SPWM 的控制，這種方法的缺點(diǎn)是所需硬件較多，而且不夠靈活，改變參數(shù)和調(diào)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(chǔ)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(jī)控制的數(shù)字化 SPWM 技術(shù)己占當(dāng)今 PWM 逆變器的主導(dǎo)地位。 13 SPWM 調(diào)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(dāng)改變參考信號(hào) RU 的幅值時(shí)，輸出脈寬隨之改變，從而可以改變輸出基波電壓的大小。當(dāng)改變參考信號(hào)的頻率時(shí)，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(diào)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(shí)，就可以改變基波電壓的頻率。這種調(diào)制方式的特點(diǎn)是半個(gè)周期內(nèi)脈沖中心線等距，脈沖等幅、調(diào)寬，各脈沖面積之和與正弦波下的面積成比例，因 此調(diào)制波形更接近于正弦波，諧波分量大大減小。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于三相逆變器，是由一個(gè)三相正弦波發(fā)生器產(chǎn)生三相參考信號(hào)，與一個(gè)公用的三角波載波信號(hào)相比較，而產(chǎn)生三相脈沖調(diào)制波。從調(diào)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(gè)周波內(nèi)同一相的兩個(gè)導(dǎo)電臂僅一個(gè)反復(fù)通斷，而另一個(gè)始終截止。而雙極性調(diào)制在輸出的半個(gè)周波內(nèi)同一相的兩個(gè)導(dǎo)電臂互補(bǔ)交替通斷。本系統(tǒng)采用雙極性控制模式，調(diào)制模式如圖 。 圖 21 雙極性 SPWM 模式調(diào)制原理 SPWM 逆變器的性能與兩個(gè)重要參數(shù)有關(guān)，它 們是調(diào)制比 m 和載波比 K，其分別為： cmRmUUm? () Ccc TTffK ??? ?? () 14 式中 RmU 、 ? ?Tf ,? —— 參考信號(hào) Ru 的幅值、頻率（角頻率周期） 式中 cmU 、 ? ?ccc Tf ,? —— 載波信號(hào) 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(shí)現(xiàn)。根據(jù)載彼比 K 的變化與否，分為同步調(diào)制和異步調(diào)制。在變頻調(diào)速時(shí)，三角載波與正弦調(diào)制波的頻率同步改變，即保持 K 值不變的為同步調(diào)制。同步調(diào)制輸出電壓半彼內(nèi)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(diào)制能保證輸出波形的正、負(fù)半波始終保持對(duì)稱，并能嚴(yán)格保證三相輸出波形間具有互差 120 度的對(duì) 稱關(guān)系。但是，當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會(huì)顯著增加，使負(fù)載電機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較強(qiáng)的噪聲。在改變 f 的同時(shí)， cf 的值保持不變，使 K 值不斷變化的為異步調(diào)制。異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是逆變器在低頻運(yùn)行時(shí) K 值加大，相應(yīng)地減少諧波含量，以減輕電動(dòng)機(jī)的諧波損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但是，異步調(diào)制可能使 K 值出現(xiàn)非整數(shù)，相位可能漂移，且正、負(fù)半波不對(duì)稱，偶次諧波就會(huì)變得突出起來。將同步調(diào)制與異步調(diào)制結(jié)合進(jìn)來，成為分段同步調(diào)制，這克服了同步調(diào) 制和異步調(diào)制的不足，在整個(gè)變頻范圍內(nèi)劃分成若干個(gè)頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)都維持載波比 K 恒定，對(duì)不同的頻段采取不同的 K 值，頻率越低， K值可取大些。但是隨著器件開關(guān)頻率的提高，使得 K 值足夠太，偶次諧波問題就不會(huì)很明顯。 15 第三章 PLC 可編程技術(shù) PLC 的產(chǎn)生與發(fā)展 1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)研制出第一臺(tái) PLC，在美國(guó)通用汽車自動(dòng)裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡(jiǎn)單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，很快地在美國(guó)其他工 業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。到1971年，己經(jīng)成功地應(yīng)用于食品，飲料，冶金，造紙等工業(yè)。雖然 PLC問世時(shí)間不長(zhǎng)，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步， PLC也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可