【導(dǎo)讀】型自動(dòng)化生產(chǎn)中取得了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際的工業(yè)控制領(lǐng)域中，一條生產(chǎn)流水線。和產(chǎn)品質(zhì)量，如何實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步控制已成為研究熱點(diǎn)。作為配套的電氣控制。而在這些控制系統(tǒng)中核心問題便是各動(dòng)力驅(qū)動(dòng)軸的同步運(yùn)行，及各電機(jī)的。電機(jī)同步運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有重要的影響，特別是對(duì)。造紙行業(yè)的安全運(yùn)行有著關(guān)鍵作用。而PLC通過多種通訊方式完成各個(gè)變頻器的。低速時(shí)，特性靜關(guān)率較高，相對(duì)穩(wěn)定性好。調(diào)速范圍較大，精度高。起動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯。必須有專用的變頻電源，目前造價(jià)較高。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。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。中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢(shì)。采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。電機(jī)總是保持在低轉(zhuǎn)差率運(yùn)行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。車、起重設(shè)備及其它領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。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

　　

【正文】 足夠高時(shí)大幅度減小電容量的方法 , 引人有源濾波器或無源濾波器的方法等。 這些方案的關(guān)鍵在于 , 如何確定濾波器元件的參數(shù) , 以及如何盡可能減小濾波器的容量。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究均表明 ,PWM整流電路的應(yīng)用有助于減小濾波器容量 , 與不采用 PWM整流相比 , 濾波器容量可縮小至不到原來的 40%, 變頻器的穩(wěn)定性與傳統(tǒng)的電壓型變頻器相同。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。 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。 電力電子技術(shù)中的高頻化趨勢(shì) , 在變頻調(diào)速技術(shù)中也得到了充分的體現(xiàn)。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。但是 , 高頻化也導(dǎo)致兩點(diǎn) 不利的后果：一是器件的開關(guān) 損耗增加 , 使變流器效率降低 : 二是電磁干擾問題突出。當(dāng)開關(guān)頻率提高到接近兆赫 級(jí)時(shí) , 傳統(tǒng)的硬開關(guān)方式已無法應(yīng)用。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。 PWM控制的變頻器在兆瓦級(jí)大功率范圍的應(yīng)用可以大幅度節(jié)能 ,具有重大意義。但是傳統(tǒng)的大型變流裝置往往由于功率因數(shù)和諧波電流的因素 , 需要裝設(shè)大功率的無功功率補(bǔ)償器或有源濾波器 , 使整個(gè)系統(tǒng)的 復(fù)雜性提高。另外 , 出于開關(guān)損耗的考慮 , 大功率變頻器中器件的開關(guān)頻率極為有限 , 往往不超過幾百赫茲。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(jí)的方法來實(shí)現(xiàn)。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。 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(gè)不同的位置。電機(jī)磁鏈圓形軌跡可以用更多數(shù)量的電壓矢量更準(zhǔn)確地逼近 , 這樣得到的電流諧波分量無疑會(huì)減少 , 尤其是在調(diào)制度 (調(diào)制信號(hào)的幅值與載波的幅值之比 )較大的時(shí)候。另外 , 同一橋臂開關(guān)器件相互串聯(lián)適合于承受高電壓 , 如果再采用高電壓大容量的 GTO器件 ,即可將變流器直接接在較高電壓的交流電網(wǎng)上。這種裝置在目前的電力機(jī)車 (其整流部分為單項(xiàng)橋式整流 )、軋機(jī)主傳動(dòng)上具有良好的應(yīng)用前景 ,可以取代功率因數(shù)低、諧波污 染嚴(yán)重的周波變頻器。 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 , 獲得了長足的進(jìn)展。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(shí)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。在此僅就與交流傳動(dòng)有關(guān)的 PWM技術(shù)及值得注意的若干問題作一綜述。 (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。它實(shí)際上就是用一組經(jīng)過調(diào)制的幅值相等、寬度不等的脈沖信號(hào)代替調(diào)制信號(hào) , 用開關(guān)量取代模擬量以實(shí)現(xiàn)功率的高效變換與控制方法。其調(diào)制準(zhǔn)則是 : 調(diào)制后的信號(hào)頻率除含有調(diào)制信號(hào)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 。 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)。在正弦波與三角波比較產(chǎn)生 SPWM信號(hào)的調(diào)制方法中 , 一旦正弦波幅值超過了三角波的幅值 ,低次諧波就開始增加 , 因此這種 SPWM方式一般允許工作的最大調(diào)制度 為 1, 此時(shí)直流電壓利用率 (輸出線電壓與直流電壓的比值 ) 較低 , 為 。 ② 諧波注人 PWM(HIPWM)方式在正弦波中加人一定比例的三次諧波 ,調(diào)制信號(hào)便呈現(xiàn)出鞍形 , 而且幅值明顯降低 , 于是在調(diào)制信號(hào)的幅值不超過載波幅值的情況下 , 可以使基波幅值超過三角波幅值。在三相無中線系統(tǒng)中 , 由于三次諧波電流無通路 , 三個(gè)線電壓和線電流中均不含三次諧波。采用這種調(diào)制方法 , 直流電壓利用率可得到較大的提高。 ③ 空間矢量調(diào)制 (SVM)SVM方法是 1988年提出來的。與以上方法不同的是 ,SVM跳出用正弦波作為調(diào)制信號(hào)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。該方法也稱為磁通軌跡法。它不僅在控制上與 SPWM得到異曲同工之妙 , 而且更為直觀 ,物理意義更為清晰 , 實(shí)現(xiàn)起來也更為方便。更重要的是 , 采用 SVM方法可減小電機(jī)的諧波損耗 , 且其直流電壓利用率也可得到提高。 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。隨機(jī)載波 PWM正是基于此種考慮提出來的。該方法通過周期性地改變載波頻率 , 使得諧波頻譜中幅度較大的諧波分量得以分散 , 頻譜變疏 , 從而使諧波沿頻譜的頻率軸分布更為連續(xù) , 便于減小噪音。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。 ⑤ 滯環(huán)比較電流跟蹤型 PWM控制這是一種帶反饋的 PWM控制方式 , 即每相 電流反饋回來與電流給定值經(jīng)滯環(huán)比較器比較 , 得出相應(yīng)橋臂功率器件的開關(guān)狀態(tài) , 使得實(shí)際電流跟蹤給定電流的變化。這種 PWM方法實(shí)現(xiàn)方便 , 動(dòng)態(tài) 性能好。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 。 控制上缺乏整體性 , 每相之間失去應(yīng)有的聯(lián)系等。 ⑥ 三角波比較電流跟蹤型 PWM控制將上一種 PWM滯環(huán)控制換成 PI控制 , 然后再用三角波調(diào)制得到相應(yīng)的器件開關(guān)狀態(tài) , 就成為三角波比較電流跟蹤型 PWM控制。此時(shí)開關(guān)頻率一定 , 且因電機(jī)反電勢(shì)只相當(dāng)于閉環(huán)中的一個(gè)擾動(dòng) , 能夠被 PI調(diào)節(jié)器中的積分部分克服 , 因而這種方式能夠克服上一種方式中開關(guān)頻率不固定、電流誤差可能失控的缺點(diǎn)。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。這種方式與上一種方式均屬電流跟蹤型 PWM控制。 ⑦ 磁場(chǎng)定向電流控制 PWM方式這是一種在高性能交流傳動(dòng)中常用的方法 ,它通過對(duì)勵(lì)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(duì)變頻器的控制。 (2)PWM技術(shù)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題 ① 提高直流電壓利用率的新技術(shù) 為提高直流電壓的利用率 , 采用了一些提高直流電壓利用率的新技術(shù)。但是 , 若采用過調(diào)制 (調(diào)制度大于 1)技術(shù) , 則獲得的波形中會(huì)含有較多的諧波。新的技術(shù)可以大大減小這種波形畸變。 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)。同步調(diào)制波形對(duì)稱度好 , 無低次諧波分量。但單一載波比的同步調(diào)制只能適應(yīng)很窄的調(diào)速范圍。為得到寬調(diào)速范圍 , 需進(jìn)行分段同步調(diào)制 , 這又勢(shì)必導(dǎo)致跳躍點(diǎn)處頻譜突變 , 引起較大的動(dòng)態(tài)電流尖峰 , 并伴隨嚴(yán)重的噪音。事實(shí)上 , 當(dāng)載波足夠大時(shí) ,異步調(diào)制的缺點(diǎn)已經(jīng)很不明顯 , 甚至可以忽略。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)。 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。在設(shè)置的延時(shí)時(shí)間 (亦稱死區(qū)時(shí)間 )內(nèi) , 輸人電平完全取決于負(fù)載特性 ,即取決于負(fù)載電流的方向。死區(qū)時(shí)間會(huì)使得逆變器輸出電壓在相位幅值上發(fā)生畸變 , 而且這種畸變?cè)诘退?、輕載時(shí)表現(xiàn)得愈加明顯 , 嚴(yán)重時(shí)可能影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為此 , 在高性能的交流傳動(dòng)系統(tǒng)中 , 需要對(duì)死區(qū)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償 , 且已提出了一些補(bǔ)償方案。 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛 , 凡是需要電動(dòng)機(jī) , 需要調(diào)速傳動(dòng)的場(chǎng)合 , 都是變頻調(diào)速技術(shù)的用武之地。變頻調(diào)速的主要應(yīng)用領(lǐng)域可以列舉 如下 ： 風(fēng)機(jī) 水泵 軋鋼機(jī) 提升機(jī)、電梯 電力機(jī)車、無軌電車、工礦電機(jī)車 電動(dòng)汽車 變頻空調(diào) 紡織、造紙、印刷、化工、機(jī)械的中小電機(jī)調(diào)速 。 變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)具 有重 節(jié)能效益的技術(shù)。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?，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。如采用變頻調(diào)速技術(shù) , 則可能節(jié)能 30% , 有的場(chǎng)合甚至可節(jié)能 50%以上 , 這是十分可觀的。因此 , 可以說變頻調(diào)速技術(shù)就是一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。采用這項(xiàng)技術(shù)對(duì)我國能源資源的合理利用 , 對(duì)于環(huán)境保護(hù)都有十分重大的意義。同時(shí) , 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。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。采用先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)是發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。由于變頻調(diào)速在調(diào)速性能、節(jié)能等方面的巨大優(yōu)越性 , 這一技術(shù)必將在我國石油化工、治金、 機(jī)械、交通運(yùn)輸、家用電器等各行業(yè)獲得越來越廣泛的應(yīng)用。 變頻調(diào)速具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)，是目前運(yùn)用最廣泛且最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類很多，從早期提出的電壓源型變頻器開始，相繼發(fā)展了電流源型，脈寬調(diào)制等各種變頻器。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。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。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是可關(guān)斷晶鬧管 GT0，電力晶體管 GTR，絕緣門極晶體管 IGBT， MOS晶閘管及 MTC等具有自關(guān)斷能力全控功率元件的發(fā)展，再加上控制單元也從分離元件發(fā)展到大規(guī)模數(shù)字集成電路及采用微機(jī)控制，從而使變頻裝置的快速性，可靠性及經(jīng)濟(jì)性不斷提高，變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能也得到不斷完善。 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。給定的速度與經(jīng)由PLC高速計(jì)數(shù)模塊反饋回來的實(shí)際速度相減產(chǎn)生速度誤差，經(jīng) PLC運(yùn)算可得控制量，再由 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 輸出到變頻器以驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。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(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 行數(shù)字通信，有效地提高了系 統(tǒng)的抗干擾能力。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)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，以及文中所需變頻器的選擇，還包括變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，為下一步的設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 第三章 可編程控制器的分析和應(yīng)用 可編程序控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算機(jī)、通信、聯(lián)網(wǎng)以及自動(dòng)控制技術(shù)而開發(fā)的新一代工業(yè)控制裝置?？删幊绦蚩刂破髟谖覈陌l(fā)展與應(yīng)用已有 30 多年的歷史，現(xiàn)在它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，成為提高傳統(tǒng)工業(yè)裝備水平和技術(shù)能力的重要設(shè)備和強(qiáng)大支柱。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(shí)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。 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。一臺(tái)可編程序控制器最多只能替代 200~300 個(gè)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。 進(jìn)入 70 年代，隨著中小規(guī)模集成電路的工業(yè)化生產(chǎn)，可編程序控制器技術(shù)得到了較大的發(fā)展?？删幊绦蚩刂破鞴δ艹壿嬤\(yùn)算外，增加了數(shù)值運(yùn)算、計(jì)算機(jī)接口、模擬量控制等；軟件開發(fā)有自診斷程序，程序存儲(chǔ)開始使用 EPROM ；可靠性進(jìn)一步提高，初步形成系列， 結(jié)構(gòu)上開始有模塊式和整體式的區(qū)分，整機(jī)功能從專用向通用過渡。 70 年代后期和 80 年代初期，微處理器技術(shù)日趨成熟，單片微處理器、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，大規(guī)模集成電路開始普遍應(yīng)用?？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。 80 年代后期到 90 年代中期，隨著計(jì)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(jì)數(shù)、中斷、 PID 、運(yùn)動(dòng)控制等功能引入了可編程序控制器。使得可編程序控制器能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)過程的各個(gè)領(lǐng)域，