【導(dǎo)讀】型自動化生產(chǎn)中取得了廣泛的應(yīng)用。在實際的工業(yè)控制領(lǐng)域中，一條生產(chǎn)流水線。和產(chǎn)品質(zhì)量，如何實現(xiàn)多電機的同步控制已成為研究熱點。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力驅(qū)動軸的同步運行，及各電機的。電機同步運行的穩(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)的安全運行有著關(guān)鍵作用。而PLC通過多種通訊方式完成各個變頻器的。低速時，特性靜關(guān)率較高，相對穩(wěn)定性好。調(diào)速范圍較大，精度高。起動電流低，對系統(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，目前造價較高。在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機的過載能力大為降低。交流電動機的調(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。采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。電機總是保持在低轉(zhuǎn)差率運行狀態(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)動主要使用PWM合成驅(qū)動方式，這要求其控制

　　

【正文】 足夠高時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。理論分析和實驗研究均表明 ,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驗階段 , 實驗裝置的功率也較小 , 擴大功率范圍并使其實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 , 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 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。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償器或有源濾波器 , 使整個系統(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)電平等級的方法來實現(xiàn)。以此思想為基礎(chǔ) , 提出了三電平中點籍位式 (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個不同的位置。電機磁鏈圓形軌跡可以用更多數(shù)量的電壓矢量更準確地逼近 , 這樣得到的電流諧波分量無疑會減少 , 尤其是在調(diào)制度 (調(diào)制信號的幅值與載波的幅值之比 )較大的時候。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車 (其整流部分為單項橋式整流 )、軋機主傳動上具有良好的應(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 , 同時新判據(jù)和新準則也不斷出現(xiàn) , 因而內(nèi)容繁多 ,文獻數(shù)量也很多。在此僅就與交流傳動有關(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代替調(diào)制信號 , 用開關(guān)量取代模擬量以實現(xiàn)功率的高效變換與控制方法。其調(diào)制準則是 : 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 。 由于頻率很高的諧波可以方便地濾除 , 因而調(diào)制信號也就很容易再經(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)制信號便呈現(xiàn)出鞍形 , 而且幅值明顯降低 , 于是在調(diào)制信號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)制信號的常規(guī)思路 , 從電機的角度出發(fā) , 以直接控制電機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 , 實現(xiàn)起來也更為方便。更重要的是 , 采用 SVM方法可減小電機的諧波損耗 , 且其直流電壓利用率也可得到提高。 ④ 隨機載波信號 PWM采用傳統(tǒng)的 PWM方法時 ,諧波的頻譜較為集中 , 這對抑 制變頻器的噪音極為不利。隨機載波 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) , 使得實際電流跟蹤給定電流的變化。這種 PWM方法實現(xiàn)方便 , 動態(tài) 性能好。但這種方法也存在一些缺點 : 開關(guān)頻率不固定造成較為嚴重的噪音 。 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。此時開關(guān)頻率一定 , 且因電機反電勢只相當于閉環(huán)中的一個擾動 , 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。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方式實現(xiàn)對變頻器的控制。 (2)PWM技術(shù)中的幾個關(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)制信號頻率的比值 )較低時輸出波形將包含低次諧波 , 會引起電機低次轉(zhuǎn)矩脈動。同步調(diào)制波形對稱度好 , 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 , 需進行分段同步調(diào)制 , 這又勢必導(dǎo)致跳躍點處頻譜突變 , 引起較大的動態(tài)電流尖峰 , 并伴隨嚴重的噪音。事實上 , 當載波足夠大時 ,異步調(diào)制的缺點已經(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。 ③ 開關(guān)器件的關(guān)斷延時 電力電子器件的存貯效應(yīng)使得逆變器的驅(qū)動電路常常需要加上一個互鎖延時保護電路 , 以防止同一相上下兩個橋臂的管子直通。在設(shè)置的延時時間 (亦稱死區(qū)時間 )內(nèi) , 輸人電平完全取決于負載特性 ,即取決于負載電流的方向。死區(qū)時間會使得逆變器輸出電壓在相位幅值上發(fā)生畸變 , 而且這種畸變在低速、輕載時表現(xiàn)得愈加明顯 , 嚴重時可能影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為此 , 在高性能的交流傳動系統(tǒng)中 , 需要對死區(qū)時間進行補償 , 且已提出了一些補償方案。 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛 , 凡是需要電動機 , 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。變頻調(diào)速的主要應(yīng)用領(lǐng)域可以列舉 如下 ： 風(fēng)機 水泵 軋鋼機 提升機、電梯 電力機車、無軌電車、工礦電機車 電動汽車 變頻空調(diào) 紡織、造紙、印刷、化工、機械的中小電機調(diào)速 。 變頻調(diào)速技術(shù)是一項具 有重 節(jié)能效益的技術(shù)。在我國電能的使用中 , 僅風(fēng)機 、水泵所用的電能就達總電能的 30%以上?，F(xiàn)在的風(fēng)機、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)就是一項節(jié)能技術(shù)。采用這項技術(shù)對我國能源資源的合理利用 , 對于環(huán)境保護都有十分重大的意義。同時 , 由于可以節(jié)省大量的電能 , 因此 ,變頻調(diào)速技術(shù)也是一項經(jīng)濟 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。采用先進的變頻調(diào)速技術(shù)是發(fā)展的一個趨勢。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、 機械、交通運輸、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，是目前運用最廣泛且最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。交流電動機變頻調(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，同步電動機自控式變頻調(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控制，從而使變頻裝置的快速性，可靠性及經(jīng)濟性不斷提高，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)交流異步電機轉(zhuǎn)速的方法。給定的速度與經(jīng)由PLC高速計數(shù)模塊反饋回來的實際速度相減產(chǎn)生速度誤差，經(jīng) PLC運算可得控制量，再由 ABB可升級的 PLC AC500的 CS31總線、 Profibus DP總線、和 ProfiNET實時以太網(wǎng)總線等通訊方式 輸出到變頻器以驅(qū)動交流電機，從而達到調(diào)節(jié)電機轉(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可升級的 PLC AC500的 CS31總線、 Profibus DP總線、和 ProfiNET實時以太網(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。測速裝置采用編碼器克服了過去調(diào)速系統(tǒng)中采用測速發(fā)電機 輸出特性存在死區(qū)和非線性區(qū)，體積大，誤差大等缺點。 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，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)計打下了堅實的理論基礎(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)，綜合計算機、通信、聯(lián)網(wǎng)以及自動控制技術(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)濟的各個工業(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)備和強大支柱。隨著全球一體化經(jīng)濟的發(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。 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 60 年代，當時的可編程序控制器功能都很簡單，只有邏輯、定時、計數(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；存儲器為磁心存儲器，存儲容量有限；用戶指令一般只有二三十條，還沒有成型的編程語言；機型單一，沒有形成系列。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。 進入 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\算外，增加了數(shù)值運算、計算機接口、模擬量控制等；軟件開發(fā)有自診斷程序，程序存儲開始使用 EPROM ；可靠性進一步提高，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)體存儲器進入工業(yè)化生產(chǎn)，大規(guī)模集成電路開始普遍應(yīng)用。可編程序控制器開始向多處理器發(fā)展，使可編程序控制器的功能和處理速度大為增強，并具有通信和遠程 I/O 能力，增加了多種特殊功能，如浮點運算、三角函數(shù)、查表、列表等，自診斷和容錯技術(shù)也迅速發(fā)展。 80 年代后期到 90 年代中期，隨著計算機和網(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 、運動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)過程的各個領(lǐng)域，