【正文】 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，可編?？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?？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。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。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。 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。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)。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。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。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。 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。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)。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。因此 , 可以說變頻調(diào)速技術(shù)就是一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。現(xiàn)在的風(fēng)機(jī)、水泵大都用風(fēng)門、閥門調(diào)節(jié)風(fēng)量。 變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)具 有重 節(jié)能效益的技術(shù)。變頻空調(diào) 電力機(jī)車、無軌電車、工礦電機(jī)車 軋鋼機(jī) 風(fēng)機(jī) 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。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。 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。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。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。 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)。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。 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。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。 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。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 。 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。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。 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。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。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。采用這種調(diào)制方法 , 直流電壓利用率可得到較大的提高。 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。 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)。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。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。 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。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。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)。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。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。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。 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)。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。 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。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。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。最近 , 基于這種結(jié)構(gòu)的兆瓦級(jí)變頻器已應(yīng)用于軋鋼廠 , 取代了傳統(tǒng)周波變流器。在需要能量向電網(wǎng)回饋的四象限運(yùn)行變頻器中 , 這種雙 PWM變頻電路顯示了較大的優(yōu)越性。所謂的雙PWM變流即整流部分也采用電力電子自關(guān)斷器件構(gòu)成 , 并對(duì)其進(jìn)行 PWM控制 , 使交流輸人電流波形為正弦 , 且功率因數(shù)為 1, 這種變流電路也稱單位功率因數(shù)整流器或高功率因數(shù)整流器。目前交一直一交變頻電路中交一直部分即整流部分 , 多為二極管不控整流或晶閘管相控整流 , 無法實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為 1,且輸人電流中諧波含量也很高。目前 , 市場(chǎng)上出售的中、小功率變頻器絕大多數(shù)都是電壓型變頻器 ,少數(shù)電流型變頻器主要用于功率較大的交流調(diào)速傳動(dòng)、感應(yīng)加熱用中頻電源等場(chǎng)合 , 其器件多采用 SCR 。 （ 2） 交一直一交變頻電路 交一直一交變頻電路又分為電壓型和電流型兩種 , 這種變頻電路先把交流整流為直流 , 再把直流逆變?yōu)轭l率可變的交流。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。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?cè)絹碓蕉?的關(guān)注。 （ 1） 交一交變頻電路 傳統(tǒng)的交一交變頻器即周波變流器 , 通常只用于某些大容量、低頻的交流傳動(dòng)場(chǎng)合。今后新器件 MCT等將會(huì)得到應(yīng)用。 目前 , 在中、小容量的變頻器中 , 多采用 IGBT等作為主電路的功率器件 , 幾年前廣泛使用的 BJT現(xiàn)已呈現(xiàn)出被 IGBT 取代的趨勢(shì)。 變頻調(diào)速技術(shù)的核心是 PWM 控制技術(shù) , 變頻器的主電路拓?fù)浜? PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出 ,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約 ,在 80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn) ,直到進(jìn)入 80年代 , 隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展 ,PWM變頻器才得以實(shí)現(xiàn) , 并在不斷的實(shí)踐中迅速發(fā)展和提高 , 所采用的器件也在不斷地更新?lián)Q代。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度 . 然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到 理想分析的結(jié)果。此外．它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配留轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來不便。 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(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。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。 三、 U/f 控制方式在轉(zhuǎn)速很低時(shí)，轉(zhuǎn)矩不足。 二、 U/f 控制方式無法準(zhǔn)確控制交流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。特別是低速時(shí)，由于定子阻抗壓降隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化，當(dāng)負(fù)載較重時(shí)可能補(bǔ)償不足，當(dāng)負(fù)載過輕時(shí)又可能造 成過補(bǔ)償，造成磁路飽和。然而，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能提出更高要求時(shí)，上述系統(tǒng)還是比直流調(diào)速系統(tǒng)略遜一籌。這種方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換 ，而是直接在電機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實(shí)現(xiàn) PWM 脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能。 （ Direct Torque Control，簡稱 DTC 系統(tǒng)） 直接轉(zhuǎn)矩控制（ Direct Torque Control—— DTC），這種 “ 直接自控制 ” 的思想以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行綜合控制，不僅控制轉(zhuǎn)矩，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。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(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)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(chǎng)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(dòng)機(jī)的勵(lì)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(dòng)機(jī)的控制方法，球的直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。在采用這種控制方式的變頻器 中，電動(dòng)機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)速由安裝在電動(dòng)機(jī)上的速度傳感器和變頻器控制電路得到，而變頻器的輸出頻率則由電動(dòng)機(jī)的時(shí)機(jī)轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差率的和自動(dòng)設(shè)定，從而達(dá)到在進(jìn)行調(diào)速控制的同時(shí)控制電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的目的。因此，頻率和電壓要成比例的改變，是電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。=kUf,由于電源電壓通常 是恒定的，即 U為恒定，可知當(dāng)頻率變化時(shí)，磁通也會(huì)發(fā)生變化?，F(xiàn)有的交流供電電源都是恒壓恒頻的，必須通過變頻裝置（即 Variable Voltage Frequency,簡稱 VVVF裝置），才能獲得變壓變頻的電源。下圖是由交 直 交電流型負(fù)載換流變壓變頻器供電的同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 用電動(dòng)機(jī)軸上所帶的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器來控制變頻裝置的逆變器換流，從而改變同步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，因調(diào)速時(shí)定子繞組供電頻率受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制，故稱為自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)。特別是近二十多年來 ,靜態(tài)電力變頻調(diào)速器突飛猛進(jìn)的發(fā)展 ,使得三相交流電機(jī)變頻調(diào)速成為當(dāng)前電機(jī)調(diào)速的主流。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(dòng)系統(tǒng)。此外，在許多場(chǎng)合，為了保持在調(diào)速時(shí)，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。因?yàn)橛僧惒诫姍C(jī)的電勢(shì)公式可知，外加電壓近似與頻率和磁通乘積成正比，即： U∝ E=C1fΦ （ 2） 式（ 2）中， C1 為常數(shù)，因此有： Φ ∝ E/f≈ U/f （ 3） 若外加電壓不變，則磁通 Φ 隨頻率而改變，如頻率 f下降，磁通 Φ 會(huì)增加，造成磁路過飽和，勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵心和線圈過熱，顯然這是不允許的。在調(diào)速的整個(gè)過程中，從高速到低速可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效、調(diào)速范圍寬 (10%～ 100%)和精度高等性能，節(jié)電效果 20%～ 30%。前兩種方法轉(zhuǎn)差損耗大，效率低，對(duì)電機(jī)特性都有一定的局限性。變頻器就是基于上述原理采用交 直 交電源變換技術(shù)，電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品?？梢哉J(rèn)為，變頻調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)的 一種 比較合理和理想