【正文】 f 即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f在 0～ 50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)范圍非常寬。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆 變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率。 （ 1）變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。 (3)根據(jù)電磁力定律，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向基本一致的感生電流。 (1)當(dāng)三相異步電機(jī)接入三相交流電源 (各相差 120度電角度 )時(shí)，三相定子繞組流過(guò)三相對(duì)稱(chēng)電流產(chǎn)生的三相磁動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速 n0沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。 I/O 端子排可很容易地整體拆卸。 6 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器?？蛇B接 7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)至 168路數(shù)字量 I/O點(diǎn)或 35路模擬量 I/O點(diǎn)。 選擇西門(mén)子 S7200的 PLC， CPU224的結(jié)構(gòu)圖如圖 2所示。在 PLC 選型時(shí)，反復(fù)比較，編者選中了目前流行的、有較高性?xún)r(jià)比的西門(mén)子 S7200系列小型 PLC。 一般來(lái)說(shuō)， PLC 的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個(gè)掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采 樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時(shí)間的總和 。另外，采用掃描用戶程序的運(yùn)行結(jié)果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運(yùn)行的結(jié)果有所區(qū)別。這時(shí)，才是 PLC的真正輸出。 3） 輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后， PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù) 邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在整個(gè)運(yùn)行期間， PLC的 CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 1 掃描技術(shù) 當(dāng) PLC投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。它的重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。 PLC 用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén) 。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。加 13 上 PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。 PLC 的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。這樣 ，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。此外， PLC 帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。一些使用冗余 CPU的 PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采 用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。 PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng) 1/10~1/100，因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少。 ，抗干擾能力強(qiáng) 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器。它通過(guò)用戶存儲(chǔ)的應(yīng)用程序來(lái)控制生產(chǎn)過(guò)程，具有可靠性高、穩(wěn)定性好 和實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。 PLC 既可用于舊設(shè)備改造，也可用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，在機(jī)電一體化、工業(yè)自動(dòng)化等方面應(yīng)用極其廣泛 。 可編程控制器（ PLC）是微電子技術(shù)、繼電器控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)相結(jié)合的新型通用的自動(dòng)控制裝置。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 1987年國(guó)際電工委員會(huì)（ International Electrical Committee）頒布的 PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC 做了如下定義： “PLC 是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。 RS485傳輸技術(shù)見(jiàn)表 1 傳輸介質(zhì) 雙絞屏蔽電纜 站點(diǎn)數(shù) 不用中繼器時(shí)，每段最多 32個(gè)站，用中繼器時(shí)，可擴(kuò)展到 126個(gè)站 連接器 對(duì) IP20用 9針 D型連接器 對(duì) IP65/67用 MR， HAN BRID或西門(mén)子混合型 連接器 傳輸速率（ bit/s） 電纜的最大長(zhǎng)度（ M） 1001200 表 1 RS485傳輸技術(shù) 12 第三章 ：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 可編程控制器簡(jiǎn)稱(chēng) PC（ Programmable Controller），它經(jīng)歷了可編程序矩陣控制器 PMC、可編程序順序控制器 PSC、可編程序邏輯控制器 PLC（ Programmable Logic Controller）和可編程序控制器 PC 幾個(gè)不同時(shí)期。一旦系統(tǒng)安裝完畢，只能選定一種傳輸速率。這種傳輸技術(shù)類(lèi)似于 IEC標(biāo)準(zhǔn)的 HZ，安裝十分簡(jiǎn)單，總線結(jié)構(gòu)允許增加或移去站點(diǎn)，或者分步擴(kuò)展系統(tǒng)而不影響其他站的工作。采用 rs485數(shù)據(jù)接口，傳輸介質(zhì)用光纖或雙絞電纜，傳輸波特率從 （ ～ 12m） bps，傳輸距離可以通過(guò) repeter進(jìn)行擴(kuò)展，每個(gè) dp網(wǎng)上可以同時(shí)配置 122個(gè)從站，是一種功能強(qiáng)大的 現(xiàn)場(chǎng)總線 。有 3 個(gè)兼容部分組成部分即 PROFIBUSDP， PROFIBUSPA， PROFIBUSFMS。 PROFIBUS 的通訊原理 PROFIBUS是一種應(yīng)用較為廣泛的 現(xiàn)場(chǎng)總線 ，其總線標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際總線標(biāo)準(zhǔn) ie61158的重要組成部分。 ⑷ 保護(hù)功能完善、維修性能好。 ⑵ 有豐富的內(nèi)藏與選擇功能。 它可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制，使電動(dòng)機(jī)達(dá)到理想輸出，這種變頻器不僅考慮了 V/f控制，而且還實(shí)現(xiàn)了矢量控制，通過(guò)其本身的自動(dòng)調(diào)諧功能與無(wú)速度傳感器電流矢量控制，很容易得到高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與較高的調(diào)速范圍。所以我選用了通用變頻器，通過(guò)合理的配置、設(shè)計(jì)和編程，同樣可以達(dá)到專(zhuān)用變頻器的控制效果。 變頻器的選擇 隨著變頻器性能價(jià)格比的提高，交流變頻調(diào)速己應(yīng)用到許多領(lǐng)域，由于變頻調(diào)速的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得交流變頻調(diào)速得到廣泛應(yīng)用。但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不當(dāng)時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此S7200CN系列具有極高的性能 /價(jià)格比。 方案的確定 PLC的選擇 S7200CN系列 PLC適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。 系統(tǒng)的控制要求 本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 4所示。 有速度傳感器的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制。當(dāng)工作頻率高于額定頻率的 10%時(shí)，進(jìn)入矢量控制狀態(tài)。速度精度小于 %，轉(zhuǎn)速上升時(shí)間小于 100ms；在額定功率 10%的范圍內(nèi)，采用電流閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制。它是對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行單電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的典型模式。矢量控制方式分為無(wú)速度傳感器的矢量控制和有速度傳感器的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制。由于磁鏈的軌跡是靠電壓相加矢量得到 的，所以磁鏈跟蹤控制也叫做電壓空間矢量控制。 ② 具有恒定磁通功能的 V/f通用變頻器 為了克服普通控制型的 V/f通用變頻器對(duì) V/f的值進(jìn)行調(diào)整的困難，如果采用磁通反饋，讓異步電動(dòng)機(jī)所輸入的三相正弦電流在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，那么就會(huì)產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩?？刂品绞接心M控制或數(shù)字控制。控制回路常由運(yùn)算電路，檢測(cè)電路，控制信號(hào)的輸入、輸出電路，驅(qū)動(dòng)電路和制動(dòng)電路等構(gòu)成。通過(guò)有規(guī)律的控制逆變器中主開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和斷開(kāi)，可以得到任意頻率的三相交流輸出波形。與整流器的作用相反，逆變器是將直流功率變換 為所要求頻率的交流功率。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無(wú)功功率的交換，這種無(wú)功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件 — 電容器或電感器來(lái)緩沖，所以中間直流環(huán)節(jié)實(shí)際上是中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載。它的作用是把工頻電源變換成直流電源。主電路包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)（又稱(chēng)平波回路）、逆變器。 通用變頻器由主電路和控制回路組成。由電磁力進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。在電動(dòng)勢(shì)的作用下，閉合的導(dǎo)條中就產(chǎn)生電流。電動(dòng)勢(shì)的方向由右手定則來(lái)確定。 三相交流異步 電動(dòng)機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎(chǔ)上的。 8 第二章： 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 變頻調(diào)速系統(tǒng) 三相交流異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 三相交流異步 電 動(dòng) 機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備。 ： 此設(shè)計(jì)分為硬件部分和軟件部分，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于軟件部分各模塊的程序編寫(xiě) 及調(diào)試。250V交流 /2A，電感性負(fù)載 )。 MM440 變頻器是全新一代可以廣泛應(yīng)用的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器，其高性能的矢量控制技術(shù)、低速高轉(zhuǎn)矩輸出、良好的動(dòng)態(tài)特性、超強(qiáng)的過(guò)載能力、創(chuàng)新的 BiCo(內(nèi)部功能互聯(lián) )功能以及無(wú)可比擬的靈活性，使其成為市場(chǎng)上的熱銷(xiāo)產(chǎn)品。 S7200系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。 圖 2 系 統(tǒng)中， PLC采用西門(mén)子 S7200，變頻器選擇 MM440。由于 PLC與變頻器之間沒(méi)有采用 D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而是采用 RS485 進(jìn)行數(shù)字通信，有效的提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。按下停止按鈕電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。 觀察電動(dòng)機(jī)的空載特性。 熟悉 S7224XP PLC的使用方法。在正常運(yùn)行中 ，短時(shí)間內(nèi)突然增大負(fù)載轉(zhuǎn)矩以致超載，觀察電機(jī)的過(guò)載性能（包括轉(zhuǎn)速和電流），確定堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。在做調(diào)速試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)監(jiān)控界面的操作按鈕和滑動(dòng)塊很容易改變轉(zhuǎn)速，同時(shí)在調(diào)速的過(guò)渡過(guò)程中可以觀察電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，電流和功率的變化情況，及工作點(diǎn)的變動(dòng)。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制采用常用的 PID控制，由監(jiān)控軟件的程序?qū)崿F(xiàn)，而不是采用變頻器的 PID功能，通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面給負(fù)載轉(zhuǎn)矩一個(gè)短時(shí)間的擾動(dòng)，觀察電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化情 況，判斷電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 PLC與變頻器的交流調(diào)速控制系統(tǒng) 構(gòu)成 ： A、 PLC224XP 控制器 1臺(tái) B、 TD400C 1臺(tái) C、按鈕 2個(gè) D、 MM440 變頻器 1臺(tái) E、變頻器操作面板 F、變頻電機(jī) ： STEP7 MICROWIN 選用 STEP7 MICROWIN 該編程軟件是專(zhuān)為西門(mén)子公司 S7200系列小型機(jī)而設(shè)計(jì)的 編程工具軟件，使用該軟件可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制控制程序并完成與 PLC的實(shí)時(shí)通信，進(jìn)行程序的下載與上傳及在線監(jiān)控。本 課題以 PLC和變頻器控制交流調(diào)速為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出基于 PLC和變頻器控制交流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置。 變頻調(diào)速已成為電動(dòng)機(jī)調(diào)速的最新潮流，有其自身的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，隨著交流電動(dòng)機(jī)變頻技術(shù)的日趨完善和推廣應(yīng)用，特別是在礦用大功率高壓設(shè)備中的絞車(chē)、提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)等礦用設(shè)備上的應(yīng)用效果則更加明顯。我國(guó)對(duì)交流變頻調(diào)速技術(shù) 6 的研究起步較晚，到上個(gè)世紀(jì) 90 年代才有產(chǎn)品出現(xiàn)，采用的控制技術(shù)幾乎都還只是 V/F 控制，調(diào)速性能根本無(wú)法與國(guó)外產(chǎn)品相比。實(shí)行有利于資源節(jié)約的價(jià)格和財(cái)稅政策。由于這些設(shè)備一般均采用恒速驅(qū)動(dòng)，每年造成大量能源浪費(fèi)。 PLC 和變頻器控制交流調(diào)速的目的 目前，我國(guó)的能源消費(fèi)僅次于美國(guó)，位列世界第二，但國(guó)民生產(chǎn)總值卻排在第八位左右，其中最重要的原因之一就是單位產(chǎn)值能耗太大。 交流調(diào)速系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，交流調(diào)速領(lǐng)域發(fā)展非常迅速，交流傳動(dòng)技術(shù) 取得了突破性的進(jìn)展，獲得了許多創(chuàng)造性的成果。 (2)高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。如果把這些設(shè)備的控制系統(tǒng)換成交流調(diào)速系統(tǒng)，就能節(jié)省消耗在擋板和閥門(mén)上的能量。 (1)一般性能的節(jié)能調(diào)速。而高性能電力、電子器件的應(yīng)用更是推動(dòng)了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，例如在通用變頻器方面，針對(duì)中、低壓應(yīng)用領(lǐng)域的絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT）的高開(kāi)關(guān)頻率 使得高性能的變頻器成為可能，而在以后出現(xiàn)的智能功率模塊（ IPM），更加簡(jiǎn)化了通用變頻器的設(shè)計(jì)。目前，交流調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用。在 20世紀(jì)的大部分年代里，鑒于直流傳動(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速傳動(dòng)都采用直流電動(dòng)機(jī)，而約占電氣傳動(dòng)總?cè)萘?80%的不變速傳動(dòng)則采用交流電動(dòng)機(jī)，這種狀況在一段時(shí)期內(nèi)已成為一種舉世公認(rèn)的格局。該方法主要通過(guò)程序來(lái)控制了電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制 [1]。且在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用。 PLC。s speed is controlled by frequency converter. And in the industrial fields of extremely extensive application obtained. In today39。 本文所研究的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 采用 PLC來(lái)控制變頻器調(diào)速，充分發(fā)揮可編程控制器的高可靠性、靈活性、通用性、擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò) PLC的開(kāi)關(guān)量