【正文】 參 考 文 獻(xiàn) .......................................................................................................... 28 致 謝 ...................................................................................................................... 29 1 1 緒論 課題背景 洗衣機(jī)是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷囊环N家電，已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的家用電器，在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用也十分廣泛， 本課題在于對(duì)工業(yè)用洗衣機(jī)的研究。 但是傳統(tǒng)的基于繼電器的控制，已經(jīng)不能滿足人們對(duì)洗衣機(jī)的自動(dòng)化程度的要求 了，必須借助于自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。 由于工業(yè)洗衣機(jī)電機(jī)為直接啟動(dòng)或 Y/Δ啟動(dòng)，啟動(dòng)電流等于 3~7 倍額定電流，這樣會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的損壞，而且會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生大的電流和震動(dòng)對(duì)設(shè)備的使用壽命極為不利。用變頻器控制電動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)從低速到高速大范圍調(diào)速而且裝置可做很小，控制性和操作性都得到很大提高，平衡了過程中洗衣桶的轉(zhuǎn)速，縮短了工作周期時(shí)間。 2 2 工業(yè)洗衣機(jī)概述 工業(yè)用洗衣機(jī) 是指額定洗滌容量大于 6kg，應(yīng)用于專業(yè)洗滌部門及服務(wù)行業(yè)使用的 洗衣機(jī) 。近年來在家用全自動(dòng)洗衣機(jī)大力推廣的影響下，大型 工業(yè)用洗衣機(jī) 也從原來的繼電器控制方式逐步進(jìn)入全自動(dòng)控制時(shí)代。 工業(yè)洗衣機(jī)發(fā)展史 1874 年， “ 手洗時(shí)代 ” 受到了前所未有的挑戰(zhàn) ， 有人發(fā)明了木制手搖洗衣機(jī) ， 發(fā)明者是美國人比爾 布萊克斯的洗衣機(jī)構(gòu)造極為簡(jiǎn)單，是在木筒里裝上 6 塊葉片，用手柄和齒輪傳動(dòng)，使衣服在筒內(nèi)翻轉(zhuǎn)，從而達(dá)到“ 凈衣 ” 的目的。 1880 年，美國又出現(xiàn)了蒸氣洗衣機(jī)，蒸氣動(dòng)力開始取代人力。到 1911 年，美國試制成功世界上第一臺(tái)電動(dòng)洗衣機(jī)。 電動(dòng)洗衣機(jī)幾經(jīng)完善，在 1922 年迎來一種嶄新的洗衣方式 “ 攪拌式 ” 。這種洗衣機(jī)是在筒中心裝上一個(gè)立軸，在立軸下端裝有攪拌翼，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)立軸，進(jìn)行周期性的正反擺動(dòng)，使衣物和水流不斷翻滾，相互摩擦，以此滌蕩污垢。不過 10 年之后，美 國本德克斯航空公司宣布，他們研制成功第一臺(tái)前裝式滾筒洗衣機(jī)，洗滌、漂洗、脫水在同一個(gè)滾筒內(nèi)完成。 工業(yè)洗衣機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu) 工業(yè)洗衣機(jī)一般采用滾筒式的洗衣方式。因?yàn)橐挛镌谙礈爝^程中不纏繞、洗滌均勻、磨損小，所以就連羊絨、羊毛、真絲衣物也能在機(jī)內(nèi)洗滌。轉(zhuǎn)筒采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼板制成，有雙艙室結(jié)構(gòu) 3 布 質(zhì)布 量洗滌方式渾濁程度電機(jī)速度洗滌時(shí)間進(jìn)水量洗滌劑量模糊決策和單艙室結(jié)構(gòu)兩種，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，取衣方便。洗衣機(jī)外殼上裝有安全栓，用以支撐打開后的轉(zhuǎn)筒門。放水閥采用手提式，放水速度快。起動(dòng)時(shí)開始進(jìn)水，水位到達(dá)高水位時(shí)停止進(jìn)水，并開始洗滌正轉(zhuǎn)。水位下降到低水位時(shí)開始脫水并繼續(xù)排水。大循環(huán)不足 3 次，則返回進(jìn)水，進(jìn)行下一次大循環(huán)。報(bào)警后 10s 結(jié)束全部過程，自動(dòng)停機(jī)。為了確定各過程的運(yùn)行時(shí) 間 和轉(zhuǎn)速，需要通過安裝 在洗衣機(jī)內(nèi)部的各種傳感器檢測(cè)衣物布質(zhì)、布量、洗滌方式、混濁度等，再經(jīng)過模糊決策的方法得出最佳的洗滌策略。 圖 洗滌策略圖 4 3 變頻器簡(jiǎn)介 實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置稱為變頻器。變頻器主要用于交流電動(dòng)機(jī)（異步電機(jī)或同步電機(jī)）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是公認(rèn)的交流電動(dòng)機(jī)最理想、最有前途的調(diào)速方案，除了具有卓越的調(diào)速性能之外，變頻器還有顯著的節(jié)能作用，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置 。 變頻器的基本原理及特點(diǎn) 變頻調(diào)速原理 變頻調(diào)速器將電網(wǎng)中的三相交流電整流成直流電后，通過逆變器再將直流電逆變成電壓可調(diào)、頻率可調(diào)的三相交流電驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速和節(jié)電。 由式（ ）可知：轉(zhuǎn)速可以通過改變電 源頻率、繞組的極對(duì)數(shù)或轉(zhuǎn)差率等進(jìn)行改變，一般 p、 s 不變，即 21nf? 。 ① 交 直 交變壓變頻器 交 直 交變壓變頻器先將交流電源通過整流器變換成直流，在通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流，如圖 所示 。具體的整流和逆變電路種類很多，當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的是由二極管組成的不可控整流橋和由功率開關(guān)器件（ PMOSFET， IGBT 等）組成的脈寬調(diào)制（ PWM）逆變器，簡(jiǎn)稱 PWM 變壓變頻器如圖 所示。采用全控型的功率開關(guān)器件，只通過驅(qū)動(dòng)電壓脈沖進(jìn)行控制，電路也簡(jiǎn)單效率高。 3） 逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻，動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也得到提高。 PWM 變壓變頻器常用的功率開關(guān)器件有 PMOSFET、 IGBT、 GTO 和替圖 交 直 交（間接）變壓變頻基本結(jié)構(gòu) 圖 交 直 交 PWM變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu) 6 代 GTO 的電壓控制器件如 IGCT、 IEGT 等。 AC5 0 Hz ~恒壓恒頻 （CV CF）中間直流環(huán)節(jié) 變壓變頻 （VV VF）AC S CR可控整流器 六拍逆變器調(diào)壓 調(diào)頻 ② 交 交變壓變頻器 交 交變頻器在結(jié)構(gòu)上沒有明顯的中間直流環(huán)節(jié)（或者叫 “ 中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié) ” 或 “ 中間濾波環(huán)節(jié) ” ），來自電網(wǎng)的交流電被直接變換為電壓、頻率均可調(diào)的交流電，所以稱為直接式變頻器。如圖 繪出了電壓源型和電流源型逆變器的示意圖。 圖 可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器調(diào)頻的交 直 交變壓變頻器 （ a）電壓源 逆變器 （ b）電流源型逆變器 圖 電壓源型和電流源型逆變器示意圖 7 2） 電流源型逆變器（ Current Source Inverter， CSI），簡(jiǎn)稱電流源型逆變器直流 環(huán)節(jié)采用大電感濾波，直流電流波形比較平直，相當(dāng)一個(gè)恒流源，輸出交流電流時(shí) 為 矩形波或階梯波 [7] [9]。在電力消耗中， 60%～ 70%為動(dòng)力電，而在電動(dòng)機(jī)帶變頻控制的比重占有非常少，是電力能耗的重點(diǎn)，因此國家大力提倡節(jié)能措施，并著重推薦變頻調(diào)速技術(shù) 。鼓勵(lì)企業(yè)使用變頻調(diào)速技術(shù)，慢慢的工業(yè)機(jī)械都盡可能采用 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速工藝調(diào)速技術(shù)。 應(yīng)用變頻調(diào)速，可以大幅度提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度，使電動(dòng)機(jī)在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。而在實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行的時(shí)間比例卻非常高，如采用變頻調(diào)速，可以大幅度提高輕載運(yùn)行時(shí)的工作效率 ， 因此變動(dòng)負(fù)荷的節(jié)能潛力巨大 [11]。根據(jù)其性能及控制方式不同可分為通用 型、多功能型、高性能型，其控制方式也依次分為 U/f 控制、電壓型 PWM 控制、矢量控制等。 變頻器種類的選擇 根據(jù)負(fù)載機(jī)械的工作特點(diǎn)，結(jié)合對(duì)調(diào)速范圍、調(diào)整精度和經(jīng)濟(jì)性的要求，選擇不同種類的變頻器來控制運(yùn)行。其節(jié)能效果顯著，調(diào)整范圍和調(diào)整精度較低，因此成本較低。 工業(yè)洗衣機(jī)一般采用通用型變頻器。根據(jù)自己的實(shí)際需要，就這些產(chǎn)品的性能、指標(biāo)進(jìn)行比較、篩選，以確定適合自己的變頻器。 ② 電壓級(jí)別 根據(jù)各國的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或用途不同，其電壓級(jí)別也各不相同，在選變頻器時(shí)，首先應(yīng)注意其電壓級(jí)別是否 與電源電壓和電機(jī)的電壓相適合。應(yīng)該注意這個(gè)容量一般以 4 極普通異步電動(dòng)機(jī)為對(duì)象。 ⑤ 控制特性 1） 電壓型還是電流型。 3） 輸出頻率范圍，一般最低為 ，最高頻率因變頻器性能而異 變頻器容量的選擇 變頻調(diào)速 是通過變頻器來實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于變頻器的容量確定至關(guān)重要。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗(yàn)，比較簡(jiǎn)便的方法如下： ① 電機(jī)實(shí)際功率確定 法。 ② 公式法 。 計(jì)算出 Pb 后，按變頻器產(chǎn)品目錄可選出具體規(guī)格。由于它的電機(jī)的頻繁變速，因此選用電流源型變頻器。 三菱 FRA540 通用變頻器 9 三菱通用變頻器是日本三菱電機(jī)株式會(huì)社的產(chǎn)品。 FRA540 變頻器控制端子接線 FRA540 變頻器的各電路接線端子，如圖 ， 其中同心圓表示主電路接線端子，空心圓表示控制電路輸入接線端子，實(shí)心圓表示控制電路輸出接線端子。 表 主回路端子說明 端子記號(hào) 端子名稱 說 明 R, S, T 交流電源 輸入 連接工頻電源。在保持異常顯示和異常輸出時(shí)或當(dāng)使用高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)， (FRHC)時(shí)，請(qǐng)拆下 R－ R1和 SS1之間的短路片，并提供外部電源此端子 P, PR 連接制動(dòng) 電阻器 拆開端子 PRPX之間的短路片，在 PPR之間連接選件制動(dòng)電阻器 (FRABR) P, N 連接制動(dòng) 單元 連接選件 FRBU型制動(dòng)單元或電源再生單元 (FRRC)或高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器 (FRHC) P, P1 連接改善功率因數(shù) DC電抗器 拆開端子 PP1間的短路片，連接選件改善功率因數(shù)用電抗器(FRBEL) PR, PX 連接內(nèi)部制動(dòng)回路 用短路片將 PXPR間短路時(shí) (出廠設(shè)定 )內(nèi)部制動(dòng)回路便生效 ( ) 接地 變頻器外殼接地用，必須接大地 ② 控制回路端子說明 如表 。 當(dāng) STF和 STR同時(shí)處于 ON時(shí) ,則 停止 STR 反轉(zhuǎn)啟動(dòng) STR信號(hào) ON為逆轉(zhuǎn)， OFF為停止 STOP 啟動(dòng)自保持 使 STOP信號(hào)處于 ON,可以選擇啟動(dòng)信號(hào)自保持 RH RM 多段速度 用 RH,RM和 RL信號(hào)的組合 可以選擇多段速度。 JOG 點(diǎn)動(dòng)模式 選擇 JOG 信號(hào) ON 時(shí)選擇點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行。 RT 第 2加 /減速時(shí)間選擇 RT信號(hào)處于 ON時(shí)選擇第 2加減速時(shí)間。用電磁制動(dòng)停止電機(jī)時(shí)，用于斷開變頻器的輸出。使端子 RES信號(hào)處于 ON在 ,然后斷開。 輸入端子功能選( 到)用于改變端功能。但用這種運(yùn)行必須設(shè)定有關(guān)參數(shù)，因?yàn)槌鰪S時(shí)設(shè)定為不能再啟動(dòng)。直流 24V,(PC端子 )電源的輸出公共端 . PC 直流 24V電源和外部晶體管公共端接點(diǎn)輸入公共端（源型） 當(dāng)連接晶體管輸出（集電極開路輸出），例如可編程控制器時(shí)，將晶體管輸出用的外部電源公共端接到這個(gè)端子時(shí) ,可以防止因漏電引起的誤動(dòng)作 ,這端子可用于直流 24V, 電源輸出。 模 擬 頻率設(shè)定 10E 頻率設(shè)定用電源 10VDC, 容許負(fù)荷電流 10mA 按出廠設(shè)定狀態(tài)連接頻率設(shè)定電位器時(shí) ,與端子 10 連接。 10 5VDC, 容許負(fù)荷電流 10mA 2 頻率設(shè)定 (電壓 ) 輸入 0～ 5VDC(或 0～ 10VDC)時(shí) 5V(10VDC)對(duì)應(yīng)于為最大輸出頻率。用參數(shù)單元進(jìn)行輸入直流0～ 5V(出廠設(shè)定 )和 0～ 10VDC的切換。 4 頻率設(shè)定 (電 流 ) DC4～ 20mA,20mA 為最大輸出頻率 ,輸入 ,輸出成比例 .只在端子 AU信號(hào)處于 ON時(shí) ,該輸入信號(hào)有效 ,輸入阻抗250Ω, 容許最大電流為 30mA。5VDC 或 0～ 177。用參數(shù)單元進(jìn)行輸入 0～177。10VDC( 出廠設(shè)定 )的切換。20VDC 。請(qǐng)不要接大地。 SU 頻率到達(dá) 輸出頻率達(dá)到設(shè)定頻率的 177。容許負(fù)荷為 DC24V,。容許負(fù)荷為 DC24V,。 2） 當(dāng)接線時(shí)剪開布線擋板上的保護(hù)襯套 (22K 以下的 )。 4） 接線后，零碎線頭必須清除干凈，零碎線頭可能造成異常，失靈和故障，必須始終保持變頻器清潔。 5） 為使電壓下降在 2%以內(nèi)，請(qǐng)用適當(dāng)型號(hào)的電線接線。 6） 布線距離最長為 500 米 。 8） 運(yùn)行后，改變接線的操作，必須在電源切斷 10 分鐘以上，用萬用表檢查電壓后進(jìn)行。 14 4 工業(yè)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的硬件 PLC 簡(jiǎn)介 早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī) (Personal Computer)的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程序控制器簡(jiǎn)稱 PLC。 基本構(gòu)成為 ： 電源 、 中央處理單元 (C