1、I / 56Xxxxx 等專科學校畢畢業業設設計計論論文文論文題目:橋式起重機的變頻調速系統設計 系 部：專 業：班 級：學生：學 號：指導教師：2012 年 12 月 12 日I / 56摘 要電氣調速控制的方法很多，對直流驅動來講 60 年代采用發電機電機系統。從控制電阻分級控制，到交磁放大控制，到可控硅 SCR 激磁控制，到主回路可控硅即晶閘管整流供電系統。隨著電子技術的飛速發展，集成模塊出現，計算機、微處理器應用，因此控制從分立組成模擬量控制發展至今天的數字量控制。從交流驅動來講：常規的常采用繞線式電動機轉子串電阻調速，為滿足重物下放時的低速，一般依靠能耗制動、反接制動，后來還采用渦流

2、制動，還有靠轉子反饋控制制動、反接制動、單相制動器抱閘松勁的所謂軟制動，隨著電子技術的發展，國外開發研制變頻調速，PLC 可編程序控制器的應用控制系統的性能更加完美。本次設計采用 PLC 和變頻器技術，以 PLC 控制變頻器，即以程序控制取代繼電接觸器控制，控制變頻器實現變頻調速，設計出 PLC 控制的橋式起重機的變頻調速系統，進而實現了起重機的半自動化控制。關鍵詞：PLC 橋式起重機 矢量控制ABSTRACT Electric speed control method are many, the dc drive speaking in the s the generator - machi

3、ne system. From the control resistance hierarchical control, to pay magnetic amplifier control, to the silicon controlled SCR excitation control, to the main loop thyristor is thyristor rectifier power supply system. With the rapid development of electronic technology, integrated module appear, comp

4、uter, microprocessor application, therefore control from discrete component analog control development to todays digital volume control. From the ac drive speaking: conventional is often used to wound rotor motor rotor resistance control, in order to meet the weight transfer to a lower level of low

5、speed, generally rely on energy consumption braking, reverse connect braking, and then the eddy current brake, and rely on rotor feedback control braking, reverse connect braking, single-phase brake contracting brake slacken so-called soft brake, with the development of electronic technology, the do

6、mestic and foreign development frequency control, PLC programmable controller to control the application of the performance of the system more perfectII / 56This design USES PLC and frequency converter technology, PLC control frequency converter, namely to program control instead of relay, contactor

7、 control, control frequency converter to realize frequency control of motor speed, design the PLC control of bridge crane of variable speed control system, then realize the crane half automation control.Key Words：Programmable Logic Controller bridge crane vector controlIII / 56I / 56目 錄摘 要IABSTRACTI

8、緒 論 1第 1 章 橋式起重機介紹 41.1 國外發展概況 41.2 傳統橋式起重機控制系統的特點和存在的問題 5第 2 章 調速系統介紹 72.1 電動機的調速指標 72.2 變頻調速的基本原理 82.3 電動機變頻調速的機械特性 10第 3 章 變頻器 123.1 變頻器的分類 123.2 變頻器的主電路 123.3 變頻器的控制電路 133.4 脈寬調制型(PWM)變頻器 13第 4 章 可編程序控制器 184.1 概述 184.2 PLC 的應用與發展和系統組成 194.3 PLC 的工作原理、抗干擾分析與設計 21第 5 章 調速控制系統設計和部件選型 225.1 概述 225.2

9、 采用變頻調速的基本考慮 235.3 橋式起重機變頻調速控制系統 27第 6 章 橋式起重機變頻調速系統軟件設計 306.1 S7-200PLC 網絡的通信協議 306.2 PLC 程序設計 30展 望 35致 37參考文獻 38附錄 39電氣圖紙 39PLC 源程序 411 / 56緒 論橋式起重機作為物料搬運機械在整個國民經濟中有著十分重要的地位，經過幾十年的發展，我國橋式起重機制造廠和使用部門在設計、制造工藝、設備使用維修、管理方面，不斷積累經驗，不斷改造，推動了橋式起重機的技術進步。但在實際使用中，傳統橋式起重機的控制系統所采用交流繞線轉子串電阻的方法進行啟動和調速，繼電接觸器控制，在

10、工作環境差，工作任務重時，電動機以與所串連電阻燒損和斷裂故障時有發生；繼電接觸器控制系統可靠性差，操作復雜，故障率高；轉子串電阻調速，機械特性軟，負載變化時轉速也變化，調速不理想。所串連電阻長期發熱，電能浪費大，效率低。要從根本上解決這些問題，只有徹底改變傳統的控制方式。近年來，隨著計算機技術和電力電子器件的迅猛發展，同時也帶動電氣傳動和自動控制領域的發展。其中，具有代表性的交流變頻調速裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應用，為 PLC 控制的變頻調速技術在橋式起重機系統提供了有利條件。變頻技術的運用使得起重機的整體特性得到較大提高，可以解決傳統橋式起重機控制系統存在諸多的問題，變頻調速以其可靠性

11、好，高品質的調速性能、節能效益顯著的特性在起重運輸機械行業中具有廣泛的發展前景。本次設計采用 PLC 和變頻器技術，以 PLC 控制變頻器，即以程序控制取代繼電接觸器控制，控制變頻器實現變頻調速，設計出 PLC 控制的橋式起重機的變頻調速系統，進而實現了起重機的半自動化控制。此系統特別適用于橋式起重機在惡劣條件下的工作情況，對改善橋式起重機的調速性能，提高工作效率和功率因數，減小起制動沖擊以與增加起重機使用的安全可靠性是非常有益的。如果說以第一個晶閘管的出現作為交流電動機變頻調速的起點，可以認為它的發展歷史己 40 多年了。而變頻調速技術真正高速發展時期，應該是在 PWM 調制技術的出現和微機

12、控制技術發展之后。特別是最近 20 年來，隨著交流調速技術的應用普與，交流變頻調速在化工、火電廠、礦山、油田、機械制造、城市建設、水處理、甚至家電等行業己經全面推廣使用，一般主要用于節能與控制。隨著變頻技術的普與和深入，以與國際、國電器設備使用的有關標準意識的強化，電力系統行業和用戶對變頻技術的質量要求也越來越高。變頻調速的發展趨勢主要圍繞下面幾個方而展開。1) 高性能的智能控制變頻器380V 系統的低壓變頻器是國的主要研究對象，應用交流調速的基本理論，結合神經網絡控制、魯棒控制、模糊控制，或其他智能控制等手段，實現電機運行2 / 56參數的自動辨識，以期達到自適應、自調整的最優控制。2) 速

13、度傳感器研究從前面所述的各種變頻調速的理論可知，一般系統都要用到轉速傳感器。在實際使用中，由于變頻設備和被控電動機有一定的距離，而高精度的轉速傳感器都要使用專門的電源，被控電動機有的是在戶外，運行工況非常惡劣，要保證速度反饋的準確性，有時不得不采取特別措施，因此也會增加額外費用，運行的可靠性和控制精度也會因此受到影響。無速度傳感器的變頻調速系統，是通過現場采集的電流電壓量，以與控制的實施策略，綜合出被控電機的實際轉速。這種控制方案要求計算機的控制速度較高，并有足夠的精度。3) 針對功率因數提高和諧波污染的研究低壓變頻調速系統的控制雖然己經是非常成熟了，但目前國際、國的產品，一般都是矢量控制和直

14、接轉矩控制，重點放在電機變頻控制理論的實現和完善上，而對變頻器的輸出波形、功率因數，以與諧波污染等問題還沒有引起足夠的重視。最近 10 多年來，國外在這一領域己有較深入的研究。有的針對功率因數，有的強調輸出波形。多重化技術就是為了解決輸出波形問題。最近幾年的研究表明，利用 PWM 輸出控制解決諧波輸出問題，是比較理想的方法，它可以省去多重化中的變壓器，或過多的開關元器件，使變頻器的體積和重量減少，但這種方法不能解決所有諧波的消除問題，只能部分消除特定諧波。這方面的研究論文還不多，也還沒有成熟的類似低壓變頻器的產品出現。4) 高壓變頻器的研究變頻器的主要作用之一是節能。而高壓電動機的節能效果是比

15、較明顯的，大功率的風機和水泵用電動機一般都是高壓電動機。國，高壓變頻調速和它的節能控制還是一個比較薄弱的環節.它主要是針對 610kV 的交流電動機進行變頻調速控制。這種高壓電動機廣泛應用于火力發電廠的送風機和引風機上。同樣也可用于其他如石油化工、礦山、冶煉、機械制造等行業的變頻節能控制。從某種意義上講，由于目前國還不能完全生產高質量的合格電力電子器件，而且，國外低壓變頻器的性能價格比也比國自己研究的變頻器高得多。隨著電力電子技術最近 20 多年的飛速發展，功率半導體器件的成本逐年下降，技術工藝和性能也得到不斷改善.電力電子器件的應用己從傳統的直流調速、直流屏、斬波器等領域延伸到交流調速和電力

16、系統的質量控制領域.并正朝著高電壓、大功率的方向發展.這也是千年之交和世紀之交我國電力電子技術應用的發展趨勢。5) 無換向器同步電機的變頻調速無換向器電動機也是在 20 世紀 70 年代發展起來的新型調速系統。它是一種變頻調速同步電動機.也可以認為是一種用半導體電子開關線路代替換向器和電刷作3 / 56用的直流電動機。根據采用的控制方式不同.可分為直流無換向器電動機和交流無換向器電動機。直流無換向器電動機采用交-直-交或直-交變頻控制系統;交流無換向器電動機采用交-交變頻控制系統。近 10 年來.國外雜志上有許多相關的研究論文。而且，也有一定的成果出現。4 / 56第 1 章 橋式起重機介紹1

17、.1 國外發展概況電氣調速控制的方法很多，對直流驅動來講 60 年代采用發電機電機系統。從控制電阻分級控制，到交磁放大控制，到可控硅 SCR 激磁控制，到主回路可控硅即晶閘管整流供電系統。隨著電子技術的飛速發展，集成模塊出現，計算機、微處理器應用，因此控制從分立組成模擬量控制發展至今天的數字量控制。 從交流驅動來講：常規的常采用繞線式電動機轉子串電阻調速，為滿足重物下放時的低速，一般依靠能耗制動、反接制動，后來還采用渦流制動，還有靠轉子反饋控制制動、反接制動、單相制動器抱閘松勁的所謂軟制動，隨著電子技術的發展，國外開發研制變頻調速，PLC 可編程序控制器的應用控制系統的性能更加完美。目前國外幾

18、種常用調速系統配置與其性能：l) DC-300 直流驅動調速系統：GE 公司 DC-300，DC-2000 是微處理器數字量控制的直流驅動調速系統，其控制功率從 300HP 到 4000HP，并采用 PLC 對整機驅動系統實施故障診斷、檢測、報警與控制。 該驅動系統實施主回路 SCR 整流，其控制是給定模擬量通過數模轉換成數字量，通過速度環、電流環到 SCR 移現觸發的邏輯無環流的調速系統。可用測速反饋或電壓反饋，對磁場弱磁，以實施恒功率控制。2) 交流調速控制系統：對于起重機械來講，交流驅動仍是國普遍采用的方案而且多數停留在繞線式電機轉子串電阻來調速。隨著功率電子技術的發展，早在六十年代后期

19、，國外就開始致力于晶閘管定子調壓調速技術的開發研究。目前，該技術已進入了成熟穩定的發展應用階段。日本安川電機制作所于 1972 年就正式定為 VS 系列，應用于起重機與軋機輔助設備的交流調速。法國、英國、德國等大電氣公司亦在這方面展開了重點研制開發。借助電力電子技術、微電子技術的發展，由分離元件發展到大規模集成電路，從而實現控制部件的微型組件化、智能化、標準化、系列化，進而從模擬量控制發展到數字量控制。可編程序控制器 PLC 引入到交流電氣傳動系統后，使傳動系統性能發生了質的變化。在橋式起重機實現了抓斗的自動控制和故障診斷、檢測顯示等，達到了新的技術高度。3) 變頻調速：變頻調速技術是國際上各

20、大電氣公司在 70 年代末 80 年代投入全力研制、開發，也是國際國這幾年全力研制應用的目標與方向。這幾年一些公司如德國 SIEMENS，美國 GE，日本三菱等推出全數字化的矢量控制技術，大功率的 IGBT 模塊的出現使變頻技術在起升機械、電梯等位能負載控制成為現實。目前，變頻調速的控制方法有恒壓頻比控制，轉差頻率控制，矢量控制，直接轉5 / 56矩控制等。這些控制方法都得到了不同程度的應用，但其控制性能有一定的差異。 直流電動機之所以與有良好的控制性能，其根本原因是當勵磁電流恒定時，控制電樞電流的大小就能無時間滯后的控制瞬時轉矩的大小。異步電動機產生瞬時轉矩的原理雖然與直流電動機一樣，但由于

21、建立氣隙磁場的勵磁分量和電磁轉矩所對應裝置電流有功分量都應包含在定子電流中，無法直接將它們分開，在運行過程中，這兩個分量有會互相影響。因此要控制異步電動機的瞬時轉矩十分困難。像采用恒壓頻比控制、轉差頻率控制的變頻調速系統由于是從控制電動機的平均轉矩的角度出發來控制電動機的轉速，因而難以獲得較理想的動態性能，異步電動機在高精度調速系統和伺服系統中的應用受到限制。而矢量控制是從根本上解決了這個問題，使交流調速系統的應用圍迅速擴大。 適用于通用的鼠籠式電動機，無速度傳感器的矢量控制變頻調速技術的應用，該技術使變頻控制裝置不再配套專用電機，而且可通過軟件對一般的鼠籠式電機矢量控制裝置實施參數調整，進一

22、步降低電氣電機的投資而且維護保養方便。變頻器使用 PWM 技術可嚴格地使輸入電流正弦，即在下降過程各機1cos械減速制動中，將動能和位能轉化為電能反饋電網，達到理想的節能指標，同時確保工況正常運行，上述發展己完成了產品系列化上市，對 “變頻”裝置在技術上以與經濟上與其他驅動裝置競爭將有明顯的優勢。同時隨著 PLC 系統的不斷成熟與完善，以與大容量變頻器在位能負載上的成功應用，變頻調速系統必將成為未來調速市場的主流。1.2 傳統橋式起重機控制系統的特點和存在的問題 橋式起重機作為物料搬運機械在整個國民經濟中有著十分重要的地位，經過幾十年的發展，我國橋式起重機制造廠和使用部門在設計、制造工藝、設備

23、使用維修、管理方面，不斷積累經驗，不斷改造，推動了橋式起重機的技術進步。但在實際使用中，結構開裂仍時有發生。究其原因是頻繁的超負荷作業與過大的機械振動沖擊所引起的機械疲勞。因此，除了機械上改進設計外，改善交流電氣傳動，減少起制動沖擊，也是一個很重要的方面。由于傳統橋式起重機的電控系統采用轉子回路串接電阻進行有級調速，致使機械沖擊頻繁，振動劇烈，因此電氣控制上應采用平滑的無級調速是解決問題的有效手段。傳統的起重機驅動方案一般采用：（1）直接起動電動機；（2）改變電動機極對數調速；（3）轉子串電阻調速；（4）渦流制動器調速；（5）可控硅串級調速；（6）直流調速。前四種方案均屬有級調速，調速圍小，無

24、法高速運行，只能在額定速度以下調速：起動電流大，對電網沖擊大；常在額定速度下進行機6 / 56械制動，對起重機的機構沖擊大，制動閘瓦磨損嚴重；功率因數低，在空載或輕載時低于 0.20.4，即使滿載也低于 0.75，線路損耗大。可控硅串級調速雖克服了上述缺點，實現了額定速度以下的無級調速，提高了功率因數，減少了起制動沖擊，價格較低，但目前串級調速產品的控制技術仍停留在模擬階段，尚未實現控制系統具有很好的調速性能和起制動性能，很好的保護功能與系統監控功能，所以有時采用直流電動機，而直流電動機制造工藝復雜，使用維護要求高，故障率高。由于傳統橋式起重機的電控系統通常采用轉子回路串接電阻進行有級調速，盡

25、管起動性能與調速性能較交流鼠籠型電動機有很大改善，但由于采用有級調速，依然存在以下問題：1)控制檔位較多時，控制電路復雜，系統的故障率較高；2)在換檔時依然存在電流與轉矩沖擊，重載情況下尤為突出；3)低速定位時由于采用“倒拉反接制動”運行方式，轉子中串入了較大電阻導致機械特性變得很軟，低速定位困難；4)能量損耗大，特別是重載低速時的損耗尤其嚴重7 / 56第 2 章 調速系統介紹調速就是在一定的負載下，根據生產的需要人為地改變電動機的轉速。這是生產機械經常向電動機提出的要求。調速性能的好壞往往影響到生產機械的工作效率和產品的質量。2.1 電動機的調速指標1) 調速圍電動機在額定負載(電流為額定

26、值)情況下所能得到的最高轉速與最低轉速之比稱為調速圍，用 D 表示，即 (2-1)minmaxminmax:nnnnD2)調速方向調速方向指調速后的轉速比原來的額定轉速(基本轉速)高還是低。若比基本轉速高，稱為往上調，比基本轉速低，稱為往下調。3)調速的平滑性調速的平滑性由一定圍能得到的轉速級數來說明。級數越多，相鄰兩轉速的差值越小，平滑性越好。如果轉速只能跳躍式的調節，例如只能從 3000r/min 一下調節到 1500r/min，在又調節到 1000 r/min 等，兩者之間的轉速無法得到，這種調速稱為有級調速。如果在一定的調速圍的任何轉速都可以得到則稱為無級調速。無級調速的平滑性當然就比

27、有級調速好。平滑的程度可用相鄰兩轉速之比來衡量，稱為平滑系數，即 1iinn(2-2)越接近于 1，平滑性越好。無級調速時=1，平滑性最好。4)調速的穩定性調速的穩定性是用來說明電動機在新的轉速下運行時，負載變化而引起轉速變化的程度，通常用靜差率來表示。其定義為：當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降-與理想空載轉速之比，即0nn0n (2-3)%100s00nnn8 / 56s 越小，穩定性越好。靜差率與機械特性的硬度有關。機械特性的硬度的定義為 (2-4)nTdndT越大，轉矩變化時，變化的程度就越小，機械特性就越硬，靜差率就越小，n穩定性就越好。靜差率還與理

28、想空載轉速的大小有關。例如兩條平行的機械特0n性硬度一樣，在靜差率公式中的-一樣，由于不同，他們的 s 就不同，0nn0n大的，s 小，小的，s 就大。0n0n生產機械在調速時，為保持一定的穩定性會對靜差率提出一定的要求。靜差率還會對調速圍起到制約的作用，因為如果調速時所得到的最低轉速下的 s 太大，則該轉速性太差，便難以滿足生產機械的要求。5)調速時的允許負載 電動機在各種不同轉速下滿載運行時，如果允許輸出的功率一樣，則這種調速方法稱為恒功率調速；如果允許輸出的轉矩一樣，則這種調速的方法稱為恒轉矩調速。不同的生產機械對此的要求往往不同。例如切削機床，要求精加工小切削量時，工件轉速高，粗加工大

29、切削時，工件轉速低。因此，它希望電動機能具有恒功率調速的性能。另一類生產機械，例如起重機、卷揚機等則要求電動機在各種轉速下都能輸出同樣的轉矩，因此，它希望電動機具有恒轉矩調速的性能。2.2 變頻調速的基本原理根據異步電機的知識，異步電機的轉速公式為： (2-5)1(60spfn 其中：異步電動機的轉速，單位為 r/min；n定子的電源頻率，單位為 Hz；f電機的轉速滑差率；s電機的極對數。p 三相異步電動機的調速方法可分為兩大類：一類是通過改變同步轉速來改0n變轉速，具體方法有變極調速(改變)和變頻調速(改變)；另一類是通過改npf變轉差率 來實現調速，這就需要讓電動機從固有特性上運行改為人為

30、特性上運s行，具體方法有變壓調速(改變)，轉子電路串電阻調速(改變)，等等。由上1U2R式可知，如果改變輸入電機的電源頻率，則可相應改變電機的輸出轉速。f9 / 56 在電動機調速時，一個重要的因素時希望保持每極磁通量為額定值不變。m磁通太弱，沒有充分利用電機的磁心，是一種浪費；若要增大磁通，又會使磁通飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因為繞組過熱而損壞電機。對于直流電機來說，勵磁系統是獨立的，所以只要對電樞反應的補償合適，保持 不變m是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通是定子和轉子合成產生的。三相異步電動機每相電動勢的有效值是：(2-6)mkNfE111144. 4式中：氣隙磁通在定子

31、每相中感應電動勢有效值，單位為 V；1E 定子頻率，單位為 Hz；1f定子每相繞組串聯匝數；1N定子基波繞組系數；1k每極氣隙磁通量，單位為 Wb；由公式可知，只要控制好和，便可m1E1f以控制磁通中不變，需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況；m1)基頻以下調速當電源頻率在基頻以下調速時，電動機轉速下降，但在調節電源頻率的同1f時，必須同時調節電動機的定子電壓，且始終保持常數，否則電動機無1U11/ fU常工作。這是因為三相異步電動機定子繞組相電壓，當mNfEU111144. 4下降時，若不變，則必使電動機每極磁通增加，在電動機設計時，處1f1Umm于磁路磁化曲線的膝部，的增加將進入

32、磁化曲線飽和段，使磁路飽和，電動機m空載電流劇增，使電動機負載能力變小，而無常工作。為此，電動機在基頻以下調速時，應使恒定不變。所以，在頻率下調的同時應使電動機定子相電壓隨m之下調，并使常數。可見，電動機額基頻以下的調速為恒磁通NNfUfU1111/調速，由于不變，調速過程中電磁轉矩不變，屬于恒轉矩m22cosNmTICT調速。2)基頻以上調速 當電源頻率在基頻以上調節時，電動機的定子相電壓是不允許在額定相電1f壓以上調節的，否則會危與電動機的絕緣。所以，電源頻率上調時，只能維持電動機定子相電壓不變。于是，隨著升高將下降，但上升，故屬于恒功nU11fmn10 / 56率調速。 把基頻以下和基頻

33、以上兩種情況合起來，可得到異步電動機的變頻調速控制特性，如圖 2-7 所示。如果電動機在不同的轉速下都具有額定電流，則電動機都能在溫升容許的條件下長期運行，這時轉矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉矩調速”的調速，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調速” 。恒轉距調速恒功率調速1UmnU1mn1Umonf11f圖 2-7 異步電動機變頻調速控制特性2.3 電動機變頻調速的機械特性2.3.1 =常數時的變頻調速機械特性11/ fU下面來分析機械特性中的三個特殊點，并由此來決定機械特性。同步點：由，則，下調，隨之下降。111/60pfn 11fn 1f1n最大轉矩點：由 c=常數，=常數，而臨

34、界轉差率mT2121/ fU，臨界轉速降常121222/12/fLfRxRSm112121/602/pfLfRnSnmm數。因此，在不同頻率下，最大轉矩保持不變，且對應于最大轉矩的轉速降也不變。所以其機械特性基本上是平行的。但當下調過低時，因也很低，此時定1f1U子電阻上的壓降已不能再忽略，而使、下降更嚴重，電動機的將1R11RI1EmmT變小。起動轉矩點電動機起動轉矩。所以起動122122122221221/1/)(/fxfRCUxRfRCUTst轉矩隨頻率下降而增加。由此可畫出=常數時，三相異步電動機變頻調速特11/ fU性如圖 2-8 所示：11 / 561n2n3nNnn321ffff

35、NTNf1f2f3fo圖 2-8 三相異步電動機=常數變頻調速機械特性11/ fU2.3.2 的變頻調速機械特性NUU11同步點：由，則，當調高時，隨之上升。最大轉矩111/60pfn 11fn 1f1n點：由，當調高時，減小。起動轉2122212121/14/2/fLfCUxfCUTNNst1fmT矩點： ，當調高時，起動轉矩大大減小。此時電動機機械特性如圖31/1 fTst1f2-9 所示：n1n2n3nNnNf1f2f3fToNffff123如圖 2-9 電動機機械特性12 / 56第 3 章 變頻器三相異步電動機變頻調速所用的變頻電源有兩種，一種是變頻機組，另一種是靜止的變頻裝置變頻器

36、。前者由直流電動機和交流發電動機組成，調節直流電動機轉速就能改變交流發電動機的頻率，由于變頻機組設備龐大，可靠性差。隨著現代電力電子技術的飛速發展，靜止式變頻器已完全取代了早期的旋轉變頻機組。3.1 變頻器的分類按變頻的原理有交交變頻器和交直交變頻器。前者是將頻率固定的交流電源變換成頻率連續可調的交流電源，其主要優點是沒有中間環節，變換頻率高，但其連續可調的頻率圍較窄，一般在 ，故主要用于容量較大2/011Nff 的低速拖動系統中。后者是將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經過逆變電路，把直流電逆變成頻率連續可調的三相電流。由于把直流電逆變成交流電較易控制，因此在頻率的調節圍、變頻后電動機特性

37、的改善等方面都具有明顯的優勢，目前使用最多的變頻器均為交直交變頻器。根據直流環節的儲能方式不同，交直交變頻器又分為電壓型和電流型兩種。 電壓型變頻器是指變頻器整流后是由電容來濾波，現在使用的交直交變頻器大部分為電壓型變頻器。電流型變頻器是指變頻器整流后是由電感元件來濾波，目前少見。13 / 56根據調壓方式不同，交直交變頻器又分成脈幅調制型和脈寬調制型兩種。脈幅調制是指變頻器輸出電壓大小是通過改變直流電壓大小來實現的，常用 PAM表示。這種調壓方式很少使用。脈寬調制是指變頻器輸出電壓大小是通過改變輸出脈沖的占空比來實現的，常用 PWM 表示。目前使用最多的占空比按正弦規律變化的正弦脈寬調制，即

38、 SPWM 方式。3.2 變頻器的主電路 變頻器的主電路包括整流電路、濾波與限流電路、直流中間電路、逆變電路和能耗制動電路等部分組成，其中整流電路和逆變電路是很重要的兩部分，下面簡單介紹一下整流電路和逆變電路。1)整流電路 一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它的主要作用是對工頻的外部電源進行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式，可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進行平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質量較高的直流電源。此外，由于電動機制動的需要，在直流中間電路中有時還包括制動電阻以與其它輔助電路。2)逆

39、變電路逆變電路是變頻器主要的部分之一。它是利用六個半導體開關器件組成的三相橋式逆變電路，有規律的控制逆變器中的主開關元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出。由于逆變器的負載為異步電動機，屬感性負載，無論電動機處于拖動狀態還是發電制動狀態，變頻器功率因素總不會為 1。因此，在直流環節和電動機之間總會有無功功率的交換，這種無功能量就靠這之間直流環節的儲能元件來緩沖。它的主要作用是在控制電路的控制下，將平滑電路輸出的直流電源轉換為頻率和電壓都任意可調的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實現對異步電動機的調速控制。3.3 變頻器的控制電路變頻器控制電路包括主控制電路、信號檢測電路

40、、門極驅動電路、外部接口電路以與保護電路等幾個部分，是變頻器的核心部分。控制電路的優劣決定了變頻器性能的優劣。控制電路的主要作用是完成對逆變器開關控制、對整流器的電壓控制以與完成各種保護功能。14 / 563.4 脈寬調制型(PWM)變頻器1) 在一般的交直交變頻器供電的變壓、變頻調速中，為獲得變頻調速所要求的變頻與變壓的協調控制，整流器必須是可控整流，這樣在變頻調速時要同時控制整流器和逆變器，這就帶來一系列的問題。首先是主電路中有兩個可控功率環節，這樣使系統比較復雜；第二由于中間環節存在動態元件，使系統的動態響應緩慢；第三由于整流器是可控的，使控電電源的功率因數隨變頻裝置輸出頻率的降低而變差

41、，并產生高次諧波電源；第四逆變器輸出為六拍階梯波交變電壓，在拖動電動機中形成較多的各次諧波，從而產生較大的脈動轉矩，影響電動機的穩定工作，低速時尤為嚴重。為解決上述問題，采用脈沖寬度調制(PWM)控制方式。圖 3-1 為 PWM 逆變器示意圖，在該逆變器電路中，同時進行輸出電壓幅值與頻率的控制，滿足變頻調速對電壓與頻率協調控制的要求。這樣，首先使主電路只有一個可控的功率環節，簡化了結構；第二使用了不可控整流器，使電網功率因數與逆變器輸出電壓的大小無關而接近 1；第三逆變器在調節的同時實現調壓，而與中間直流環節的元件參數無關，加快了系統的動態響應；第四可獲得比常規六拍階梯波更好的輸出電壓波形，能

42、抑制或消除低次諧波，使負載電動機可在近似正弦波的交變電壓下運行，轉矩脈沖小，大大擴展了拖動系統的調速圍，提高了系統性能。M3整流器逆變器PWMCfU /調調UfU圖 3-1 PWM 逆變器組成2) 脈寬調制器的基本工作原理脈寬調制是將輸出電壓分解成很多的脈沖，調頻時控制脈沖的寬度和脈沖間的間隔時間就可控制輸出電壓的幅值，如圖 3-2 所示。從圖中可以看到，脈沖的寬度越大，脈沖的間隔越小，輸出電壓的平均值就越大。為了說明、和1t2t1t2t電壓平均值之間的關系，我們引入了占空比的概念。所謂占空比是指脈沖寬度與一個脈沖周期比值，用表示，即。)/(211ttt因此，可以說輸出電壓的平均值與占空比成正

43、比，調節電壓輸出就可以演化為調節脈沖的寬度，所以稱為脈寬調制。圖 3-2a 為調制前的波形，電壓周期為，圖 3-2b 為調制后的波形，電壓周期為。與 a 圖相比，b 圖的電壓周期增NTXT15 / 56大(也就是說頻率降低)，電壓脈沖的幅值不變，仍為，而占空比則減小，故DNU平均電壓降低。uu1t2tDNU0NTtt01t2tDNUXTa )b)a) 調制前的波形 b) 調制后的波形圖 3-2 脈寬調制的輸出電壓由于變頻器的輸出是正弦交流電，即輸出電壓的幅值是按正弦波規律變化，因此在一個周期的占空比也必須是變化的，也就是說在正弦波的幅值部分，取大一些，在正弦波到達零處，取小一些，如圖 3-3

44、所示。可以看到這種脈寬調制，其占空比是按正弦規律變化的，故這種調制方法叫正弦波脈寬調制，即SPWM。ut0T圖 3-3 正弦波脈寬調制的輸出電壓SPWM 的脈沖系統中，各脈沖的寬度 t1和脈沖的間隔 t2都是變化的。為了說明其調制原理，見圖 3-4 PWM 逆變器簡單原理圖，圖中 V1V6為絕緣柵雙極晶體管，由他們的交替切換來獲得交流信號的輸出。當 V1導通時，在 A 相負載上得到的電壓與 V2導通時在 A 相負載上得到的電壓方向相反。因此，V1、V2的輪流導通就可得到 A 相交流電壓的正、負半周。同時，其他管子的導通亦可得到三相交流16 / 56電的 B 相和 C 相。在變頻器中，V1、V2

45、的導通、截止是由調制波和載波的交點來決定的。在這里，把希望得到的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過對載波的調制得到期望的 PWM 波形。2/dUV1V6V2V3V4V5ABC 0調制電路raurburcu2/dUdU圖 3-4 PWM 逆變器簡單原理圖3) 單極性 SPWM在單極性的調制方式中，調制波為正弦波 載波為單極性的等三角形 ，即調rau1u制波為正半周時，載波為正極性的三角波，調制波為負半周時，載波為負極性的三角波，如圖 3-5 所示(僅畫出了正半周)。V1、V2的導通、關斷條件可用表 3-5表示(以 A 相為例)。正半周trauuV1 導通V2截止正半周trauuV1

46、關斷V2截止負半周trauuV2 導通V1截止負半周trauuV2關斷V1截止表 3-5 單極性 SPWM 調制規律a 當 時，逆變管 V1、V2導通，決定了 SPWM 系列脈沖的寬度 ；當 時，V1導通，V2截止，輸rautuAOu出為正，即為的正脈沖寬度； 時，V2導通，V1截止， 輸出為負，即為AOurautuAOu的負脈沖寬度，見圖 3-7b 同理可畫出 、 的輸出波形，見圖 3-7c 與圖 3-AOuBOuCOu7d。 b 調制波 和載波 的交點決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系rutu列也是雙極性的，如圖 3-7b 所示。由于線電壓 =-，所以線電壓的脈沖是單ABuAOuB

47、Ou18 / 56極性的，如圖 3-7e 所示。c 逆變橋在工作時，同一橋臂的兩只管子不停地交替導通、關斷而流過負載電流是按現電壓規律的交變電流。ruturaurburcutuAOu2/dU2/dUBOuCOuwtwtwtwtwtBOAOABuuudUabcde)2/dU2/dU2/dU2/dU圖 3-7 雙極性 SPWM 調制波形第 4 章 可編程序控制器4.1 概述4.1.1 可編程控制器的產生隨著社會的發展，科技的進步，新的控制器件與其控制系統不斷的涌現。1968 年美國通用汽車公司(GM)公開招標研制功能更強，使用更方便，價格便宜，可靠性更高的新型控制器。一年后美國數字設備公司(DEC

48、)根據 GM 公司的招標要求，研制成功世界上第一臺可編程序控制器，型號 PDP-14，并在 GM 公司汽車生產線上首次應用成功。這就較好地把繼電接觸控制簡單易懂，使用方便、價格低等優點與計算機功能完善、靈活性強、通用性好的優點結合起來，并將繼電接觸19 / 56控制的硬連線邏輯轉變為計算機的軟件邏輯編程的設想逐步變成為現實。當時人們把第一臺可編程控制器叫做可編程序邏輯控制器 PLC，只是用來取代繼電接觸控制，僅有執行繼電器邏輯、定時、記數等較少的功能。 20 世紀 70 年代中期出現了微處理器和微型計算機，人們把微型計算機應用到可編程控制器中，使得它兼有計算機的一些功能，不但用邏輯編程取代了硬

49、連線邏輯，還增加了運算、數據傳送與處理與對模擬量進行控制等功能，使之真正成為一種電子計算機工業控制設備。1980 年美國電氣制造協會簡稱 NEMA)把這種新的控制設備正式命名為可編程程序控制器(Programmable Controller 簡稱 PC)。但為了與個人計算機的專稱PC 相區別，故常常把可編程序控制器簡稱為 PLC。4.1.2 可編程序控制器的主要功能近年來 PLC 把自動化技術、計算機和通信技術融為一體。它可完成以下主要功能：1)邏輯控制 2）定時控制 3)記數控制 4)步進控制 5)A/D、D/A 轉換 6)數據處理 7)通信與聯網 8)對控制系統監控 可以預料，隨著科學技術

50、的不斷發展，PLC 的功能也會不斷拓寬和增強。4.1.3 PLC 的主要優點1) 編程簡單 PLC 的基本指令不多；編程器的使用簡便；對程序進行增減、修改和運行監視很方便。2) 可靠性高 PLC 是專門為工業控制而設計的，在設計與制造過程中均采用了諸如屏蔽、濾波、隔離、無觸點、精選元器件等多層次有效的抗干擾措施。此外，PLC 還具有很強的自診斷功能，可以迅速方便地檢查判斷出故障，縮短檢修時間。3) 通用性好 PLC 品種多，檔次也多，可由各種組件靈活組合成不同的控制系統，以滿足不同的控制要求。同一臺 PLC 只能改變軟件則可實現控制不同對象或不同的控制要求。在構成不同的 PLC 的控制系統時，

51、只需在 PLC 的輸入輸出端子上接上不同的相應的輸入輸出信號，PLC 就能接收輸入信號和輸出控制信號。4) 功能強 PLC 具有很強的功能，能進行邏輯、定時、計數和步進等控制，能完成 A/D 與 D/A 轉換、數據處理和通信聯網等功能。而且 PLC 技術發展很快，功能不斷增強，應用領域會更廣。5) 使用方便 PLC 體積小，重量輕，便于安裝。PLC 編程簡單，編程器使用簡便。PLC 自診斷能力強，能判斷和顯示出自身故障，使操作人員檢查判斷故障方便迅速，而且接線少，維修時只需更換插入式模塊，維護方便。修改程序和監視運行狀態也容易。6) 設計、施工和調試周期短 PLC 在許多方面是以軟件編程來取代

52、硬件接線，用 PLC 構成的控制系統比較簡單，編程容易，安裝使用方便，目前的 PLC 已商品20 / 56化，硬件軟件較齊全，為模塊化積木式結構，不需要很多配套的外圍設備和大量的復雜的接線，程序調試修改也很方便。因此可大大縮短 PLC 控制系統的設計、施工和投產周期。從上述 PLC 的功能特點可見，在許多方面可以取代繼電接觸控制。但是 PLC也有其缺點：目前價格還比較高；工作速度比計算機慢；使用中檔和高檔 PLC，要求使用者具有相當的計算機知識；PLC 制造廠家和 PLC 品種類型很多，而指令系統和使用方法不盡一樣，這給用戶帶來不便。4.2 PLC 的應用與發展和系統組成目前 PLC 廣泛應用

53、于汽車制造、石油、化工、冶金、輕工、機械、電力等各行各業，實現邏輯、步進、數字、機器人、模擬量等的自動控制。我國研制與應用 PLC 起步較晚，1973 年開始研制，1977 年開始應用，20 世紀 80 年代初期以前發展較慢，20 世紀 80 年代隨著成套設備或專用設備引進了不少 PLC。近幾年來國外 PLC 產品大量進入我國市場，我國已有許多單位在消化吸收引進 PLC 技術的基礎上，仿制或研制 PLC 產品。20 世紀 80 年代中后期，我國開發應用 PLC 技術發展迅速，目前 PLC 發展方向主要是朝著小型化、廉價化、標準化、系列化、智能化、高速化、大容量化、網絡化方向發展，這將使 PLC

54、 功能更強，可靠性更高，使用更方便，適用面更廣。PLC 是一種通用的工業控制裝置，其組成與一般的微機系統基本一樣。按結構形式的不同，PLC 可分為整體式和組合式。1)中央處理單元 (CPU) 中央處理單元一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片，CPU 通過數據總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入/輸出接口電路相連接。它是 PLC 的運算、控制中心。2)存儲器 根據存儲器在系統中的作用，可以把它們分為以下 3 種：a 系統程序存儲器 b 用戶程序存儲器 c 工作數據存儲器 3) I/O 單元I/O 單元也稱為 I/O 模塊。PLC 通過 I/O 單元與工業生產過程現場相聯

55、系。輸入單元接收用戶設備的各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關以與其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉換成中央處理器能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運行時 CPU 從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進行處理，將處理結果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點對應的觸發器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉換成現場需要的強電21 / 56信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器、指示燈被控設備的執行元件。4)電源部分 PLC 一般使用 220V 的交流電源，部的開關電源為 PLC 的中央處理器、存儲器等電路提供 5V，+12V，+24V 的直流電源，使 PLC 能正

56、常工作，電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結構的 CPU，通常電源封裝到機殼部：對于模塊式PLC，有的采用單獨電源模塊，有的將電源與 CPU 封裝到一個模塊中。5) 擴展接口 擴展接口用于將擴展單元以與功能模塊與基本單元相連，使 PLC 的配置更加靈活以滿足不同控制系統的需要。6) 通信接口 為了實現“人一機”或“機一機”之間的對話，PLC 配有多種通信接口。PLC通過這些通信接口可以與監視器、打印機和其他的 PLC 或計算機相連。 當 PLC 與打印機相連時，可將過程信息、系統參數等輸出打印；當與監視器 (CRT)相連時，可將過程圖像顯示出來；當與其他 PLC 相連時，可以組成多機系統或

57、連成網路，實現更大規模的控制；當與計算機相連時，可以組成多級控制系統，實現控制與管理相結合的綜合性控制。7)編程器 編程器的作用是提供用戶進行程序的編制、編輯、調試和監視。編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯機編程，且往往需要將體形圖轉化為機器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發光二級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯機編程，也可以脫機編程，具有 LCD 或 CRT 圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。還可以利用 PC 作為編程器，PLC 生產廠家配有相應的編程軟件，使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序

58、功能圖程序，井可以實現不同編程語言的互相轉換。程序被下載到 PLC，也可以將 PLC 中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網絡，還可以實現遠程編程和傳送。現在已有些 PLC 不再提供編程器，而且提供微機編程軟件了，并且配有相應的通信連接電纜。4.34.3 PLCPLC 的工作原理、抗干擾分析與設計的工作原理、抗干擾分析與設計PLC 的 CPU 采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，PLC 采用的是不同于一般微型計算機的運行方式一掃描技術，PLC 掃描用戶程序的時間一般均小于100。PLC 的掃描工作過程一般分為 3 個階段 1)輸入采樣階 2)用戶程序執行階段 3)輸出刷新階段。完成上

59、述 3 個階段稱作 1 個掃描周期。在整個22 / 56運行期間，PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復執行上述 3 個階段。隨著科學技術的發展，PLC 在工業控制中的應用越來越廣泛。PLC 控制系統的可靠性直接影響到工業企業的安全生產和經濟運行，系統的抗干擾能力是關系到整個系統可靠運行的關鍵。PLC 控制系統的干擾源大都產生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源。它主要的干擾有：(1)空間的輻射干擾(2)系統外引線的干擾(3)電源的干擾 (4)信號線引入的干擾 (5) 接地系統混亂時的干擾 (6)來自 PLC 系統部的干擾 為了保證系統在工業電磁環境中免受或減少外電磁

60、干擾，必須從設計階段開始便采取三個方面抑制措施：抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑和提高裝置和系統的抗干擾能力。這三點就是抑制電磁干擾的基本原則。 PLC 控制系統的抗干擾是一個系統工程，要求制造單位設計生產出具有較強抗干擾能力的產品，且有賴于使用部門在工程設計、安裝施工和運行維護中予以全面考慮，并結合具有情況進行綜合設計，才能保證系統的電磁兼容性和運行可靠性。主要抗干擾措施 1)采用性能優良的電源，抑制電網引入的干擾 2) 電纜選擇的敖設 3) 硬件濾波與軟件抗干擾措施 4) 正確選擇接地點，完善接地系統第 5 章 調速控制系統設計和部件選型5.1 概述5.1.1 橋式起重機拖動系統的