桥式起重机的变频调速系统毕业设计.doc

xxxxx 等专科学校 毕毕业业设设计计论论文文 论文题目:桥式起重机的变频调速系统设计 系 部： 专 业： 班 级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2012 年 12 月 12 日 河南机电高等专科学校毕业设计论文 i 摘 要 电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲 60 年代采用发电机电机系统。 从控制电阻分级控制，到交磁放大控制，到可控硅 scr 激磁控制，到主回路可控 硅即晶闸管整流供电系统。随着电子技术的飞速发展，集成模块出现，计算机、 微处理器应用，因此控制从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。 从交流驱动来讲：常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物 下放时的低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转 子反馈控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术 的发展，国内外开发研制变频调速，plc 可编程序控制器的应用控制系统的性能 更加完美。 本次设计采用 plc 和变频器技术，以 plc 控制变频器，即以程序控制取代 继电接触器控制，控制变频器实现变频调速，设计出 plc 控制的桥式起重机的 变频调速系统，进而实现了起重机的半自动化控制。 关键词：plc 桥式起重机 矢量控制 abstract electric speed control method are many, the dc drive speaking in the s the generator - machine 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, computer, 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 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 domestic and foreign development frequency control, plc programmable controller to control the application of the performance of the system more perfect this design uses plc and frequency converter technology, plc control frequency converter, namely to program control instead of relay, contactor 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. 河南机电高等专科学校毕业设计论文 ii key words：programmable logic controller bridge crane vector control 河南机电高等专科学校毕业设计论文 目 录 摘 要i abstract.i 绪 论.1 第 1 章 桥式起重机介绍.4 1.1 国内外发展概况.4 1.2 传统桥式起重机控制系统的特点和存在的问题.5 第 2 章 调速系统介绍.7 2.1 电动机的调速指标.7 2.2 变频调速的基本原理.8 2.3 电动机变频调速的机械特性10 第 3 章 变频器.12 3.1 变频器的分类.12 3.2 变频器的主电路12 3.3 变频器的控制电路13 3.4 脉宽调制型(pwm)变频器13 第 4 章 可编程序控制器.18 4.1 概述.18 4.2 plc 的应用与发展和系统组成19 4.3 plc 的工作原理、抗干扰分析及设计21 第 5 章 调速控制系统设计和部件选型.22 5.1 概述.22 5.2 采用变频调速的基本考虑.23 5.3 桥式起重机变频调速控制系统.27 第 6 章 桥式起重机变频调速系统软件设计.30 6.1 s7-200plc 网络的通信协议30 6.2 plc 程序设计30 展 望.35 致 谢.37 参考文献.38 附 录.39 电气图纸.39 plc 源程序41 河南机电高等专科学校毕业设计论文 1 绪 论 桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位，经过 几十年的发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用 维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但 在实际使用中，传统桥式起重机的控制系统所采用交流绕线转子串电阻的方法进 行启动和调速，继电接触器控制，在工作环境差，工作任务重时，电动机以及 所串连电阻烧损和断裂故障时有发生；继电接触器控制系统可靠性差，操作复 杂，故障率高；转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不 理想。所串连电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要从根本上解决这些问题， 只有彻底改变传统的控制方式。 近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，同时也带动电气传动 和自动控制领域的发展。其中，具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器 获得了广泛的应用，为 plc 控制的变频调速技术在桥式起重机系统提供了有利条 件。变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起 重机控制系统存在诸多的问题，变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节 能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景。 本次设计采用 plc 和变频器技术，以 plc 控制变频器，即以程序控制取代继 电接触器控制，控制变频器实现变频调速，设计出 plc 控制的桥式起重机的变 频调速系统，进而实现了起重机的半自动化控制。此系统特别适用于桥式起重机 在恶劣条件下的工作情况，对改善桥式起重机的调速性能，提高工作效率和功率 因数，减小起制动冲击以及增加起重机使用的安全可靠性是非常有益的。 如果说以第一个晶闸管的出现作为交流电动机变频调速的起点，可以认为它 的发展历史己 40 多年了。而变频调速技术真正高速发展时期，应该是在 pwm 调 制技术的出现和微机控制技术发展之后。特别是最近 20 年来，随着交流调速技 术的应用普及，交流变频调速在化工、火电厂、矿山、油田、机械制造、城市建 设、水处理、甚至家电等行业己经全面推广使用，一般主要用于节能及控制。随 着变频技术的普及和深入，以及国际、国内电器设备使用的有关标准意识的强化， 电力系统行业和用户对变频技术的质量要求也越来越高。变频调速的发展趋势主 要围绕下面几个方而展开。 1) 高性能的智能控制变频器 380v 系统的低压变频器是国内的主要研究对象，应用交流调速的基本理论， 结合神经网络控制、鲁棒控制、模糊控制，或其他智能控制等手段，实现电机运 河南机电高等专科学校毕业设计论文 2 行参数的自动辨识，以期达到自适应、自调整的最优控制。 2) 速度传感器研究 从前面所述的各种变频调速的理论可知，一般系统都要用到转速传感器。在 实际使用中，由于变频设备和被控电动机有一定的距离，而高精度的转速传感器 都要使用专门的电源，被控电动机有的是在户外，运行工况非常恶劣，要保证速 度反馈的准确性，有时不得不采取特别措施，因此也会增加额外费用，运行的可 靠性和控制精度也会因此受到影响。无速度传感器的变频调速系统，是通过现场 采集的电流电压量，以及控制的实施策略，综合出被控电机的实际转速。这种控 制方案要求计算机的控制速度较高，并有足够的精度。 3) 针对功率因数提高和谐波污染的研究 低压变频调速系统的控制虽然己经是非常成熟了，但目前国际、国内的产品， 一般都是矢量控制和直接转矩控制，重点放在电机变频控制理论的实现和完善上， 而对变频器的输出波形、功率因数，以及谐波污染等问题还没有引起足够的重视。 最近 10 多年来，国外在这一领域己有较深入的研究。有的针对功率因数，有的 强调输出波形。多重化技术就是为了解决输出波形问题。最近几年的研究表明， 利用 pwm 输出控制解决谐波输出问题，是比较理想的方法，它可以省去多重化中 的变压器，或过多的开关元器件，使变频器的体积和重量减少，但这种方法不能 解决所有谐波的消除问题，只能部分消除特定谐波。这方面的研究论文还不多， 也还没有成熟的类似低压变频器的产品出现。 4) 高压变频器的研究 变频器的主要作用之一是节能。而高压电动机的节能效果是比较明显的，大 功率的风机和水泵用电动机一般都是高压电动机。国内，高压变频调速和它的节 能控制还是一个比较薄弱的环节.它主要是针对 610kv 的交流电动机进行变频调 速控制。这种高压电动机广泛应用于火力发电厂的送风机和引风机上。同样也可 用于其他如石油化工、矿山、冶炼、机械制造等行业的变频节能控制。从某种意 义上讲，由于目前国内还不能完全生产高质量的合格电力电子器件，而且，国外 低压变频器的性能价格比也比国内自己研究的变频器高得多。 随着电力电子技术最近 20 多年的飞速发展，功率半导体器件的成本逐年下 降，技术工艺和性能也得到不断改善.电力电子器件的应用己从传统的直流调速、 直流屏、斩波器等领域延伸到交流调速和电力系统的质量控制领域.并正朝着高 电压、大功率的方向发展.这也是千年之交和世纪之交我国电力电子技术应用的 发展趋势。 5) 无换向器同步电机的变频调速 无换向器电动机也是在 20 世纪 70 年代发展起来的新型调速系统。它是一种变频 调速同步电动机.也可以认为是一种用半导体电子开关线路代替换向器和电刷作 河南机电高等专科学校毕业设计论文 3 用的直流电动机。根据采用的控制方式不同.可分为直流无换向器电动机和交流 无换向器电动机。直流无换向器电动机采用交-直-交或直-交变频控制系统;交流 无换向器电动机采用交-交变频控制系统。近 10 年来.国内外杂志上有许多相关 的研究论文。而且，也有一定的成果出现。 河南机电高等专科学校毕业设计论文 4 第 1 章 桥式起重机介绍 1.1 国内外发展概况 电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲 60 年代采用发电机电机系统。 从控制电阻分级控制，到交磁放大控制，到可控硅 scr 激磁控制，到主回路可控 硅即晶闸管整流供电系统。随着电子技术的飞速发展，集成模块出现，计算机、 微处理器应用，因此控制从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。 从交流驱动来讲：常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物 下放时的低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转 子反馈控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术 的发展，国内外开发研制变频调速，plc 可编程序控制器的应用控制系统的性能 更加完美。目前国内外几种常用调速系统配置及其性能： l) dc-300 直流驱动调速系统：ge 公司 dc-300，dc-2000 是微处理器数字量 控制的直流驱动调速系统，其控制功率从 300hp 到 4000hp，并采用 plc 对整机驱 动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。 该驱动系统实施主回路 scr 整流，其控制是给定模拟量通过数模转换成数字 量，通过速度环、电流环到 scr 移现触发的逻辑无环流的调速系统。可用测速反 馈或电压反馈，对磁场弱磁，以实施恒功率控制。 2) 交流调速控制系统：对于起重机械来讲，交流驱动仍是国内普遍采用的 方案而且多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的发展， 早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目 前，该技术已进入了成熟稳定的发展应用阶段。日本安川电机制作所于 1972 年 就正式定为 vs 系列，应用于起重机及轧机辅助设备的交流调速。法国、英国、 德国等大电气公司亦在这方面展开了重点研制开发。借助电力电子技术、微电子 技术的发展，由分离元件发展到大规模集成电路，从而实现控制部件的微型组件 化、智能化、标准化、系列化，进而从模拟量控制发展到数字量控制。可编程序 控制器 plc 引入到交流电气传动系统后，使传动系统性能发生了质的变化。在桥 式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度。 3) 变频调速：变频调速技术是国际上各大电气公司在 70 年代末 80 年代投 入全力研制、开发，也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。这几年一 些公司如德国 siemens，美国 ge，日本三菱等推出全数字化的矢量控制技术，大 功率的 igbt 模块的出现使变频技术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。 河南机电高等专科学校毕业设计论文 5 目前，变频调速的控制方法有恒压频比控制，转差频率控制，矢量控制，直接转 矩控制等。这些控制方法都得到了不同程度的应用，但其控制性能有一定的差异。 直流电动机之所以与有良好的控制性能，其根本原因是当励磁电流恒定时， 控制电枢电流的大小就能无时间滞后的控制瞬时转矩的大小。异步电动机产生瞬 时转矩的原理虽然与直流电动机相同，但由于建立气隙磁场的励磁分量和电磁转 矩所对应装置电流有功分量都应包含在定子电流中，无法直接将它们分开，在运 行过程中，这两个分量有会互相影响。因此要控制异步电动机的瞬时转矩十分困 难。像采用恒压频比控制、转差频率控制的变频调速系统由于是从控制电动机的 平均转矩的角度出发来控制电动机的转速，因而难以获得较理想的动态性能，异 步电动机在高精度调速系统和伺服系统中的应用受到限制。而矢量控制是从根本 上解决了这个问题，使交流调速系统的应用范围迅速扩大。 适用于通用的鼠笼式电动机，无速度传感器的矢量控制变频调速技术的应用， 该技术使变频控制装置不再配套专用电机，而且可通过软件对一般的鼠笼式电机 矢量控制装置实施参数调整，进一步降低电气电机的投资而且维护保养方便。 变频器使用 pwm 技术可严格地使输入电流正弦，即在下降过程各机1cos 械减速制动中，将动能和位能转化为电能反馈电网，达到理想的节能指标，同时 确保工况正常运行，上述发展己完成了产品系列化上市，对 “变频”装置在技 术上以及经济上与其他驱动装置竞争将有明显的优势。同时随着 plc 系统的不断 成熟与完善，以及大容量变频器在位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成 为未来调速市场的主流。 1.2 传统桥式起重机控制系统的特点和存在的问题 桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位，经过 几十年的发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用 维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但 在实际使用中，结构开裂仍时有发生。究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机 械振动冲击所引起的机械疲劳。因此，除了机械上改进设计外，改善交流电气传 动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。由于传统桥式起重机的电控系统 采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频繁，振动剧烈，因此电气 控制上应采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。 传统的起重机驱动方案一般采用：（1）直接起动电动机；（2）改变电动机 极对数调速；（3）转子串电阻调速；（4）涡流制动器调速；（5）可控硅串级 调速；（6）直流调速。前四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行， 河南机电高等专科学校毕业设计论文 6 只能在额定速度以下调速：起动电流大，对电网冲击大；常在额定速度下进行机 械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重；功率因数低，在空载或轻 载时低于 0.20.4，即使满载也低于 0.75，线路损耗大。可控硅串级调速虽克服了 上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲 击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控 制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，所 以有时采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率 高。 由于传统桥式起重机的电控系统通常采用转子回路串接电阻进行有级调速， 尽管起动性能与调速性能较交流鼠笼型电动机有很大改善，但由于采用有级调速， 依然存在以下问题： 1)控制档位较多时，控制电路复杂，系统的故障率较高； 2)在换档时依然存在电流与转矩冲击，重载情况下尤为突出； 3)低速定位时由于采用“倒拉反接制动”运行方式，转子中串入了较大电阻 导致机械特性变得很软，低速定位困难； 4)能量损耗大，特别是重载低速时的损耗尤其严重 河南机电高等专科学校毕业设计论文 7 第 2 章 调速系统介绍 调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。这是 生产机械经常向电动机提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作 效率和产品的质量。 2.1 电动机的调速指标 1) 调速范围 电动机在额定负载(电流为额定值)情况下所能得到的最高转速与最低转速之比称 为调速范围，用 d 表示，即 (2-1) minmax min max :nn n n d 2) 调速方向 调速方向指调速后的转速比原来的额定转速(基本转速)高还是低。若比基本 转速高，称为往上调，比基本转速低，称为往下调。 3) 调速的平滑性 调速的平滑性由一定范围内能得到的转速级数来说明。级数越多，相邻两转 速的差值越小，平滑性越好。如果转速只能跳跃式的调节，例如只能从 3000r/min 一下调节到 1500r/min，在又调节到 1000 r/min 等，两者之间的转速无法得到，这 种调速称为有级调速。如果在一定的调速范围内的任何转速都可以得到则称为无 级调速。无级调速的平滑性当然就比有级调速好。 平滑的程度可用相邻两转速之比来衡量，称为平滑系数，即 (2-2) 1 i i n n 越接近于 1，平滑性越好。无级调速时=1，平滑性最好。 4) 调速的稳定性 调速的稳定性是用来说明电动机在新的转速下运行时，负载变化而引起转速 变化的程度，通常用静差率来表示。其定义为：当系统在某一转速下运行时，负 载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降-与理想空载转速之比，即 0 nn 0 n 河南机电高等专科学校毕业设计论文 8 (2-3) %100s 0 0 n nn s 越小，稳定性越好。 静差率与机械特性的硬度有关。机械特性的硬度的定义为 (2-4) n t dn dt 越大，转矩变化时，变化的程度就越小，机械特性就越硬，静差率就越小，n 稳定性就越好。静差率还与理想空载转速的大小有关。例如两条平行的机械特 0 n 性硬度相同，在静差率公式中的-相同，由于不同，他们的 s 就不同，大 0 n n 0 n 0 n 的，s 小，小的，s 就大。 0 n 生产机械在调速时，为保持一定的稳定性会对静差率提出一定的要求。静差 率还会对调速范围起到制约的作用，因为如果调速时所得到的最低转速下的 s 太 大，则该转速性太差，便难以满足生产机械的要求。 5) 调速时的允许负载 电动机在各种不同转速下满载运行时，如果允许输出的功率相同，则这种调 速方法称为恒功率调速；如果允许输出的转矩相同，则这种调速的方法称为恒转 矩调速。 不同的生产机械对此的要求往往不同。例如切削机床，要求精加工小切削量 时，工件转速高，粗加工大切削时，工件转速低。因此，它希望电动机能具有恒 功率调速的性能。另一类生产机械，例如起重机、卷扬机等则要求电动机在各种 转速下都能输出同样的转矩，因此，它希望电动机具有恒转矩调速的性能。 2.2 变频调速的基本原理 根据异步电机的知识，异步电机的转速公式为： (2-5) )1( 60 s p f n 其中：异步电动机的转速，单位为 r/min；n 定子的电源频率，单位为 hz；f 电机的转速滑差率；s 电机的极对数。p 三相异步电动机的调速方法可分为两大类：一类是通过改变同步转速来改 0 n 变转速，具体方法有变极调速(改变)和变频调速(改变)；另一类是通过改变np f 转差率 来实现调速，这就需要让电动机从固有特性上运行改为人为特性上运行，s 河南机电高等专科学校毕业设计论文 9 具体方法有变压调速(改变)，转子电路串电阻调速(改变)，等等。由上式可 1 u2r 知，如果改变输入电机的电源频率，则可相应改变电机的输出转速。f 在电动机调速时，一个重要的因素时希望保持每极磁通量为额定值不变。 m 磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通 饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流 电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持 不变 m 是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的。 三相异步电动机每相电动势的有效值是： (2-6) m knfe 1111 44 . 4 式中：气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为 v； 1 e 定子频率，单位为 hz； 1 f 定子每相绕组串联匝数； 1 n 定子基波绕组系数； 1 k 每极气隙磁通量，单位为 wb；由公式可知，只要控制好和， m 1 e 1 f 便可以控制磁通中不变，需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况； m 1) 基频以下调速 当电源频率在基频以下调速时，电动机转速下降，但在调节电源频率的同 1 f 时，必须同时调节电动机的定子电压，且始终保持常数，否则电动机无 1 u 11/ f u 法正常工作。这是因为三相异步电动机定子绕组相电压， m nfeu 1111 44. 4 当下降时，若不变，则必使电动机每极磁通增加，在电动机设计时， 1 f 1 u m 处于磁路磁化曲线的膝部，的增加将进入磁化曲线饱和段，使磁路饱和， m m 电动机空载电流剧增，使电动机负载能力变小，而无法正常工作。为此，电动机 在基频以下调速时，应使恒定不变。所以，在频率下调的同时应使电动机定 m 子相电压随之下调，并使常数。可见，电动机额基频以下的调 nn fufu 11 1 1 / 速为恒磁通调速，由于不变，调速过程中电磁转矩不变， m 22 cos nmt ict 属于恒转矩调速。 2) 基频以上调速 当电源频率在基频以上调节时，电动机的定子相电压是不允许在额定相电 1 f 压以上调节的，否则会危及电动机的绝缘。所以，电源频率上调时，只能维持电 河南机电高等专科学校毕业设计论文 10 动机定子相电压不变。于是，随着升高将下降，但上升，故属于恒功 n u1 1 f m n 率调速。 把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制 特性，如图 2-7 所示。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都 能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属 于“恒转矩调速”的调速，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速” 。 恒转距调速 恒功率调速 1 u m n u1 mn 1 u m o n f1 1 f 图 2-7 异步电动机变频调速控制特性 2.3 电动机变频调速的机械特性 2.3.1 =常数时的变频调速机械特性 11/ f u 下面来分析机械特性中的三个特殊点，并由此来决定机械特性。 同步点：由，则，下调，随之下降。 111 /60pfn 11 fn 1 f 1 n 最大转矩点：由 c=常数，=常数，而临界转差率 m t 2 1 2 1 / fu ，临界转速降常 121222 /12/flfrxrsm 112121 /602/pflfrnsn mm 数。因此，在不同频率下，最大转矩保持不变，且对应于最大转矩的转速降也不 变。所以其机械特性基本上是平行的。但当下调过低时，因也很低，此时定 1 f 1 u 子电阻上的压降已不能再忽略，而使、下降更严重，电动机的将 1 r 11r i 1 e m m t 变小。 起动转矩点 电动机起动转矩。所以起动 1 2 212 2 1 2 2 2 212 2 1 /1/)(/fxfrcuxrfrcutst 转矩随频率下降而增加。由此可画出=常数时，三相异步电动机变频调速特 11/ f u 性如图 2-8 所示： 河南机电高等专科学校毕业设计论文 11 1 n 2 n 3 n n n n 321 ffffn t n f 1 f 2 f 3 f o 图 2-8 三相异步电动机=常数变频调速机械特性 11/ f u 2.3.2 的变频调速机械特性 n uu 11 同步点：由，则，当调高时，随之上升。最大转矩 111 /60pfn 11 fn 1 f 1 n 点：由，当调高时，减小。起动转 2 12 2 2 121 2 1 /14/2/flfcuxfcut nnst 1 f m t 矩点： ，当调高时，起动转矩大大减小。此时电动机机械特性如图 3 1 /1ftst 1 f 2-9 所示： n 1 n 2 n 3 n n n n f 1 f 2 f 3 f t o n ffff 123 如图 2-9 电动机机械特性 河南机电高等专科学校毕业设计论文 12 第 3 章 变频器 三相异步电动机变频调速所用的变频电源有两种，一种是变频机组，另一种 是静止的变频装置变频器。前者由直流电动机和交流发电动机组成，调节直流电 动机转速就能改变交流发电动机的频率，由于变频机组设备庞大，可靠性差。随 着现代电力电子技术的飞速发展，静止式变频器已完全取代了早期的旋转变频机 组。 3.1 变频器的分类 按变频的原理有交交变频器和交直交变频器。前者是将频率固定的交 流电源变换成频率连续可调的交流电源，其主要优点是没有中间环节，变换频率 高，但其连续可调的频率范围较窄，一般在 ，故主要用于容量较2/0 11n ff 大的低速拖动系统中。后者是将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过逆变 电路，把直流电逆变成频率连续可调的三相电流。由于把直流电逆变成交流电较 易控制，因此在频率的调节范围、变频后电动机特性的改善等方面都具有明显的 优势，目前使用最多的变频器均为交直交变频器。根据直流环节的储能方式 不同，交直交变频器又分为电压型和电流型两种。 电压型变频器是指变频器整流后是由电容来滤波，现在使用的交直交变 频器大部分为电压型变频器。电流型变频器是指变频器整流后是由电感元件来滤 波，目前少见。 河南机电高等专科学校毕业设计论文 13 根据调压方式不同，交直交变频器又分成脉幅调制型和脉宽调制型两种。 脉幅调制是指变频器输出电压大小是通过改变直流电压大小来实现的，常用 pam 表示。这种调压方式很少使用。脉宽调制是指变频器输出电压大小是通过改变输 出脉冲的占空比来实现的，常用 pwm 表示。目前使用最多的占空比按正弦规律 变化的正弦脉宽调制，即 spwm 方式。 3.2 变频器的主电路 变频器的主电路包括整流电路、滤波及限流电路、直流中间电路、逆变电路 和能耗制动电路等部分组成，其中整流电路和逆变电路是很重要的两部分，下面 简单介绍一下整流电路和逆变电路。 1)整流电路 一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工 频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流 电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直流中间电路的 作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较 高的直流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制 动电阻以及其它辅助电路。 2)逆变电路 逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三 相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频 率的三相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属感性负载，无论电动 机处于拖动状态还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为 1。因此，在直流 环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠这之间直流环节的 储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流 电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输 出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。 3.3 变频器的控制电路 变频器控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口 电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变 频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电 压控制以及完成各种保护功能。 河南机电高等专科学校毕业设计论文 14 3.4 脉宽调制型(pwm)变频器 1) 在一般的交直交变频器供电的变压、变频调速中，为获得变频调速所要求 的变频与变压的协调控制，整流器必须是可控整流，这样在变频调速时要同时控 制整流器和逆变器，这就带来一系列的问题。首先是主电路中有两个可控功率环 节，这样使系统比较复杂；第二由于中间环节存在动态元件，使系统的动态响应 缓慢；第三由于整流器是可控的，使控电电源的功率因数随变频装置输出频率的 降低而变差，并产生高次谐波电源；第四逆变器输出为六拍阶梯波交变电压，在 拖动电动机中形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩，影响电动机的稳 定工作，低速时尤为严重。 为解决上述问题，采用脉冲宽度调制(pwm)控制方式。图 3-1 为 pwm 逆变 器示意图，在该逆变器电路中，同时进行输出电压幅值与频率的控制，满足变频 调速对电压与频率协调控制的要求。这样，首先使主电路只有一个可控的功率环 节，简化了结构；第二使用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压 的大小无关而接近 1；第三逆变器在调节的同时实现调压，而与中间直流环节的 元件参数无关，加快了系统的动态响应；第四可获得比常规六拍阶梯波更好的输 出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电动机可在近似正弦波的交变电压 下运行，转矩脉冲小，大大扩展了拖动系统的调速范围，提高了系统性能。 m 3 整流器逆变器 pwm c fu / 调 调 u f u 图 3-1 pwm 逆变器组成 2) 脉宽调制器的基本工作原理 脉宽调制是将输出电压分解成很多的脉冲，调频时控制脉冲的宽度和脉冲间 的间隔时间就可控制输出电压的幅值，如图 3-2 所示。从图中可以看到，脉冲的 宽度越大，脉冲的间隔越小，输出电压的平均值就越大。为了说明、和 1 t 2 t 1 t 2 t 电压平均值之间的关系，我们引入了占空比的概念。所谓占空比是指脉冲宽度与 一个脉冲周期比值，用表示，即。 )/( 211 ttt 因此，可以说输出电压的平均值与占空比成正比，调节电压输出就可以演化 为调节脉冲的宽度，所以称为脉宽调制。图 3-2a 为调制前的波形，电压周期为 ，图 3-2b 为调制后的波形，电压周期为。与 a 图相比，b 图的电压周期增 n t x t 河南机电高等专科学校毕业设计论文 15 大(也就是说频率降低)，电压脉冲的幅值不变，仍为，而占空比则减小，故 dn u 平均电压降低。 u u 1 t 2 t dn u 0 n t t t 0 1 t 2 t dn u x t a ) b) a) 调制前的波形 b) 调制后的波形 图 3-2 脉宽调制的输出电压 由于变频器的输出是正弦交流电，即输出电压的幅值是按正弦波规律变化， 因此在一个周期内的占空比也必须是变化的，也就是说在正弦波的幅值部分， 取大一些，在正弦波到达零处，取小一些，如图 3-3 所示。可以看到这种脉 宽调制，其占空比是按正弦规律变化的，故这种调制方法叫正弦波脉宽调制，即 spwm。 u t 0 t 图 3-3 正弦波脉宽调制的输出电压 spwm 的脉冲系统中，各脉冲的宽度 t1和脉冲的间隔 t2都是变化的。为了说 明其调制原理，见图 3-4 pwm 逆变器简单原理图，图中 v1v6为绝缘栅双极晶 体管，由他们的交替切换来获得交流信号的输出。当 v1导通时，在 a 相负载上 得到的电压与 v2导通时在 a 相负载上得到的电压方向相反。因此，v1、v2的轮 流导通就可得到 a 相交流电压的正、负半周。同时，其他管子的导通亦可得到三 相交流电的 b 相和 c 相。在变频器中，v1、v2的导通、截止是由调制波和载波 的交点来决定的。在这里，把希望得到的波形作为调制信号，把接受调制的信号 河南机电高等专科学校毕业设计论文 16 作为载波，通过对载波的调制得到期望的 pwm 波形。 2/ d u v1 v6v2 v3 v4 v5 a b c 0 调 制 电 路 ra u rb u rc u 2/ d u d u 图 3-4 pwm 逆变器简单原理图 3) 单极性 spwm 在单极性的调制方式中，调制波为正弦波 载波为单极性的等三角形 ，即调 ra u 1 u 制波为正半周时，载波为正极性的三角波，调制波为负半周时，载波为负极性的 三角波，如图 3-5 所示(仅画出了正半周)。v1、v2的导通、关断条件可用表 3-5 表示(以 a 相为例)。 正半周 tra uu v1 导通v2截止 正半周 tra uu v1 关断v2截止 负半周 tra uu v2 导通v1截止 负半周 tra uu v2 关断v1截止 表 3-5 单极性 spwm 调制规律 a 当 时，v1导通，v2截止， ra u t u 输出为正，即为的正脉冲宽度； 时，v2导通，v1截止， 输出为负，即 ao u ao u ra u t u ao u 为的负脉冲宽度，见图 3-7b 同理可画出 、 的输出波形，见图 3-7c 与图 3- ao u bo u co u 7d。 b 调制波 和载波 的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系 r u t u 列也是双极性的，如图 3-7b 所示。由于线电压 =-，所以线电压的脉冲是单 ab u ao u bo u 河南机电高等专科学校毕业设计论文 18 极性的，如图 3-7e 所示。c 逆变桥在工作时，同一桥臂的两只管子不停地交替导 通、关断而流过负载电流是按现电压规律的交变电流。 r u t u ra u rb u rc u t u ao u 2/ d u 2/ d u bo u co u wt wt wt wt wt boaoab uuu d u a b c d e ) ) ) ) ) 2/ d u 2/ d u 2/ d u 2/ d u 图 3-7 双极性 spwm 调制波形 第 4 章 可编程序控制器 4.1 概述 4.1.1 可编程控制器的产生 随着社会的发展，科技的进步，新的控制器件及其控制系统不断的涌现。 1968 年美国通用汽车公司(gm)公开招标研制功能更强，使用更方便，价格便宜， 可靠性更高的新型控制器。一年后美国数字设备公司(dec)根据 gm 公司的招标 要求，研制成功世界上第一台可编程序控制器，型号 pdp-14，并在 gm 公司汽 车生产线上首次应用成功。这就较好地把继电接触控制简单易懂，使用方便、价 格低等优点与计算机功能完善、灵活性强、通用性好的优点结合起来，并将继电 河南机电高等专科学校毕业设计论文 19 接触控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想逐步变成为现实。当 时人们把第一台可编程控制器叫做可编程序逻辑控制器 plc，只是用来取代继电 接触控制，仅有执行继电器逻辑、定时、记数等较少的功能。 20 世纪 70 年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们把微型计算机应用 到可编程控制器中，使得它兼有计算机的一些功能，不但用逻辑编程取代了硬连 线逻辑，还增加了运算、数据传送与处理及对模拟量进行控制等功能，使之真正 成为一种电子计算机工业控制设备。 1980 年美国电气制造协会简称 nema)把这种新的控制设备正式命名为可编 程程序控制器(programmable controller 简称 pc)。但为了与个人计算机的专称 pc 相区别，故常常把可编程序控制器简称为 plc。 4.1.2 可编程序控制器的主要功能 近年来 plc 把自动化技术、计算机和通信技术融为一体。它可完成以下主要 功能：1) 逻辑控制 2）定时控制 3) 记数控制 4) 步进控制 5) a/d、d/a 转 换 6) 数据处理 7) 通信与联网 8) 对控制系统监控 可以预料，随着科学技术的不断发展，plc 的功能也会不断拓宽和增强。 4.1.3 plc 的主要优点 1) 编程简单 plc 的基本指令不多；编程器的使用简便；对程序进行增减、 修改和运行监视很方便。 2) 可靠性高 plc 是专门为工业控制而设计的，在设计与制造过程中均采用 了诸如屏蔽、滤波、隔离、无触点、精选元器件等多层次有效的抗干扰措施。此 外，plc 还具有很强的自诊断功能，可以迅速方便地检查判断出故障，缩短检修 时间。 3) 通用性好 plc 品种多，档次也多，可由各种组件灵活组合成不同的控制 系统，以满足不同的控制要求。同一台 plc 只能改变软件则可实现控制不同对象 或不同的控制要求。在构成不同的 plc 的控制系统时，只需在 plc 的输入输出 端子上接上不同的相应的输入输出信号，plc 就能接收输入信号和输出控制信号。 4) 功能强 plc 具有很强的功能，能进行逻辑、定时、计数和步进等控制， 能完成 a/d 与 d/a 转换、数据处理和通信联网等功能。而且 plc 技术发展很快， 功能不断增强，应用领域会更广。 5) 使用方便 plc 体积小，重量轻，便于安装。plc 编程简单，编程器使 用简便。plc 自诊断能力强，能判断和显示出自身故障，使操作人员检查判断故 障方便迅速，而且接线少，维修时只需更换插入式模块，维护方便。修改程序和 监视运行状态也容易。 6) 设计、施工和调试周期短 plc 在许多方面是以软件编程来取代硬件接线， 河南机电高等专科学校毕业设计论文 20 用 plc 构成的控制系统比较简单，编程容易，安装使用方便，目前的 plc 已商 品化，硬件软件较齐全，为模块化积木式结构，不需要很多配套的外围设备和大 量的复杂的接线，程序调试修改也很方便。因此可大大缩短 plc 控制系统的设计、 施工和投产周期。 从上述 plc 的功能特点可见，在许多方面可以取代继电接触控制。但是 plc 也有其缺点：目前价格还比较高；工作速度比计算机慢；使用中档和高档 plc， 要求使用者具有相当的计算机知识；plc 制造厂家和 plc 品种类型很多，而指令 系统和使用方法不尽相同，这给用户带来不便。 4.2 plc 的应用与发展和系统组成 目前 plc 广泛应用于汽车制造、石油、化工、冶金、轻工、机械、电力等各 行各业，实现逻辑、步进、数字、机器人、模拟量等的自动控制。 我国研制与应用 plc 起步较晚，1973 年开始研制，1977 年开始应用，20 世 纪 80 年代初期以前发展较慢，20 世纪 80 年代随着成套设备或专用设备引进了不 少 plc。近几年来国外 plc 产品大量进入我国市场，我国已有许多单位在消化 吸收引进 plc 技术的基础上，仿制或研制 plc 产品。20 世纪 80 年代中后期， 我国开发应用 plc 技术发展迅速， 目前 plc 发展方向主要是朝着小型化、廉价化、标准化、系列化、智能化、 高速化、大容量化、网络化方向发展，这将使 plc 功能更强，可靠性更高，使 用更方便，适用面更广。 plc 是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结 构形式的不同，plc 可分为整体式和组合式。 1) 中央处理单元 (cpu) 中央处理单元一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个 芯片内，cpu 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口 电路相连接。它是 plc 的运算、控制中心。 2) 存储器 根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下 3 种： a 系统程序存储器 b 用户程序存储器 c 工作数据存储器 3) i/o 单元 i/o 单元也称为 i/o 模块。plc 通过 i/o 单元与工业生产过程现场相联系。输 入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程 开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能 够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时 cpu 从输入映像寄存器 河南机电高等专科学校毕业设计论文 21 读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由 输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的 强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件。 4) 电源部分 plc 一般使用 220v 的交流电源，内部的开关电源为 plc 的中央处理器、存 储器等电路提供 5v，+12v，+24v 的直流电源，使 plc 能正常工作，电源部件 的位置形式可有多种，对于整体式结构的 cpu，通常电源封装到机壳内部：对于 模块式 plc，有的采用单独电源