电气自动化专业或机电一体化专业毕业论文--PLC变频器在运

1、 毕业设计(论文报告题 目 :PLC+变频器在运料小车控制系统中的 应用院 系 中德机电学院专 业班 级 电气 0801 姓 名 施利娟学 号 100081705 指导教师 张福杰2011年 4 月目录摘要 . . 3 1绪论 . 4 1.1变频器 . 4 1.2可编程控制器(PLC . 51.3 PLC连接变频器 . 52变频器 . 6 2.1变频器的基本构成和工作原理 . 6 2.1.1变频器的基本构成 . . 6 2.1.2变频器内部电路的基本功能 . . 6 2.1.3逆变电路基本工作原理 . . 7 2.2变频器的种类 . 8 2.3变频器控制方式和基本原理 . 12 2.3.1 V

2、/f控制 . . 12 2.3.2转差频率控制 . . 13 2.3.3矢量控制 . . 142.3.4提高转距控制性能的措施 . . 163可编程控制器 . 17 3.1 PLC的组成和基本工作原理 . 17 3.1.1 PLC的组成 . . 17 3.1.2 PLC的基本工作原理 . . 22 3.2 PLC的特点及分类 . 243.2.1 PLC的特点 . . 244. PLC+变频器在运料小车控制系统中的应用 . . 26 4.1 运料小车系统的控制要求 . . 26 4.2 PLC输入输出变量和接线图 . 27 4.3运料小车系统的 PLC 的编程 . 28 4.4运料小车系统的 P

3、LC 调试 . 30 4.5 PLC+变频器控制运料小车系统 . . 36 4.5.1 变频器的参数设置 . 364.5.2 PLC与变频器的连接 . . 375结束语 . 38 6致谢 . 387参考文献 . 39【摘要】 :本文阐述了应用西门子公司可编程控制器 S7-200系列 PLC 及变频器 实现对运料小车系统的控制。 该系统充分利用了学习中讲述的可编程控制器 (PLC 的多方面的设计知识和方法,再加上变频器两者巧妙的配合精确的实现了对运料 小车系统的控制。这一控制系统的实现和应用,充分体现了 PLC 系统在工业现场 的应用,以及根据设计和不同的需求改变,还可以使其应用的范围更加广泛。

4、由 于设计者的知识范围及经验,望老师谅解,给予批评改正。关键词 可编程控制器(PLC 、变频器AbstractThis paper describes the application of Siemens PLC S7-200 series PLC and frequency transformer of transfercar control. The system makes full use of learning about the programmable logic controller (PLC for a wide range of design knowledge and m

5、ethods, coupled with the frequency transformer both subtle precision transfercar control.The control system implementation and application, fully reflects the PLC system in the industrial field of application, as well as different needs according to the design and change, but also to a broader range

6、 of applications.As the scope of the designer's knowledge and experience, hope and teachers for understanding and criticism of correction.Key words: programmable logic controller (PLC, frequency transformer1绪论1.1变频器直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于 19世纪,距今已有 100多年的 历史,并已成为动力机械的主要驱动装置。但是,由于技术上的原因,在很长一 段时期内,占整

7、个电力拖动系统 80%左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动 机(包括异步电动机和同步电动机 ,而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本 上采用的是直流电动机。但是,由于结构上的原因,直流电动机存在以下缺点:(1需要定期更换电刷和换向器,维护保养困难,寿命较短;(2由于直流电动机存在换向火花,难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环 境;(3结构复杂,难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。而与直流电动机相比,交流电动机则具有以下优点:(1结构坚固,工作可靠,易于维护保养;(2不存在换向火花,可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境;(3 容易 制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。因此,很久以来

8、,人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替 直流电动机,并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作。但是, 直至 20世纪 70年代,交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正令人满意 的成果,也因此限制可交流调速系统的推广应用。也正是因为这个原因,在工业 生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖动系统中不得不 采用挡板和阀门来调节风速和流量。这种做法不但增加了系统的复杂性,也造成 了能源的浪费。经历了 20世纪 70年代中期的第二次石油危机之后,人们充分认识到了节能 工作的重要性,并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。随着同 时期内电力电子技术

9、的发展,作为交流调速系统中心的变频器技术也得到了显著 的发展,并逐渐进入了实用阶段。虽然发展变频驱动技术最初的目的主要是为了节能,但是随着电力电子技术、 微电子技术和控制理论的发展,电力半导体器件和微处理器的性能不断提高,变 频驱动技术也得到了显著发展。随着各种复杂控制技术在变频器技术中的应用, 变频器的性能不断得到提高,而且应用范围也越来越广。目前变频器不但在传统 的电力拖动系统中得到了广泛的应用,而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域,并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。变频器技术是一门综合性的技术,它建立在控制技术、电力电子技术、微电 子技术和计算机技术的基础之上,并

10、随着这些基础技术的发展而不断得到发展。1.2可编程控制器(PLC 随着科学技术的发展和生产工艺要求的不断提高,继电器控制系统存在体积 大、触头多、维修困难、控制功能单一、更改困难等缺点。另外,随着市场竞争 的加剧,产品周期不断缩短,生产工艺参数不断发生变化,如果采用继电器控制 系统用改变接线的方法来满足工艺要求是非常困难的事情。所以在 1968年美国通 用汽车公司(GM 公开招标,并从用户的角度提出了新一代控制器应具备的十大 条件,引起了开发热潮。这十大条件主要要求:编程方便,可现场修改程序,维修方便,采用插件式 结构,可靠性高于继电器控制装置,体积小于继电气控制盘,数据可直接送入管 理计算机

11、,成本可与继电器控制盘竞争,扩展时原系统改变最小。 1969年,美国 数字设备公司研制出第一台 PLC 型号为 PDP-14, 并在 GM 公司汽车生产线上试用成 功,取得满意的效果。1969年第一台 PLC 的问世之后, PLC 引起了世界各国的普遍重视,日本日立 公司引进并吸收美国技术, 与 1971年试制成了日本第一台 PLC 。 德国西门子在 1973年研制成功了欧洲第一台 PLC 。我国从 1974年开始研制, 1977年开始工业应用。 PLC 的发展大概可分为四代:第一代(1969-1972 :1位机,磁芯存储器,只有逻辑功能。第二代 (1973-1975 :8位机, 半导体存储器

12、, 除逻辑功能外还有运算、 传送、 比较、模拟量控制等功能。第三代(1976-1983向多功能及联网通信功能发展。随着高性能微处理器 8位片式 CPU 在 PLC 中大量应用, PLC 的处理速度大大提高, 同时, 增加了浮点运算、 三角函数、脉冲调制输出、自诊断功能等。第四代(1983-现在 :不仅全面使用了 16位、 32位高性能微处理器、高性能 位片式微处理器、 PISC 精简指令系统 CPU 等高级 CPU ,而且在一台 PLC 中配置多 个微处理器,进行多通道处理,同时产生含微处理器的智能模块,使 PLC 具有逻 辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能。数据处理功能等。1.3 PLC

13、连接变频器PLC 是的输出端子接变频器的多功能端子, 变频器中设置多功能端子为多道速 功能,并设置相应频率。通过 PLC 的输入输出端子的闭合和断开的组合,使变频器在不同转速下运行。其具有响应速度快,抗干扰能力强的优点。(1通过 PLC 和变频器上的通讯接口,采用 PLC 编程通信控制。其具有可以无级 变速,速度变换平滑,速度控制精确,适应能力好的优点。(2通过 PLC 加数模转换模块,将 PLC 数字信号转换成电压信号,输入到变频器 的模拟量控制端子,控制变频器工作。其具有可以无极调速的优点。2变频器2.1变频器的基本构成和工作原理2.1.1变频器的基本构成变频器的发展已有数十年的历史,在变

14、频器的发展过程中也曾出现过多种类 型的变频器,但是目前成为市场主流的变频器基本上有着图 2.1所示的基本结构。 图 2.1 变频器的基本构成 而对于采用了矢量控制方式的变频器来说,由于进行矢量控制时需要进行大 量的运算,其运算电路中有时还有一个以 DSP(数字信号处理器为主的转矩计算 用 CPU 以及相应的磁通检测和调节电路。2.1.2变频器内部电路的基本功能虽然变频器的种类很多,但内部结构也各不相同,它们的区别仅仅是控制电路和检测电路实现的不同以及控制算法的不同而已。下面我将结合图 2.1简单介 绍一下变频器各部分电路的基本作用。一般的三相变频器的整流电路由三项全波整流桥组成。它的主要作用是

15、对外 部电源进行整流,并给你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 电路能够得到质量较高的直流电源。当整流电路是电压源时直流中间电路的主要 元器件是大容量电感组成,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他辅助电路。逆变电路是变频器最主要的部分之一。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 的输出加时变频器的输出,它被用来实现对异步电动机的调速控制。变频器的控制电路包括主控制电

16、路、信号检测电路、门极(基极驱动电路、 外部电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分,也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将检测电路得到 的各种信号送至运算电路,使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的 门极(基极驱动信号,并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。此外,控 制电路还通过 A/D,D/A等外部接口电路接收 /发送多种形式的外部信号和给出系统 内部工作状态,以便使变频器能够和外部设备进行各种高性能的控制。2.1.3逆变电路基本工作原理逆变电路的基本作用是将直流电源转换为交流电源。在逆变电路中,由六个 开关组成了一个三相桥式电路。交

17、替打开和关断这六个开关,就可以在输出端得 到相位上各相差 120度(电气角的三相交流电源。该交流电源的频率由开关频 率决定,而幅值则等于直流电源的幅值。为了改变该交流电源的相序从而达到改 变异步电动机转向的目的,只要改变各个开关打开和关断的顺序即可。因为这些 开关同时又起着改变电流流向的作用,所以它们又被称为换流开关或换流器件。 当位于同一桥臂上的两个开关同时处于开通状态时将会出现短路现象,并烧 毁换流器件。所以在实际的变频器逆变电路中还没有各种相应的辅助电路,以保 证逆变电路的正常工作和在发生意外情况时对换流器件进行保护。在由逆变电路所完成的将直流电源转换为交流电源的过程中,开关器件起着 非

18、常重要的作用。由于机械式开关的开关频率和使用寿命都很有限,在实际的逆 变电路中采用半导体器件作为开关器件。半导体开关器件的种类很多,如晶体管、 晶闸管、 GTO 、 IGBT 等。而变频器本身也常常根据气逆变电路中使用的半导体开关器件的种类而被称为晶闸管变频器、晶体管变频器等。2.2变频器的种类在介绍变频器的种类时我们将遇到变频器的分类方式的问题。变频器的分类 可以有很多种方式,例如可以按其主电路工作方式进行分类,可以按其开关方式 进行分类,可以按其控制方式进行分类,还可以按用途进行分类。下面就根据这 几种分类方法对变频器进行简要介绍。(1按照主电路工作方式分类。当按照主电路工作方式进行分类时

19、,变频器 可以分为电压型变频器和电流型变频器。电压型变频器的特点是将直流电压源转 换为交流电源,而电流型变频器的特点则是将直流电流源转换为交流电源。 电压型变频器。在电压型变频器中,整流电路或者斩波电路产生逆变电路 所需要的直流电压,并通过直流中间电路的电容进行平滑后输出。整流电路和直 流中间电路起直流电压源的作用,而电压源输出的直流电压在逆变电路中被转换 为具有所需要频率的交流电压。在电压型变频器中,由于能量回馈给直流中间电路的电容,并使直流电压上 升,还需要有专用的放电电路,以防止换流器件因电压过高而被破坏。电流型变频器。在电流型变频器中,整流电路给出直流电流,并通过中间 电路的电抗将电流

20、进行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起电流源的作用, 而电流源输出的直流电流在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电流,并被 分配给各输出相后作为交流电流提供给电动机。在电流型变频器中,电动机定子 电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的方式实现的。对于电流型变频器来说,在电动机进行制动的过程中可以通过将直流中间电 路的电压反向的方式使整流电路变为逆变电路,并将负载的能量回馈给电源。 由于在采用电流控制方式是可以将能量回馈给电源,而且在出现负载短路等 情况时也更容易处理,电流型控制方式更适合于大容量变频器。(2按照开关方式分类。当谈到变频器的开关方式是通常讲的都是变频器逆 变电路的开关方式

21、。而在按照逆变电路的开关方式对变频器进行分类时,则变频 器可以分为 PAM 控制方式, PWM 控制方式和高载频 PWM 控制方式三种。 PAM 控制方式。 PAM 控制是 Pulse Amplitude Modulation(脉冲振幅调制的 简称,是一种在整流电路部分对输出电压 (电流的幅值进行控制,而在逆变电路 部分对输出频率进行控制的控制方式。因为在 PAM 控制的变频器中逆变电路换流 器件的开关频率即为变频器的输出频率,所以这是一种同步调速方式。由于逆变电路换流器件的开关频率较低,在使用 PAM 控制方式的变频器进行 调速驱动时具有电动机运转噪声小,效率高等特点。但是,由于种种控制方式

22、必须同时对整流电路和逆变电路进行控制,控制电路比较复杂。此外,这种控制方 式也还具有当电动机进行低速运转时波动较大的缺点。 PWM 控制方式。 PWM 控制是 Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制 控制的简 称,是在逆变电路部分同时对输出电压(电流的幅值和频率进行控制的控制方 式。在这种控制中,并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压(电流的目的。 为了使异步电动机在进行调速运转时能够更加平滑,目前在变频器中多采取 正弦波 PWM 控制方式。所谓正弦波 PWM 控制方式指的是通过改变 PWM 输出的脉冲 宽度,使输出电压的平均值接近于正弦波。这种控制方式也称为 SPWM 控

23、制。 采用 PWM 控制方式的变频器具有可以减少高次谐波带来的各种不良影响,转 矩波动小,而且控制电路简单,成本低等特点,是目前在变频器中采用最多的一 种逆变电路控制方式。但是,该方式也具有当载波频率不合适时会产生较大的电 动机运转噪声的缺点。为了克服这个缺点,在采用 PWM 控制方式的新型变频器中 都具有一哥可以改变变频器载波频率的功能,以便使用户可以根据实际需要改变 变频器的载波频率,从而达到降低电动机运转噪声的目的。高载频 PWM 控制方式。这种控制方式原理上实际是对 PWM 控制方式的改进, 是为了降低电动机运转噪声而采用的一种控制方式。在这种控制方式中,载频被 提高到人耳可以听到的频

24、率以上,从而达到降低电动机噪声的目的。这种控制方 式主要用于低噪声型的变频器,也将是今后变频器的发展方向。由于这种控制方 式对换流器件的开关速度有较高的要求,所以用换流器件只能使用具有较高开关 速度的 IGBT 或 MOSFET 等半导体元器件,目前在大容量变频器中的利用仍然受到 一定限制。但是,随着电力电子技术的反展,具有较高开关速度的环流元器件的 容量将越来越大,所以预计采用这种控制方式的变频器也将越来越多。PWM控制和高载频 PWM 控制都属于异步调速方式, 即变频器的输出频率不等于 逆变电路换流器件的开关频率。(3按照工作原理分类。当按照工作原理对变频器进行分类时,按变频器技 术的发展

25、过程可以分为 V/f控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式三种。 V/f控制变频器。 V/f控制是一种比较简单的控制方式。它的基本特点是 对变频器输出的电压和频率同时进行控制,通过使 V/f(电压和频率的比的值保 持一定而得到所需的转矩特型。采用 V/f控制方式的变频器控制电路成本较低, 多用于对精度要求不太高的通用变频器。转差频率控制变频器。转差频率控制方式是对 V/f控制的一种改进。在采 用这种控制方式的变频器中,电动机的实际速度由安装在电动机上的速度传感器 和变频器控制电路得到,而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差 频率的和被自动设定,从而达到在进行调速控制的同时控制电动机

26、输出转矩的目 的。转差频率控制是利用了速度传感器的速度闭环控制,并可以在一定程度上对 输出转矩进行控制,所以和 V/f控制相比,在负载发生较大变化时仍能达到较高 的速度精度和具有较好的转矩特性。但是,由于采用这种控制方式时需要在电动 机上安装速度传感器,并需要根据电动机的特性调节转差,通常多用于厂家指定 的专用电动机,通用性较差。矢量控制变频器。矢量控制是 20世纪 70年代由西德 Blaschke 等人首先提 出来的对交流电动机的一种新的控制思想和控制技术,也是交流电动机的一种理 想的调速方法。矢量控制的基本思想是将异步电动机的定子电流分为产生磁场的 电流分量(励磁电流和与其相垂直的产生转矩

27、的电流分量(转矩电流并分别 加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相 位,即控制定子电流矢量,这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式使对异步电动机进行高性能的控制成为可能采用矢量控制方式 的交流调速系统不仅在调速范围上可以与直流电动机相匹敌,而且可以直接控制 异步电动机产生的转矩。所以已经在许多需要进行精密控制的领域得到了应用。 由于在进行矢量控制时需要准确地掌握对象电动机的有关参数,这种控制方 式过去主要用于厂家指定的变频器专用电动机的控制。但是,随着变频器调速理 论和技术的发展以及现代控制理论在变频器中的成功应用,目前在新型矢量控制 变频器中已经增加了自调

28、整功能。带有这种功能的变频器在驱动异步电动机进行 运转之前可以自动地对电动机的参数进行辨识并根据辨识的结果调整控制算法中 的有关参数,从而使得对普通的异步电动机进行有效的矢量控制也称为可能。 (4按照用途分类。在上面介绍的变频器分类方式中我们是按照变频器的工 作原理对其进行分类的,但是,对于一个变频器的用户来说,他关心更多的也可 能是变频器的用途而不是其工作原理。下面,介绍一下按照用途对变频器进行分 类是变频器的种类。当按照用途对变频器进行分类时,变频器可以分为以下几种类型。通用变频器。顾名思义,通用变频器的特点是其通用性。这里通用性指的 是通用变频器可以对普通的异步电动机进行调速控制。随着变

29、频器技术的发展和市场需要的不断扩大,通用变频器也在朝着两个方 向发展:低成本的简易型通用变频器和高性能多功能的通用变频器。这两类变频 器分类变频器分别具有以下特点:简易型通用变频器是一种以节能为主要目的而削减了一些系统功能的通用变 频器。它主要应用于水泵、风扇、鼓风机等对于系统的调速性能要求不高的场所, 并具有体积小,价格低等方面的优势。高性能多功能通用变频器在设计过程中充分考虑了在变频器应用中可能出现 的各种需要,并为满足这些需要在系统软件和硬件方面都做了相应的准备。在使用时,用户可以根据负载特性选择算法并对变频器的各种参数进行设定,也可以 根据系统的需要选择厂家所提供的各种选件来满足系统的

30、特殊需要。高性能多功 能变频器除了可以应用于简易型变频器的所有领域之外,还广泛应用于传送带、 升降装置以及各种机床、电动车辆等对调速系统的性能和功能有比较高要求的许 多场合。过去,通用型变频器基本上采用的是电路结构比较简单的 V/f控制方式,与 采用了转矩矢量控制方式的高性能变频器相比,在转矩控制性能方面要差一点。 但是,随着变频器技术的发展和变频器参数自调整的实用化,目前一些厂家已经 推出了采用矢量控制方式的高性能多功能通用变频器,以适应竞争日趋激烈的变 频器市场的需要。这种高性能多功能通用变频器在性能上已经接近过去的高性能 矢量控制变频器,但在价格方面却与过去采用 V/f控制方式的通用变频

31、器基本持 平。因此,可以相信,随着电力电子技术和计算机技术的发展,今后变频器的性 能价格比将会不断提高。高性能专用变频器。随着控制理论,交流调速理论和电力电子技术的发展, 异步电动机的矢量控制方式得到了充分地重视和发展,采用矢量控制方式控制高 性能变频器和变频器专用电动机所组成的调速系统在性能上已经大达到和超过了 直流伺服系统。此外,由于异步电动机还具有对环境适应性强、维护简单等许多 直流伺服电动机对不具备的优点,在许多需要进行高速高精度的应用中这种高性 能交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。与通用变频器相比,高性能专用变频器基本上采用了矢量控制方式,而驱动 对象通常是变频器厂家指定的专用电

32、动机,并且主要应用于对电动机的控制性能 要求较高的系统。此外,高性能专用变频器往往是为了满足某些特定产业或区域 的需要,使变频器在该区域中具有最好的性能价格比而设计生产的。例如,在机 床主轴驱动专用的高性能变频器中,为了便于和数控装置配合完成各种工作,变 频器的主电路、回馈制动电路和各种接口电路等被做成一体,从而达到了缩小体 积和降低成本的要求。而在纤维机械驱动方面,为了便于大系统的维修保养,变 频器则采用了可以简单地进行拆装的盒式结构。高频变频器。在超精密加工和高性能机械区域中常常要用到高速电动机。 为了满足这些高速电动机驱动的需要,出现了采用 PAM 控制方式的高速电动机驱 动用变频器。

33、这类变频器的输出频率可以达到 3kHz, 所以在驱动两级异步电动机时 电动机的最高转速可以达到 180000r/min。单相变频器和三相变频器。交流电动机可以分为单相交流电动机和三相交 流电动机两种类型,与此相对应,变频器也分为单相变频器和三相变频器。二者 的工作原理相同,但电路的结构不同。由于单相电动机和三相电动机的有功功率 P 与电压的有效值 E , 电流的有效值I 以及功率系数 cos 之间有如下关系单相 P = EIcos三相 P = 3EIcos 为了的得到相同的驱动转矩(即有功功率 ,采用三相变频器时的驱动电流只 是单相变频器驱动电流的 1/3。由于在使用单相变频器时需要给出更大的

34、驱动电 流,所以在选择变频器时也应加以注意。2.3变频器控制方式和基本原理2.3.1 V/f控制对于异步电动机,只要改变其他供电电源的频率,既可以改变电动机的转速, 达到进行调速运转的目的。但是,对于一个实际的交流调速控制系统来说,事情 远远不是那么简单。这是因为当电动机电源的频率被改变时,电动机的内部阻抗 也将随之改变,从而引起励磁电流的变化,使电动机出现励磁不足或励磁过强的 情况。在励磁不足的情况下电动机将难以给出足够的转矩,而在励磁过强时电动 机又将出现磁饱和,造成电动机功率因数和效率的下降。因此,为了得到理想的 转矩 -速度特性,在改变电源频率进行调速的同时,必须采取必要的措施来保证电

35、 动机的气隙磁通处于高效状态(即保持磁通不变 。这就是 V/f控制的出发点。 在异步电动机等效电路中,设电动机的气隙磁通用 表示,则可以看出,励 磁电流 I M,感应电势 E 和气隙磁通 之间有如下关系=MIM (2.1 E=j2fMI M =j2f (2.2因此,为了改变使气隙磁通 在整个调速过程中保持不变,只需在改变电源 频率 f 的同时改变感应电动势 E ,使其满足E/f = 常值 (2.3即可。但是,在电动机的实际调速控制过程中,由于 E 为电动机的感应电动势,无 法直接进行检测和控制,必须采用其他方法才能使式 (2.3得到满足。另一方面,从异步电动机的等效电路还可以得知。V = I

36、1 Z1+ E (2.4其中, Z1 = j2L 1 +r1为定子阻抗。因此,当定子阻抗上的压降与定子电压相比很小时,由于 V E ,所以,只要 控制电源电压和频率,使得V/f = 常值 (2.5即可使式 (2.3近似得到满足。基于式 (2.5的变频器被称为采用了 V/f控制方式的变频器,简称为 V/f控制 变频器。 而与此相对应, 基于式 (2.3的变频器则被称为 E/f控制变频器。 很明显, E/f控制变频器的特性要优于 V/f控制变频器。初期的通用型变频器基本上采用的是 V/f控制方式。但是,由于在实际的电 路中存在着定子阻抗上的压降,尤其是电动机进行低速运转时感应电动势较小, 定子阻抗

37、上的压降更不能忽略。因此,为了得到与 E/f控制相近的特性,必须对 这部分压降进行补偿。 为了改善 V/f变频器在低频时的转矩特性, 使之得到与 E/f控制变频器相近的特性,各个厂家都在自己的产品中采取了不同的补偿措施,以 保证当电动机在低速区域运行是仍然能够得到较大的输出转矩。这种补偿也称为 变频器的转矩增强功能或转矩提升功能。变频器的转矩增强功能可以分为起始转矩增强功能和全范围转矩自动增强功 能。所谓起始转矩增强功能指的是在变频器的低频输出区域按照某一规则在变频 器的输出电压上加上一定的补偿,从而达到提高输出转矩的目的。而在具有全范 围转矩自动增强功能的变频器中,电压补偿是在电动机的整个运

38、行范围中进行的。 在具有全范围转矩自动增强功能的变频器中,检测电路对电动机的电流和电 压进行实时检测,而 CPU 则按照 E/f一定的要求进行计算后求出所需的压降补偿。 这种控制方式更接近真正的 E/f控制,并且在性能方面优于只采用了简单的起始 转矩增强补偿额变频器。由于 E/f控制和 V/f控制在控制原理上并无不同,这两种控制方式通常统称 为 V/f控制。V/f控制变频器虽然结构简单, 但是, 由于这种变频器采用的是开环控制方式, 其精度和动态特性并不是十分理想,尤其是在低速区电压调整比较困难,难以的 得到较大的调整范围。所以采用这种控制方式的变频器一般是对控制性能要求不 太高的通用变频器。

39、2.3.2转差频率控制在对交流调速系统进行研究的过程中人们发现,如果在对异步电动机进行控 制过程中能够像控制直流电动机那样,用直接控制电枢电流的方法控制转矩,那 么就可以用异步电动机来得到与直流电动机同样的静、动态特性。而转差频率就 是这样一种直接控制转矩的方法。从异步电动机等效电路可以求得I 2 = E/ (r2/s2 +(2fL22 (2.6定义转差频率 f 为Fs= sf (2.7 则可以得到I 2 = E/f×1/ (r2/fs2 +(2L22 (2.8而转矩则由下式给出T = mp/4(E/f2f s r2/ r22+(2fsL22 (2.9从式 (2.9可知,当转矩频率

40、fs较小时,如果 E/f =常数 , 则电动机的转矩基本上与转差 fs成正比。异步电动机的这个特征意味着,在进行 E/f控制的基础上,只要对电动机的转差频率 fs进行控制,就可以达到控制电动机输出转矩的目的。 这就是转差频率控制方式的基本出发点。另一方面,对于异步电动机来说,其定子电压频率 f s 以电动机的实际频率 n n作为同步转速时的电源频率 f n ,以及转差频率 fs三者的关系可以由f = fn+ fs(2.10输出。所以,在进行 E/f控制的基础上,只要知道了异步电动机的实际转速 n n 对应的电源频率 f n , 并根据希望得到的转矩 (对应于某一转差频率 fs0按照式 (2.1

41、0调节变频器的输出频率 f ,就可以使电动机具有某一所需的转差频率 fs0,即使电 动机给出所需的输出转矩。而采用转差频率控制方式的变频器正是按照上述原理 进行控制的。此外,从式 (2.8还可以看出,当 E/f为一定时,控制电动机的转差频率还可 以达到控制电动机转子电流的目的。在采用了转差频率控制方式的变频器中,上 述特性被用于对象电动机的保护。这是因为,只要能够控制电动机的转差频率。 使之不超过电动机最大过载能力时的转差频率,就可以限制电动机转子的最大电 流,从而起到保护电动机的作用。因为在采用转差频率控制方式时需要检测电动机的实际转速,所以需要在异 步电动机轴上安装速度传感器。而电动机的转

42、速检测由速度传感器和变频器控制 电路中的运算电路完成。控制电路还将通过适当的算法根据检测到的电动机速度 产生转差频率和其他的控制信号。此外,在采用了转差频率控制方式的变频器中 往往还加有电流负反馈,对频率和电流进行控制,所以这种变频器具有良好的稳 定性,并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。2.3.3矢量控制矢量控制的基本思想是认为异步电动机和直流电动机具有相同的转矩产生机 理,即电动机的转矩为磁场和与其相垂直的电流的积,而异步电动机的定子电流 则可以分为产生磁场的电流分量(磁场电流和产生转矩的电流分量 (转矩电流 。 因此,通过控制电动机定子电流的大小和相位(即定子电流矢量 ,即可以分

43、别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制电动机转矩的目的。 目前在变频器中得到实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢 量控制方式和无速度检测器的矢量控制方式两种。2.3.3.1基于转差频率控制的矢量控制方式前面我们已经提到,矢量控制的基本原理是通过控制电动机定子电流的幅值 和相位(即电流矢量 ,来分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达 到控制电动机转矩电流特性的目的 .从电流矢量图可以看出,当需要将电动机的转矩电流从 I 2 变为 I2'时,在改变电动机定子电流的幅值,使得 I 1 变为 I1'的同时,还必须改变 I1的相位 ,使得 变为 

44、9; ,即必须对定子电流矢量进行控制,才能保证转矩电流的平稳变化, 而在转差频率控制方式中,虽然通过对转差频率的控制达到了控制转矩电流 I 2幅 值的目的,但是,由于在这种控制方式中并没有对电动机定子电流的相位进行控制,在转矩电流从 I 2 变为 I2'的过渡过程中将存在一定的波动,并造成电动机输出转矩的波动 .根据等效电路图得知,定子电流 I 1 、转矩电流 I2、励磁电流 I M 三者之间有如下的关系I1 = (I 2 2 + IM2 (2.112fMI M = I 2 r2/s (2.12由于转差频率定义为fs= sf 所以从式(2.12可得f s = I2/2T2I M (2.

45、13其中, T 2 = M/r2为电动机转子电路时间常数。与转差频率控制方式相同,基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行 E/f控制的基础上, 通过检测电动机的实际速度得到与实际转矩 nn对应的电源频率fn,并根据希望得到的转矩按照式(2.13对变频器的输出频率 f 进行控制的,因 此,二者的定常特性相同。但是,在基于转差频率控制的矢量控制方式中,除了按照上述方式对异步电 动机进行定常状态时的控制外,还要根据 = arc tan(I2/Im (2.14 的条件对电动机定子电流的相位进行控制,以消除转矩电流过渡过程中的波动。 2.3.3.2无速度传感器的矢量控制无速度传感器的矢量控制方式是在

46、磁场定位矢量控制方式的基础上发展而来 的。虽然磁场定位矢量控制方式在理论上早已得到了验证,但由于实现这种控制方式时需要在异步电动机内安装刺痛监测装置,一直未能得到推广和应用。因此, 早期的矢量控制变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。但 是,随着传感器技术的发展和现代控制理论在变频调速技术中的应用,人们发现, 即使不在异步电动机中直接安装磁通监测装置,也可以在变频器内部得到与磁通 相应的量,并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。无速度传感器矢量控制方式的基本控制思想是:分别对作为基本控制量的励 磁电流(或者磁通和转矩电流进行检测,并通过控制电动机定子绕组上的电压 的频率

47、使励磁电流(或者磁通和转矩电流的指令值和检测值达到一致,从而实 现矢量控制。当按照上述方式实现矢量控制时,就可以根据式(2.15对电动机的实际转 速进行推算,从而实现无速度传感器的矢量控制。2.3.4提高转距控制性能的措施对异步电动机进行有效的矢量控制是以电动机的内部参数已知为前提,这点 从式(2.13即可得知。所以,对异步电动机进行矢量控制和进行转差频率控制 时一样,除了必须准确地检测电动机的转速外,还必须准确掌握电动机的内部参 数 M 和 r2并将这些参数输入变频器的控制算法。如果所掌握的参数值有误差,则 电动机的控制性能将直接受到影响。为了保证进行矢量控制时变频器控制算法中所得到的参数实

48、际参数一致,在 新型变频器中通常都没有参数自调整功能。但是,由于变频器的参数自调整功能 是在电动机开始工作之前对电动机的参数进行辨识,不能解决系统开始工作后由于温度上升所造成的参数变化问题。例如,电动机转子的等效电阻 r2就很容易受 到温度的影响而发生变化,而这种变化又将直接造成变频器中控制参数的误差和 引起电动机输出转矩的变化。在某些情况下,当温度发生 80左右的变化时电动 机的转矩甚至会发生 30%左右的变化。为了解决上述问题,通常采用在电动机定子绕组中设置温度检测器件,并根据检测结果对 r2值进行估算后进行补偿的方式。而在希望得到更高的转矩控制性能时,则通常采用根据转矩电流的指令值和检测

49、值之间的误差对 r2进行修正的自 适应控制的方法。由于 r2的设定值随着温度的增加而得到补偿,保证了输出转矩 的稳定。3可编程控制器3.1 PLC的组成和基本工作原理3.1.1 PLC的组成PLC的核心是微处理器, 所以它的组成和计算机相似, 由硬件和软件两大部分 组成。1.PLC硬件系统PLC硬件系统组成如图 3.1所示。 图 3.1 PLC的硬件系统组成(1中央处理器单元 微处理器:PLC 的核心,它的主要任务有:自诊断 PLC 内部电路故障和编程语法错误;和外部设备(变频器。打印机、上位计算机等通讯处理;扫描输入装置状态和数据,并存入印象寄存器;在 PLC 处于运行状态时, 按顺序逐条执

50、行用户程序, 根据执行结果更新有关的 寄存器和输出印象寄存器;将与输出相关的数据寄存器和输出印象寄存器的内容送给输出电路。存储器:用来存放系统程序、用户程序级运行数据。存储器的类型如图 3.2所 示。图 3.2存储器类型微处理器 I/O接口:负责微处理器及存储器与外部设备的信息交换。 (2输入 /输出接口输入 /输出接口是 PLC 与外界输入 /输出设备进行连接的接口电路。外设输入 到 PLC 的各种控制信号,如限位开关、操作接钮、行程开关以及一些传感器的输 出的开关量等,通过输入接口转化成中央处理器单元能接收到的信号,中央处理 器单元输出的弱电控制信号通过输出接口变为电磁阀、接触器等执行元件

51、的驱动 信号。 关量输入接口电路直流输入接口电路 如图 3.3所示(途中只画出了一个输入端口电路 , R1、 R2为分压电阻, C 为滤波电容, T 为光电耦合器。 IN 为输入端, COM 为输入公共端。 当输入端开关 S 闭合时,光电耦合器 T 导通, TTL 高电平信号送 PLC 内部电路。它 为 DC12-24V 直流输入接口电路。图 3.3 直流输入接口电路交流输入接口电路 如图 3.4所示, C 为隔直电容。当输入端开关 S 闭合,双 向光电耦合器 T 导通, TTL 高电平信号送 PLC 内部电路。它为交流 100-200或者 200-240V 交流输入接口电路。 图 3.4交流

52、输入接口电路交、直流输入接口电路 如图 3.5所示,和直流输入接口电路有些相似,它为 交、直流 12-24V 输入接口。图 3.5 交、直流输入接口电路上述三种输入电路都采用了光电耦合电路,由于外部输入信号是通过光电耦 合送到 PLC 内部电路,没有电路上的连接,所以具有抗干扰能力。开关量输出接口电路晶体管 (直流 输出接口电路 如图 3.6所示 (图中只画出了一个输出电路 ,虚线框内为 PLC 内部电路,框外为输出端与负载的联线。晶体管输出接口电路只 是用于直流负载为感性时,需要在负载两端并联释放电路。 图 3.6 晶体管(直流输出接口电路晶闸管 (交流 输出接口电路 如图 3.7所示 (图

53、中只画出了一路输出电路 , 当内部电路有输出时,固态继电器的晶闸管导通;当内部电路取消输出,晶闸管 在下半周期关断,所以晶闸管输出接口电路只适用于交流负载。 图 3.7 晶闸管(交流输出接口电路继电器(交、直流输出接口电路 如图 3.8所示,继电器输出接口电路 本身有隔离的功能,当内部有输出时,相应的继电器吸合,使外部负载电路接通。 继电器输出接口适用交、直流。当用于交流时。负载两端并联阻容吸收;当用于 直流时,负载两端并联续流二极管。 图 3.8 继电器(交、直流输出接口电路(3电源PLC一般使用 220V 单相交流电源,也有的使用 24V 直流电源。电源部件将外 接电源转换为 PLC 的中央处理器、存储器等电路工作所需的 5V 直流电源。对于交 流 220V