電氣自動(dòng)化專業(yè)或機(jī)電一體化專業(yè)畢業(yè)論文--PLC變頻器在運(yùn)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文報(bào)告題 目 :PLC+變頻器在運(yùn)料小車控制系統(tǒng)中的 應(yīng)用院 系 中德機(jī)電學(xué)院專 業(yè)班 級(jí) 電氣 0801 姓 名 施利娟學(xué) 號(hào) 100081705 指導(dǎo)教師 張福杰2011年 4 月目錄摘要 . . 3 1緒論 . 4 1.1變頻器 . 4 1.2可編程控制器(PLC . 51.3 PLC連接變頻器 . 52變頻器 . 6 2.1變頻器的基本構(gòu)成和工作原理 . 6 2.1.1變頻器的基本構(gòu)成 . . 6 2.1.2變頻器內(nèi)部電路的基本功能 . . 6 2.1.3逆變電路基本工作原理 . . 7 2.2變頻器的種類 . 8 2.3變頻器控制方式和基本原理 . 12 2.3.1 V

2、/f控制 . . 12 2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制 . . 13 2.3.3矢量控制 . . 142.3.4提高轉(zhuǎn)距控制性能的措施 . . 163可編程控制器 . 17 3.1 PLC的組成和基本工作原理 . 17 3.1.1 PLC的組成 . . 17 3.1.2 PLC的基本工作原理 . . 22 3.2 PLC的特點(diǎn)及分類 . 243.2.1 PLC的特點(diǎn) . . 244. PLC+變頻器在運(yùn)料小車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 . . 26 4.1 運(yùn)料小車系統(tǒng)的控制要求 . . 26 4.2 PLC輸入輸出變量和接線圖 . 27 4.3運(yùn)料小車系統(tǒng)的 PLC 的編程 . 28 4.4運(yùn)料小車系統(tǒng)的 P

3、LC 調(diào)試 . 30 4.5 PLC+變頻器控制運(yùn)料小車系統(tǒng) . . 36 4.5.1 變頻器的參數(shù)設(shè)置 . 364.5.2 PLC與變頻器的連接 . . 375結(jié)束語(yǔ) . 38 6致謝 . 387參考文獻(xiàn) . 39【摘要】 :本文闡述了應(yīng)用西門子公司可編程控制器 S7-200系列 PLC 及變頻器 實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)料小車系統(tǒng)的控制。 該系統(tǒng)充分利用了學(xué)習(xí)中講述的可編程控制器 (PLC 的多方面的設(shè)計(jì)知識(shí)和方法,再加上變頻器兩者巧妙的配合精確的實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)料 小車系統(tǒng)的控制。這一控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用,充分體現(xiàn)了 PLC 系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 的應(yīng)用,以及根據(jù)設(shè)計(jì)和不同的需求改變,還可以使其應(yīng)用的范圍更加廣泛。

4、由 于設(shè)計(jì)者的知識(shí)范圍及經(jīng)驗(yàn),望老師諒解,給予批評(píng)改正。關(guān)鍵詞 可編程控制器(PLC 、變頻器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緒論1.1變頻器直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)和交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)先后誕生于 19世紀(jì),距今已有 100多年的 歷史,并已成為動(dòng)力機(jī)械的主要驅(qū)動(dòng)裝置。但是,由于技術(shù)上的原因,在很長(zhǎng)一 段時(shí)期內(nèi),占整

7、個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng) 80%左右的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)中采用的是交流電動(dòng) 機(jī)(包括異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī) ,而在需要進(jìn)行調(diào)速控制的拖動(dòng)系統(tǒng)中則基本 上采用的是直流電動(dòng)機(jī)。但是,由于結(jié)構(gòu)上的原因,直流電動(dòng)機(jī)存在以下缺點(diǎn):(1需要定期更換電刷和換向器,維護(hù)保養(yǎng)困難,壽命較短;(2由于直流電動(dòng)機(jī)存在換向火花,難以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán) 境;(3結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以制造大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的直流電動(dòng)機(jī)。而與直流電動(dòng)機(jī)相比,交流電動(dòng)機(jī)則具有以下優(yōu)點(diǎn):(1結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,工作可靠,易于維護(hù)保養(yǎng);(2不存在換向火花,可以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境;(3 容易 制造出大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的交流電動(dòng)機(jī)。因此,很久以來(lái)

8、,人們希望在許多場(chǎng)合下能夠用可調(diào)速的交流電動(dòng)機(jī)來(lái)代替 直流電動(dòng)機(jī),并在交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方面進(jìn)行了大量的研究開發(fā)工作。但是, 直至 20世紀(jì) 70年代,交流調(diào)速系統(tǒng)的研究開發(fā)方面一直未能得到真正令人滿意 的成果,也因此限制可交流調(diào)速系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因,在工業(yè) 生產(chǎn)中大量使用的諸如風(fēng)機(jī)、水泵等需要進(jìn)行調(diào)速控制的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中不得不 采用擋板和閥門來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)速和流量。這種做法不但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,也造成 了能源的浪費(fèi)。經(jīng)歷了 20世紀(jì) 70年代中期的第二次石油危機(jī)之后,人們充分認(rèn)識(shí)到了節(jié)能 工作的重要性,并進(jìn)一步重視和加強(qiáng)了對(duì)交流調(diào)速技術(shù)的研究開發(fā)工作。隨著同 時(shí)期內(nèi)電力電子技術(shù)

9、的發(fā)展,作為交流調(diào)速系統(tǒng)中心的變頻器技術(shù)也得到了顯著 的發(fā)展,并逐漸進(jìn)入了實(shí)用階段。雖然發(fā)展變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)最初的目的主要是為了節(jié)能,但是隨著電力電子技術(shù)、 微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展,電力半導(dǎo)體器件和微處理器的性能不斷提高,變 頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得到了顯著發(fā)展。隨著各種復(fù)雜控制技術(shù)在變頻器技術(shù)中的應(yīng)用, 變頻器的性能不斷得到提高,而且應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。目前變頻器不但在傳統(tǒng) 的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,而且?guī)缀跻呀?jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域,并且在空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱等家電產(chǎn)品中也得到了廣泛應(yīng)用。變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù),它建立在控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電 子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)之上,并

10、隨著這些基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而不斷得到發(fā)展。1.2可編程控制器(PLC 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)工藝要求的不斷提高,繼電器控制系統(tǒng)存在體積 大、觸頭多、維修困難、控制功能單一、更改困難等缺點(diǎn)。另外,隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng) 的加劇,產(chǎn)品周期不斷縮短,生產(chǎn)工藝參數(shù)不斷發(fā)生變化,如果采用繼電器控制 系統(tǒng)用改變接線的方法來(lái)滿足工藝要求是非常困難的事情。所以在 1968年美國(guó)通 用汽車公司(GM 公開招標(biāo),并從用戶的角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大 條件,引起了開發(fā)熱潮。這十大條件主要要求:編程方便,可現(xiàn)場(chǎng)修改程序,維修方便,采用插件式 結(jié)構(gòu),可靠性高于繼電器控制裝置,體積小于繼電氣控制盤,數(shù)據(jù)可直接送入管 理計(jì)算機(jī)

11、,成本可與繼電器控制盤競(jìng)爭(zhēng),擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小。 1969年,美國(guó) 數(shù)字設(shè)備公司研制出第一臺(tái) PLC 型號(hào)為 PDP-14, 并在 GM 公司汽車生產(chǎn)線上試用成 功,取得滿意的效果。1969年第一臺(tái) PLC 的問世之后, PLC 引起了世界各國(guó)的普遍重視,日本日立 公司引進(jìn)并吸收美國(guó)技術(shù), 與 1971年試制成了日本第一臺(tái) PLC 。 德國(guó)西門子在 1973年研制成功了歐洲第一臺(tái) PLC 。我國(guó)從 1974年開始研制, 1977年開始工業(yè)應(yīng)用。 PLC 的發(fā)展大概可分為四代:第一代(1969-1972 :1位機(jī),磁芯存儲(chǔ)器,只有邏輯功能。第二代 (1973-1975 :8位機(jī), 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

12、, 除邏輯功能外還有運(yùn)算、 傳送、 比較、模擬量控制等功能。第三代(1976-1983向多功能及聯(lián)網(wǎng)通信功能發(fā)展。隨著高性能微處理器 8位片式 CPU 在 PLC 中大量應(yīng)用, PLC 的處理速度大大提高, 同時(shí), 增加了浮點(diǎn)運(yùn)算、 三角函數(shù)、脈沖調(diào)制輸出、自診斷功能等。第四代(1983-現(xiàn)在 :不僅全面使用了 16位、 32位高性能微處理器、高性能 位片式微處理器、 PISC 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng) CPU 等高級(jí) CPU ,而且在一臺(tái) PLC 中配置多 個(gè)微處理器,進(jìn)行多通道處理,同時(shí)產(chǎn)生含微處理器的智能模塊,使 PLC 具有邏 輯控制功能、過(guò)程控制功能、運(yùn)動(dòng)控制功能。數(shù)據(jù)處理功能等。1.3 PLC

13、連接變頻器PLC 是的輸出端子接變頻器的多功能端子, 變頻器中設(shè)置多功能端子為多道速 功能,并設(shè)置相應(yīng)頻率。通過(guò) PLC 的輸入輸出端子的閉合和斷開的組合,使變頻器在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。其具有響應(yīng)速度快,抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。(1通過(guò) PLC 和變頻器上的通訊接口,采用 PLC 編程通信控制。其具有可以無(wú)級(jí) 變速,速度變換平滑,速度控制精確,適應(yīng)能力好的優(yōu)點(diǎn)。(2通過(guò) PLC 加數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊,將 PLC 數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),輸入到變頻器 的模擬量控制端子,控制變頻器工作。其具有可以無(wú)極調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)。2變頻器2.1變頻器的基本構(gòu)成和工作原理2.1.1變頻器的基本構(gòu)成變頻器的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史,在變

14、頻器的發(fā)展過(guò)程中也曾出現(xiàn)過(guò)多種類 型的變頻器,但是目前成為市場(chǎng)主流的變頻器基本上有著圖 2.1所示的基本結(jié)構(gòu)。 圖 2.1 變頻器的基本構(gòu)成 而對(duì)于采用了矢量控制方式的變頻器來(lái)說(shuō),由于進(jìn)行矢量控制時(shí)需要進(jìn)行大 量的運(yùn)算,其運(yùn)算電路中有時(shí)還有一個(gè)以 DSP(數(shù)字信號(hào)處理器為主的轉(zhuǎn)矩計(jì)算 用 CPU 以及相應(yīng)的磁通檢測(cè)和調(diào)節(jié)電路。2.1.2變頻器內(nèi)部電路的基本功能雖然變頻器的種類很多,但內(nèi)部結(jié)構(gòu)也各不相同,它們的區(qū)別僅僅是控制電路和檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)的不同以及控制算法的不同而已。下面我將結(jié)合圖 2.1簡(jiǎn)單介 紹一下變頻器各部分電路的基本作用。一般的三相變頻器的整流電路由三項(xiàng)全波整流橋組成。它的主要作用是

15、對(duì)外 部電源進(jìn)行整流,并給你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(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑,以保證逆變電路和控制 電路能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。當(dāng)整流電路是電壓源時(shí)直流中間電路的主要 元器件是大容量電感組成,此外,由于電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的需要,在直流中間電路中有 時(shí)還包括制動(dòng)電阻以及其他輔助電路。逆變電路是變頻器最主要的部分之一。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(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路 的輸出加時(shí)變頻器的輸出,它被用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。變頻器的控制電路包括主控制電

16、路、信號(hào)檢測(cè)電路、門極(基極驅(qū)動(dòng)電路、 外部電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分,也是變頻器的核心部分?？?制電路的優(yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔檬菍z測(cè)電路得到 的各種信號(hào)送至運(yùn)算電路,使運(yùn)算電路能夠根據(jù)要求為變頻器主電路提供必要的 門極(基極驅(qū)動(dòng)信號(hào),并對(duì)變頻器以及異步電動(dòng)機(jī)提供必要的保護(hù)。此外,控 制電路還通過(guò) A/D,D/A等外部接口電路接收 /發(fā)送多種形式的外部信號(hào)和給出系統(tǒng) 內(nèi)部工作狀態(tài),以便使變頻器能夠和外部設(shè)備進(jìn)行各種高性能的控制。2.1.3逆變電路基本工作原理逆變電路的基本作用是將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源。在逆變電路中,由六個(gè) 開關(guān)組成了一個(gè)三相橋式電路。交

17、替打開和關(guān)斷這六個(gè)開關(guān),就可以在輸出端得 到相位上各相差 120度(電氣角的三相交流電源。該交流電源的頻率由開關(guān)頻 率決定,而幅值則等于直流電源的幅值。為了改變?cè)摻涣麟娫吹南嘈驈亩_(dá)到改 變異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的目的,只要改變各個(gè)開關(guān)打開和關(guān)斷的順序即可。因?yàn)檫@些 開關(guān)同時(shí)又起著改變電流流向的作用,所以它們又被稱為換流開關(guān)或換流器件。 當(dāng)位于同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)處于開通狀態(tài)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象,并燒 毀換流器件。所以在實(shí)際的變頻器逆變電路中還沒有各種相應(yīng)的輔助電路,以保 證逆變電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時(shí)對(duì)換流器件進(jìn)行保護(hù)。在由逆變電路所完成的將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源的過(guò)程中,開關(guān)器件起著 非

18、常重要的作用。由于機(jī)械式開關(guān)的開關(guān)頻率和使用壽命都很有限,在實(shí)際的逆 變電路中采用半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件。半導(dǎo)體開關(guān)器件的種類很多,如晶體管、 晶閘管、 GTO 、 IGBT 等。而變頻器本身也常常根據(jù)氣逆變電路中使用的半導(dǎo)體開關(guān)器件的種類而被稱為晶閘管變頻器、晶體管變頻器等。2.2變頻器的種類在介紹變頻器的種類時(shí)我們將遇到變頻器的分類方式的問題。變頻器的分類 可以有很多種方式,例如可以按其主電路工作方式進(jìn)行分類,可以按其開關(guān)方式 進(jìn)行分類,可以按其控制方式進(jìn)行分類,還可以按用途進(jìn)行分類。下面就根據(jù)這 幾種分類方法對(duì)變頻器進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。(1按照主電路工作方式分類。當(dāng)按照主電路工作方式進(jìn)行分類時(shí)

19、,變頻器 可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器。電壓型變頻器的特點(diǎn)是將直流電壓源轉(zhuǎn) 換為交流電源,而電流型變頻器的特點(diǎn)則是將直流電流源轉(zhuǎn)換為交流電源。 電壓型變頻器。在電壓型變頻器中,整流電路或者斬波電路產(chǎn)生逆變電路 所需要的直流電壓,并通過(guò)直流中間電路的電容進(jìn)行平滑后輸出。整流電路和直 流中間電路起直流電壓源的作用,而電壓源輸出的直流電壓在逆變電路中被轉(zhuǎn)換 為具有所需要頻率的交流電壓。在電壓型變頻器中,由于能量回饋給直流中間電路的電容,并使直流電壓上 升,還需要有專用的放電電路,以防止換流器件因電壓過(guò)高而被破壞。電流型變頻器。在電流型變頻器中,整流電路給出直流電流,并通過(guò)中間 電路的電抗將電流

20、進(jìn)行平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起電流源的作用, 而電流源輸出的直流電流在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電流,并被 分配給各輸出相后作為交流電流提供給電動(dòng)機(jī)。在電流型變頻器中,電動(dòng)機(jī)定子 電壓的控制是通過(guò)檢測(cè)電壓后對(duì)電流進(jìn)行控制的方式實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于電流型變頻器來(lái)說(shuō),在電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)的過(guò)程中可以通過(guò)將直流中間電 路的電壓反向的方式使整流電路變?yōu)槟孀冸娐?并將負(fù)載的能量回饋給電源。 由于在采用電流控制方式是可以將能量回饋給電源,而且在出現(xiàn)負(fù)載短路等 情況時(shí)也更容易處理,電流型控制方式更適合于大容量變頻器。(2按照開關(guān)方式分類。當(dāng)談到變頻器的開關(guān)方式是通常講的都是變頻器逆 變電路的開關(guān)方式

21、。而在按照逆變電路的開關(guān)方式對(duì)變頻器進(jìn)行分類時(shí),則變頻 器可以分為 PAM 控制方式, PWM 控制方式和高載頻 PWM 控制方式三種。 PAM 控制方式。 PAM 控制是 Pulse Amplitude Modulation(脈沖振幅調(diào)制的 簡(jiǎn)稱,是一種在整流電路部分對(duì)輸出電壓 (電流的幅值進(jìn)行控制,而在逆變電路 部分對(duì)輸出頻率進(jìn)行控制的控制方式。因?yàn)樵?PAM 控制的變頻器中逆變電路換流 器件的開關(guān)頻率即為變頻器的輸出頻率,所以這是一種同步調(diào)速方式。由于逆變電路換流器件的開關(guān)頻率較低,在使用 PAM 控制方式的變頻器進(jìn)行 調(diào)速驅(qū)動(dòng)時(shí)具有電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲小,效率高等特點(diǎn)。但是,由于種種控制方式

22、必須同時(shí)對(duì)整流電路和逆變電路進(jìn)行控制,控制電路比較復(fù)雜。此外,這種控制方 式也還具有當(dāng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)波動(dòng)較大的缺點(diǎn)。 PWM 控制方式。 PWM 控制是 Pulse Width Modulation(脈沖寬度調(diào)制 控制的簡(jiǎn) 稱,是在逆變電路部分同時(shí)對(duì)輸出電壓(電流的幅值和頻率進(jìn)行控制的控制方 式。在這種控制中,并通過(guò)改變輸出脈沖的寬度來(lái)達(dá)到控制電壓(電流的目的。 為了使異步電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠更加平滑,目前在變頻器中多采取 正弦波 PWM 控制方式。所謂正弦波 PWM 控制方式指的是通過(guò)改變 PWM 輸出的脈沖 寬度,使輸出電壓的平均值接近于正弦波。這種控制方式也稱為 SPWM 控

23、制。 采用 PWM 控制方式的變頻器具有可以減少高次諧波帶來(lái)的各種不良影響,轉(zhuǎn) 矩波動(dòng)小,而且控制電路簡(jiǎn)單,成本低等特點(diǎn),是目前在變頻器中采用最多的一 種逆變電路控制方式。但是,該方式也具有當(dāng)載波頻率不合適時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電 動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲的缺點(diǎn)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn),在采用 PWM 控制方式的新型變頻器中 都具有一哥可以改變變頻器載波頻率的功能,以便使用戶可以根據(jù)實(shí)際需要改變 變頻器的載波頻率,從而達(dá)到降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲的目的。高載頻 PWM 控制方式。這種控制方式原理上實(shí)際是對(duì) PWM 控制方式的改進(jìn), 是為了降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲而采用的一種控制方式。在這種控制方式中,載頻被 提高到人耳可以聽到的頻

24、率以上,從而達(dá)到降低電動(dòng)機(jī)噪聲的目的。這種控制方 式主要用于低噪聲型的變頻器,也將是今后變頻器的發(fā)展方向。由于這種控制方 式對(duì)換流器件的開關(guān)速度有較高的要求,所以用換流器件只能使用具有較高開關(guān) 速度的 IGBT 或 MOSFET 等半導(dǎo)體元器件,目前在大容量變頻器中的利用仍然受到 一定限制。但是,隨著電力電子技術(shù)的反展,具有較高開關(guān)速度的環(huán)流元器件的 容量將越來(lái)越大,所以預(yù)計(jì)采用這種控制方式的變頻器也將越來(lái)越多。PWM控制和高載頻 PWM 控制都屬于異步調(diào)速方式, 即變頻器的輸出頻率不等于 逆變電路換流器件的開關(guān)頻率。(3按照工作原理分類。當(dāng)按照工作原理對(duì)變頻器進(jìn)行分類時(shí),按變頻器技 術(shù)的發(fā)展

25、過(guò)程可以分為 V/f控制方式、轉(zhuǎn)差頻率控制方式和矢量控制方式三種。 V/f控制變頻器。 V/f控制是一種比較簡(jiǎn)單的控制方式。它的基本特點(diǎn)是 對(duì)變頻器輸出的電壓和頻率同時(shí)進(jìn)行控制,通過(guò)使 V/f(電壓和頻率的比的值保 持一定而得到所需的轉(zhuǎn)矩特型。采用 V/f控制方式的變頻器控制電路成本較低, 多用于對(duì)精度要求不太高的通用變頻器。轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器。轉(zhuǎn)差頻率控制方式是對(duì) V/f控制的一種改進(jìn)。在采 用這種控制方式的變頻器中,電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度由安裝在電動(dòng)機(jī)上的速度傳感器 和變頻器控制電路得到,而變頻器的輸出頻率則由電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差 頻率的和被自動(dòng)設(shè)定,從而達(dá)到在進(jìn)行調(diào)速控制的同時(shí)控制電動(dòng)機(jī)

26、輸出轉(zhuǎn)矩的目 的。轉(zhuǎn)差頻率控制是利用了速度傳感器的速度閉環(huán)控制,并可以在一定程度上對(duì) 輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,所以和 V/f控制相比,在負(fù)載發(fā)生較大變化時(shí)仍能達(dá)到較高 的速度精度和具有較好的轉(zhuǎn)矩特性。但是,由于采用這種控制方式時(shí)需要在電動(dòng) 機(jī)上安裝速度傳感器,并需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差,通常多用于廠家指定 的專用電動(dòng)機(jī),通用性較差。矢量控制變頻器。矢量控制是 20世紀(jì) 70年代由西德 Blaschke 等人首先提 出來(lái)的對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的一種新的控制思想和控制技術(shù),也是交流電動(dòng)機(jī)的一種理 想的調(diào)速方法。矢量控制的基本思想是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流分為產(chǎn)生磁場(chǎng)的 電流分量(勵(lì)磁電流和與其相垂直的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩

27、的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流并分別 加以控制。由于在這種控制方式中必須同時(shí)控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流的幅值和相 位,即控制定子電流矢量,這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式使對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高性能的控制成為可能采用矢量控制方式 的交流調(diào)速系統(tǒng)不僅在調(diào)速范圍上可以與直流電動(dòng)機(jī)相匹敵,而且可以直接控制 異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。所以已經(jīng)在許多需要進(jìn)行精密控制的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。 由于在進(jìn)行矢量控制時(shí)需要準(zhǔn)確地掌握對(duì)象電動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù),這種控制方 式過(guò)去主要用于廠家指定的變頻器專用電動(dòng)機(jī)的控制。但是,隨著變頻器調(diào)速理 論和技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論在變頻器中的成功應(yīng)用,目前在新型矢量控制 變頻器中已經(jīng)增加了自調(diào)

28、整功能。帶有這種功能的變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行 運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對(duì)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)并根據(jù)辨識(shí)的結(jié)果調(diào)整控制算法中 的有關(guān)參數(shù),從而使得對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制也稱為可能。 (4按照用途分類。在上面介紹的變頻器分類方式中我們是按照變頻器的工 作原理對(duì)其進(jìn)行分類的,但是,對(duì)于一個(gè)變頻器的用戶來(lái)說(shuō),他關(guān)心更多的也可 能是變頻器的用途而不是其工作原理。下面,介紹一下按照用途對(duì)變頻器進(jìn)行分 類是變頻器的種類。當(dāng)按照用途對(duì)變頻器進(jìn)行分類時(shí),變頻器可以分為以下幾種類型。通用變頻器。顧名思義,通用變頻器的特點(diǎn)是其通用性。這里通用性指的 是通用變頻器可以對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。隨著變

29、頻器技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)需要的不斷擴(kuò)大,通用變頻器也在朝著兩個(gè)方 向發(fā)展:低成本的簡(jiǎn)易型通用變頻器和高性能多功能的通用變頻器。這兩類變頻 器分類變頻器分別具有以下特點(diǎn):簡(jiǎn)易型通用變頻器是一種以節(jié)能為主要目的而削減了一些系統(tǒng)功能的通用變 頻器。它主要應(yīng)用于水泵、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)等對(duì)于系統(tǒng)的調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)所, 并具有體積小,價(jià)格低等方面的優(yōu)勢(shì)。高性能多功能通用變頻器在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了在變頻器應(yīng)用中可能出現(xiàn) 的各種需要,并為滿足這些需要在系統(tǒng)軟件和硬件方面都做了相應(yīng)的準(zhǔn)備。在使用時(shí),用戶可以根據(jù)負(fù)載特性選擇算法并對(duì)變頻器的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,也可以 根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇廠家所提供的各種選件來(lái)滿足系統(tǒng)的

30、特殊需要。高性能多功 能變頻器除了可以應(yīng)用于簡(jiǎn)易型變頻器的所有領(lǐng)域之外,還廣泛應(yīng)用于傳送帶、 升降裝置以及各種機(jī)床、電動(dòng)車輛等對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的性能和功能有比較高要求的許 多場(chǎng)合。過(guò)去,通用型變頻器基本上采用的是電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的 V/f控制方式,與 采用了轉(zhuǎn)矩矢量控制方式的高性能變頻器相比,在轉(zhuǎn)矩控制性能方面要差一點(diǎn)。 但是,隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展和變頻器參數(shù)自調(diào)整的實(shí)用化,目前一些廠家已經(jīng) 推出了采用矢量控制方式的高性能多功能通用變頻器,以適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的變 頻器市場(chǎng)的需要。這種高性能多功能通用變頻器在性能上已經(jīng)接近過(guò)去的高性能 矢量控制變頻器,但在價(jià)格方面卻與過(guò)去采用 V/f控制方式的通用變頻

31、器基本持 平。因此,可以相信,隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,今后變頻器的性 能價(jià)格比將會(huì)不斷提高。高性能專用變頻器。隨著控制理論,交流調(diào)速理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展, 異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制方式得到了充分地重視和發(fā)展,采用矢量控制方式控制高 性能變頻器和變頻器專用電動(dòng)機(jī)所組成的調(diào)速系統(tǒng)在性能上已經(jīng)大達(dá)到和超過(guò)了 直流伺服系統(tǒng)。此外,由于異步電動(dòng)機(jī)還具有對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單等許多 直流伺服電動(dòng)機(jī)對(duì)不具備的優(yōu)點(diǎn),在許多需要進(jìn)行高速高精度的應(yīng)用中這種高性 能交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步替代直流伺服系統(tǒng)。與通用變頻器相比,高性能專用變頻器基本上采用了矢量控制方式,而驅(qū)動(dòng) 對(duì)象通常是變頻器廠家指定的專用電

32、動(dòng)機(jī),并且主要應(yīng)用于對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制性能 要求較高的系統(tǒng)。此外,高性能專用變頻器往往是為了滿足某些特定產(chǎn)業(yè)或區(qū)域 的需要,使變頻器在該區(qū)域中具有最好的性能價(jià)格比而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的。例如,在機(jī) 床主軸驅(qū)動(dòng)專用的高性能變頻器中,為了便于和數(shù)控裝置配合完成各種工作,變 頻器的主電路、回饋制動(dòng)電路和各種接口電路等被做成一體,從而達(dá)到了縮小體 積和降低成本的要求。而在纖維機(jī)械驅(qū)動(dòng)方面,為了便于大系統(tǒng)的維修保養(yǎng),變 頻器則采用了可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行拆裝的盒式結(jié)構(gòu)。高頻變頻器。在超精密加工和高性能機(jī)械區(qū)域中常常要用到高速電動(dòng)機(jī)。 為了滿足這些高速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的需要,出現(xiàn)了采用 PAM 控制方式的高速電動(dòng)機(jī)驅(qū) 動(dòng)用變頻器。

33、這類變頻器的輸出頻率可以達(dá)到 3kHz, 所以在驅(qū)動(dòng)兩級(jí)異步電動(dòng)機(jī)時(shí) 電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到 180000r/min。單相變頻器和三相變頻器。交流電動(dòng)機(jī)可以分為單相交流電動(dòng)機(jī)和三相交 流電動(dòng)機(jī)兩種類型,與此相對(duì)應(yīng),變頻器也分為單相變頻器和三相變頻器。二者 的工作原理相同,但電路的結(jié)構(gòu)不同。由于單相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)的有功功率 P 與電壓的有效值 E , 電流的有效值I 以及功率系數(shù) cos 之間有如下關(guān)系單相 P = EIcos三相 P = 3EIcos 為了的得到相同的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩(即有功功率 ,采用三相變頻器時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流只 是單相變頻器驅(qū)動(dòng)電流的 1/3。由于在使用單相變頻器時(shí)需要給出更大的

34、驅(qū)動(dòng)電 流,所以在選擇變頻器時(shí)也應(yīng)加以注意。2.3變頻器控制方式和基本原理2.3.1 V/f控制對(duì)于異步電動(dòng)機(jī),只要改變其他供電電源的頻率,既可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速, 達(dá)到進(jìn)行調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。但是,對(duì)于一個(gè)實(shí)際的交流調(diào)速控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),事情 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是那么簡(jiǎn)單。這是因?yàn)楫?dāng)電動(dòng)機(jī)電源的頻率被改變時(shí),電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部阻抗 也將隨之改變,從而引起勵(lì)磁電流的變化,使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)勵(lì)磁不足或勵(lì)磁過(guò)強(qiáng)的 情況。在勵(lì)磁不足的情況下電動(dòng)機(jī)將難以給出足夠的轉(zhuǎn)矩,而在勵(lì)磁過(guò)強(qiáng)時(shí)電動(dòng) 機(jī)又將出現(xiàn)磁飽和,造成電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)和效率的下降。因此,為了得到理想的 轉(zhuǎn)矩 -速度特性,在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí),必須采取必要的措施來(lái)保證電

35、 動(dòng)機(jī)的氣隙磁通處于高效狀態(tài)(即保持磁通不變 。這就是 V/f控制的出發(fā)點(diǎn)。 在異步電動(dòng)機(jī)等效電路中,設(shè)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通用 表示,則可以看出,勵(lì) 磁電流 I M,感應(yīng)電勢(shì) E 和氣隙磁通 之間有如下關(guān)系=MIM (2.1 E=j2fMI M =j2f (2.2因此,為了改變使氣隙磁通 在整個(gè)調(diào)速過(guò)程中保持不變,只需在改變電源 頻率 f 的同時(shí)改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E ,使其滿足E/f = 常值 (2.3即可。但是,在電動(dòng)機(jī)的實(shí)際調(diào)速控制過(guò)程中,由于 E 為電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),無(wú) 法直接進(jìn)行檢測(cè)和控制,必須采用其他方法才能使式 (2.3得到滿足。另一方面,從異步電動(dòng)機(jī)的等效電路還可以得知。V = I

36、1 Z1+ E (2.4其中, Z1 = j2L 1 +r1為定子阻抗。因此,當(dāng)定子阻抗上的壓降與定子電壓相比很小時(shí),由于 V E ,所以,只要 控制電源電壓和頻率,使得V/f = 常值 (2.5即可使式 (2.3近似得到滿足?；谑?(2.5的變頻器被稱為采用了 V/f控制方式的變頻器,簡(jiǎn)稱為 V/f控制 變頻器。 而與此相對(duì)應(yīng), 基于式 (2.3的變頻器則被稱為 E/f控制變頻器。 很明顯, E/f控制變頻器的特性要優(yōu)于 V/f控制變頻器。初期的通用型變頻器基本上采用的是 V/f控制方式。但是,由于在實(shí)際的電 路中存在著定子阻抗上的壓降,尤其是電動(dòng)機(jī)進(jìn)行低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較小, 定子阻抗

37、上的壓降更不能忽略。因此,為了得到與 E/f控制相近的特性,必須對(duì) 這部分壓降進(jìn)行補(bǔ)償。 為了改善 V/f變頻器在低頻時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性, 使之得到與 E/f控制變頻器相近的特性,各個(gè)廠家都在自己的產(chǎn)品中采取了不同的補(bǔ)償措施,以 保證當(dāng)電動(dòng)機(jī)在低速區(qū)域運(yùn)行是仍然能夠得到較大的輸出轉(zhuǎn)矩。這種補(bǔ)償也稱為 變頻器的轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)功能或轉(zhuǎn)矩提升功能。變頻器的轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)功能可以分為起始轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)功能和全范圍轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功 能。所謂起始轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)功能指的是在變頻器的低頻輸出區(qū)域按照某一規(guī)則在變頻 器的輸出電壓上加上一定的補(bǔ)償,從而達(dá)到提高輸出轉(zhuǎn)矩的目的。而在具有全范 圍轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功能的變頻器中,電壓補(bǔ)償是在電動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)

38、行范圍中進(jìn)行的。 在具有全范圍轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功能的變頻器中,檢測(cè)電路對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流和電 壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),而 CPU 則按照 E/f一定的要求進(jìn)行計(jì)算后求出所需的壓降補(bǔ)償。 這種控制方式更接近真正的 E/f控制,并且在性能方面優(yōu)于只采用了簡(jiǎn)單的起始 轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)補(bǔ)償額變頻器。由于 E/f控制和 V/f控制在控制原理上并無(wú)不同,這兩種控制方式通常統(tǒng)稱 為 V/f控制。V/f控制變頻器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 但是, 由于這種變頻器采用的是開環(huán)控制方式, 其精度和動(dòng)態(tài)特性并不是十分理想,尤其是在低速區(qū)電壓調(diào)整比較困難,難以的 得到較大的調(diào)整范圍。所以采用這種控制方式的變頻器一般是對(duì)控制性能要求不 太高的通用變頻器。

39、2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制在對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究的過(guò)程中人們發(fā)現(xiàn),如果在對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控 制過(guò)程中能夠像控制直流電動(dòng)機(jī)那樣,用直接控制電樞電流的方法控制轉(zhuǎn)矩,那 么就可以用異步電動(dòng)機(jī)來(lái)得到與直流電動(dòng)機(jī)同樣的靜、動(dòng)態(tài)特性。而轉(zhuǎn)差頻率就 是這樣一種直接控制轉(zhuǎn)矩的方法。從異步電動(dòng)機(jī)等效電路可以求得I 2 = E/ (r2/s2 +(2fL22 (2.6定義轉(zhuǎn)差頻率 f 為Fs= sf (2.7 則可以得到I 2 = E/f×1/ (r2/fs2 +(2L22 (2.8而轉(zhuǎn)矩則由下式給出T = mp/4(E/f2f s r2/ r22+(2fsL22 (2.9從式 (2.9可知,當(dāng)轉(zhuǎn)矩頻率

40、fs較小時(shí),如果 E/f =常數(shù) , 則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)差 fs成正比。異步電動(dòng)機(jī)的這個(gè)特征意味著,在進(jìn)行 E/f控制的基礎(chǔ)上,只要對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率 fs進(jìn)行控制,就可以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的目的。 這就是轉(zhuǎn)差頻率控制方式的基本出發(fā)點(diǎn)。另一方面,對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),其定子電壓頻率 f s 以電動(dòng)機(jī)的實(shí)際頻率 n n作為同步轉(zhuǎn)速時(shí)的電源頻率 f n ,以及轉(zhuǎn)差頻率 fs三者的關(guān)系可以由f = fn+ fs(2.10輸出。所以,在進(jìn)行 E/f控制的基礎(chǔ)上,只要知道了異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 n n 對(duì)應(yīng)的電源頻率 f n , 并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩 (對(duì)應(yīng)于某一轉(zhuǎn)差頻率 fs0按照式 (2.1

41、0調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率 f ,就可以使電動(dòng)機(jī)具有某一所需的轉(zhuǎn)差頻率 fs0,即使電 動(dòng)機(jī)給出所需的輸出轉(zhuǎn)矩。而采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式的變頻器正是按照上述原理 進(jìn)行控制的。此外,從式 (2.8還可以看出,當(dāng) E/f為一定時(shí),控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率還可 以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流的目的。在采用了轉(zhuǎn)差頻率控制方式的變頻器中,上 述特性被用于對(duì)象電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。這是因?yàn)?只要能夠控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率。 使之不超過(guò)電動(dòng)機(jī)最大過(guò)載能力時(shí)的轉(zhuǎn)差頻率,就可以限制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的最大電 流,從而起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用。因?yàn)樵诓捎棉D(zhuǎn)差頻率控制方式時(shí)需要檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,所以需要在異 步電動(dòng)機(jī)軸上安裝速度傳感器。而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)

42、速檢測(cè)由速度傳感器和變頻器控制 電路中的運(yùn)算電路完成?？刂齐娐愤€將通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ǜ鶕?jù)檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)速度 產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率和其他的控制信號(hào)。此外,在采用了轉(zhuǎn)差頻率控制方式的變頻器中 往往還加有電流負(fù)反饋,對(duì)頻率和電流進(jìn)行控制,所以這種變頻器具有良好的穩(wěn) 定性,并對(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。2.3.3矢量控制矢量控制的基本思想是認(rèn)為異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)具有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī) 理,即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為磁場(chǎng)和與其相垂直的電流的積,而異步電動(dòng)機(jī)的定子電流 則可以分為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量(磁場(chǎng)電流和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流 。 因此,通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位(即定子電流矢量 ,即可以分

43、別對(duì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制,從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。 目前在變頻器中得到實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢 量控制方式和無(wú)速度檢測(cè)器的矢量控制方式兩種。2.3.3.1基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式前面我們已經(jīng)提到,矢量控制的基本原理是通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)定子電流的幅值 和相位(即電流矢量 ,來(lái)分別對(duì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制,從而達(dá) 到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩電流特性的目的 .從電流矢量圖可以看出,當(dāng)需要將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流從 I 2 變?yōu)?I2'時(shí),在改變電動(dòng)機(jī)定子電流的幅值,使得 I 1 變?yōu)?I1'的同時(shí),還必須改變 I1的相位 ,使得 變?yōu)?

44、9; ,即必須對(duì)定子電流矢量進(jìn)行控制,才能保證轉(zhuǎn)矩電流的平穩(wěn)變化, 而在轉(zhuǎn)差頻率控制方式中,雖然通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)差頻率的控制達(dá)到了控制轉(zhuǎn)矩電流 I 2幅 值的目的,但是,由于在這種控制方式中并沒有對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流的相位進(jìn)行控制,在轉(zhuǎn)矩電流從 I 2 變?yōu)?I2'的過(guò)渡過(guò)程中將存在一定的波動(dòng),并造成電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng) .根據(jù)等效電路圖得知,定子電流 I 1 、轉(zhuǎn)矩電流 I2、勵(lì)磁電流 I M 三者之間有如下的關(guān)系I1 = (I 2 2 + IM2 (2.112fMI M = I 2 r2/s (2.12由于轉(zhuǎn)差頻率定義為fs= sf 所以從式(2.12可得f s = I2/2T2I M (2.

45、13其中, T 2 = M/r2為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路時(shí)間常數(shù)。與轉(zhuǎn)差頻率控制方式相同,基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式同樣是在進(jìn)行 E/f控制的基礎(chǔ)上, 通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度得到與實(shí)際轉(zhuǎn)矩 nn對(duì)應(yīng)的電源頻率fn,并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩按照式(2.13對(duì)變頻器的輸出頻率 f 進(jìn)行控制的,因 此,二者的定常特性相同。但是,在基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式中,除了按照上述方式對(duì)異步電 動(dòng)機(jī)進(jìn)行定常狀態(tài)時(shí)的控制外,還要根據(jù) = arc tan(I2/Im (2.14 的條件對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流的相位進(jìn)行控制,以消除轉(zhuǎn)矩電流過(guò)渡過(guò)程中的波動(dòng)。 2.3.3.2無(wú)速度傳感器的矢量控制無(wú)速度傳感器的矢量控制方式是在

46、磁場(chǎng)定位矢量控制方式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái) 的。雖然磁場(chǎng)定位矢量控制方式在理論上早已得到了驗(yàn)證,但由于實(shí)現(xiàn)這種控制方式時(shí)需要在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝刺痛監(jiān)測(cè)裝置,一直未能得到推廣和應(yīng)用。因此, 早期的矢量控制變頻器基本上都是采用的基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式。但 是,隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代控制理論在變頻調(diào)速技術(shù)中的應(yīng)用,人們發(fā)現(xiàn), 即使不在異步電動(dòng)機(jī)中直接安裝磁通監(jiān)測(cè)裝置,也可以在變頻器內(nèi)部得到與磁通 相應(yīng)的量,并由此得到了所謂的無(wú)速度傳感器的矢量控制方式。無(wú)速度傳感器矢量控制方式的基本控制思想是:分別對(duì)作為基本控制量的勵(lì) 磁電流(或者磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè),并通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓 的頻率

47、使勵(lì)磁電流(或者磁通和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測(cè)值達(dá)到一致,從而實(shí) 現(xiàn)矢量控制。當(dāng)按照上述方式實(shí)現(xiàn)矢量控制時(shí),就可以根據(jù)式(2.15對(duì)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn) 速進(jìn)行推算,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器的矢量控制。2.3.4提高轉(zhuǎn)距控制性能的措施對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制是以電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部參數(shù)已知為前提,這點(diǎn) 從式(2.13即可得知。所以,對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行矢量控制和進(jìn)行轉(zhuǎn)差頻率控制 時(shí)一樣,除了必須準(zhǔn)確地檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速外,還必須準(zhǔn)確掌握電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部參 數(shù) M 和 r2并將這些參數(shù)輸入變頻器的控制算法。如果所掌握的參數(shù)值有誤差,則 電動(dòng)機(jī)的控制性能將直接受到影響。為了保證進(jìn)行矢量控制時(shí)變頻器控制算法中所得到的參數(shù)實(shí)

48、際參數(shù)一致,在 新型變頻器中通常都沒有參數(shù)自調(diào)整功能。但是,由于變頻器的參數(shù)自調(diào)整功能 是在電動(dòng)機(jī)開始工作之前對(duì)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí),不能解決系統(tǒng)開始工作后由于溫度上升所造成的參數(shù)變化問題。例如,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的等效電阻 r2就很容易受 到溫度的影響而發(fā)生變化,而這種變化又將直接造成變頻器中控制參數(shù)的誤差和 引起電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變化。在某些情況下,當(dāng)溫度發(fā)生 80左右的變化時(shí)電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)矩甚至?xí)l(fā)生 30%左右的變化。為了解決上述問題,通常采用在電動(dòng)機(jī)定子繞組中設(shè)置溫度檢測(cè)器件,并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì) r2值進(jìn)行估算后進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?。而在希望得到更高的轉(zhuǎn)矩控制性能時(shí),則通常采用根據(jù)轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測(cè)

49、值之間的誤差對(duì) r2進(jìn)行修正的自 適應(yīng)控制的方法。由于 r2的設(shè)定值隨著溫度的增加而得到補(bǔ)償,保證了輸出轉(zhuǎn)矩 的穩(wěn)定。3可編程控制器3.1 PLC的組成和基本工作原理3.1.1 PLC的組成PLC的核心是微處理器, 所以它的組成和計(jì)算機(jī)相似, 由硬件和軟件兩大部分 組成。1.PLC硬件系統(tǒng)PLC硬件系統(tǒng)組成如圖 3.1所示。 圖 3.1 PLC的硬件系統(tǒng)組成(1中央處理器單元 微處理器:PLC 的核心,它的主要任務(wù)有:自診斷 PLC 內(nèi)部電路故障和編程語(yǔ)法錯(cuò)誤;和外部設(shè)備(變頻器。打印機(jī)、上位計(jì)算機(jī)等通訊處理;掃描輸入裝置狀態(tài)和數(shù)據(jù),并存入印象寄存器;在 PLC 處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí), 按順序逐條執(zhí)

50、行用戶程序, 根據(jù)執(zhí)行結(jié)果更新有關(guān)的 寄存器和輸出印象寄存器;將與輸出相關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器和輸出印象寄存器的內(nèi)容送給輸出電路。存儲(chǔ)器:用來(lái)存放系統(tǒng)程序、用戶程序級(jí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器的類型如圖 3.2所 示。圖 3.2存儲(chǔ)器類型微處理器 I/O接口:負(fù)責(zé)微處理器及存儲(chǔ)器與外部設(shè)備的信息交換。 (2輸入 /輸出接口輸入 /輸出接口是 PLC 與外界輸入 /輸出設(shè)備進(jìn)行連接的接口電路。外設(shè)輸入 到 PLC 的各種控制信號(hào),如限位開關(guān)、操作接鈕、行程開關(guān)以及一些傳感器的輸 出的開關(guān)量等,通過(guò)輸入接口轉(zhuǎn)化成中央處理器單元能接收到的信號(hào),中央處理 器單元輸出的弱電控制信號(hào)通過(guò)輸出接口變?yōu)殡姶砰y、接觸器等執(zhí)行元件

51、的驅(qū)動(dòng) 信號(hào)。 關(guān)量輸入接口電路直流輸入接口電路 如圖 3.3所示(途中只畫出了一個(gè)輸入端口電路 , R1、 R2為分壓電阻, C 為濾波電容, T 為光電耦合器。 IN 為輸入端, COM 為輸入公共端。 當(dāng)輸入端開關(guān) S 閉合時(shí),光電耦合器 T 導(dǎo)通, TTL 高電平信號(hào)送 PLC 內(nèi)部電路。它 為 DC12-24V 直流輸入接口電路。圖 3.3 直流輸入接口電路交流輸入接口電路 如圖 3.4所示, C 為隔直電容。當(dāng)輸入端開關(guān) S 閉合,雙 向光電耦合器 T 導(dǎo)通, TTL 高電平信號(hào)送 PLC 內(nèi)部電路。它為交流 100-200或者 200-240V 交流輸入接口電路。 圖 3.4交流

52、輸入接口電路交、直流輸入接口電路 如圖 3.5所示,和直流輸入接口電路有些相似,它為 交、直流 12-24V 輸入接口。圖 3.5 交、直流輸入接口電路上述三種輸入電路都采用了光電耦合電路,由于外部輸入信號(hào)是通過(guò)光電耦 合送到 PLC 內(nèi)部電路,沒有電路上的連接,所以具有抗干擾能力。開關(guān)量輸出接口電路晶體管 (直流 輸出接口電路 如圖 3.6所示 (圖中只畫出了一個(gè)輸出電路 ,虛線框內(nèi)為 PLC 內(nèi)部電路,框外為輸出端與負(fù)載的聯(lián)線。晶體管輸出接口電路只 是用于直流負(fù)載為感性時(shí),需要在負(fù)載兩端并聯(lián)釋放電路。 圖 3.6 晶體管(直流輸出接口電路晶閘管 (交流 輸出接口電路 如圖 3.7所示 (圖

53、中只畫出了一路輸出電路 , 當(dāng)內(nèi)部電路有輸出時(shí),固態(tài)繼電器的晶閘管導(dǎo)通;當(dāng)內(nèi)部電路取消輸出,晶閘管 在下半周期關(guān)斷,所以晶閘管輸出接口電路只適用于交流負(fù)載。 圖 3.7 晶閘管(交流輸出接口電路繼電器(交、直流輸出接口電路 如圖 3.8所示,繼電器輸出接口電路 本身有隔離的功能,當(dāng)內(nèi)部有輸出時(shí),相應(yīng)的繼電器吸合,使外部負(fù)載電路接通。 繼電器輸出接口適用交、直流。當(dāng)用于交流時(shí)。負(fù)載兩端并聯(lián)阻容吸收;當(dāng)用于 直流時(shí),負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管。 圖 3.8 繼電器(交、直流輸出接口電路(3電源PLC一般使用 220V 單相交流電源,也有的使用 24V 直流電源。電源部件將外 接電源轉(zhuǎn)換為 PLC 的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路工作所需的 5V 直流電源。對(duì)于交 流 220V