橋式起重機的變頻調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電氣調(diào)速控制的方法很多，對直流驅(qū)動來講60年代采用發(fā)電機—電機系統(tǒng)。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(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成模塊出現(xiàn)，計算機、微處理器應(yīng)用，因此控制從分立組成模擬量控制發(fā)展至今天的數(shù)字量控制。</p><p>　　從交流

2、驅(qū)動來講：常規(guī)的常采用繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)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(zhuǎn)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(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外開發(fā)研制變頻調(diào)速，PLC 可編程序控制器的應(yīng)用控制系統(tǒng)的性能更加完美。</p><p>　　本次設(shè)計采用PLC和變頻器技術(shù)，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(xiàn)變頻調(diào)速，

3、設(shè)計出PLC控制的橋式起重機的變頻調(diào)速系統(tǒng)，進而實現(xiàn)了起重機的半自動化控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PLC 橋式起重機 矢量控制</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　緒 論3<

4、;/b></p><p>　　第1章 橋式起重機介紹6</p><p>　　1.1 國內(nèi)外發(fā)展概況6</p><p>　　1.2 傳統(tǒng)橋式起重機控制系統(tǒng)的特點和存在的問題7</p><p>　　第2章 調(diào)速系統(tǒng)介紹9</p><p>　　2.1 電動機的調(diào)速指標9</p><p>

5、;　　2.2 變頻調(diào)速的基本原理11</p><p>　　2.3電動機變頻調(diào)速的機械特性12</p><p>　　第3章 變頻器14</p><p>　　3.1 變頻器的分類14</p><p>　　3.2變頻器的主電路15</p><p>　　3.3變頻器的控制電路16</p><p&

6、gt;　　3.4脈寬調(diào)制型(PWM)變頻器16</p><p>　　第4章 可編程序控制器20</p><p>　　4.1 PLC的應(yīng)用與發(fā)展和系統(tǒng)組成22</p><p>　　4.2 PLC的工作原理、抗干擾分析及設(shè)計24</p><p>　　第5章 調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計和部件選型25</p><p>　　5.

7、1 采用變頻調(diào)速的基本考慮26</p><p>　　5.3 橋式起重機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)31</p><p>　　第6章 橋式起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計34</p><p>　　6.1 S7-200PLC網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議34</p><p>　　6.2 PLC程序設(shè)計35</p><p><b>　　展

8、 望39</b></p><p><b>　　參考文獻41</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　橋式起重機作為物料搬運機械在整個國民經(jīng)濟中有著十分重要的地位，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國橋式起重機制造廠和使用部門在設(shè)計、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗，不斷改造，

9、推動了橋式起重機的技術(shù)進步。但在實際使用中，傳統(tǒng)橋式起重機的控制系統(tǒng)所采用交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻的方法進行啟動和調(diào)速，繼電—接觸器控制，在工作環(huán)境差，工作任務(wù)重時，電動機以及所串連電阻燒損和斷裂故障時有發(fā)生；繼電—接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，機械特性軟，負載變化時轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想。所串連電阻長期發(fā)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(tǒng)的控制方式。</p><

10、p>　　近年來，隨著計算機技術(shù)和電力電子器件的迅猛發(fā)展，同時也帶動電氣傳動和自動控制領(lǐng)域的發(fā)展。其中，具有代表性的交流變頻調(diào)速裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應(yīng)用，為PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機系統(tǒng)提供了有利條件。變頻技術(shù)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(tǒng)橋式起重機控制系統(tǒng)存在諸多的問題，變頻調(diào)速以其可靠性好，高品質(zhì)的調(diào)速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重運輸機械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。</p>

11、<p>　　本次設(shè)計采用PLC和變頻器技術(shù)，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(xiàn)變頻調(diào)速，設(shè)計出PLC控制的橋式起重機的變頻調(diào)速系統(tǒng)，進而實現(xiàn)了起重機的半自動化控制。此系統(tǒng)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(diào)速性能，提高工作效率和功率因數(shù)，減小起制動沖擊以及增加起重機使用的安全可靠性是非常有益的。</p><p>　　如果說以第一個晶閘管的出

12、現(xiàn)作為交流電動機變頻調(diào)速的起點，可以認為它的發(fā)展歷史己40多年了。而變頻調(diào)速技術(shù)真正高速發(fā)展時期，應(yīng)該是在PWM調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)和微機控制技術(shù)發(fā)展之后。特別是最近20年來，隨著交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用普及，交流變頻調(diào)速在化工、火電廠、礦山、油田、機械制造、城市建設(shè)、水處理、甚至家電等行業(yè)己經(jīng)全面推廣使用，一般主要用于節(jié)能及控制。隨著變頻技術(shù)的普及和深入，以及國際、國內(nèi)電器設(shè)備使用的有關(guān)標準意識的強化，電力系統(tǒng)行業(yè)和用戶對變頻技術(shù)的質(zhì)量要求也越來

13、越高。變頻調(diào)速的發(fā)展趨勢主要圍繞下面幾個方而展開。</p><p>　　1) 高性能的智能控制變頻器</p><p>　　380V系統(tǒng)的低壓變頻器是國內(nèi)的主要研究對象，應(yīng)用交流調(diào)速的基本理論，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制、模糊控制，或其他智能控制等手段，實現(xiàn)電機運行參數(shù)的自動辨識，以期達到自適應(yīng)、自調(diào)整的最優(yōu)控制。</p><p>　　2) 速度傳感器研究</p

14、><p>　　從前面所述的各種變頻調(diào)速的理論可知，一般系統(tǒng)都要用到轉(zhuǎn)速傳感器。在實際使用中，由于變頻設(shè)備和被控電動機有一定的距離，而高精度的轉(zhuǎn)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(diào)速系統(tǒng)，是通過現(xiàn)場采集的電流電壓量，以及控制的實施策略，綜合出被控電機的實際轉(zhuǎn)

15、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。</p><p>　　3) 針對功率因數(shù)提高和諧波污染的研究</p><p>　　低壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制雖然己經(jīng)是非常成熟了，但目前國際、國內(nèi)的產(chǎn)品，一般都是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，重點放在電機變頻控制理論的實現(xiàn)和完善上，而對變頻器的輸出波形、功率因數(shù)，以及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(lǐng)域己有較深入

16、的研究。有的針對功率因數(shù)，有的強調(diào)輸出波形。多重化技術(shù)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(guān)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(chǎn)品出現(xiàn)。</p><p>　　4) 高壓變頻器的研究</p>

17、<p>　　變頻器的主要作用之一是節(jié)能。而高壓電動機的節(jié)能效果是比較明顯的，大功率的風(fēng)機和水泵用電動機一般都是高壓電動機。國內(nèi)，高壓變頻調(diào)速和它的節(jié)能控制還是一個比較薄弱的環(huán)節(jié).它主要是針對6~10kV的交流電動機進行變頻調(diào)速控制。這種高壓電動機廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠的送風(fēng)機和引風(fēng)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(yè)的變頻節(jié)能控制。從某種意義上講，由于目前國內(nèi)還不能完全生產(chǎn)高質(zhì)量的合格電力電子器件，而

18、且，國外低壓變頻器的性能價格比也比國內(nèi)自己研究的變頻器高得多。</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)最近20多年的飛速發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件的成本逐年下降，技術(shù)工藝和性能也得到不斷改善.電力電子器件的應(yīng)用己從傳統(tǒng)的直流調(diào)速、直流屏、斬波器等領(lǐng)域延伸到交流調(diào)速和電力系統(tǒng)的質(zhì)量控制領(lǐng)域.并正朝著高電壓、大功率的方向發(fā)展.這也是千年之交和世紀之交我國電力電子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢。</p><p>　

19、　5) 無換向器同步電機的變頻調(diào)速</p><p>　　無換向器電動機也是在20世紀70年代發(fā)展起來的新型調(diào)速系統(tǒng)。它是一種變頻調(diào)速同步電動機.也可以認為是一種用半導(dǎo)體電子開關(guān)線路代替換向器和電刷作用的直流電動機。根據(jù)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(tǒng);交流無換向器電動機采用交-交變頻控制系統(tǒng)。近10年來.國內(nèi)外雜志上有許多相關(guān)的

20、研究論文。而且，也有一定的成果出現(xiàn)。</p><p>　　第1章 橋式起重機介紹</p><p>　　1.1 國內(nèi)外發(fā)展概況</p><p>　　電氣調(diào)速控制的方法很多，對直流驅(qū)動來講60年代采用發(fā)電機—電機系統(tǒng)。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(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成模塊出現(xiàn)，計算機、微處理器應(yīng)用

21、，因此控制從分立組成模擬量控制發(fā)展至今天的數(shù)字量控制。</p><p>　　從交流驅(qū)動來講：常規(guī)的常采用繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)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(zhuǎn)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(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外開發(fā)研制變頻調(diào)速，PLC 可編程序控制器的應(yīng)用控制系統(tǒng)的性能更加完美。目前國內(nèi)外幾種常用調(diào)速系統(tǒng)配置及其性能：</

22、p><p>　　l) DC-300直流驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)：GE公司DC-300，DC-2000是微處理器數(shù)字量控制的直流驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)，其控制功率從300HP到4000HP，并采用PLC對整機驅(qū)動系統(tǒng)實施故障診斷、檢測、報警及控制。</p><p>　　該驅(qū)動系統(tǒng)實施主回路SCR整流，其控制是給定模擬量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過速度環(huán)、電流環(huán)到SCR移現(xiàn)觸發(fā)的邏輯無環(huán)流的調(diào)速系統(tǒng)。可用測速反饋或電壓反

23、饋，對磁場弱磁，以實施恒功率控制。</p><p>　　2) 交流調(diào)速控制系統(tǒng)：對于起重機械來講，交流驅(qū)動仍是國內(nèi)普遍采用的方案而且多數(shù)停留在繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻來調(diào)速。隨著功率電子技術(shù)的發(fā)展，早在六十年代后期，國外就開始致力于晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)的開發(fā)研究。目前，該技術(shù)已進入了成熟穩(wěn)定的發(fā)展應(yīng)用階段。日本安川電機制作所于1972年就正式定為VS系列，應(yīng)用于起重機及軋機輔助設(shè)備的交流調(diào)速。法國、英國、德國等大電

24、氣公司亦在這方面展開了重點研制開發(fā)。借助電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，由分離元件發(fā)展到大規(guī)模集成電路，從而實現(xiàn)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(fā)展到數(shù)字量控制。可編程序控制器PLC引入到交流電氣傳動系統(tǒng)后，使傳動系統(tǒng)性能發(fā)生了質(zhì)的變化。在橋式起重機實現(xiàn)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(shù)高度。</p><p>　　3) 變頻調(diào)速：變頻調(diào)速技術(shù)是國際上各大電氣公司在

25、70年代末80年代投入全力研制、開發(fā)，也是國際國內(nèi)這幾年全力研制應(yīng)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(shù)字化的矢量控制技術(shù)，大功率的IGBT模塊的出現(xiàn)使變頻技術(shù)在起升機械、電梯等位能負載控制成為現(xiàn)實。目前，變頻調(diào)速的控制方法有恒壓頻比控制，轉(zhuǎn)差頻率控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。這些控制方法都得到了不同程度的應(yīng)用，但其控制性能有一定的差異。</p><p>　　直流電動機

26、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(zhuǎn)矩的大小。異步電動機產(chǎn)生瞬時轉(zhuǎn)矩的原理雖然與直流電動機相同，但由于建立氣隙磁場的勵磁分量和電磁轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)裝置電流有功分量都應(yīng)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(zhuǎn)矩十分困難。像采用恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)由于是從控制電動機的平均轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)來控制電動機的轉(zhuǎn)

27、速，因而難以獲得較理想的動態(tài)性能，異步電動機在高精度調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中的應(yīng)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(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍迅速擴大。</p><p>　　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(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，該技術(shù)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(shù)調(diào)整，進一步降低電氣電機的投資而且維護保養(yǎng)方便。</p>&l

28、t;p>　　變頻器使用PWM技術(shù)可嚴格地使輸入電流正弦，即在下降過程各機械減速制動中，將動能和位能轉(zhuǎn)化為電能反饋電網(wǎng)，達到理想的節(jié)能指標，同時確保工況正常運行，上述發(fā)展己完成了產(chǎn)品系列化上市，對 “變頻”裝置在技術(shù)上以及經(jīng)濟上與其他驅(qū)動裝置競爭將有明顯的優(yōu)勢。同時隨著PLC系統(tǒng)的不斷成熟與完善，以及大容量變頻器在位能負載上的成功應(yīng)用，變頻調(diào)速系統(tǒng)必將成為未來調(diào)速市場的主流。</p><p>　　1.2 傳統(tǒng)

29、橋式起重機控制系統(tǒng)的特點和存在的問題</p><p>　　橋式起重機作為物料搬運機械在整個國民經(jīng)濟中有著十分重要的地位，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國橋式起重機制造廠和使用部門在設(shè)計、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗，不斷改造，推動了橋式起重機的技術(shù)進步。但在實際使用中，結(jié)構(gòu)開裂仍時有發(fā)生。究其原因是頻繁的超負荷作業(yè)及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(shè)計外，改善交流電氣傳動，減少起制

30、動沖擊，也是一個很重要的方面。由于傳統(tǒng)橋式起重機的電控系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進行有級調(diào)速，致使機械沖擊頻繁，振動劇烈，因此電氣控制上應(yīng)采用平滑的無級調(diào)速是解決問題的有效手段。</p><p>　　傳統(tǒng)的起重機驅(qū)動方案一般采用：（1）直接起動電動機；（2）改變電動機極對數(shù)調(diào)速；（3）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；（4）渦流制動器調(diào)速；（5）可控硅串級調(diào)速；（6）直流調(diào)速。前四種方案均屬有級調(diào)速，調(diào)速范圍小，無法高速運行，只能在

31、額定速度以下調(diào)速：起動電流大，對電網(wǎng)沖擊大；常在額定速度下進行機械制動，對起重機的機構(gòu)沖擊大，制動閘瓦磨損嚴重；功率因數(shù)低，在空載或輕載時低于0.2~0.4，即使?jié)M載也低于0.75，線路損耗大。可控硅串級調(diào)速雖克服了上述缺點，實現(xiàn)了額定速度以下的無級調(diào)速，提高了功率因數(shù)，減少了起制動沖擊，價格較低，但目前串級調(diào)速產(chǎn)品的控制技術(shù)仍停留在模擬階段，尚未實現(xiàn)控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能和起制動性能，很好的保護功能及系統(tǒng)監(jiān)控功能，所以有時采用直流

32、電動機，而直流電動機制造工藝復(fù)雜，使用維護要求高，故障率高。</p><p>　　由于傳統(tǒng)橋式起重機的電控系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進行有級調(diào)速，盡管起動性能與調(diào)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(diào)速，依然存在以下問題：</p><p>　　1)控制檔位較多時，控制電路復(fù)雜，系統(tǒng)的故障率較高；</p><p>　　2)在換檔時依然存在電流與轉(zhuǎn)矩沖擊

33、，重載情況下尤為突出；</p><p>　　3)低速定位時由于采用“倒拉反接制動”運行方式，轉(zhuǎn)子中串入了較大電阻導(dǎo)致機械特性變得很軟，低速定位困難；</p><p>　　4)能量損耗大，特別是重載低速時的損耗尤其嚴重</p><p>　　第2章 調(diào)速系統(tǒng)介紹</p><p>　　調(diào)速就是在一定的負載下，根據(jù)生產(chǎn)的需要人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。這

34、是生產(chǎn)機械經(jīng)常向電動機提出的要求。調(diào)速性能的好壞往往影響到生產(chǎn)機械的工作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。</p><p>　　2.1 電動機的調(diào)速指標</p><p><b>　　1) 調(diào)速范圍</b></p><p>　　電動機在額定負載(電流為額定值)情況下所能得到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍，用D表示，即</p><p>

35、;<b>　　(2-1)</b></p><p><b>　　2) 調(diào)速方向</b></p><p>　　調(diào)速方向指調(diào)速后的轉(zhuǎn)速比原來的額定轉(zhuǎn)速(基本轉(zhuǎn)速)高還是低。若比基本轉(zhuǎn)速高，稱為往上調(diào)，比基本轉(zhuǎn)速低，稱為往下調(diào)。</p><p><b>　　3) 調(diào)速的平滑性</b></p>&

36、lt;p>　　調(diào)速的平滑性由一定范圍內(nèi)能得到的轉(zhuǎn)速級數(shù)來說明。級數(shù)越多，相鄰兩轉(zhuǎn)速的差值越小，平滑性越好。如果轉(zhuǎn)速只能跳躍式的調(diào)節(jié)，例如只能從3000r/min一下調(diào)節(jié)到1500r/min，在又調(diào)節(jié)到1000 r/min等，兩者之間的轉(zhuǎn)速無法得到，這種調(diào)速稱為有級調(diào)速。如果在一定的調(diào)速范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速都可以得到則稱為無級調(diào)速。無級調(diào)速的平滑性當然就比有級調(diào)速好。</p><p>　　平滑的程度可用相鄰兩轉(zhuǎn)速

37、之比來衡量，稱為平滑系數(shù)，即 (2-2)</p><p>　　越接近于1，平滑性越好。無級調(diào)速時=1，平滑性最好。</p><p><b>　　4) 調(diào)速的穩(wěn)定性</b></p><p>　　調(diào)速的

38、穩(wěn)定性是用來說明電動機在新的轉(zhuǎn)速下運行時，負載變化而引起轉(zhuǎn)速變化的程度，通常用靜差率來表示。其定義為：當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降-與理想空載轉(zhuǎn)速之比，即</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　s越小，穩(wěn)定性越好。</p><p>　　靜差率與機械特性的硬度有關(guān)。機械特性的硬

39、度的定義為</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　越大，轉(zhuǎn)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，穩(wěn)定性就越好。靜差率還與理想空載轉(zhuǎn)速的大小有關(guān)。例如兩條平行的機械特性硬度相同，在靜差率公式中的-相同，由于不同，他們的s就不同，大的，s小，小的，s就大。</p><p>　　生產(chǎn)機械在調(diào)速時，為保

40、持一定的穩(wěn)定性會對靜差率提出一定的要求。靜差率還會對調(diào)速范圍起到制約的作用，因為如果調(diào)速時所得到的最低轉(zhuǎn)速下的s太大，則該轉(zhuǎn)速性太差，便難以滿足生產(chǎn)機械的要求。</p><p>　　5) 調(diào)速時的允許負載</p><p>　　電動機在各種不同轉(zhuǎn)速下滿載運行時，如果允許輸出的功率相同，則這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速；如果允許輸出的轉(zhuǎn)矩相同，則這種調(diào)速的方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。</p>

41、<p>　　不同的生產(chǎn)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(zhuǎn)速高，粗加工大切削時，工件轉(zhuǎn)速低。因此，它希望電動機能具有恒功率調(diào)速的性能。另一類生產(chǎn)機械，例如起重機、卷揚機等則要求電動機在各種轉(zhuǎn)速下都能輸出同樣的轉(zhuǎn)矩，因此，它希望電動機具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的性能。</p><p>　　2.2 變頻調(diào)速的基本原理</p><p>　　根據(jù)異步電機的知識，異步電

42、機的轉(zhuǎn)速公式為：</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　其中：—異步電動機的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；</p><p>　　—定子的電源頻率，單位為Hz；</p><p>　　—電機的轉(zhuǎn)速滑差率；</p><p><b>　　—電機的極對數(shù)。</b>

43、;</p><p>　　三相異步電動機的調(diào)速方法可分為兩大類：一類是通過改變同步轉(zhuǎn)速來改變轉(zhuǎn)速，具體方法有變極調(diào)速(改變)和變頻調(diào)速(改變)；另一類是通過改變轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)調(diào)速，這就需要讓電動機從固有特性上運行改為人為特性上運行，具體方法有變壓調(diào)速(改變)，轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速(改變)，等等。由上式可知，如果改變輸入電機的電源頻率，則可相應(yīng)改變電機的輸出轉(zhuǎn)速。</p><p>　　在電動機調(diào)速

44、時，一個重要的因素時希望保持每極磁通量為額定值不變。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(dǎo)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(tǒng)是獨立的，所以只要對電樞反應(yīng)的補償合適，保持 不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。</p><p>　　三相異步電動機每相電動勢的有效值是：</p><p&

45、gt;<b>　　(2-6)</b></p><p>　　式中：—氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢有效值，單位為V；</p><p>　　— 定子頻率，單位為Hz；</p><p>　　—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；</p><p>　　—定子基波繞組系數(shù)；</p><p>　　—每極氣隙磁通量，單位為W

46、b；由公式可知，只要控制好和，便可以控制磁通中不變，需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況；</p><p><b>　　1) 基頻以下調(diào)速</b></p><p>　　當電源頻率在基頻以下調(diào)速時，電動機轉(zhuǎn)速下降，但在調(diào)節(jié)電源頻率的同時，必須同時調(diào)節(jié)電動機的定子電壓，且始終保持常數(shù)，否則電動機無法正常工作。這是因為三相異步電動機定子繞組相電壓，當下降時，若不變

47、，則必使電動機每極磁通增加，在電動機設(shè)計時，處于磁路磁化曲線的膝部，的增加將進入磁化曲線飽和段，使磁路飽和，電動機空載電流劇增，使電動機負載能力變小，而無法正常工作。為此，電動機在基頻以下調(diào)速時，應(yīng)使恒定不變。所以，在頻率下調(diào)的同時應(yīng)使電動機定子相電壓隨之下調(diào)，并使常數(shù)。可見，電動機額基頻以下的調(diào)速為恒磁通調(diào)速，由于不變，調(diào)速過程中電磁轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。</p><p><b>　　2) 基頻以

48、上調(diào)速</b></p><p>　　當電源頻率在基頻以上調(diào)節(jié)時，電動機的定子相電壓是不允許在額定相電壓以上調(diào)節(jié)的，否則會危及電動機的絕緣。所以，電源頻率上調(diào)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，故屬于恒功率調(diào)速。</p><p>　　把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電動機的變頻調(diào)速控制特性，如圖2-7所示。如果電動機在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額

49、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(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)速，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。</p><p>　　圖2-7異步電動機變頻調(diào)速控制特性</p><p>　　2.3電動機變頻調(diào)速的機械特性</p><p>　　2.3.1 =常數(shù)時的變頻調(diào)速機械特性 </p><p>　

50、　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。</p><p>　　同步點：由，則，下調(diào)，隨之下降。</p><p>　　最大轉(zhuǎn)矩點：由c=常數(shù)，=常數(shù)，而臨界轉(zhuǎn)差率，臨界轉(zhuǎn)速降常數(shù)。因此，在不同頻率下，最大轉(zhuǎn)矩保持不變，且對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速降也不變。所以其機械特性基本上是平行的。但當下調(diào)過低時，因也很低，此時定子電阻上的壓降已不能再忽略，而使、下降更嚴重，電動機的將變小。&

51、lt;/p><p><b>　　起動轉(zhuǎn)矩點</b></p><p>　　電動機起動轉(zhuǎn)矩。所以起動轉(zhuǎn)矩隨頻率下降而增加。由此可畫出=常數(shù)時，三相異步電動機變頻調(diào)速特性如圖2-8所示：</p><p>　　圖2-8 三相異步電動機=常數(shù)變頻調(diào)速機械特性</p><p>　　2.3.2 的變頻調(diào)速機械特性</p>&

52、lt;p>　　同步點：由，則，當調(diào)高時，隨之上升。最大轉(zhuǎn)矩點：由，當調(diào)高時，減小。起動轉(zhuǎn)矩點： ，當調(diào)高時，起動轉(zhuǎn)矩大大減小。此時電動機機械特性如圖2-9所示：</p><p>　　如圖2-9 電動機機械特性</p><p><b>　　第3章 變頻器</b></p><p>　　三相異步電動機變頻調(diào)速所用的變頻電源有兩種，一種是變頻機組

53、，另一種是靜止的變頻裝置變頻器。前者由直流電動機和交流發(fā)電動機組成，調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速就能改變交流發(fā)電動機的頻率，由于變頻機組設(shè)備龐大，可靠性差。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，靜止式變頻器已完全取代了早期的旋轉(zhuǎn)變頻機組。</p><p>　　3.1 變頻器的分類</p><p>　　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(xù)可調(diào)的交流電源，其主

54、要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié)，變換頻率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍較窄，一般在 ，故主要用于容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。后者是將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經(jīng)過逆變電路，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)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(diào)節(jié)范圍、變頻后電動機特性的改善等方面都具有明顯的優(yōu)勢，目前使用最多的變頻器均為交—直—交變頻器。根據(jù)直流環(huán)節(jié)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。</p>

55、<p>　　電壓型變頻器是指變頻器整流后是由電容來濾波，現(xiàn)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。</p><p>　　根據(jù)調(diào)壓方式不同，交—直—交變頻器又分成脈幅調(diào)制型和脈寬調(diào)制型兩種。脈幅調(diào)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(xiàn)的，常用PAM表示。這種調(diào)壓方式很少使用。脈寬調(diào)制是指變頻器輸出電壓大小是通過改變輸出脈沖的占空

56、比來實現(xiàn)的，常用PWM表示。目前使用最多的占空比按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制，即SPWM方式。</p><p>　　3.2變頻器的主電路</p><p>　　變頻器的主電路包括整流電路、濾波及限流電路、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。</p><p><b>　　1

57、)．整流電路</b></p><p>　　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(zhì)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及其它輔

58、助電路。</p><p><b>　　2)．逆變電路</b></p><p>　　逆變電路是變頻器主要的部分之一。它是利用六個半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)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(tài)還是發(fā)電制動狀態(tài)，變頻器功率因素總不會為1。因此，在直流環(huán)節(jié)和電動機

59、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(huán)節(jié)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(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速控制。</p><p>　　3.3變頻器的控制電路</p><p>　　變頻器控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路以及保護電路等幾個

60、部分，是變頻器的核心部分?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿蓪δ孀兤鏖_關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能。</p><p>　　3.4脈寬調(diào)制型(PWM)變頻器</p><p>　　1) 在一般的交直交變頻器供電的變壓、變頻調(diào)速中，為獲得變頻調(diào)速所要求的變頻與變壓的協(xié)調(diào)控制，整流器必須是可控整流，這樣在變頻調(diào)速時要同時控制整流器和逆變器，這就帶來一系

61、列的問題。首先是主電路中有兩個可控功率環(huán)節(jié)，這樣使系統(tǒng)比較復(fù)雜；第二由于中間環(huán)節(jié)存在動態(tài)元件，使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)緩慢；第三由于整流器是可控的，使控電電源的功率因數(shù)隨變頻裝置輸出頻率的降低而變差，并產(chǎn)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(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩，影響電動機的穩(wěn)定工作，低速時尤為嚴重。</p><p>　　為解決上述問題，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方式

62、。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(diào)速對電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求。這樣，首先使主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)；第二使用了不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小無關(guān)而接近1；第三逆變器在調(diào)節(jié)的同時實現(xiàn)調(diào)壓，而與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無關(guān)，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；第四可獲得比常規(guī)六拍階梯波更好的輸出電壓波形，能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

63、壓下運行，轉(zhuǎn)矩脈沖小，大大擴展了拖動系統(tǒng)的調(diào)速范圍，提高了系統(tǒng)性能。</p><p>　　圖3-1 PWM逆變器組成</p><p>　　2) 脈寬調(diào)制器的基本工作原理 </p><p>　　脈寬調(diào)制是將輸出電壓分解成很多的脈沖，調(diào)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

64、的平均值就越大。為了說明、和電壓平均值之間的關(guān)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。</p><p>　　因此，可以說輸出電壓的平均值與占空比成正比，調(diào)節(jié)電壓輸出就可以演化為調(diào)節(jié)脈沖的寬度，所以稱為脈寬調(diào)制。圖3-2a為調(diào)制前的波形，電壓周期為，圖3-2b為調(diào)制后的波形，電壓周期為。與a圖相比，b圖的電壓周期增大(也就是說頻率降低)，電壓脈沖的幅值不變，仍為，而占空比則

65、減小，故平均電壓降低。</p><p>　　a) 調(diào)制前的波形 b) 調(diào)制后的波形</p><p>　　圖3-2 脈寬調(diào)制的輸出電壓</p><p>　　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(guī)律變化，因此在一個周期內(nèi)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所示?？梢钥吹竭@種脈寬

66、調(diào)制，其占空比是按正弦規(guī)律變化的，故這種調(diào)制方法叫正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM。</p><p>　　圖3-3正弦波脈寬調(diào)制的輸出電壓</p><p>　　SPWM的脈沖系統(tǒng)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(diào)制原理，見圖3-4 PWM逆變器簡單原理圖，圖中V1~V6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(dǎo)通時，在A相負載上得到的電壓與V2導(dǎo)

67、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(dǎo)通就可得到A相交流電壓的正、負半周。同時，其他管子的導(dǎo)通亦可得到三相交流電的B相和C相。在變頻器中，V1、V2的導(dǎo)通、截止是由調(diào)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(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到期望的PWM波形。</p><p>　　圖3-4 PWM逆變器簡單原理圖</p><p>　　

68、3) 單極性SPWM</p><p>　　在單極性的調(diào)制方式中，調(diào)制波為正弦波載波為單極性的等三角形，即調(diào)制波為正半周時，載波為正極性的三角波，調(diào)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(dǎo)通、關(guān)斷條件可用表3-5表示(以A相為例)。</p><p>　　表3-5 單極性SPWM調(diào)制規(guī)律</p><p>　　a 當 <

69、時，逆變管 V1、V2導(dǎo)通，決定了SPWM系列脈沖的寬度；當<時，逆變管V1、V2截止，決定了SPWM系列脈沖的間隔寬度。</p><p>　　圖3-6 單極性SPWM調(diào)制</p><p>　　若降低調(diào)制波的幅值，見圖3-6中的，各段脈沖的寬度將變窄，從而使輸出電壓的幅值也相應(yīng)減少。</p><p>　　b 每半個周期內(nèi)逆變橋同一橋臂的兩個逆變管中，只有一個

70、按規(guī)律時通時斷地工作，另一個則完全截止。而在另一個周期內(nèi)，兩個管子的工作情況正好相反，于是流經(jīng)負載的電流為正負交替的交變電流了。</p><p>　　由此可見，單極性SPWM逆變器的輸出交流電壓和頻率均可由調(diào)制波電壓來控制。只要改變的幅值，就改變了輸出電壓的大小；而改變的頻率，輸出電壓的頻率也隨之改變。由于控制對象只有一個，所以控制電路相對要簡單。</p><p>　　4) 雙極性脈寬調(diào)制

71、</p><p>　　若調(diào)制波信號與載波信號均為雙極性信號，即在的半個周期內(nèi)，三角形載波是在正、負兩個方向變化的，稱為雙極性脈寬調(diào)制，這種調(diào)制方法是目前使用最多的方法。在雙極性SPWM方法中，所用的調(diào)制信號未可變頻變幅的三相對稱普通正弦波、、，其載波信號為雙極性三角波，如圖3-7a所示?，F(xiàn)仍以A相為例，說明雙極性脈寬調(diào)制原理。</p><p>　　a 雙極性SPWM調(diào)制規(guī)律：不分正、負半周

72、，>時，V1導(dǎo)通，V2截止，輸出為正，即為的正脈沖寬度；<時，V2導(dǎo)通，V1截止， 輸出為負，即為的負脈沖寬度，見圖3-7b同理可畫出、的輸出波形，見圖3-7c與圖3-7d。</p><p>　　b 調(diào)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

73、導(dǎo)通、關(guān)斷而流過負載電流是按現(xiàn)電壓規(guī)律的交變電流。</p><p>　　圖3-7 雙極性SPWM調(diào)制波形</p><p>　　第4章 可編程序控制器</p><p>　　4.1可編程控制器的產(chǎn)生</p><p>　　隨著社會的發(fā)展，科技的進步，新的控制器件及其控制系統(tǒng)不斷的涌現(xiàn)。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

74、便，價格便宜，可靠性更高的新型控制器。一年后美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)根據(jù)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(chǎn)線上首次應(yīng)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(yōu)點與計算機功能完善、靈活性強、通用性好的優(yōu)點結(jié)合起來，并將繼電接觸控制的硬連線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C的軟件邏輯編程的設(shè)想逐步變成為現(xiàn)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

75、代繼電接觸控制，僅有執(zhí)行繼電器邏輯、定時、記數(shù)等較少的功能。</p><p>　　20世紀70年代中期出現(xiàn)了微處理器和微型計算機，人們把微型計算機應(yīng)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連線邏輯，還增加了運算、數(shù)據(jù)傳送與處理及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(yè)控制設(shè)備。</p><p>　　1980年美國電氣制造協(xié)會簡稱NEMA)把這種新

76、的控制設(shè)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(qū)別，故常常把可編程序控制器簡稱為PLC。</p><p>　　4.1.2 可編程序控制器的主要功能</p><p>　　近年來PLC把自動化技術(shù)、計算機和通信技術(shù)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(shù)控制 4) 步進控制

77、 5) A/D、D/A轉(zhuǎn)換 6) 數(shù)據(jù)處理 7) 通信與聯(lián)網(wǎng) 8) 對控制系統(tǒng)監(jiān)控 </p><p>　　可以預(yù)料，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC的功能也會不斷拓寬和增強。</p><p>　　4.1.3 PLC的主要優(yōu)點</p><p>　　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(jiān)視很方便。</p>

78、<p>　　2) 可靠性高 PLC是專門為工業(yè)控制而設(shè)計的，在設(shè)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。</p><p>　　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(tǒng)，以滿足不同的控制要求。同一臺PLC只能改變軟件則可實現(xiàn)控制不同對象

79、或不同的控制要求。在構(gòu)成不同的PLC的控制系統(tǒng)時，只需在PLC的輸入輸出端子上接上不同的相應(yīng)的輸入輸出信號，PLC就能接收輸入信號和輸出控制信號。</p><p>　　4) 功能強 PLC具有很強的功能，能進行邏輯、定時、計數(shù)和步進等控制，能完成A/D與D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能。而且 PLC技術(shù)發(fā)展很快，功能不斷增強，應(yīng)用領(lǐng)域會更廣。</p><p>　　5) 使用方便 P

80、LC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(jiān)視運行狀態(tài)也容易。</p><p>　　6) 設(shè)計、施工和調(diào)試周期短 PLC在許多方面是以軟件編程來取代硬件接線，用 PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)比較簡單，編程容易，安裝使用方便，目前的PLC已商品化，硬件軟件較齊全，為模塊

81、化積木式結(jié)構(gòu)，不需要很多配套的外圍設(shè)備和大量的復(fù)雜的接線，程序調(diào)試修改也很方便。因此可大大縮短PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計、施工和投產(chǎn)周期。</p><p>　　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?shù)挠嬎銠C知識；PLC制造廠家和PLC品種類型很多，而指令系統(tǒng)和使用方法不盡相同，這給用戶帶來不便。&l

82、t;/p><p>　　4.1 PLC的應(yīng)用與發(fā)展和系統(tǒng)組成</p><p>　　目前PLC廣泛應(yīng)用于汽車制造、石油、化工、冶金、輕工、機械、電力等各行各業(yè)，實現(xiàn)邏輯、步進、數(shù)字、機器人、模擬量等的自動控制。</p><p>　　我國研制與應(yīng)用PLC起步較晚，1973年開始研制，1977年開始應(yīng)用，20世紀80年代初期以前發(fā)展較慢，20世紀80年代隨著成套設(shè)備或?qū)Ｓ迷O(shè)備引

83、進了不少 PLC。近幾年來國外PLC產(chǎn)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(shù)的基礎(chǔ)上，仿制或研制PLC產(chǎn)品。20世紀80年代中后期，我國開發(fā)應(yīng)用PLC技術(shù)發(fā)展迅速，</p><p>　　目前PLC發(fā)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(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，這將使 PLC功能更強，可靠性更高，使用更方便，適用面更廣。</p><p>　

84、　PLC是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機系統(tǒng)基本相同。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和組合式。</p><p>　　1) 中央處理單元 (CPU)</p><p>　　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內(nèi)，CPU通過數(shù)據(jù)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。</p>&l

85、t;p><b>　　2) 存儲器</b></p><p>　　根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下3種：</p><p>　　a 系統(tǒng)程序存儲器 b 用戶程序存儲器 c 工作數(shù)據(jù)存儲器 3) I/O單元</p><p>　　I/O單元也稱為I/O模塊。PLC通過I/O單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場

86、相聯(lián)系。輸入單元接收用戶設(shè)備的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)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(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點對應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、指示燈被控設(shè)備的執(zhí)行元件。</p>

87、;<p><b>　　4) 電源部分</b></p><p>　　PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)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能正常工作，電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結(jié)構(gòu)的CPU，通常電源封裝到機殼內(nèi)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。</p>

88、<p><b>　　5) 擴展接口</b></p><p>　　擴展接口用于將擴展單元以及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(tǒng)的需要。</p><p><b>　　6) 通信接口</b></p><p>　　為了實現(xiàn)“人一機”或“機一機”之間的對話，PLC配有多種通信接口。PLC

89、通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機和其他的PLC或計算機相連。</p><p>　　當PLC與打印機相連時，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印；當與監(jiān)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(tǒng)或連成網(wǎng)路，實現(xiàn)更大規(guī)模的控制；當與計算機相連時，可以組成多級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合性控制。</p><p><b>　　7) 編程器

90、</b></p><p>　　編程器的作用是提供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。</p><p>　　編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機編程，且往往需要將體形圖轉(zhuǎn)化為機器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)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(lián)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

91、通過屏幕對話。還可以利用PC作為編程器，PLC生產(chǎn)廠家配有相應(yīng)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、功能塊圖和順序功能圖程序，井可以 實現(xiàn)不同編程語言的互相轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)，還可以實現(xiàn)遠程編程和傳送。現(xiàn)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(yīng)的通信連接電纜。</p><p>　　4.2

92、 PLC的工作原理、抗干擾分析及設(shè)計</p><p>　　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(shù)，PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ｍｓ。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(zhí)行階段 3)．輸出刷新階段。完成上述3個階段稱作1個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個階段。&l

93、t;/p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，PLC在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。PLC控制系統(tǒng)的干擾源大都產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)混亂

94、時的干擾 (6)來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾 </p><p>　　為了保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內(nèi)外電磁干擾，必須從設(shè)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(tǒng)的抗干擾能力。這三點就是抑制電磁干擾的基本原則。 </p><p>　　PLC控制系統(tǒng)的抗干擾是一個系統(tǒng)工程，要求制造單位設(shè)計生產(chǎn)出具有較強抗干擾能力的產(chǎn)品，且有賴于使

95、用部門在工程設(shè)計、安裝施工和運行維護中予以全面考慮，并結(jié)合具有情況進行綜合設(shè)計，才能保證系統(tǒng)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(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾 2) 電纜選擇的敖設(shè) 3) 硬件濾波及軟件抗干擾措施4) 正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)</p><p>　　第5章 調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計和部件選型</p><p>　　5.1 橋式起重機拖動系統(tǒng)的構(gòu)成</p>

96、<p>　　橋式起重機俗稱行車，是工礦企業(yè)中應(yīng)用得十分廣泛的一種起重機。其運行機構(gòu)由三個基本獨立的拖動系統(tǒng)構(gòu)成：</p><p>　　1) 大車拖動系統(tǒng) </p><p>　　拖動整臺起重機順著車間作“橫向”運動(以操作者的坐標為準)。</p><p>　　2) 小車拖動系統(tǒng) </p><p>　　拖動吊鉤及重物順著橋架作“

97、縱向”運動。</p><p>　　3) 吊鉤拖動系統(tǒng) </p><p>　　拖動重物作吊起或放下的上、下運動。</p><p>　　5.1.2 橋式起重機的負荷特點和對拖動系統(tǒng)的要求</p><p><b>　　1) 負荷特點 </b></p><p>　　各拖動系統(tǒng)負荷轉(zhuǎn)矩都與“阻力”和回轉(zhuǎn)

98、半徑的乘積成正比：</p><p>　　= (5-1)</p><p>　　在大車和小車拖動系統(tǒng)中，是摩擦力，而在吊鉤拖動系統(tǒng)中，是被吊物和吊鉤的重力。 </p><p>　　由式5-1可知，負載轉(zhuǎn)矩的大小與速度無關(guān)，因而具有“恒轉(zhuǎn)矩”的特點。</p><p>　　2) 對拖動系統(tǒng)的

99、要求 </p><p>　　大車和小車對拖動系統(tǒng)的要求較為一般，這里重點介紹對吊鉤拖動系統(tǒng)的要求。</p><p>　　a 在全調(diào)速范圍內(nèi)，電動機的有效轉(zhuǎn)矩線應(yīng)是恒轉(zhuǎn)矩的；</p><p>　　b 起動時，除上述負載轉(zhuǎn)矩外，還必須克服靜摩擦力。所以，拖動系統(tǒng)應(yīng)有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　c 重物下降時，除空鉤和極輕負載外，在

100、絕大多數(shù)情況下，都是依靠自身的重力而下降的。為了克服重物因重力加速度而不斷加速，電動機必須產(chǎn)生足夠的制動轉(zhuǎn)矩，使重物在所需轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)下降；</p><p>　　d 重物在空中停住的前后，不能發(fā)生“溜鉤”。</p><p>　　5.1.3 原拖動系統(tǒng)的主電路</p><p>　　原拖動系統(tǒng)的主電路如圖5—2所示，其主要特點是：</p><p>

101、　　1) 選用電動機 </p><p>　　大多采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機；</p><p><b>　　2) 調(diào)速方法 </b></p><p>　　在電動機的轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入五段外接電阻R1~R5(也有七段或更多)，由接觸器KM1 ~KM4 的狀態(tài)來決定串入電阻的多少，從而調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速高低；</p><p>　　3

102、) 制動方法 </p><p>　　采用電磁制動器進行機械制動。</p><p>　　圖5-2 原拖動系統(tǒng)的主電路</p><p>　　5.1 采用變頻調(diào)速的基本考慮</p><p>　　5.1.1 主拖動系統(tǒng)</p><p><b>　　1) 電動機選型</b></p><

103、;p>　　a 大車與小車變頻調(diào)速專用電機</p><p><b>　　b 吊鉤用電動機</b></p><p>　　由于要求較高，應(yīng)選用變頻專用的籠型轉(zhuǎn)子異步電動機；</p><p><b>　　2) 制動方法</b></p><p>　　采用再生制動、直流制動和電磁機械制動相結(jié)合的方法。&l

104、t;/p><p>　　a 首先，通過變頻調(diào)速系統(tǒng)的再生制動和直流制動把運動中的大車、小車或吊鉤迅速而準確地將轉(zhuǎn)速降為0(使它們停住)；</p><p>　　b 對于吊鉤，常常需要重物在半空中停留一段時間(如重物在空中平移時)，而變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然能使重物停住，但因容易受到外界因素的干擾(如在平移過程中常易出現(xiàn)的瞬間斷電)，可靠性較差。因此，利用電磁制動器進行機械制動仍然是必須的。</p&g

105、t;<p>　　5.1.2 對電動機運行狀態(tài)的分析</p><p>　　大車與小車拖動系統(tǒng)的運行狀況與普通負載無異，本節(jié)只分析吊鉤拖動系統(tǒng)的各種運行狀態(tài)。</p><p>　　1) 空鉤(包括極輕負載)運行 </p><p>　　由于吊鉤的機械系統(tǒng)采用了蝸輪蝸桿減速，具有自鎖功能，故空鉤時的負載轉(zhuǎn)矩主要由摩擦阻力構(gòu)成。</p><

106、;p><b>　　a 上升運行 </b></p><p>　　重物的上升，完全是電動機正向轉(zhuǎn)矩作用的結(jié)果。這時，電動機的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)矩方向相同，電動機處于電動狀態(tài)，其機械特性在第I象限，工作點如圖5-3 中的A點(高速)與B點(低速)所示。</p><p><b>　　b 下降運行</b></p><p>　　由于

107、蝸輪蝸桿自鎖的原因，空鉤及輕載時是無法靠自重放鉤的，故下降運行只能通過反接電源來實現(xiàn)。電動機的旋轉(zhuǎn)方向仍與轉(zhuǎn)矩方向相同，但方向反了，其機械特性在第3象限，工作點如圖5-3中的C點(高速)與D點(低速)所示。</p><p>　　圖5-3 不同狀態(tài)下電動機的工作點</p><p>　　2) 重載運行 負載加重時，工作點將右移。</p><p>　　a 上升運行 工

108、作點右移至點和點。</p><p>　　b 下降運行 工作點右移至第4象限，如圖5-3中的點(高速)與點(低速)所示。這時，由于重力加速度的原因，電動機的旋轉(zhuǎn)速度將超過同步轉(zhuǎn)速而進入再生制動狀態(tài)。電動機的旋轉(zhuǎn)方向是反轉(zhuǎn)(下降)的，但其轉(zhuǎn)矩的方向卻與旋轉(zhuǎn)方向相反，是正方向的，其作用是防止重物不斷下降，故重量相同的重物在下降時構(gòu)成的負載轉(zhuǎn)矩比上升時小。</p><p>　　5.2.3 變頻調(diào)

109、速系統(tǒng)的控制要求</p><p>　　橋式起重機拖動系統(tǒng)的控制動作包括：大車的左、右行；小車的前、后行；吊鉤的升、降等。所用這些，都可以通過可編程控制器(PLC)進行無觸點控制。</p><p>　　橋式起重機控制系統(tǒng)中需要引起注意的是關(guān)于防止溜鉤的控制。在電磁制動器抱閘之前和松開之后的瞬間，極易發(fā)生重物由停住狀態(tài)下滑的現(xiàn)象，稱為溜鉤。防止溜鉤的控制需要注意的關(guān)鍵問題是：</p>