机电控制系统.pdf

Copyrights by Huajun He 2011 All rights reserved 1 机电控制系统 要点 机电控制系统 要点 2011 一 一 电力电子器件 电力电子器件 1 电力电子器件在变流设备中的主要是作为 开关 来使用 此开关为电子开关 相对于机械开关有什么电力电子器件在变流设备中的主要是作为 开关 来使用 此开关为电子开关 相对于机械开关有什么 不同 有何优点 不同 有何优点 电力电子器件 电力半导体开关器件 本质上是大容量的无触点可控功率开关 主要用于开关工作状态 理想的功率开关器件 应当有理想的静态和动态特性 1 截止状态能承受高电压 高阻断电压 2 导通状态通导大电流 压降很低 3 在开关切换时 开 关时间短 高开关频率 可承受高的电流变化率 di dt 和电压变化率 dv dt 4 截止 导通均可控 2 通用变频器对电力电子通用变频器对电力电子开关器件的基本要求 开关器件的基本要求 大工作电流 容量 高阻断电压 高工作频率 另加 驱动控制功率小 3 电子开关的分类 电子开关的分类 不可控型不可控型 半控型半控型 全控型 单极型全控型 单极型 双极型双极型 混合型 电流控制混合型 电流控制 电压控制 电压控制 按器件内部载流子的导电类型分 按器件内部载流子的导电类型分 双极型器件 双极型器件 电子 空穴均参与导电 电流控制型器件 耐压高 通态压降低 导通损耗小 适合于高压大容量的应用 控制 功率大 驱动电路较复杂 工作频率较低 耐冲击能力差 易受二次击穿而损坏 单极型器件 单极型器件 一种 多数 载流子参与导电 属电压控制型器件 控制功率小 驱动电路简单 工作频率高 无二次击穿问题 安全工作区宽 适合于中小容量的应用 是通态压降大 导通损耗大 复合型器件 复合型器件 单极性器件作为输入级 双极型器件作为输出级 属电压控制型器件 大功率 低驱动 高频化 成为一代新型 的场控复合器件 按可控程度分 按可控程度分 半控型器件 半控型器件 通过门极只能控制其导通而不能控制其关断的器件 普通晶闸管及其派生器件 全控型器件 全控型器件 通过控制极既能控制其导通又能控制其关断的器件 GTO BJT GTR 功率 MOSFET IGBT IGCT 等 不可控器件 不可控器件 功率二极管 按控制信号的性质分按控制信号的性质分 电流控制型器件电流控制型器件 通过从控制极注入或抽出控制电流控制导通或关断 晶体管类 如电力晶体管 达林顿晶体管及其模块等 晶闸管类 如普通晶闸管 可关断晶闸管等 双极性器件 导通压降很低 导通损耗较小 工作频率相对低 控制极输入阻抗低 控制功率较大 控制电路复杂 电压控制型器件电压控制型器件 利用场控原理 其导通或关断由控制极上的电压信号决定 控制极电流很小 结型场效应器件 如静电感应晶体管 静电感应晶闸管等 绝缘栅场效应器件 如 IGBT 功率 MOS FET 工作频率高 控制极输入阻抗高 控制功率小 控制电路简单 4 SCR GTO GTR BJT P MOSFET IGBT 所属类型所属类型 特点 特点 电流半控双极型器件电流半控双极型器件 晶闸管晶闸管 SCR Silicon Controlled Rectifier 不具有自身关断能力的电流半控性电力电子器件 有关晶闸管的结论 晶闸管导通的条件 在晶闸管的阳极与阴极间加正向电压 在晶闸管的门极和阴极之间也加正向电压 晶闸管一旦导通 门极即失去控制作用 要使已导通的晶闸管关断 必须使其阳极电流减小到维持电流以下 这只能采用阳极 电压减小到零或反向的方法来实现 电流全控双极型电流全控双极型 GTO Gate turn off Thyristor 电流全控双极型器件电流全控双极型器件 电力晶电力晶体管体管 GTR BJT Giant Transistor Bipolar Junction Transistor 与普通双极型晶体管基本原理一样 主要是耐压高 电流大 开关特性好 作为功率开关器件使用 电压全控单极型器件电压全控单极型器件 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 Power MOSFET MOSFET 是一种多数载流子导电的半导体器件 具有基于金属 M 氧化物 O 半导体 S 构成的绝缘栅的结构 有 P 沟道 N 沟 道和增强型 耗尽型之分 应用于电力电子变换的场效应晶体管 称为功率 MOSFET 电力 MOSFET 主要是 N 沟道沟道增强型增强型 Copyrights by Huajun He 2011 All rights reserved 2 具有工作频率高 驱动功率小 无二次击穿等优点 在中 小功率场合应用广泛 电压全控复合型器件电压全控复合型器件 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 IGBT GTR BJT 的特点 双极型 电流驱动 通流能力很强 开关速度较低 所需驱动功率大 驱动电路复杂 MOSFET 的优点 单极型 电压驱动 开关速度快 输入阻抗高 热稳定性好 所需驱动功率小而且驱动电路简单 输入级 MOSFET 输出级 GTR 复合构成 结合二者优点 可靠性高 功率大 输入阻抗高 开关速度快 通态电压低 耐压高 驱动电路简单 保护容易 电压全控混合型器件电压全控混合型器件 智智能功率模块能功率模块 IPM IPM Intelligent Power Module 是将主开关器件 续流二极管 驱动电路 电流 电压 温度检测组件及保护电路 接口电路等集成在同一封装体内 形成的功率集成电路 二 二 变变频器原理 频器原理 1 交交 直直 交变频器的主交变频器的主电路结构 电路结构 2 逆变原理逆变原理 包括 包括 PAM 控制控制技术技术 120 180 导电型六脉波 导电型六脉波 的原理和特点 的原理和特点 每隔 60 电角度改变开关状态 一个周期共换相六次 对应六个不同的工作状态 六拍 180 导电型逆变器的电压波形导电型逆变器的电压波形 特点 每只功率开关导通时间皆为 180 按 Sl S6 的顺序导通 每个工作状态下都有三只功率开关同时导通 形成三相负载同时通电 120 导电型逆变器的电压波形导电型逆变器的电压波形 特点 每只功率开关导通时间皆为 120 按 Sl S6 的顺序导通 每个工作状态下都有两只功率开关同时导通 形成两相负载同 时通电 换流在相邻桥臂中进行 安全 相电压波形为矩形波 幅值为 Ud 2 线电压为梯形波 幅值为 Ud 电压输出低 六脉波方式谐波成分比较大 会影响电动机转速的平稳 电动机是感性负载 电源频率降低时 感抗减小 如果电源电压不变电流将增加 会造成过电流 因此变频的同时还需改变电压的大小 原理 实现变压变频控制 可采用可控整流方法 在逆变器变频的同时 改变直流环节电压大小 即脉冲幅度调制 PAM PWM 控制技术的原理 分类和特点 控制技术的原理 分类和特点 利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列 实现变压 变频控制并且消除谐波的技术 利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列 实现变压 变频控制并且消除谐波的技术 交流调速中 为使输出电压或电流波形接近于正弦波形 所采用的 PWM 技术 正弦 PWM SPWM 电压 SPWM 电流 SPWM 磁通 SPWM 电压空间矢量 PWM SVPWM 1 电压正弦波电压正弦波脉宽调制法脉宽调制法思想思想 冲量相等而形状不同窄脉冲加在具有惯性环节上时 其效果基本相同 PWM 控制技术就是以该结论为理论基础 对半导体开关器件导通和关断进行控制 在输出端得到 一系列幅值相等而宽度可以按一定规律变化的脉冲 用这些脉冲来代替正弦波或其它所需要波形 按一定规则对各脉冲宽度进行调制 既可改变逆变电路输出电压大小 也可改变输出频率 这一系列脉冲宽度可以用计算方法求得 但较为实用的方法是采用 调制 方法 2 电压正弦波脉宽调制法电压正弦波脉宽调制法原理原理 调制波调制波 Modulating wave 所希望的正弦波形 ur 载波载波 Carrier wave 用以调制的等腰三角波 uc 以频率比调制波高得多 基本思想基本思想 等腰三角波与正弦波曲线在相交时刻产生控制信号 用来控制功率开关器件的通断 得到一组等幅但脉冲宽度正比 于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲 改变参考信号 ur幅值 脉宽随之改变 逆变器输出电压大小改变 改变 ur频率 输 出电压频率随之改变 一般 参考信号参考信号 ur幅值须小于三角波幅值幅值须小于三角波幅值 否则无法得出输出电压大小和频率的配合关系 3 单极性与双极性单极性与双极性 SPWM 调制模式调制模式 单极性三角波调制法单极性三角波调制法 参加调制的三角载波和调制正弦波在半个周期内极性不变 单极性调制时 逆变器在正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断 单相逆变器可以采用 双极性三角波调制法双极性三角波调制法 参加调制的三角载波和调制正弦波在任何时候都具有正负极性变化 双极性调制时 逆变器同一桥臂 上下两个开关器件交替通断 互补工作 容易引起电源短路 必须增加延时触发装置 Copyrights by Huajun He 2011 All rights reserved 3 三相逆变电路常用此方法 4 多电平电压源型逆变器多电平电压源型逆变器 在高电压 大容量交 直 交电压源型变频器 为减少开关损耗和开关承受电压 改善输出电压波形 减少转矩脉动 采用增加 直流侧电平的方法 三电平逆变器 NPC 相电压相电压 3 个电平 P 状态状态 VT1 VT2 导通 VT3 VT4 关断时 输出相电压为 E 2 N 状态状态 VT3 VT4 导通 VT1 VT2 关断时 输出相电压为 E 2 C 状态状态 VT2 和 D1 导通 或 VT3 和 D2 导通 输出电压为 0 线电压线电压 相电压相加减 得出 5 个电平即 E 2 E 和 0 电平的增加可使输出电压更接近正弦 一般规定 每相的开关状态只能从 P 到 C C 到 N 或者从 N 到 C C 到 P 不能直接从 P 到 N 或者从 N 到 P 这种电路直通误触发的危险性很小 适宜于大功率 3 V F 控制方式 控制方式 包括包括基频以下 基频以上 基频以下 基频以上 低频低频补偿 补偿 早期的通用变频器大多数为开环恒压频比 V f 常数 的控制方式 其优点是控制结构简单 成本较低 缺点是系统性能不高 比较适合应用在风机 水泵调速场合 具体来说 其控制曲线会随着负载的变化而变化 转矩响应慢 电机转矩利用率不高 低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差等 1 恒压频比控制方式恒压频比控制方式 气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势有效值 ES为 NS为定子每相绕组串联匝数 KS为基波绕组系数 m为电机气隙中每极合成磁通最大值 如果仅减小频率 其他不变 磁通增大 铁芯饱和 绕组电流过大 烧坏电机 保证 m Const 故当频率 fS从额定值 基频 向下 降低 调节时 必须同时降低 ES 即 然而感应电动势 ES难以检测和控制 实际可以检测和控制的是定子电压 US 定子回路相量方程 当定子频率较高时 感应电动势 ES也较大 此时可忽略定子阻抗压降 认为定子相电压 US ES 为此在实际工程中是以 US代 替 ES而获得电压与频率之比为常数的恒压频比控制方程式 即 恒压频比控制成立的前提是忽略定子阻抗压降 是在 fS较小时 ES也较小 定子阻抗压降比重增大 不能忽略 为了让此控制方式在低频也能应用 实际中根据负载电流大小把定子相电压 US适当抬高 以补偿定子阻抗压降的影响 通过补偿 电动机的最大转矩得以提升 通常把补偿措施也称之为通过补偿 电动机的最大转矩得以提升 通常把补偿措施也称之为转矩提升转矩提升 Torque Boost 补偿量需适中补偿量需适中 如果补偿偏小 欠补偿 磁通量下降 低频时电动机会有堵转现象 如果补偿偏大 过补偿 磁通量上升 电动机有过电流的危险 2 基频以上变频控制方式基频以上变频控制方式 电压不允许超过额定电压 否则损坏绝缘 恒压频比控制方式只适用于基频 额定频率 及以下的变频调速 基频以上只能保持 电压不变 f1越高 转速升高 m越弱 恒压弱磁升速 相当于直流电机弱磁调速 异步电动机调速时控制特性 3 恒转矩控制和恒功率控制恒转矩控制和恒功率控制 1 恒转矩控制恒转矩控制 含义 负载具有恒转矩特性 电动机在速度变化的动态过程中具有输出恒定转矩的能力 基频以下的恒压频比控制属于恒转矩控制 2 恒功率控制恒功率控制 含义 负载具有恒功率的转矩 转速特性 电机具有输出恒功率能力 基频以上的恒压频比控制属于恒功率控制 基频以下和以上集合在一起的机械特性基频以下和以上集合在一起的机械特性 4 矢量控制的基本思想 三相电流瞬时控制 异步电动机的数学模矢量控制的基本思想 三相电流瞬时控制 异步电动机的数学模型 直流电动机的数学模型 矢量型 直流电动机的数学模型 矢量 坐标变换 基本框图 矢量控制系统结构图 坐标变换 基本框图 矢量控制系统结构图 特点 特点 恒压频比控制恒压频比控制基于异步电动机静态数学模型 只控制了被控变量的幅值 而没有控制到相位 虽然基本解决了异步电动机平滑 调速的问题 获得良好的静态性能 但在动态过程中不能获得良好的动态响应 低频特性差 启动及低速时转矩动态响应等方 mSSSS KNfE 44 4 C mSSS cfE 2 2 SSSSSmmSSSS ILfjIRILfjIZEU CcfU mSSS Copyrights by Huajun He 2011 All rights reserved 4 面的性能不令人满意 直流电动机双闭环调速系统具有优良的静 动态调速特性 其根本原因在于作为控制对象的他励直流电 动机电磁转矩能够容易而灵活地进行控制 1971 年德国学者 Blaschke 等人首先提出的矢量变换控制矢量变换控制 TransVector Control 实现了这种控制思想 矢量变换控制成功地解决了交流电动机电磁转矩的有效控制 使交流电动机变频调速系统具有了直流调速系统的全部优点 是 当今工业生产中得到普遍应用的高性能交流调速系统 直流电动机和异步电动机的电磁转矩控制直流电动机和异步电动机的电磁转矩控制 在机电传动系统的运动方程 由上式 转速是通过电磁转矩来改变的 机电传动系统动态特性的好坏 除了受系统的转动惯量影响外 取决于电动机电磁转矩的控制性能 如能实现电动机电磁转矩 的直接快速控制 将会大大提高传动系统的动态特性 直流电动机的电磁转矩控制直流电动机的电磁转矩控制 直流电动机的优异的调速性能是因为具备了如下三个条件 i 磁极固定在定子机座上 在空间产生一个稳定直流磁场 ii 电枢磁势的轴线与主极磁场轴线垂直 与交轴重合 电枢磁势保持与磁场相垂直时 最能有效产生转矩 iii 励磁电流和电枢电流在各自回路中 两者各自独立 互不影响 分别可单独调控 直流电动机的电磁转矩公式 直流电动机的电磁转矩具有控制容易而又灵活的特点 异步电动机的电磁转矩控制异步电动机的电磁转矩控制 任何电动机产生电磁转矩在本质上都是电机内部两个磁场相互作用的结果 异步电动机的电磁转矩公式为 异步电动机的电磁转矩控制比直流电动机的电磁转矩控制复杂得多 主要表现在 异步电机定子磁势 转子磁势及合成的气隙磁势均是以同步角速度在空间旋转的矢量 定子磁势和气隙磁势之间的夹角 s不等于 90 转子磁势与气隙磁势之间的夹角 r也不等于 90 如果 m Fr的模值为已知 还需知道它们空间矢量的夹角 r 才可求出电磁转矩 异步电动机的电磁转矩公式还可写为 异步电动机电磁转矩是气隙磁场和转子磁势相互作用的结果 且受转子电路功率因数的制约 m Ir cos r都是转差率 S 的函数 m是定子磁势和转子磁势合成产生的 并不恒定 对于笼形异步电动机而言可以直接 测量和进行控制的量是定子电流 iS 它是转子电流 ir的归算值 ir 与励磁电流 im的和 如要对转矩进行有效控制 必须要将 ir和 im从 is中分离出来 直流电机的电磁转矩关系简单 容易控制 交流电机的电磁转矩关系复杂 难以控制 但交 直流电动机产生转矩的规律有着共同的基础 通过等效变换 可以将交流电机转矩控制转化为直流电机转矩控制的模式 从而解决控制交流电机的困难 矢量控制的基本思想矢量控制的基本思想 由异步电动机磁势 磁通空间矢量图可见 通过控制定子磁势 Fs的模 或控制转子磁势 Fr的模及其他们的空间位置 就能达 到控制电机转矩的目的 控制 Fs或 Fr的模值 可以通过控制各相电流的幅值来实现 而空间位置可以通过控制各相电流的瞬 时相位来实现 因此 只要能实现对异步电动机定子各相电流的瞬时控制实现对异步电动机定子各相电流的瞬时控制 就能对异步电动机转矩的实施有效控制 异步电动机三相对称定子绕组中异步电动机三相对称定子绕组中 通入对称的三相正弦交流电流 iA iB iC时 则形成三相基波合成旋转磁势 产生旋转磁场 不一定非要三相绕组不可 除单相外任意多相对称绕组 通入多相对称正弦电流 均能产生旋转磁场 位置互差 90 的两相定子绕组 当通入两相对称正弦电流时 也产生旋转磁场 如果该两相绕组旋转磁场大小 转速及转向与三相绕组所产生的旋转磁场完全相同 则两套交流绕组等效 三相交流绕组中的 正弦电流 iA iB iC与两相交流绕组中的正弦交流电流 i i 间必存在确定的变换关系 ABC ii 1 A ii 1 1 A ABC 两绕组分别通入直流电 如果人为地使这两个绕组旋转起来 则也可产生旋转磁场 若使旋转磁场的大小 转速和转向与两相交流绕组及三相交流绕组产生的旋转磁场均相同 则 M T 直流绕组与 交流绕组及 A B C 交流绕组等效 这时 交流绕组中的交流电流与 M T 直流绕组中的直流电流直流电流 iM iT之间必存在着确定的变换关系 dt dnGD TT Le 375 2 adMDed ICT rrmMCssmMCed FCFCT sinsin rrmIMed ICT cos Copyrights by Huajun He 2011 All rights reserved 5 ii 2 A MT MT ii 1 2 A 直流电动机的励磁绕组是空间上固定的直流绕组 而电枢绕组是旋转的绕组 但其磁势在空 间上方向固定 称为 伪静止绕组伪静止绕组 直流电机的励磁绕组和电枢绕组就可以用空间上互差 90 的直流绕组来等效 当观察者站在 M T 绕组上与其一起旋转 他所看 到的就是一台直流电机 M 绕组即励磁绕组 T 绕组即电枢绕组 M 绕组中的直流电流 iM称为励磁电流分量 T 绕组中的直流电流 iT称为转矩电流分量 由于 两相交流绕组又与 A B C 三相交流绕组等效 故 M T 直流绕组与 A B C 交流绕组等效 M T 直流绕组中的电流 iM iT与三相电流 iA iB iC之间必存在着确定关系 除了规定 M T 两轴的垂直关系和旋转角速度 还需对 M T 轴坐标系的取向加以规定 选择特定的同步旋转坐标系 即确定 M T 轴坐标系的取向 称为定向 选择电机某个旋转磁场的轴作为该同步旋转坐标轴 称 为磁场定向 Field Orientation 对于异步电动机矢量控制系统 磁场定向轴的选择有三种 转子磁场定向 气隙磁场定向 定子磁场定向 选择按转子磁场定向转子磁场定向 即将 M 轴取为转子全磁链矢量 r 的轴 转子磁链仅由定子电流励磁分量 iM产生 与转矩分量 iT无关 从这个意义上看 定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的 定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的 由于将直流标量作为原始的控制量 再将其变换成交流量去控制交流电机 变换是通过矢量坐标变换实现的 故称为矢量变换矢量变换 控制系统控制系统 TransVector Control System 通常简称为矢量控制系统矢量控制系统 Vector Control System VC 系统 因为需要进行磁场的定向 故矢量控制系统也称为磁场定向控制磁场定向控制系统 按转子全磁链 全磁通 定向的异步电动机矢量控制系统称为异步电动机按转子磁链按转子磁链 磁通磁通 定向的矢量控制系统定向的矢量控制系统 具体定向计算中要用到转子磁链矢量的模 r及磁场定向角 M 轴与轴的夹角 而这两个量都难以直接测量 只能建立转子磁链转子磁链 观测模型 观测模型 通过容易检测的物理计算观测 目前实际应用的矢量控制系统 是通过检测电机的定子电压定子电压 电流电流及转速转速等物理量 利用转子磁链观测模型转子磁链观测模型 实时计算转子磁 链的模和空间位置 矢量控制系统的基本结构矢量控制系统的基本结构 ABCMT iAAiAi 122 Copyrights by Huajun He 2011 All rights reserved 6 5 不同的控制算法 不同的控制算法 V F 矢量 的实际效果和应用场合 矢量 的实际效果和应用场合 三 三 变频器功能 变频器功能 1 频率给定方式 频率给定方式 面板给定方式 外接模拟量给定 外接数字量给定 多段速频率给定 外接脉冲给定 通信给定 2 控制功能 升控制功能 升 降速功能 降速功能 变频器运转控制功能是变频器的基本运行功能 用以控制电动机的启动 停止 正转与反转 正向点动与反向点动 复位等 变频器的运转控制可以通过操作器键盘 输入端子 通信方式来实现 1 操作器键盘运转控制操作器键盘运转控制 最简单直接的运转控制方法 通过操作器键盘上的运行键 停止键 点动键和复位键来直接控制变频器的运转 通过操作器键 盘上的指示灯和显示器观察变频器的运行状态信息和故障报警信息 现场控制 一般在调试时使用 2 外部输入端子运转控制外部输入端子运转控制 通过输入端子从外部输入开关信号来控制变频器的运转 连接在输入端子上的按钮 选择开关 继电器触点或 PLC 触点替代了 操作器键盘上的运行键 停止键 点动键和复位键的功能 可以在远距离控制变频器的运转 变频器实现正反转非常简单 只 需改变控制回路 无须改变主回路 正反转控制正反转控制 两线式控制模式 a b 三线式控制模式 点动控制点动控制 由于工序要求或设备调试调整需要 还需点动运行 即按下按钮时电动机转动工作 手松开按钮时电动机停止运转 操作器键盘上有一个电动机点动键 JOG 在变频器无输出的情况下按此键 将使电动机起动 并按预设定的点动频率运行 释 放此键时变频器停车 如果变频器 电动机正在运行 按此键将不起作用 点动运行频率和点动加减速时间均在参数内设置 也 可将变频器两个多功能输入端定义为正向点动和反向点动功能 通过其外接按钮实现电动机的正反点动控制 3 通信运行控制通信运行控制 以串行通信方式向变频器传送运行信号 控制变频器的启动 停止 点动 故障复位等功能 运行控制信号和速度给定信号是在某一个通信协议格式下同时传送的 变频器的升速变频器的升速 为了限制启动电流 需要对变频器输出频率的上升速度加以限制 1 升速时间设定升速时间设定 变频器从零速加速到最高频率所需的时间 升速时间长可以减小起动电流 减少机械冲击 但过长又浪费时间 准确计算升速时 间比较困难 实际中 一般把升速时间设置长一些 观察起动过程电流情况 再逐渐减少升速时间 2 升速方式选择升速方式选择 各种变频器为用户提供的有三种升速方式 直线形方式 S 形方式 半 S 形方式 直线形升速方式直线形升速方式 S 形升速方式形升速方式 半半 S 形升速方式形升速方式 3 降速降速 降速停车及降速时间设定降速停车及降速时间设定 降速停车方式也有直线形 S 形形和半 S 形 电动机从电动状态变为发电状态 电机的动能转变成交流电能 回馈到直流母线上 产生泵升电压 减速时间越短 降速越快 制动电流也越大 回馈能量来不及消耗 可能会造成过电流 过电压故障 可先将降速时间设置长一些 观察停机过程中直流电压的大小 再逐渐缩短降速时间 直至直流电压接近上限值时为止 3 启动启动 制动功能 再生制动 泵升电压制动功能 再生制动 泵升电压 直流制动功能 直流制动功能 起动频率设定起动频率设定 对于惯性较大 静态摩擦转矩也较大的负载 起动时要有一定的冲击力才易于起动 对变频器设置一个起动频率 使电机在起 动时有足够的起动转矩 设置起动频率时要设置相应的起动频率保持时间 起动频率设置常用于情况 起动频率设置常用于情况 Copyrights by Huajun He 2011 All rights reserved 7 机械传动机构上有间隙 减缓机械撞击 起升机构在起吊重物前钢丝绳处于松弛状态 拉紧钢丝绳 需要低速运行一段时间 使 润滑油温提高降低黏度 起升机构的起吊重物长时间处于悬挂状态 由机械抱闸装置提供制动转矩 重新上升或下降时 先让 变频器输出起动频率 产生一定的起升转矩后再松闸 避免松闸过程中起吊重物下滑 起动前的直流制动功能起动前的直流制动功能 若在开始起动时 电动机就已有一定转速 而变频器仍是从最低频率开始运行 则会由于制动引起过压过流 如在尚未停车前就第二次起动 或者正要启动的风机在外界风力作用下正在反转 许多变频器具备起动前的直流制动功能 以 保证电动机完全停住才开始起动 直流制动是指通过逆变器向电动机定子绕组注入直流制动电流 形成静止的直流磁场 使电 动机快速停车 直流制动的主要设定参数有两个 制动电流大小 直流制动的时间 捕捉再启动功能捕捉再启动功能 启动变频器后 快速改变变频器的输出频率 搜寻电动机实际转速 捕捉到后按设定的升速曲线升速运行到给定频率 该功能 适用于驱动有初始转速的大惯性负载电动机的启动 可能由于搜索电流而加速 有一定危险性 制动功能制动功能 回馈制动回馈制动 再生制动 变频器逐渐减小输出频率 电动机转子转速超过同步转速 进入发电状态 将机械能转换成电能 电机 的转速降低趋于同步转速 回馈制动可提高降速调节速度 提高动态响应速度 直流制动直流制动 能耗制动 在定子绕组注入直流电流 迫使交流电动机迅速停车 泵生电压解决方案泵生电压解决方案 能耗电阻 多台逆变器共用直流母线 交流回馈 4 控制方式 控制方式 V F 控制方式 矢量控制方式 控制方式 矢量控制方式 通用变频器的通用变频器的 V f 控制功能控制功能 1 预定义预定义 V f 曲线曲线 指变频器内部已经为用户定义的各种不同类型的曲线 恒定力矩曲线恒定力矩曲线适于驱动与转速无关的恒力矩负载 递减力矩曲线递减力矩曲线适用于风机 水泵等与转速呈 2 次方或 3 次方比例的负载力矩 高启动力矩曲线高启动力矩曲线适于变频器与电动机之间的连线超过 150 米 要求启动时输出力矩较大 如升降机等负载 变频器输入或输出 处串接了 AC 电抗器 2 自定义自定义 V f 曲线曲线 对于特殊的负载 可通过设置用户自定义 V f 曲线的几个参数 得到任意 V f 曲线 自定义 V f 曲线一般都通过折线设定 3 V f 曲线转矩补偿曲线转矩补偿 低频时需要对输出电压做提升补偿 以补偿定子电阻和漏抗上压降引起的转矩损失 低频时漏抗压降可以忽略 提升的电压主要是补偿定子电阻上的压降 转矩补偿量有的以额定转矩的百分数设定 安川 VS G7 有的以额定电流的百分数设定 西门子 MM440 通用变频器的矢量控制功能通用变频器的矢量控制功能 1 矢量控制功能矢量控制功能 矢量控制分为速度矢量控制与转矩矢量控制 主要区别是闭环调节是基于哪个物理量 2 有速度传感器的矢量控制有速度传感器的矢量控制 主要用于高精度的速度控制 转矩控制 简单伺服控制等对控制性能要求严格的使用场合 该方式下采用的速度传感器一般是旋转编码器旋转编码器 PG 并安装在直接反映被控电动机转速的轴上 3 编码器类型及连接编码器类型及连接 根据变频器的编码器模块接口对信号的要求 选择合适的编码器类型与其连接 编码器的信号输出方式有 NPN 或 PNP 集电极开路 推挽式 差分信号 为了适配不同输出信号方式的编码器 编码器模块上有跳线器或选择开关 通过设定可以接受多种类型的编码器信号 硬件上连接和设置好后 还要对变频器的参数进行设置 保护功能 保护功能 过电流保护功能 过载保护功能 过电压保护功能 其他保护功能 风机运行 逆变模块过热 制动电阻过热 负载三相不对称 内部错误 瞬时停电保护 Copyrights by Huajun He 2011 All rights reserved 8 四 四 通信网络基础知识 通信网络基础知识 1 数据传输方式 并行传输与串行传输 基带传输与频带传输 数据数据传输方式 并行传输与串行传输 基带传输与频带传输 数据传输介质 传输介质 1 并行传输与串行传输并行传输与串行传输 按照传输数据的时空顺序分类 并行传输并行传输 数据在多个信道同时传输 传输速度快 但成本较高 干扰大 当距离较近且要求传输速率较高时采用 串行传输串行传输 数据传输按顺序逐位在一条信道上传输 成本低 实现容易 控制简单 可靠 但短距离速度慢 常用于远距离传输而速度要求不高的场合 2 基带串行传输与频带串行传输基带串行传输与频带串行传输 根据传输是否搬移信号的频谱 是否进行调制分类 基带串行传输基带串行传输 对信号不做任何调制 直接按原有的脉冲形式传输 数字信号传输常采用 编码 方式 NRZ 曼彻斯特码 差分曼彻斯特码等 曼彻斯特码曼彻斯特码具有 内含时钟 的性质 对接收端提取位同步信号提取位同步信号非常有利 而且 当码元中间无跳变时 就形成违例码 这种违例的情况可形成帧标志 频带串行传输频带串行传输 把信号调制到某一频带上传输 用调制器把二进制信号调制成模拟信号在通信 线路上传输 接收端再经过解调器解调模拟信号还原为二进制信号 调制可采用 调幅 调频和调相 频带传输在同一条传输线路上可用频带分割的方法将频带划分为几个信道 同时 传输多路信号 3 传输介质传输介质 网络中连接收发两方的物理通道 同轴电缆 双绞线 光纤 无线 2 异步和同步传输方式 异步串行通信的字节格式 帧信息的传输格式 异步和同步传输方式 异步串行通信的字节格式 帧信息的传输格式 1 异步和同步传输方式异步和同步传输方式 根据解决发送端和接收端之间的同步问题不同方式 异步传输异步传输 每个字符加入起始和停止标志位 发送是独立随机的 实现简单 但传输大量数据的场合 比较浪费 效率低 同步传输同步传输 数据以帧 一组数据 为单位传输 在帧开始和结束有标志 而帧中每个字节间不附加停止位和起始位 传输效率高 但实现较为复杂 所需的软硬件价格比异步传输高 异步串行通信中 异步串行通信中 传送一个字符需 12 个位 1 个起始位 8 个数据位 2 个停止位 1 个校验位 其传输速率是 4800bps 每秒 传输字符为 4800 12 400 异步通信的帧格式异步通信的帧格式 3 线路通信方式 单工通信 半双工和全双工通信 线路通信方式 单工通信 半双工和全双工通信 数据串行通信方式 数据在串行通信线路上传输有方向性 按照数据在某一时间传输的方向 可分为 单工通信单工通信 数据传输只能一个方向 半双工通信半双工通信 数据可在两个方向传输 但同一时刻指限于一个方向 全双工通信全双工通信 数据可在两个方向同时传输 4 局域网的拓扑结构 局域网的拓扑结构 从网络拓扑学的观点看 网络由一组节点和连接节点的链路组成 网络中节点的互连模式叫网络拓扑结构 星形结构 树形结构 环形结构 总线型结构 网状结构 5 局域网的媒体访问控制方法局域网的媒体访问控制方法 单主多从 多主多丛 令牌 单主多从 多主多丛 令牌 具有冲突检测的载波监听多路访问具有冲突检测的载波监听多路访问 CSMA CD 介质访问控制方式介质访问控制方式 Copyrights by Huajun He 2011 All rights reserved 9 载波侦听多路访问 冲突监测方式 CSMA CD 令牌环方式 Token Ring 令牌总线方式 Token Bus 无握手 RS 232 支持点对点 对等 点对多 一主多从 全双工通信 RS 422 可实现点对点 对等 点对多 一主多从 全双工差分通信 RS 485 可实现点对点 对等 点对多 一主多从 多点 对等 多主多从 半双工差分通信 6 奇偶校验的方法和作用 奇偶校验的方法和作用 纵向冗长检测纵向冗长检测码码 LRC 1 奇偶校验奇偶校验 在每一组字符帧的数据后添加奇偶校验位 使码元中总的 1 的个数为奇数或偶数 ASCII 模式是 7 个数据位 RTU 是 8 个数据位 奇偶校验只能检测出传输过程中字符帧 1 的个位数出错 如果不指定奇偶校验 传输不进行校验 要传输字符帧中的奇偶校验位用一附加停止位填充替代 2 LRC 校验校验 ASCII 模式时 消息帧包括了一基于 LRC 校验方法的差错检测域 LRC 域检测根据地址域 功能域和数据域内容计算得到 不包括开始的冒号符及后面的回车换行符不包括开始的冒号符及后面的回车换行符 LRC 域包含了一个字节信息 LRC 值 LRC 值由发送方计算并以两个 ASCII 码字符形式放到消息帧中发送 接收方在接收消息后同样计算 LRC 并将结果和接收消息 中 LRC 域中的 LRC 值比较 两值不等 说明有差错 LRC 基本算法 将消息中的地址信息 1 字节 功能码信息 1 字节 数据信息 n 字节 连续累加 丢弃超出 8 位的部分 只保留 一个字节 实际上 Modbus 网络的发送方在对信息码元累加后 还要取其补码补码 将补码转换成两个两个 ASCII 字符字符 填入 ASCII 模式的消息 帧格式 高位在前 低位在后高位在前 低位在后 Modbus 网络接收方 在接收到消息帧中所有字符后 将地址域 功能域 数据域 差错校验域的 ASCII 代码信息还原成原始还原成原始 信息码信息码后 求所有数据单元字节和求所有数据单元字节和 丢弃超出 8 位的部分 如果累加结果是 0 认为该消息帧的传输正常无差错 否则传输失 败 地址域地址域 功能域功能域 数据域数据域消息未经 ASCII 编码的原始值 16 进制 3 CRC 校验校验 7 通信协议 通信协议 MODBUS 通信协议 的作用 通信协议 的作用 ASCII 模式和模式和 RTU 模式模式 作用 作用 Modbus 是一种现场总线 现已成为通用工业标准 很多型号的 PLC 仪表 变频器 HMI 组态软件均支持 Modbus 在标准 Modbus 网络上 Modbus 协议有两种模式 ASCII RTU Remote Terminal Unit 一个 Modbus 通信网络上只能有一种模式 不允许两种模式混用 ASCII 模式和 RTU 模式 任何一种都能在标准 Modbus 网络通信 用户根据需要选择想要的传输模式 同一 Modbus 网络上的 所有设备都必须选择相同传输模式和串口参数 波特率 校验方式等 ASCII 模式模式 消息中每个 8 位字节都要用两个 ASCII 字符表示并以异步方式传输 优点 字符发送时间间隔可达 1 秒而不产生差错 编码系统编码系统 十六进制 ASCII 字符 0 9 A F 消息中每个 ASCII 字符包含一个十六进制字符 每个字节的位每个字节的位 1 个起始位 7 个数据位 最小的有效位先发送 1 个奇偶校验位 无校验则无该位 1 个停止位 有校验时 或 2 个停止位 无校验时 差错检测域差错检测域 LRC Longitudinal Redundancy Check 纵向冗余校验 RTU 模式模式 消息中每个 8 位字节都是原始的十六进制字符 包含 2 个 无需编码 以异步方式传输 优点 在同样波特率下 可比 ASCII 模式传送更多的数据 编码系统编码系统 8 位二进制 十六进制数 0 9 A F 消息中每个 8 位由两个十六进制字符组成 每个字节的位每个字节的位 1 个起始位 8 个数据位 最小的有效位先发送 1 个奇偶校验位 无校验则无该位 1 个停止位 有校验时 或 2 个停止位 无校验时 Copyrights by Huajun He 2011 All rights reserved 10 差错检测域差错检测域 CRC Cyclical Redundancy Check 循环冗余校验 五 五 PLC 控制系统设计控制系统设计 1 PLC 控制系统设计的步骤控制系统设计的步骤 1 分析被控对象并提出控制要求 2 确定输入 输出设备 确定 PLC 的 I O 点数 3 选择合适的 PLC 类型 4 分配 I O 点并设计 PLC 外围硬件线路 5 程序设计 1 程序设计 2 程序模拟调试 6 硬件实施 7 联机调试 8 整理和编写技术文件 2 模块化程序设计的基本思想和优点模块化程序设计的基本思想和优点 把一个程序分成具有多个明确任务的程序模块 分别进行编写和调试 最后再把 它们连接在一起 形成一个完成总任务的完整程序 模块化的优点模块化的优点 模块功能明确 难点分散 易于编程 程序较清晰 可读性强 程序便于修改 扩充或删节 可改性好 频繁使用的功能可以编制成模块化标准程序 供反复使用 大大简化编程 程序的设计与调试分块进行 便于分工 有利于加快工作速度 每个模块程序可以用逻辑设计法 经验设计法 功能转移图设计法进行设计 3 抗干扰设计 包括输入输出通道抗干扰设计 接地系统设计抗干扰设计 包括输入输出通道抗干扰设计 接地系统设计 PLC 控制系统多数故障来自于外部电路 其次则是 PLC 自身的输入 输出接口电路 由于采用光电隔离 电磁隔离 电磁屏蔽等措施 PLC 内部 CPU 存储器等硬件电路与软件的故障极少 1 输入输入 输出通道的抗干扰措施输出通道的抗干扰措施 输入开关量信号出现错误 模拟量信号出现较大偏差 输出口控制的执行机构没有按要求动作 都使控制过程出错 1 输入通道的抗干扰措施 PLC 输入侧采用光耦 切断内外部电气联系 并在输入设有 RC 滤波电路 以防止由于输入抖动或外部干扰脉冲引起的错误 使用应注意以下几个方面 输入信号源和信号线路的可靠 输入通道的类型和电压等级 输入装置的漏电流 输入通道的滤波延时时间设置 输入信号的软件处理 2 输出通道的抗干扰措施 PLC 的开关量输出有继电器输出 晶体管输出 晶闸管输出三种形式 具体根据负载要求决定 从抗干扰和可靠性角度考虑 应注意以下几个方面 输出端的反电势保护和抗干扰 直流线圈两端并联续流二极管 交流线圈两端并 RC 串联的吸收电路 输出点的外部驱动电路 可通过中间继电器间接驱动外部线圈 电子开关输出点的漏电流 晶体管或晶闸管输出点 存在漏电流 可在负载两端并联旁路电阻 抑制电源干扰的措施 使用隔离变压器供电 使用滤波器 采用控制器 I O 通道和其它设备分别供电 2 控制系统接地设计控制系统接地设计 独立接地 最好 公用接地方式 次之 共通接地方式 避免 特别是与电动机 变频器等动力设备共通接地 控制系统的接地还应注意 接地线应尽可能粗 接地电阻要尽可能小 接地点应尽量靠近控制器 接地线应尽量避开强电回路和主回路电线 无法避开时应垂直交叉 尽量缩短平行走线长度 4 冗余系统设计 包括环境条件的冗余 控制器并列运行冗余方式 冗余系统设计 包括环境条件的冗余 控制器并列运行冗余方式 PLC 双机热备双机热备 双机后备双机后备 双机双工双机双工 控制系统 三类系统的区别和联系 控制系统 三类系统的区别和联系 冗余系统冗余系统 系统中有多余的部分 在系统出现故障时 这多余的部分能立即替代故障部分而使系统继续正常运行 1 环境条环境条件冗余件冗余 使 PLC 工作在合适的环境中 且环境条件有一定裕量 一般留有三分之一以上的裕量 2 控制器的并列运行控制器的并列运行 两台控制器功能完全相同 输入 输出也分别连接到外围设备 当某一台控制器出现故 障时 可切换到另一台控制器继续运行 适用于 I O 点数较少 布线容易的小规模的控制系统 Copyrights by Huajun He 2011 All rights reserved 11 对于大规模控制系统 由于 I O 点数多 电缆配线复杂 系统成本成倍增加 限制了其应用 3 PLC 双机热备双机热备 双机后备双机后备 双机双工控制系统双机双工控制系统 某 PLC 出现故障时 需有 PLC 接替原 PLC 工作 1 PLC 双机热备双机热备 主机 备机 正常时主机工作 主机出现故障后 备机都自动启动 接管主机所有工作 分主备机 主机故障 备机接管 但一旦主机恢复 系统将再次切换 由主机重新接管 采用两套不同配置 PLC 主机配置较 好 备机只是临时工作 不分主备机 工作机 1 故障 工作机 2 接管 而工作机 1 恢复后 系统不切换 继续由工作机 2 服务 直到工作机 2 故障时 才再次切换到工作机 1 PLC 具有相同的配置和功能 2 PLC 双机互备双机互备 主机 备机 备机 主机 主机 备机同时工作 各分担系统部分功能 互为备份 任何一套 PLC 故障时 所有服务会自动切换到正常 PLC 上 当某一套 PLC 出现故障时 另一套正常 PLC 在短时间内接管故障 PLC 的应用 保证了应用的持续性 双机互备的性能要求比较高 系统配置相对要好 3 PLC 双机双工双机双工 主机 主机 两台主机都处于工作状态 同时运行相同的应用 任何一台 PLC 故障时 还有另一台正常的运行工作 4 表决式冗余系统表决式冗余系统 系统中 3 个 CPU 同时接收外部数据的输入 而对外部输出的控制则由 2 3 表决模块依据 3 个 CPU 的并行输出状态表决决定 5 网络冗余网络冗余 网络冗余 包括通信线路冗余与有关硬件设备的冗余 5 供电系统设计提高可靠性的方案 供电系统设计提高可靠性的方案 进行电源系统设计时 可以采用以下方案 采用隔离变压器分离供电方式采用隔离变压器分离供电方式 控制器与 I O 及其他装置分别由各自的具有隔离功能的变压器供电 与主回路分开 双路供电系统双路供电系统 在高可靠性 PLC 控制系统中 供电最好采用双路冗余供电 两路电源引自不同的变电站 一路电源出现故障时 自动切换至另一路电源供电 采用采用 UPS 供电系统供电系统 UPS 不间断电源 在市电供电时 有稳压和滤波作用 以消除或削弱市电干扰 保证设备正常的工作 在市电中断时 它又可 以通过把直流供电部分 电池组 提供的直流电转化为交流电供负载使用 由市电供电转电池供电一般为 0 时间切换 这样使负载设备在感觉不到任何变化的情况下继续保持正常的通电状态 保证设备 的不间断运行 保护设备的软 硬件和数据不被破坏 6 安全电路设计安全电路设计 包括紧急分断电路的设计要求 包括紧急分断电路的设计要求 PLC 输入信号触点类型的选择输入信号触点类型的选择 考虑安全性 何时 考虑安全性 何时 用常开 何时用常闭 控制线路的互锁要求 软件互锁 硬件互锁 用常开 何时用常闭 控制线路的互锁要求 软件互锁 硬件互锁 1 紧急分断电路设计紧急分断电路设计 用于工业设备的电气控制装置 出现危险时通过紧急分断电路可尽快使部分或整个系统停止运行 避免对人或设备造成伤害 紧急分紧急分断安全电路设计的要点和要求断安全电路设计的要点和要求