基于fx2n变频器的plc调速系统

基于fx2n变频器的plc调速系统内容摘要：

最有发展前途的调速方式，其重要性日益得到世界各国的重视。 在世界能源紧缺的今天，开展变频调速技术的研究，推广其应用，有着非常重大的现实意义和巨大的经济效益及社会效益。 变频调速技术的发展概况 20 世纪 60 年代以前，直流调速一直以控制能力强、可靠性高、噪声低、控制电路简单等一系列优良的性能在传动领域中占据着主导地位。 但是随着社会生产力及技术的不断发展，直流传动的薄弱环节逐步显示出来。 由于换向器的存 在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境等都受到限制。 同时，电动机在实际应用中，已由过去简单的起停控制，以提供动力为目的发展为对其速度、位置、转矩等参数进行精确控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。 另外，随着电力电子技术、控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展，交流调速取代直流调速，计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。 因此，人 们便转向应用结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的交流电动机。 然而，要实现对交流电动机高性能的调速远比直流电动机调速困难得多。 70 年代以来， 6 随着新型自关断电力电子器件、智能功率集成电路的问世，现代控制理论的发展和计算机技术的应用，新的控制策略不断涌现，使得交流调速技术得到迅猛发展，并已在冶金、机械、电气、纺织、食品等行业得到普遍应用，交流调速以其显著的节电效果，优良的调速性能以及广泛的适用性逐步取代直流调速的地位， 已经成为电气传动领域发展的主流方向。 ]3[ 国内现状 1） 有大量 市场需求。 随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在冶金、机械、石油、化工、纺 织、造纸、等各个行业以及风机、水泵等节能场合，并取得了显著的经济效益。 2）功率器件发展迅速。 近年来，高电流、大电流的 SCR、 GTO、 IGBT、 IGCT 以及智能模块 IPM (Intelligent Power Module) 等器件的生产以及并联、串联技术应用的发展，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。 3）控制理论和微电子技术的支持。 在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论为高性能变频调速提供了理论基础；16 位、 32 位高速微处理器和专 用集成电路 (ASIC)技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。 现在，我国有 200 家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。 随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。 很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。 国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统，在变频调速技术的应用和研究上取得了很大的成绩。 但应看到，由于国内自行开发、生产产品的能 力弱，对国外公司的依赖仍很严重。 变频调速未来的发展方向 交流变频调速是强、弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换，又要处理信息的收集变换和传输。 因此它的共性技术必定是分为功率和控制两大部分。 前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决硬、软件开发问题。 各种高性能变频控制都是国内外研究的热点，其未来主要的发展方向 是 1）实现变频器的人工智能化对于交流电机这样多变量、强耦合的参数非线性时变的复杂被控对象，要获得良好的控制性能较为困难。 由于神经网络具 有很强的信息处理能力，能通过自身学习来解决复杂系统的控制问题，故目前已成为非线性系统建模的重要技术。 近年来，国外神经网络在变频调速系统控制中获得了应用，已成为当前神经网络理论及应用的研究热点。 2）实现全数字控制化全数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制灵活、可靠，易实现复杂的控制规律，便于故障诊断和监视。 3）实现变频器的通信网络化和技术规格标准化当前，国外先进的变频器都配有总线适配器模块 (如 modbus, feidbus, interbus 等 )作为选件，外部总线可以双绞线和适配器连接，变频器则作为系统 的智能终端。 进一步可形成集散式 (DCS)变频控制系统和现场总线 (FCS)变频控制系统。 变频 器的技术规格已统一成国际性标准，可根据用户的需要实现灵活的配置。 4）实现变频器的特大容量化随着电力电子技术的不断 进步，控制容量将进一步增大， 7 使交流电机比直流电机的优势更加明显。 5）实现变频器硬件的集成化为了使变频装置体积更小巧，新型变频器要求功率和控制单元具有高集成度。 利用不断发展的大规模集成电路工艺，把自动控制系统中控制电路集成化为若干个专用 IC 芯片 (ASIC )，使整个系统的构成更小型、可靠，从而构成强弱电一体 的智能化电机。 6）实现变频器的高频化提高变频器开关频率是抑制谐波、提高系统性能的关键之一。 但开关频率提高，会增加器件自身的开关损耗，影响变频器的效率和可靠性，使其调制频率受到限制。 目前在高频变换器中采用较多的器件是 MOSFET， IGBT 和 IPM。 各国正在利用新一代高频电力电子器件，如静电感应晶闸管 (SITH )，以及 IGCT 和 IECT，研发新一代高频的电控装置。 7）实现变频器的 “ 绿色环保 ” 化实现变频器的 “ 绿色环保 ” 化也就是开发清洁电能的变频器。 所谓清洁电能变频器是指变频器的功率因数为 1，电网侧和负载侧 的谐波分量很少。 研究环保型整流器，使其不产生谐波，且实现功率双向流动是国内外目前研究的热点问题。 变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，已经渗透到所有经济领域的技术部门中。 应积极应用变频调速技术来改造传统产业，节约能源及提高产品质量，以获得较好的经济效益和社会效益；要大力发展变频调速技术，必须把我国变频调速技术提高到一个新的水平，缩小与世界先进水平的差距，提高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场的需求；并规范我国变频调速技术方面的标准，提高产品可靠性及工艺水平，实现规模化、标准化生产 ]4[。 8 第二 章 变频器 交流变频器是微型计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。 微型计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。 大家都知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒 50Hz。 而交流电动机的同步转速 : PfN 11 60 式中 1N 同步转速， r/min； 1f 定子频率， Hz； P 电机的极对数。 而异步电动机转速 ： )1(60)1( 11 sP fsNN  式中 s 异步电机转差率， 11 /)( NNNs  ，一般小 于 3%。 均与送入电机的电流频率成正比例或接近于正比例。 因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的 ]5[。 变频 器的基本结构 从频率变换的形式来说。 变频器分为交 交和交 直 交两种形式。 交 交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。 而交 直 交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电。 然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电．又称间接式变频器。 市售通用变频器多是交 直 交变频器，其基本结构图如图 21 所示， 图 21 交 直 交变频器的基本结构 由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下： (1)整流器。 电网侧的变流器是整流器，它 的作用是把三相 (也可以是单相 )交流整流成直流 ]10[。 (2)直流中间电路。 直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路及控制电源得到质量较高的直流电源。 由于逆变器的负载多为异步电动机，属于感性负载。 9 无论是电动机处于电动或发电制动状态其功率因数总不会为 1。 因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。 这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件 (电容器或电抗器 )来缓冲。 所以又常称直流中间环节为中间直流储能环节。 (3)逆变器。 负载侧的变流器为逆变器。 逆 变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电源转换为频率和电压都可以任意调节的交流电源。 逆变电路的输出就是变频器的输出。 (4)控制电路。 变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分。 其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对 整流器的电压控制及完成各种保护功能。 控制电路是变频器的核心部分。 性能的优劣决定了变频器的性能。 一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。 直流中间电路的储能元件在整流 电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路是电流源时是大容量的电感。 为了电动机制动的需要，中间电路中有时还包括制动电阻及一些辅助电路。 逆变电路最常见的结构形式是利用 6个半导体主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主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。 现代变频器控制电路的核心器件是微型计算机，全数字化控制为变频器的优良性能提供了硬件保障 ]6[。 图 22为电流型变频器主电路基本结构示意图 图 22 电压型变频器和电流型变频器主电路基本结 构 10 RS TVD1VD2 VD3 VD4 VD5VD6VD7 VD8 VD9VD10 VD11 VD12CF 1 CF 2RC 1 RC 2 RHRBVBV1 V2V3 V4V5 V6S L R L U V W交 — 直 变 换能 耗 电 路 直 — 交 变 换图 23 变频器主电路结构图 变频器的分类及工作原理 变频器的较详细的工作原理还与变频器的工作方式有关，通用变频器按工作方式分类如下： （ 1） U/f控制。 U/f控制即电压与频率成比例变化控制。 由于通用变频器的负载主要是电动机，出于电动机磁场恒定的考虑，在变频的同时都要伴随着电压的调节。 U/f控制由于忽略了电动机漏阻抗的作用，在低频段工作特性不理想。 因而实际变频器中采用 E/f控制。 采用 U/f控制方式的变频器通常被称为普通功能变频器。 （ 2）转差频率控制。 转差频率控制是在 E/f控制基础上增加转差控制的一种控制方式。 从电动机的转速角度看，这是一种以电动机的实际运行速度加上该速度下电动机的转差频率确定变频器的输出频率的控制方式。 更重要的是，在 E/f=常数的条件下，通过对转差率的控制，可以实现对电机转矩的控制。 采用转差频率控制的变频器通常属于多功能型变频器。 （ 3）矢量控制。 矢量控制是受调速性能优良的直流电动机磁场电流及转矩电流可分别控制启发而设计的一种控制方式。 矢量控制将交流电动机的定子电流采用矢量分解的方法，计算出定子电流的磁场分量及转矩分量 ，并分别控制，从而大大提高了变频器对电动机转速及力矩控制的精度及性能。 采用矢量控制的变频器通常称为高功能变频器。 通用变频器按工作方式分类的主要工程意义在于各类变频器对负载的适应性。 普通功能型变频器适用于泵类负载及要求不高的反抗性负载，而高功能变频器可适用于位能性负载 11 ]7[。 变频器的操作方式及使用 和 PLC一样，变频器是一种可编程的电气设备。 在变频器接入电路工作前，要根据通用变频器的实际应用修定变频器的功能码。 功能码一般有数十甚至上百条， 涉及调速操作端口 指定、频率变化范围、 力矩控制、系统保护等各个方面。 功能码在出厂时已按默认值存储。 修订是为了使变频器的性能与实际工作任务更加匹配。 变频器与外界交换信息的接口很多，除了主电路的输入与输出接线端外，控制电路还设有许多输入输出端子，另有通信接口及一个操作面板，功能码的修订一般就通过操作面板完成。 变频器的输出频率控制有以下几种方式： （ 1）操作面板控制方式。 这是通过操作面板上的按钮手动设置输出频率的一种操作方式。 具体操作又有两种方法，一个按面板上频率上升或频率下降的按钮调节输出频率，另一个方法是通过直接设定频率 数值调节输出频率。 （ 2）外输入端子数字量频率选择操作方式。 变频器常设有多段频率选择功能。 各段频率值通过功能码设定，频率段的选择通过外部端子选择。 变频器通常在控制端子中设置一些控制端， 控制端 的 7种组合 方式 选定 7种工作频率值。 这些端子的接通组合可通过机外设备，如PLC控 制实现。 （ 3） 外输入端子模拟量频率选择操作方式。 为了方便与输出量为模拟电流或电压的调节器、控 制器的连接，变频器还设有模拟量输入中端， 当接在这些端口上的电流或电压量在一定范围内平滑变化时，变频器的输出频率在一定范围内平滑变化。 （ 4） 通信数字量 操作方式。 为了方便与网络接口，变频器一般都设有网络接口，都可以通过通信方式接收频率控制指令，不少变频器生产厂家还为自己的变频器与 PLC 通信设计了专用的协议 ]8[。