书名：寻梦山水间：河池市世居民族原创歌曲集pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语：

作者：姚亮著

出版社：电子工业出版社

出版时间：2015-07-01

书籍编号：30458191

ISBN：9787121263736

正文语种：中文

字数：30053

版次：1

所属分类：艺术摄影-音乐舞蹈

第15章　变频器与变频电路

15.1　变频器的种类与功能特点

15.1.1　变频器的种类

变频器的英文名称为VFD或VVVF，是一种利用逆变电路的方式将工频电源变为频率和电压可变的变频电源，进而对电动机进行调速控制的电气装置。

变频器种类很多，分类方式多种多样，可根据需求按用途、变换方式、电源性质、变频控制、调压方法等多种方式分类。

1　按用途分类

变频器按用途可分为通用变频器和专用变频器两大类，如图15-1所示。

图15-1　变频器按用途分类

提示

通用变频器是指在很多方面具有很强通用性的变频器。该类变频器简化了一些系统功能，主要以节能为主要目的，多为中小容量变频器，一般应用在水泵、风扇、鼓风机等对于系统调速性能要求不高的场合。

专用变频器是指专门针对某一方面或某一领域而设计研发的变频器，针对性较强，具有适用于针对领域独有的功能和优势，能够更好地发挥变频调速的作用，但通用性较差。

目前，较常见的专用变频器主要有风机类专用变频器、恒压供水（水泵）专用变频器、机床专用变频器、重载专用变频器、注塑机专用变频器、纺织专用变频器、电梯专用变频器等。

2　按变换方式分类

变频器按变换方式主要分为交—直—交变频器和交—交变频器，如图15-2所示。

图15-2　变频器按变换方式分类

3　按电源性质分类

变频器按电源性质可分为电压型变频器和电流型变频器，如图15-3所示。

电压型变频器的特点是中间电路采用电容器作为直流储能元件缓冲负载的无功功率，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故电压型变频器常用于负载电压变化较大的场合。

电流型变频器的特点是中间电路采用电感器作为直流储能元件缓冲负载的无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，可扼制负载电流频繁的急剧变化，故电流型变频器常用于负载电流变化较大的场合，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。

4　按调压方法分类

变频器按调压方法主要分为PAM变频器和PWM变频器，如图15-4所示。

图15-3　变频器按电源性质分类

图15-4　变频器按调压方法分类

提示

PAM是Pulse Amplitude Modulation（脉冲幅度调制）的缩写。PAM变频器按照一定的规律对脉冲列的脉冲幅度进行调制，控制输出的量值和波形，实际上就是能量的大小用脉冲的幅度来表示，整流输出电路中增加绝缘删双极型晶体管（IGBT），通过对IGBT的控制改变整流电路输出的直流电压幅度（140～390V），变频电路输出的脉冲电压不但宽度可变，而且幅度也可变。

PWM是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制）的缩写。PWM变频器同样按照一定的规律对脉冲列的脉冲宽度进行调制，控制输出量和波形，实际上就是能量的大小用脉冲的宽度来表示，整流电路输出的直流供电电压基本不变，变频器功率模块的输出电压幅度恒定，控制脉冲的宽度受微处理器控制。

5　按变频控制分类

变频器按变频控制分为压/频（U/f）控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器、直接转矩控制变频器等。

15.1.2　变频器的功能特点

变频器是一种集启停控制、变频调速、显示及按键设置功能、保护功能等于一体的电动机控制装置，主要用于需要调整转速的设备中，既可以改变输出的电压又可以改变频率（改变电动机的转速）。

图15-5为变频器的功能原理。从图中可以看到，变频器可将频率一定的交流电源转换为频率可变的交流电源，实现对电动机的启动及转速的控制。

图15-5　变频器的功能原理

1　变频器具有软启动功能

如图15-6所示，变频器具备最基本的软启动功能，可实现被控制电动机的启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流的150%，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求。

图15-6　变频器软启动功能

2　变频器具有突出的变频调速功能

变频器具有调速控制功能，可以将工频电源通过一系列的转换使输出频率可变，自动完成电动机的调速控制，如图15-7所示。

图15-7　变频器的变频调速功能

3　变频器具有通信功能

为了便于通信及人机交互，变频器上通常设有不同的通信接口，可与PLC自动控制系统及远程操作器、通信模块、计算机等通信连接，如图15-8所示。

图15-8　变频器的通信功能

4　变频器的其他功能

变频器除了基本的软启动、调速和通信功能外，在制动停机、安全保护、监控和故障诊断方面也具有突出的优势，如图15-9所示。

图15-9　变频器的其他功能

15.2　变频器的应用

15.2.1　制冷设备中的变频电路

变频电路是变频制冷设备中特有的电路模块，通过控制输出频率和电压可变的驱动电流驱动变频压缩机和电动机的启动、运转，从而实现制冷功能。

如图15-10所示，以变频空调器制冷设备为例，变频电路和变频压缩机位于空调器室外机机组中，变频电路在室外机控制电路的控制下，输出驱动变频压缩机的变频驱动信号，使变频压缩机启动、运行，达到制冷或制热的效果。

图15-10　变频空调器中变频电路的特点

15.2.2　机电设备中的变频电路

机电设备中变频电路的控制过程与传统工业设备的控制过程基本类似，只是电动机的启动、停机、调速、制动、正/反转等运转方式及耗电量方面有明显的区别，采用变频器控制的机电设备，工作效率更高，更加节约能源。

图15-11为机电设备中变频电路的特点。

图15-11　机电设备中变频电路的特点

图15-11　机电设备中变频电路的特点（续）

15.3　变频器电路

15.3.1　海信KFR—4539（5039）LW/BP型变频空调器中的变频电路

图15-12为海信KFR—4539（5039）LW/BP型变频空调器中的变频电路，主要由控制电路、过电流检测电路、变频模块和变频压缩机构成。

图15-12　海信KFR—4539（5039）LW/BP型变频空调器中的变频电路

图15-12　海信KFR—4539（5039）LW/BP型变频空调器中的变频电路（续）

提示

变频模块PS21246的内部主要由HVIC1、HVIC2、HVIC3和LVIC 4个逻辑控制电路，6个功率输出IGBT（门控管）和6个阻尼二极管等部分构成，如图15-13所示。+300V的P端为IGBT提供电源电压，由供电电路为逻辑控制电路提供+5V的工作电压，由微处理器为PS21246输入控制信号，经功率模块内部的逻辑处理后为IGBT控制极提供驱动信号，U、V、W端为直流无刷电动机绕组提供驱动电流。

图15-13　变频模块PS21246的内部结构

15.3.2　海信KFR—25GW/06BP型变频空调器中的变频电路

图15-14为海信KFR—25GW/06BP型变频空调器中的变频电路。该电路采用智能变频模块作为变频电路对变频压缩机进行调速控制，同时智能变频模块的电流检测信号会送到微处理器中，由微处理器根据信号保护变频模块。变频电路满足供电等工作条件后，由室外机控制电路中的微处理器（MB90F462—SH）为变频模块IPM201 （PS21564）提供控制信号，经变频模块IPM201（PS21564）内部电路的逻辑控制后，为变频压缩机提供变频驱动信号，驱动变频压缩机启动运转。

图15-14　海信KFR—25GW/06BP型变频空调器中的变频电路

提示

图15-15为PS21564智能功率模块的实物外形、引脚排列、内部结构及引脚功能。

图15-15　PS21564智能功率模块的外形、引脚排列、内部结构及引脚功能

15.3.3　恒压供气变频控制电路

恒压供气系统的控制对象为空气压缩机电动机，通过变频器对空气压缩机电动机的转速进行控制，可调节供气量，系统压力维持在设定值上。

图15-16为恒压供气变频控制电路的结构及控制过程分析。

图15-16　恒压供气变频控制电路的结构及控制过程分析

图15-16　恒压供气变频控制电路的结构及控制过程分析（续1）

图15-16　恒压供气变频控制电路的结构及控制过程分析（续2）

15.3.4　多台并联电动机正、反转变频控制电路

多台并联电动机正、反转变频控制电路的核心为变频器，由一台变频器对多台并联电动机进行正、反转控制，可使多台电动机在同一频率下工作，实现多台并联电动机的变频启动、运行和停机等控制功能。

图15-17为多台并联电动机正、反转变频控制电路的结构组成。

根据变频器与外部电气部件的连接关系，结合各组成部件的功能特点，可分析多台并联电动机正、反转控制电路的工作过程。

图15-18为多台并联电动机正、反转变频控制电路的工作过程分析。

图15-17　多台并联电动机正反转变频控制电路的结构组成

图15-18　多台并联电动机正、反转变频器控制的工作过程分析

图15-18　多台并联电动机正、反转变频器控制的工作过程分析（续）

第16章　PLC快速入门

16.1　PLC的功能特点与应用

16.1.1　PLC的功能特点

PLC是一种电子装置，能够直接进行数字运算操作，服务于大中型工业用户现场的操作管理。综合来说，PLC是在继电器、接触器控制和计算机技术的基础上逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。

图16-1为PLC实物外形及内部结构。

图16-1　PLC的实物外形及内部结构（西门子S7-200系列PLC）

PLC内部主要由三块电路板构成，分别是CPU电路板、输入/输出接口电路板和电源电路板。

CPU电路板主要用于完成PLC的运算、存储和控制功能。

输入/输出接口电路板主要用于处理PLC输入、输出信号。

电源电路板主要用于为PLC内部各电路提供所需的工作电压。

图16-2为PLC的整机工作原理图。PLC可以划分为CPU模块、存储器、通信接口、基本I/O接口、电源五部分。

控制及传感部件发出的状态信息和控制指令通过输入接口（I/O接口）送入存储器的工作数据存储器中，在CPU的控制下从工作数据存储器中调入CPU寄存器，与PLC认可的编译程序结合，由运算器进行数据分析、运算和处理，将运算结果或控制指令通过输出接口传送给继电器、电磁阀、指示灯、蜂鸣器、电磁线圈、电动机等外部设备及功能部件执行相应的工作。

图16-2　PLC的整机工作原理图

提示

CPU（中央处理器）是PLC的控制核心，主要由控制器、运算器和寄存器三部分构成，通过数据总线、控制总线和地址总线与内部存储器及I/O接口相连。

16.1.2　PLC的应用

PLC发展极为迅速，随着技术的不断更新，控制功能，数据采集、存储、处理功能，可编程、调试功能，通信联网功能，人机界面功能等也逐渐变得强大起来，使得PLC的应用领域得到进一步急速扩展，广泛应用在各行各业的控制系统中。

1　PLC在电动机控制系统中的应用

PLC应用在电动机控制系统中可实现自动控制，能够在不大幅度改变外接部件的前提下，仅修改内部程序便可实现多种多样的控制功能，使电气控制更加灵活高效。

图16-3为PLC在电动机控制系统中的应用示意图。

图16-3　PLC在电动机控制系统中的应用示意图

该系统主要是由操作部件、控制部件、电动机及一些辅助部件构成的。

其中，各种操作部件为系统输入各种人工指令，包括各种按钮开关、传感器件等；控制部件主要包括总电源开关（总断路器）、PLC可编程控制器、接触器、过热保护继电器等，输出控制指令和执行相应动作；电动机是将系统电能转换为机械能的输出部件，实现控制系统的最终目的。

2　PLC在复杂机床设备中的应用

机床设备是工业领域中的重要设备之一，功能强大，控制要求高，普通的继电器控制虽然能够实现基本的控制功能，但早已无法满足安全可靠、高效的管理要求。

用PLC控制机床设备，不仅能提高自动化水平，而且在实现相应的切削、磨削、钻孔、传送等功能中更具有突出的优势。

图16-4为机床PLC控制系统。

图16-4　机床PLC控制系统

该系统主要是由操作部件、控制部件和工控机床构成的。

其中，各种操作部件为系统输入各种人工指令，包括各种按钮开关、传感器件等；控制部件主要包括电源总开关（总断路器）、PLC可编程控制器、接触器、变频器等，输出控制指令和执行相应的动作；机床设备主要包括电动机、传感器、检测电路等，通过电动机将系统电能转换为机械能控制机械部件完成相应的动作，最终实现相应的加工操作。

3　PLC在自动化生产制造设备中的应用

PLC在自动化生产制造设备中主要用来实现自动控制功能，在电子元件加工、制造设备中作为控制中心，控制设备中的输送定位驱动电动机、加工深度调整电动机、旋转电动机和输出电动机等协调运转，相互配合实现自动化工作。

PLC在自动化生产制造设备中的应用如图16-5所示。

图16-5　PLC在自动化生产制造设备中的应用

4　PLC在民用生产生活中的应用

PLC不仅在工业生产中广泛应用，在很多民用生产生活领域中也得到迅速发展，如常见的自动门系统、汽车自动清洗系统、水塔水位自动控制系统、声光报警系统、流水生产线、农机设备控制系统、库房大门自动控制系统、蓄水池进出水控制系统等，都可由PLC控制、管理实现自动化功能。

图16-6为PLC控制库房大门示意图。

图16-6　PLC控制库房大门示意图

库房大门可通过传感器检测驶进的车辆状态自动控制开启和关闭，以便让车辆进入或离开库房。

16.2　PLC编程

16.2.1　PLC的编程语言

PLC作为一种可编程控制器，各种控制功能的实现都是通过内部预先编好的程序实现的，而控制程序的编写就需要使用相应的编程语言来实现。

不同品牌和型号的PLC都有各自的编程语言。例如，三菱公司的PLC产品有自己的编程语言，西门子公司的PLC产品也有自己的语言。但不管什么类型的PLC，基本上都包含梯形图和语句表两种基础编程语言。

1　PLC梯形图

PLC梯形图是PLC程序设计中最常用的一种编程语言。它继承了继电器控制线路的设计理念，采用图形符号的连通图形式直观形象地表达电气线路的控制过程，与电气控制线路非常类似，易于理解，是广大电气技术人员最容易接受和使用的编程语言。

图16-7为电气控制线路与PLC梯形图的对应关系。

图16-7　电气控制线路与PLC梯形图的对应关系

提示

搞清PLC梯形图可以非常快速地了解整个控制系统的设计方案（编程），洞悉控制系统中各电气部件的连接和控制关系，为控制系统的调试、改造提供帮助，若控制系统出现故障，从PLC梯形图入手也可准确快捷地做出检测分析，有效完成对故障的排查。可以说，PLC梯形图在电气控制系统的设计、调试、改造及检修中有重要的意义。

梯形图主要是由母线、触点、线圈构成的。其中，梯形图中两侧的竖线为母线；触点和线圈是梯形图中的重要组成元素，如图16-8所示。

图16-8　梯形图的结构和特点

提示

PLC梯形图的内部是由许多不同功能元件构成的。它们并不是真正的硬件物理元件，而是由电子电路和存储器组成的软元件，如X代表输入继电器，是由输入电路和输入映像寄存器构成的，用于直接输入给PLC的物理信号；Y代表输出继电器，是由输出电路和输出映像寄存器构成的，用于从PLC直接输出物理信号；T代表定时器、M代表辅助继电器、C代表计数器、S代表状态继电器、D代表数据寄存器，都是由存储器组成的，用于PLC内部的运算。

由于PLC生产厂家的不同，PLC梯形图中所定义的触点符号、线圈符号及文字标识等所表示的含义都会有所不同。例如，三菱公司生产的PLC就要遵循三菱PLC梯形图编程标准，西门子公司生产的PLC就要遵循西门子PLC梯形图编程标准，如图16-9所示，具体要以设备生产厂商的标准为依据。

图16-9　PLC梯形图基本标识和符号

2　PLC语句表

PLC语句表是另一种重要的编程语言，形式灵活、简洁，易于编写和识读，深受很多电气工程技术人员的欢迎。因此，无论是PLC的设计，还是PLC的系统调试、改造、维修，都会用到PLC语句表。

PLC语句表是指运用各种编程指令实现控制对象控制要求的语句表程序。针对PLC梯形图直观形象的图示化特色，PLC语句表正好相反，编程最终以“文本”的形式体现。

图16-10是用PLC梯形图和PLC语句表编写的同一个控制系统的程序。

图16-10　用PLC梯形图和PLC语句表编写的同一个控制系统的程序

PLC语句表虽没有PLC梯形图直观、形象，但表达更加精练、简洁。如果了解了PLC语句表和PLC梯形图的含义后，就会发现，PLC语句表和PLC梯形图是一一对应的。

如图16-11所示，PLC语句表是由序号、操作码和操作数构成的。

图16-11　PLC语句表的结构组成和特点

提示

不同厂家生产的PLC，其语句表使用的助记符（编程指令）也不相同，对应语句表使用的操作数（地址编号）也有差异，具体可参考PLC的编程说明，见表16-1。

16.2.2　PLC的编程方式

PLC所实现的各项控制功能是根据用户程序实现的。各种用户程序需要编程人员根据控制的具体要求编写。通常，PLC用户程序的编程方式主要有软件编程和手持式编程器编程。

1　软件编程

软件编程是指借助PLC专用的编程软件编写程序。

采用软件编程的方式需将编程软件安装在匹配的计算机中，在计算机上根据编程软件的使用规则编写具有相应控制功能的PLC控制程序（梯形图程序或语句表程序），最后借助通信电缆将编写好的程序写入PLC内部即可。

图16-12为PLC的软件编程方式。

图16-12　PLC的软件编程方式

提示

不同类型PLC可采用的编程软件不相同，甚至有些相同品牌不同系列PLC可用的编程软件也不相同。表16-2为几种常用PLC可用的编程软件汇总。随着PLC的不断更新换代，对应的编程软件及版本都有不同的升级和更换，在实际选择编程软件时，应首先按品牌和型号对应查找匹配的编程软件。

2　编程器编程

编程器编程是指借助PLC专用的编程器设备直接在PLC中编写程序。在实际应用中，编程器多为手持式编程器，具有体积小、质量轻、携带方便等特点，在一些小型PLC的用户程序编制、现场调试、监视等场合应用十分广泛。

如图16-13所示，编程器编程是一种基于指令语句表的编程方式。首先需要根据PLC的规格、型号选配匹配的编程器，然后借助通信电缆将编程器与PLC连接，通过操作编程器上的按键直接向PLC中写入语句表指令。

图16-13　PLC的编程器编程

提示

不同品牌或不同型号PLC所采用的编程器类型不相同，在将指令语句表程序写入PLC时，应注意选择合适的编程器。表16-3为各种PLC对应匹配的手持式编程器型号汇总。

16.3　PLC控制技术的应用

16.3.1　电力拖动的PLC控制系统

PLC控制技术在电力拖动控制系统中的应用比较广泛。图16-14为电动机电阻器降压启动和反接制动PLC控制电路。

图16-14　电动机电阻器降压启动和反接制动PLC控制电路

电动机电阻器降压启动和反接制动PLC控制电路中的I/O地址编号见表16-4。

表16-4　电动机电阻器降压启动和反接制动PLC控制电路中的I/O地址编号（西门子S7-200系列）

在该控制电路中，闭合电源总开关QS，按下启动按钮SB2后，为PLC输入相应的开关量信号，经PLC输入接口端子I0.1后送入内部，由CPU识别后，使用户梯形图程序中的相应编程元件动作，并将处理结果经PLC输出端子Q0.0、Q0.2输出，控制外部执行部件动作，继而控制主电路中三相交流电动机M实现串电阻器降压启动和短路电阻器全压运行等过程，工作过程分析如图9-9所示。

图16-15　电动机电阻器降压启动和反接制动PLC控制电路的工作过程分析

图16-15　电动机电阻器降压启动和反接制动PLC控制电路的工作过程分析（续）

16.3.2　数控机床的PLC控制系统

数控机床的种类较多，不同类型的数控机床对应相应的PLC控制系统。以C650型卧式车床为例。C650型卧式车床是一种应用较为广泛的金属切削机床，多用于切削工件的外圆、内圆、端面和螺纹等。

图16-16为C650型卧式车床的PLC控制电路的结构组成。该控制电路主要由西门子S7-200系列的PLC、控制部件（SB1～SB7、KS1、KS2）、执行部件（FR、KM1～KM6）和三相交流电动机等部分构成。控制部件和执行部件都直接连接到PLC相应的接口上。

图16-16　C650型卧式车床的PLC控制电路的结构组成

表16-5为C650型卧式车床PLC控制电路中的I/O地址编号。

表16-5　C650型卧式车床PLC控制电路中的I/O地址编号（西门子S7-200系列）

C650型卧式车床PLC控制电路的工作过程分析，如图16-17所示。

图16-17　C650型卧式车床PLC控制电路的工作过程分析

图16-17　C650型卧式车床PLC控制电路的工作过程分析（续1）

图16-17　C650型卧式车床PLC控制电路的工作过程分析（续2）

16.3.3　水塔给水的PLC控制系统

水塔在工业设备中主要起到蓄水的作用，水塔的高度很高，为了使水塔中的水位保持在一定的高度，通常需要自动控制电路对水塔的水位进行检测，同时为水塔进行给水控制。

图16-18为水塔水位自动控制电路的结构，是由PLC控制各水位传感器、水泵电动机、电磁阀等部件实现对水塔和蓄水池蓄水、给水自动控制的。

图16-18　水塔水位自动控制电路的结构

表16-6为水塔水位PLC自动控制电路的I/O地址编号。结合I/O地址分配表，了解梯形图和语句表中各触点及符号标识的含义，并将梯形图和语句表相结合进行分析。

图16-19为水塔水位自动控制电路中的PLC梯形图和语句表。

图16-19　水塔水位自动控制电路中的PLC梯形图和语句表

当水塔水位低于水塔低水位，并且蓄水池水位高于蓄水池低水位时，控制电路便会自动启动水泵电动机开始给水。

图16-20为蓄水池自动进水的控制过程。

图16-20　蓄水池自动进水的控制过程

图16-20　蓄水池自动进水的控制过程（续）

图16-21为蓄水池自动停止进水的控制过程。

图16-21　蓄水池自动停止进水的控制过程

当PLC输入接口外接的水塔水位传感器输入信号时，结合内部PLC梯形图程序，详细分析水塔水位的自动控制过程如图16-22、图16-23所示。

图16-22　水塔水位自动控制过程（一）

图16-22　水塔水位自动控制过程（一）（续）

图16-23　水塔水位自动控制过程（二）

....