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1、天津工程师范学院 毕 业 设 计（论文）题 目 自来水加压站PLC恒压供水系统 副标题 性 质： 毕业设计 毕业论文学生姓名 年 级 自0102 系 别 自动化工程 专 业 自动化 指导教师 评定成绩 优 良 中 及格 不及格目 录摘要1Abstract1引言1一、恒压供水系统概述2（一）传统定压方式的弊病2（二）恒压供水系统简介2二、松下恒压供水系统2（一）系统构成及控制原理2（二）系统原理图如图所示3（三）自动控制方式下的系统工作原理3（四）手动控制方式3三、系统硬件概述3（一）PLC结构及原理3（二）A/D转换模块10（三）压力传感器11（四）变频器结构及原理12四 系统软件设计19（一
2、）程序流程图19（二）系统中用到的高级指令19（三）系统梯形图程序21致谢词25参考文献26英文翻译27自来水加压站PLC恒压供水系统作者：XXX摘要恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、传感器、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。该技术已在供水行业普及。本文用松下PLC、松下超小型变频器VF0、智能压力变送器构成了单闭环控制回路，并给出了系统的程序及i/o分配表。文中还介绍了系统的
3、软硬件具体参数及性能。关键词 PLC 恒压供水 传感器Abstract Press-constant water-providing is a way of water-providing. When the amount of water changes, the output press keeps constant. The press value of water-providing network is determined by user. The conventional press-constant waterproviding adopts water tower. high
4、-lever water tank. Air press tank to realize its function. With the development of frequency-varied speed-adjustment technology and its wide use .people use frequency varied, sensor, PLC to create the control system and adjust the output the amount of the pump to realize the press constant water-pro
5、viding finally. This kind of technology has been used widely in water-providing industry. In this article, we use Panasonic PLC, Panasonic frequency-varied VF0, intellectual press transducer to compose single close-loop controller and present the relevant program and the I/O distribution table. And
6、we also introduce the parameters of software and hardware and their functions. Keywords Programmable Logic Controller Press-constant water-providing sensor引言随着城市人口的不断增长，供水问题已经成为急需解决的根本问题，传统的供水方式没有考虑到一天当中人们的用水量是在不断变化的，供水管网的压力在用水高峰期经常严重不足，导致某些地方经常停水或水压不足，而在用水量偏少的夜晚供水泵却还是照常工作，导致电能严重浪费。而变频调速系统能在用水高峰期提高管
7、网水压，满足人们日常用水需求，低峰期适当降低水泵转速，节省了大量电能。由PLC与小型变频器构成的恒压供水系统，其运行可靠，成本较低，安装方便，维护简单，必将成为未来城市供水普遍采用的形式。在我的设计中采用了一台变频器循环控制四台水泵工作的形式，按照供水管网压力的变化四台水泵轮流切入电网或停止工作，既有程序控制功能，又有手动控制功能，满负荷运转时还有报警系统，相信对实际的供水工程有一定的参考价值。一、恒压供水系统概述（一）传统定压方式的弊病 1、管理不便、因与大气连通易引起的管道腐蚀；2、由于水箱内微生物、藻类孳生，还可能对系统造成二次污染，所以每年定压水箱都需定期维护，并由卫生防疫部门检验；3
8、、定压水箱需占用较大空间，需要专门的地点来放置；4、高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种调节方式不能做到供水量和用水量的最佳匹配，水泵长期偏离高效区工作，效率低下；5、系统频繁的起停泵，对水泵、电机及开关器件都会缩短使用寿命；6、使用高位水箱供水，在系统流量较大时，管网压力会有较大的变化，造成部分用户资用压头不够，出现诸如流量不足、冷热不均等情况；7、在供水泵的选型上，设计人员为了提高系统安全系数，电机选型都较大；在用水负荷较小或低区采用减压阀、节流孔板等来调节剩余水头时，大量的能量消耗在阀上，都造成电能的浪费（二）恒压供水系统简介恒压供水系统是指在供水管网系统中用水量发生变化时
9、，出口压力保持不变的供水方式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。随着变频调速技术的日益成熟，为实现恒压供水提供了可靠的技术条件。利用变频器、PID、调节器、单片机、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，取代了水塔、水箱、气压罐等，实现恒压供水。其配置日趋合理，成为供水网系的换代产品。(1). 变频恒压供水系统主要特点：1、节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。2、占地面积小，投入少，效率高。3、配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。4、运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵
10、的寿命大大提高。5、由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。6、通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。二、松下PLC构成的恒压供水系统（一）系统构成及控制原理本系统用松下PLC FP0C32、A/D转换模块FP0A21、松下超小型变频器VF0、智能型压力变送器DG1300-ZN、四台通用型加压水泵构成。通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用
11、水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。本系统有自动/手动控制方式切换功能。（二）系统原理图如图2-1所示 图2-1 系统原理图（三）自动控制方式下的系统工作原理首先，1号泵在变频控制的情况下工作：当用水量增大，1号泵满负荷工作，即变频器的工作频率达到50Hz时，经过一个短暂的延时后使KM1断开、KM2吸合，1号泵切换为工频工作。同时变频器的输出频率迅速降为0Hz，然后KM3吸合，2号泵投入变频运行。当2号泵业满负
12、荷时，KM3断开，KM4吸合，又使2号泵切换为工频工作，而3号泵投入变频运行。反之，当用水量减少时，则先从1号泵，然后是2号泵依次退出工作，完成一次加减泵的循环。（四）手动控制方式 手动控制可以用松下PLC输入继电器的常开常闭开关手动开关控制四台水泵进入工频工作及停止工作。这样可以在某台电机出故障时及时更换新电机，具体控制开关见I/O分配表。三、系统硬件概述（一）PLC结构及原理可编程控制器（programmable controller）简称PLC，是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动化技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置。它将传统的继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点
13、结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备。1.1.1 PLC的功能(1) 条件控制功能 条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用PLC的与、或、非指令取代继电器触点串联、并联及其他各种逻辑连接，进行开关控制。(2) 定时/计数控制功能定时/计数控制功能就是用PLC提供的定时器、计数器指令对某种操作的定时或计数控制，以取代时间继电器和计数继电器。(3) 步进控制功能 步进控制功能就是用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成后，才能进行，下道工序操作的控制 (4) 数据处理功能数据处理功能是使用PLC进行数据传送比较、移位、数制转换、算术运算与逻辑运算以及编
14、码和译码操作(5) A/D与D/A转换功能 A/D与D/A转换功能A/D与D/A转换功能就是通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。(6) 运动控制功能运动控制功能是指通过高速计数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴控制(7) 过程控制功能 过程控制功能是指通过PLC的PID的控制指令实现对温度、压力、速度、压力和流量等物理参数的闭环控制。(8) 扩展功能扩展功能是指通过连接输入输出和扩展单元模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制能力。(9) 远程I/O功能远程I/O功能是指通过远程I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连
15、接，进行远程控制，接收输入信号，传出输出信号。(10) 通讯联网功能通讯联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位计算机的连接等，实现远程I/O控制或数据交换,以完成系统规模较大的复杂控制.(11) 监控功能监控功能是指PLC能监视系统各部分的运行状态和进程，对系统出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动中止运行；也可在线条调整、修改控制程序中的定时器、计数器等设定值或强制I/O状态。1.1.2 PLC的主要特点（1）可靠性高、抗干扰能力强为保证PLC能在工业环境下可靠工作，设计和生产过程中采取了一系列硬件和软件的抗干扰措施，主要有以下几个方面。1) 隔离 这是抗干扰的主要措施之一。PLC的
16、输入、输出接口电路一般采用光电隔离来传递信号，这种光电隔离措施，是外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效地抑制外部干扰源对L的影响，同时防止外部高压传入，减少故障和无动作.2）.滤波 这是抗干扰的另一个主要措施。在L的电源电路和输入、输出电路中设置了多种滤波电路，用于对高频干扰信号进行有效抑制。3） 屏蔽 对 L 的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施以减少外界干扰、保证供电质量。另外，使用输入输出接口电路的电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。4） 联锁 内部设置联锁、环境检测与诊断、看门狗等电路一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟 规定时间，立即报警，以保证可靠工作.5） 控
17、制 利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障监测，并采取信息保护和恢复措施。6)后备对用户程序及动态工作数据进行电池后备，以保障停电后有关状态或其信息不丢失。7)密封 采用密封、防尘、抗震等外壳封装结构，以适应工作现场恶劣环境。8） 抗干扰 PLC是以集成电路为基本元件的电子设备，内部处理过程不依赖于机械触点，也是保障可靠性高的重要原因；而采用循环扫描的方式，也提高了抗干扰能力。通过以上措施保证了L能在恶劣环境中可靠地工作，使平均故障时间间隔长，故障修复时间短。目前，MTBF一般已达到(45)h。（2）功能完备、扩充方便、组合灵活、实用性强现代PLC所具有的功能及其各种扩展单元、
18、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。（3）编程简单、使用方便、控制过程可变、具有很好的柔性PLC继承传统继电器控制电路清晰直观的特点，充分考虑电气工人和技术工人的读图习惯，采用面向控制过程和操作者的“自然语言”梯形图为编程语言，容易学习和掌握。PLC控制系统采用软件编程来实现控制功能，其外围只需要将信号输入设备（按钮、开关等）和接收信号执行控制任务的输出设备(如接触器、电磁阀等执行元件)与PLC的输入、输出端子相连接，安装简单，工作量少。当生产工艺流程改变或生产线设备更新时，不必改变PLC硬件设备，只需改编程序即可，灵活方便，具
19、有很强的“柔性”。(4)体积小、重量轻、功耗低由于PLC是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固，体积小巧，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.2 PLC的基本结构PLC本质上是一台用于控制的专用计算机，图3-1所示为PLC的结构框图，下面对这个框图中各部分的主要性能（作用）作简单介绍。 图 3-1 PLC的结构框图1.2.1中央处理器（CPU） 中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）是可编程控制器的核心部件，整个PLC的工作过程都是在CPU的统一指挥和协调下进行的。它的主要任务就是按一定的规律或要求读入被控对象的各种工作状态，然后根据用
20、户所编制的应用程序的要求去处理有关数据，最后再向被控对象输出相应的控制信号。它与被控对象之间的联系是通过各种I/O接口实现的。(1)中央处理模板 PLC的中央处理模板通常是指PLC中的主控板，在一个中型或大型的PLC的中央处理模板上，不仅有CPU集成芯片，而且还有一定数量的ROM或EPROM（储存系统的操作系统）和RAM(储存少量的数据或用户程序)。（1） 字处理器和位处理器在中型或大型规模的PLC中常装有两个中央处理器：字处理器和位处理器。字处理器就是主处理器，它完成字节（byte）指令的处理，并实现各种控制作用，包括对位处理器的控制。位处理器是辅助处理器，它主要处理位(bit)信息，其主要
21、特点是在处理位信息时，速度可以很高。在小型PLC中，往往中用一个处理器同时完成这两个方面的任务。（2） CPU的主要功能接收用户从编程器输入的用户程序，并将它们存入用户存储区。用扫描方式接收源自被控对象的状态信号，并存入相应的数据区。用户程序的语法错误检查，并给出错误信息。系统状态及电源系统的检测。执行用户程序，完成各种数据的处理、传输和储存等功能。根据数据处理的结果，刷新输出状态表，以实现对各种外部设备的实时控制和其它的辅助工作。1.2.2存储器PLC内部的存储有系统存储器和用户存储器两大类。（1） 系统存储器用以存放系统程序，包括系统管理程序、监控程序、磁盘输入出入处理程序、翻译程序、编译
22、解释程序。系统程序在PLC出厂前已将其固化在制度存储器ROM或PROM中，用户不能更改。（2） 用户存储器用以存放用户程序和工作数据。它分用户程序存储区和工作数据存储区。1.2.3输入输出（I/O）（1）输入接口输入接口通过PLC的输入端子接收现场输入设备的控制信号，现场输入信号可以是按钮、限位开关、光电开关、温度开关、行程开关以及传感器输出的开关量等。PLC输入接口电路将这些信号转换成CPU所能接受的数字信号。（2） 输出接口输出接口是将经CPU处理过的输出数字信号传送给输出端的电路元件，以控制其通或断开，从而控制现场执行部件。1.3 PLC工作原理PLC对用户程序的执行主要按三个扫描过程进
23、行。（1） 输入扫描在这个过程中，PLC按扫描方式读入该可编程控制器所有端子上的输入信号，并将这些输入信号存入映像区。在本工作周期的执行和输入过程中，输入映像区的内容还会随实际信号的变化而变化。（2）执行扫描在执行用户程序的扫描过程中，PLC对用户以梯形图方式或其他方式编写的程序按从上到下、从左至右的顺序逐一扫描各指令，然后从输入映像区取出相应的原始数据或从输出映像区读取有关数据，做由程序确定的逻辑运算或其他数学运算，随后将运算结果存入确定的输出映像区有关单元，但这个结果在整个程序未执行完毕前还会送到输出端口上。（3） 输出扫描在执行完用户的所有程序后，PLC将输出映像区中的内容同时送入到输出
24、锁存器中，然后由锁存器经功率放大器放大后去驱动继电器的线圈，最后使输出端子上的信号变为本次工作周期运行结果的实际输出。1.4 FP0小型机简介FP0是日本松下电工生产的目前市场上体积最小的PLC产品，有C10C32多种规格。FP0机分主机、扩展、智能单元三种，做多扩展到128点。本系统用的是FP0C32，下面来详细介绍一下。 FP0机特点a. 超小型尺寸，一个控制单元只有25mm宽，甚至扩展到128点也只有105mm宽，控制单元外形尺寸为25mm,高90mm，长60mm，是超小型外形设计，世界最小的安装面积，故可以安装在小型机械控制装置上。b. 扩展方便，扩展单元可直接连接到控制单元上。扩展单
25、元可使单元表面的扩展连接器和锁定单排触头即可形成层叠系统，而无需特殊扩展电缆、底板等。c. 高速度，执行每个基本指令FP0仅需0.9s。脉冲捕捉和中断输入端满足了高速相应的需要。d. 大容量内存，FP0最多可存储1万步用户程序，其数据寄存器最多有1.6万字。e. 控制功能强，具有两路脉冲输出，可单独进行位置操作，互不干扰。具有双向、双通道高速计数功能。高速计数器输入频率可达10Hz,输出脉冲2路最高可达10Hz。具有脉宽调制输出(PWM)功能，可用单个FP0单元实现温度控制。f. PID控制：PID控制指令化，可以进行自整定，实现简便、高性能的过程控制。g. 具有很强的网络功能。可通过C-NE
26、T适配器，双绞线，实现1200m范围内多达32台PLC联网，实现上位控制。h. 指令丰富，FP0具有基本指令83条，高级指令48条。除能进行基本算术运算外，可进行浮点运算及最大值、最小值、平均值、三角函数、格雷码等运算。FP0机的组成a. 运行监视指示灯。当运行程序时，RUN的LED灯亮；当在编程状态时PROG的LED灯亮；发生自诊断错误时，ERR的LED灯亮。b. 方式选择开关。方式选择开关有两个工作方式挡位，即RUN和PROG。当开关扳到RUN时，PLC运行程序；当开关扳到PROG时，PLC处于编程状态，用户程序可以读出、修改、写入。c. 电源端子。该端子接24V直流。d. 通讯口。FPO
27、有一个编程口和一个RS232口。编程口通过编程电缆直接与手持编程器或计算机RS232口相连。RS232口可连接其他外围设备。e. 输入、输出端子。继电器输出型FP0的输入、输出端子采用终端插座；晶体管输出型FP0的输入、输出端子采用松散布线挤压插座。f. I/O状态指示灯。输入、输出状态由发光二极管（LED）显示，发光二极管内装在机体内。1.5 FP0技术性能（1）控制特性：FP0系列PLC的控制特性如表3-1所示。表3-1 FP0系列PLC的控制特性项 目C10C14C16C32，T32I/O点数6/4点8/6点8/8点16/16点最大I/O点数58点62点112点128点运行速度0.9s/
28、步(基本指令)程序容量2720步5000步10000步指令数基本/高级83/11483/115内部继电器（R）1008点特殊内部继电器（R）64点定时器/计数器（T/R）144点数据寄存器(DT)1660字6144字16383字特殊数据寄存器70字索引寄存器（IX、IY）2字主控寄存器32点标记数（JMP、LOOP）64点步梯级数128级704级子程序数16个100个中断数7个程序输入滤波时间1128ms自诊断功能如看门狗定时器，程序检测(2)输入特性：表3-2所示为FP0系列的输入特性。表3-2 FP0系列的输入特性项 目参 数额定输入电压24V DC工作电压范围21.626.4V DC接通
29、电压/电流19.2V/3mA关断电压/电流2.4V/1mA响应时间ON至OFF小于2ms(X6XF)小于50s（X0X1）小于100s（X2X5）输入阻抗约5.6K运行方式指示LED绝缘方式光耦合（2） 输出特性：FPO PLC的输出主要有两种形式：一种是继电器输出；一种是晶体管输出。这里仅介绍晶体管输出，如表3-3所示 表3-3 FP0系列的PLC的输出特性（晶体管输出）项 目参 数绝缘方式光耦合输出方式晶体管PNP和NPN开路集电极额定负载电压范围524VDC工作负载电压范围4.7526.4VDC最大负载电流0.1A/点OFF状态泄露电流不大于100AON状态压降不大于1.5V响应时间OF
30、F至ONON至OFF不大于1ms不大于1ms浪涌电流吸收齐纳二极管工作方式指示LED（二）A/D转换模块模拟量输入A/D单元的作用是将外部的模拟量转换成数字量，以使CPU进行处理。FP0A21模块是2路A/D，与FP0配套。每路输入信号都经过前置放大处理，来保证高输入阻抗和线性度，再由多路选择开关、模数转换、光电隔离后送至锁存缓冲器。当PLC程序扫描执行到读模拟量指令时，由程序指定的基本输入通道的模拟量就被采样。经过A/D转换完成后从锁存器经总线传送到指定的数据寄存器。A/D模块的接口如图所示。 图3-2 A/D模块的接口示意图占用I/O通道及编程方法 A21模块的A/D单元两个模拟输入通道为
31、CH0和CH1，占用I/O通道分别为： CH0WX2（X20X2F） CH1WX4（X40X4F）技术参数A/D转换单元的技术性能见下表表3-4 A21的A/D单元技术参数表项 目说 明输入通道数2通道（CH0/CH1）模拟输入范围电压05V或10V+10V电流020m A分辨率1/4000（12比特）总精度满程值0.6%响应时间2.5ms/通道输入阻抗电压挡1M电流挡250转换速度（最长时间）1ms/通道 面板图及接线 A21的面板如图3-3所示，A21两个输入通道共有5个端子，分别是V0、I0、V1、I1、COM端。当电压输入时，信号有V0或V1和COM两端输入；而电流输入时，信号由I0或
32、I1和COM两端输入，此时应将V和I两端接在一起。接线图如图所示 图3-3 A21面板示意图 图3-4 A21模拟输入接线（三）压力传感器本系统采用广州森纳压力有限公司（senex）的智能型压力变送器DG1300-ZN采集供水管网压力并反馈给系统。DG通用系列智能型压力变送器选用国际著名公司压力传感器组件，经过高可靠性的微控制器及高精度温度补偿，将被测介质的压力信号转换成420mADC标准信号叠加HART数字信号，实现远程控制，支持现场总线基于现场控制 技术的升级。高质量的传感器、精湛的密封技术以及完善的装配工艺确保了该产品的优异质量和最佳性能，该产品能最大限度的满足客户的要求，适用于各种测量
33、控制系统的使用。该传感器有如下特点1、采用美国技术，全不锈钢焊接结构2、兼容符合HART协议的产品3、具有完整的自诊断和通讯功能4、零点自动迁移，零点量程外部可调 5、通过手持器和PC机可实现远程管理主要技术参数见表3-5表3-5智能型压力变送器DG1300-ZN技术参数表温度补偿16位计算机自适应温度补偿， 准确度达到0.01级温度范围工作介质温度 -40125介质接触材料316不锈钢工作环境温度-2085安装方式螺纹安装表 压（量程范围）0150MPa过载压力2倍满量程重 量450 50克（四）变频器结构及原理 1、变频器原理在异步电动机的许多调速方法中，变频调速的性能最好，其调速范围大，
34、静态稳定性好，运行效率高。采用通用变频器对异步电动机进行调速控制，由于使用方便，可靠性高，并且经济效益显著，所以逐步得到推广。2、变频器的特点大部分通用变频器都有以下特点（1） 精度高 CPU的精度与字长有关，变频器使用16位或32位CPU作为控制机，精度不断提高。（2） 稳定性好 由于变频器的控制信息为数字量，不会随时间漂移。不随温度和环境条件变化而变化。（3） 可靠性高 控制电路采用大规模集成电路，主电路采用智能化模块。系统中的硬件电路元件数量很少，相应鼓胀率大大降低。（4） 灵活性好 系统中硬件向标准化、集成化发展，可以在尽可能少的硬件支持下，有软件去完成复杂的控制功能。适当的修改软件，
35、就可以改变系统的功能或提高其性能。（5） 存储能力强 存储容量大，存放时间几乎不受限制，变频器可在存储中存放大量数据和表格，利用查表法简化计算，提高运算精度。（6） 逻辑运算能力强 容易实现自诊断、故障记录、故障寻找等功能，使变频器可靠性、可使用性、可维护性大大提高。（7） 自动调压功能 使电动机参数自动调压，简化了使用操作，易于实现系统最佳运行。（8） 具有模糊加减速功能 能根据电动机加速过程中的负载电流和制动过程中的变频器直流侧的电压，自动计算最佳加/减速时间。3、VVVF变频调速变频变压的实现可以通过脉幅调制（PAM）、脉宽调制（PWM）和正弦波脉宽调制（SPWM）。PAM这种调制方法实
36、施时需要同时调节整流部分和逆变部分，两者之间还必须满足电压调节比ku和频率调节比kf间的一定关系，故控制电路比较复杂。PWM只需控制逆变电路便可实现,与PAM相比,控制电路简单化了许多。不论是PAM还是PWM，其输出电压和电流的波形都是非正弦波，具有许多高次谐波成分。为了使输出电流波形接近于正弦波，又提出了正弦波脉宽调制的方法。 （2） 脉宽调制（PWM）的实现。脉宽调制把每半个周期内，输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为t1，每两个脉冲间的间隔宽为t2，则脉冲的占空比r为 X=t1/ (t1+t2)这时，电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改
37、变输出电压脉冲的占空比，也同样可以实变频也变压的效果，如图25所示。其中，图a为调制前的波形，图b为调制后的波形。与图a相比，图b的电压周期增大（频率降低），电压脉冲幅值不变，而占空比减小，故平均电压降低。此法的特点是，变频器在改变输出频率的同时，也改变输出电压的占空比（幅值不变）故称为脉宽调制，常用PWM（pulse width modulation）表示。 PWM只需控制变频器的逆变电路便可实现对异步电机的调速，如图3-4, a)所示。a)调制前 b）调制后图3-4 脉宽调制的输出电压（3）与起动有关的其他功能a、起动频率 对于惯性较大的负载，以及静摩擦转矩较大的负载，起动时须有一点冲击力
38、，才易于起转，这可以通过适当加大起动频率来实现。b、起动前的直流制动 起动前直流制动的作用是用于保证拖动系统从零速开始起动c、起动锁定功能 在有外接给定和外接控制时，当外接给定信号不为零，从而使变频器输出一定频率和电压时，如直接起动电动机，其起动电流将大大超过允许值。为了防止这种情况的出现，有的变频器设置了起动联锁功能，即当变频器的输出频率超过设定的联锁频率时，电动机将不能起动。d、暂停升速功能 对于惯性较大的负载，在开始起动时，升速往往比较困难。有的变频器针对这种情况，设置了暂停升速功能，即先让拖动系统在低速下运转一段时间，然后再继续升速。4、 变频器的构成通用变频器的基本结构如图所示，由主
39、回路和控制回路两部分组成，主回路包括整流器、电调直流环节、逆变器。逆变器部分整流器部分整流器图3-5 通用变频器的基本结构图 （1） 整流器电网侧的变流器I是整流器，它的作用是把三相（也可以单相）交流整流成直流。（2） 逆变器负载侧的变流器II为逆变器。最常用的结构是利用6个半导体开关器件组成的三相交流桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中各主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。（3） 中间直流环节由于变频器的负载是电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态或发电制动状态，其功率因数总不会是1。因此，中间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环节的储能元件（电容器或
40、电抗器）来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。（4） 控制电路控制电路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。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以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路。主要靠软件完成各种功能，由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式很难完成的功能。5、变频器的运行方式（1）正反转运行异步电动机本身可以正反转运行，对于使用工频供电的电动机，只需改变电动机电源的相序，即可改变电动机的转向，当使用变频器作为电动机电源时
41、，有些变频器具有控制电动机正反转的功能，有的不具备此功能。 对具有正反转控制功能的变频器，可以利用接触器切换变频器输出的相序，在设计它的控制电路时，需要考虑不可将电动机直接从正转切换到反转，应该确保电动机已经停止，再切换到反转，否则，切换的过程会产生很大的电流，将会对变频器和电动机造成损害。（2） 多级速度运行多级速度运行主要用在生产过程中对应不同状况要求不同转速的场合，例如运输车在运输物品时低速行驶，卸载后高速返回。多级速度运行是一种简单的顺序速度控制，每一过程的频率及运行时间可以自由设定。不同变频器可以设定的级数不同，通常有7级。（3）自动频率调整运行控制对象不是电动机速度，而是风机，水泵
42、等流体机械的流量、压力或温度、湿度等，通过改变变频器的频率，来控制这些物理量，使之接近或等于设定值。变频器的频率随着系统的运行自动调整，这就是自动频率调整运行。调节器通常采用PID控制，检测控制对象的变化，将调节器的输出作为变频器的频率输出信号。（4）多台电动机运行使用一台变频器可以拖动两台以上电动机，使用时应根据电动机的启动方式确定变频器的容量。如果多台电动机是同时由低频启动，那么变频器的容量大于或等于各台电动机的容量和。如果多台电动机不是同时启动，而是顺序启动，首先将一台电动机从低频启动，之后变频器已经工作在某一频率，其余电动机则是全压启动。每启动一台电动机，变频器都会出现一次电流冲击，这
43、时应保证变频器的电流能够承受电动机全压启动所带来的电流冲击。如果多台电动机容量不同，应尽可能先启动容量大的电动机，再启动容量小的电动机。这时变频器的容量仍应比电动机的总容量大，因此，应避免采用电动机顺序启动方式。6、变频器的保护 由于设置的不当、负载的变化、外界运行条件的改变以及变频器的元器件损坏或接触不良等原因都有可能造成变频器的故障。当变频器出现故障和不正常运行时，变频器必须有快速可靠的保护。（1） 过电流保护当变频器的输出侧发生短路或电动机堵转时，变频器将流过很大的电流，从而造成电力半导体器件的损坏。为了防止过电流，变频器中设置有过电流保护电路。当电流超过某一数值时，变频器或者通过关断电
44、力半导体器件切断电流，或者调整电动机的运行状态，减小变频器的输出电流。在电流超过额定电流的一定范围内，允许变频器运行一段时间，变频器的输出频率保持不变。此时电动机的启动时间将比设定的启动时间要长。如果启动时间设置太短，则切断变频器的输出，变频器通常采用硬件电路进行过流保护，目的是减少过流保护的动作时间。在主电路电力半导体器件驱动电路中采用过电流的检测和封锁驱动信号的保护电路。它不经过CPU处理，可以实现对变频器的快速保护，如短路保护。当硬件保护动作时，CPU还会据此进行相应处理。（2） 过载保护在传统的电力拖动系统中，通常采用热继电器保护电动机的电流不会超过电动机绕组发热侧能容许的电流。热继电
45、器具有反时限特性，即电动机的过载电流越大，容许电动机持续运行的时间越短；而电动机的过载电流越小，则容许电动机持续运行的时间越长。变频器用CPU可以很方便的实现热继电器的反时限特性。通过检测变频器的输出电流，并和存储的保护特性所确定的电流进行比较，当变频器的输出电流大于过载保护电流时，CPU按照反时限特性的要求进行必要的计算。在一定运行时间内，变频器继续运行，当过载持续的时间超过反时限特性所确定的时间时，变频器将停止工作；如果容许的时间之前过载的情况已经消失，变频器将恢复正常运行。（3） 过电压保护当电动机减速或制动时，电动机将通过变频器的作用，将变频器输出侧的交流变换成变频器直流侧的直流电，从而使变频器直流侧电压升高。若变频器直流侧电压超过一定数值，有可能击穿滤波电容或击穿电力半导体器件，造成变频器损坏，严重时甚至可能殃及变频器周围设备和人员。过压保护需要根据过电压的程度分别处理。当变频器的直流电压超过一定值后，直流制动电路开始进行再生制动