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1、论文题目：煤矿井下风扇自动调节装置的设计 摘 要针对因通风机恒速云装而造成“一风吹”排放瓦斯，致使主巷道内，瓦斯浓度超限的问题，设计一种可根据巷道内瓦斯浓度值改变而自动调节通风机转速的隔爆兼本安型通风机自动转速自动调节装置，用于对煤矿井下巷道掘进过程中超限瓦斯的排放，从根本上解决了因“一风吹”而造成的瓦斯爆炸爆炸的事故隐患。采用SPWM变频技术、PLC技术研制而成的一种新型全自动瓦斯排放装置，主要用于控制煤矿井下掘进工作面局部风机，进而实现掘进工作面超限瓦斯的自控排放关键词：局扇，瓦斯传感器，变频调速，PLCSubject: Coal mine shaft ventilator automat
2、ic control device design ABSTRACT Fans in connection with a constant speed with clouds caused by Yi Fengchui gas emissions, causing the main roadway, the concentration of gas-gauge problems, to design a tunnel under the gas concentration in the value of changes in fan speed automatic adjustment of t
3、he flameproof Fans of this type of automatic speed automatic adjustment devices for the coal mine tunnel boring process overrun gas emissions, and to fundamentally solve the result of Yi Fengchui and the explosion caused by gas explosion in the hidden causes of accidents. SPWM frequency technology u
4、sed, PLC technology from developed a new type of automatic gas emissions devices, mainly used to control coal mine heading face local fans and then making the heading face-gauge-controlled gas emissionsKey words :Bureau fan, gas sensor, frequency conversion velocity modulation, PLC目 录第一章 概述11.1煤矿井下有
5、五大灾害11.2矿井通风瓦斯事故在矿井安全事故中的比重11.3瓦斯爆炸的危害性：21.3.1 瓦斯爆炸后产生剧毒气体一氧化碳。21.3.2瓦斯爆炸后产生高温。21.3.3瓦斯爆炸以后产生高压气体。21.3.4瓦斯爆炸后，在爆炸地点由于空气稀薄，温度急剧下降，21.4局部通风机的发展状况21.4.1国内外局扇发展情况21.5交流变频调速的发展现状41.6模糊控制概述41.7 PLC可编程控制器的现状和发展61.7.1可编程控制器的产生61.7.2 PLC现状及发展趋势61.7.3可编程控制器的发展方向7第二章 变频调速92.1 变频调速的原理92.2变压变频装置102.2.1交直交变频器102.
6、2.2交交变压变频装置112.2.3电压源型变频器和电流源型变频112.3正弦波脉宽调制（SPWM）变频器12第三章 PLC可编程技术153.1PLC的产生与发展153.2PLC控制的优越性163.2.1PLC与继电器比较163.2.2PLC与单片机控制系统比较173.2.3PLC与计算机控制系统的比较173.3 PLC的系统结构173.3.1 PLC的基本工作原理183.4PLC的组成和工作原理193.4.1PLC的组成193.4.2 PLC的工作原理223.5PLC的技术指标22第四章 模糊控制的基本原理244.1模糊控制的基本思想244.2模糊控制系统的组成244.3模糊控制的基本原理2
7、54.3.1精确输入量的模糊化264.3.2模糊规则形成和推理264.3.3精确输出量的解模糊判决284.4 模糊控制器设计的基本方法294.4.1模糊控制器的结构设计294.4.2模糊控制规则的设计30第五章 瓦斯传感器及其井下的布置345.1传感器及其测量方法345.2瓦斯传感器在巷道内的布置方式355.2.1 掘进工作面甲烷传感器的布置355.2.2掘进工作面回风流甲烷传感器的布置355.2.3回采工作面回风巷甲烷传感器的布置36第六章 井下风扇转速自动调节装置的系统设置376.1局扇通风系统简介376.1.1局扇自动调节装置的必要性376.2局扇的模糊控制器设计376.2.1 风扇转速
8、自动调节系统要实现的功能376.2.2模糊控制的步骤过程386.3基于PLC的模糊控制变频设计416.3.1.变频器调速系统416.3.2.PLC，变频器与上位机的通信设计42总 结50致 谢51参考文件及资料52第一章 概述1.1 煤矿井下有五大灾害瓦斯爆炸、煤尘爆炸、矿井火灾、矿井透水、冒顶坍塌。其中前三种（瓦斯爆炸、煤尘爆炸、矿井火灾）均与矿井通风系统的可靠性、稳定性有关。近年来煤矿井下重特大矿难时有发生， 2003年煤矿发生特大事故51起，死亡1061人；2004年发生特大事故42起，死亡1008人，2004年10月2005年8月近一年矿难32起，2005年11月11日12月8日近一个
9、月矿难就有8起，直接经济损失数亿元，伤亡矿工数千人，给国家造成不良的国际影响2006年1月1日至8月21日，发生特大事故33起，死亡951人，比去年同期上升43.5和134.2。事故涉及17个省（区、市），其中山西6起，贵州4起，河南、重庆各3起。特别是今年2月14日，辽宁阜新孙家湾煤矿瓦斯爆炸，死亡214人，是建国以来的第二大矿难。1.2 矿井通风瓦斯事故在矿井安全事故中的比重瓦斯危害在煤矿安全中的比重：瓦斯爆炸的危害是极其严重的，不仅毁坏井巷和设备，更会危害矿工的生命安全。1942年日本帝国主义统治时期本溪煤矿发生的一次瓦斯煤尘爆炸，共夺走1549人的生命建国以来，全国煤矿共发生19起一次
10、死亡百人以上的矿难，死亡3162人。其中，15起是瓦斯爆炸事故，死亡2140人，事故起数和死亡人数分别占79和68。2002年至2005年8月21日，全国煤矿发生29起特别重大事故，死亡1743人。其中，瓦斯爆炸事故24起，死亡1578人，事故起数和死亡人数分别占83和91。瓦斯爆炸已经成为我国煤矿安全的“第一杀手”。 2004年11月28日陕西省铜川矿务局陈家山煤矿瓦斯爆炸，166名矿工遇难2005年2月14日辽宁省阜新矿务局孙家湾煤矿瓦斯爆炸，214名矿工遇难2005年12月7日 唐山市开平区刘官屯煤矿爆炸，87名矿工遇难2005年11月27日 黑龙江七台河东风煤矿爆炸事故，170名矿工遇
11、难2007年10月12日，河南省郑煤集团公司大平煤矿发生一起煤与瓦斯突出引发特别重大瓦斯爆炸事故，造成148人死亡。1.3瓦斯爆炸的危害性：1.3.1 瓦斯爆炸后产生剧毒气体一氧化碳。井下发生瓦斯爆炸以后，将会产生大量的一氧化碳、空气中的一氧化碳浓度，按体积计算达到0.4时人在短时间内就会中毒死亡。一氧化碳中毒是瓦斯爆炸造成人员伤亡的主要原因。1.3.2 瓦斯爆炸后产生高温。瓦斯浓度为9.5时，瓦斯爆炸的瞬间温度可达18502650摄氏度。这样高的温度对井下人员和设备构很大的危害还可能伴生火灾。1.3.3 瓦斯爆炸以后产生高压气体。瓦斯爆炸以后，巷道中空气压力约为爆炸前的7倍左右。高压空气以每
12、秒几百米的冲击波浪向四周扩张，不仅摧毁巷道支架和设备，同时也是造成人员伤亡的重要原因之一；还可扬起煤尘，引发煤尘爆炸。1.3.4 瓦斯爆炸后，在爆炸地点由于空气稀薄，温度急剧下降，水蒸气凝结成水，在爆源附近会迅速形成低压区，因而爆炸波又会反向冲击，这对巷道的破坏性更丈。当低压区迅速积聚瓦斯，或反向冲击的空气中带来的瓦斯足够多，又有充足的氧气和引爆火源时，就可形成二次爆炸。防止井下瓦斯聚集，首先应加强矿井通风，按实际需要分配风量并及时调节风量，利用新鲜空气来稀释并排出瓦斯。为此，应做好以下几方面工作。采用机械通风。为保证井下有足够的风量，每个矿井都必须采用机械通风，主要通风机一套运转、一套备用。
13、对于瓦斯矿井、应采用抽出式通风加强掘进巷道通风、掘进巷道要利用总风压通风或采用局部道风机通风。局部通风机要设置在进风口的新鲜风流处，禁止产生循环风。1.4 局部通风机的发展状况1.4.1 国内外局扇发展情况英国、日本、德国等国家煤矿用局部通风机技术水平较为先进。日本是世界上研制和生产对旋风机最早的国家之一，日本三井三池制作所1965年开始生产对旋式风机，1971年开始研制无声对旋式风机，轴流式风机降噪方面领先于其它厂家。进入80年代，基于改善作业环境，着手无声对旋式风机的改型更新工作，并取得了一定效果。其生产的对旋式风机共有9种型号，叶轮直径为400-1 250 mm，噪声77-91 dB (
14、A)，电机功率2 X5.5-2 X110 kW。德国Korfman公司生产AL,ESN ,ES ,ES-T系列轴流式通风机，GAL和d GAL系列对旋式高压轴流通风机、DV系列压风驱动的轴流式通风机。特点是:对旋式局部通风机的特性曲线较陡，压力较高，易满足掘进定量送风要求;采用转速1 500 r/ min和3 000r/ min两速电机，在掘进巷道的初期可调节风量;风机带有二通或三通输出接管，一台风机可向两个或三个工作面同时供风。煤矿用局部通风机，大致可分为JBT,YBT系列单级轴流式、斜流式和对旋式3种。(1)JBT,YBT系列单级轴流式局部通风机JBT,YBT系列单级轴流式局部通风机配套的
15、电动机功率有2.2(2.0) ,4.0,5.5,7.5,11,14(15)、28 (30)、 37,45 kW等规格。它是我国五、六十年代引进的原苏联产品，结构紧凑，体积小，搬运方便，耐用、价格低廉。但噪声大，全压效率低，风压偏低。因其在我国使用年代较长，部分煤矿用户，以价廉作为选购的首要条件，目前仍有一部分市场和用户。其全压效率约60%-73%左右，噪声103-111 dB(A)，有的甚至达127 dB (A)。风机效率低，造成了能源的严重浪费。噪声主要集中在中、高频范围，刺耳的尖叫声，严重影响了工人的正常作业和身心健康。另外，掩盖了一定距离内行车声、机械运转声和信号电铃声，易引起伤亡事故。
16、(2) 斜流式(也称混流式)局限性部通风机斜流式(也称混流式)局部通风机是90年代出现和发展起来的新型风机结构。兼有离心风机的高压力系数，工作范围广，轴流风机的大流量系数，效率较高。具有空气轴向流动、高效运行区域宽、噪声小等优点。它多采用扭曲板型曲面，在满足设计条件下，叶顶到叶根压力相等，避免了涡流。叶片属于不可展的扭曲板型曲面，曲面形状直接影响风机的特性和功能。但风压偏低，性能曲线缓，适应性较差。尽管名义全压高，但在井下用起来却感觉到风压不高，在效率指标上形同虚设。(3)对旋式局部通风机对旋式局部通风机，是80年代末、90年代初研制并迅速发展、推广的一种局部通风机. 叶型有等厚板式扭曲、机翼
17、型扭曲、弯掠组合正交型等型式;工作方式有压入式、抽出式和压抽式等;叶片材料有钢叶片、铜叶片、铝合金铸造叶片和塑料叶片等。对旋式局部通风机设计新颖、结构合理、风压高、效率高、噪声低、风机性能曲线陡、高效运行范围宽、反风性能好、送风距离长、在小流量区域运行稳定。它可根据掘进工作面不同通风要求，选用单级单车和双级对旋运行，使用方便。1.5 交流变频调速的发展现状变频调速器最典型的应用是以节能为目的，各种机械为了节能使用变频器控制速度，80年代以来发展迅速，应用领域日趋扩大，特别是以风机、泵和压缩机类机械为中心发展势头日新月异，在美、日和西欧工业发达国家。交流变频技术已形成新兴产业据日本统计1975年
18、销售交流和直流调速系统为1：3，到1985年变为3：1，美国到80年代初，交流调速与直流相比已达又5：1，在交、直流调速系统的速度变化中，变频技术的发展起了重要作用，交流变频调速在现代传动系统中有日趋取代直流的重要位置，我国在交流变频调速理论和各种控制方法研究方面，有一定基础和发展，但只限于高等院校、科研单位和少量大公司开发部门，在组织生产、实用技术、维护能力和产业形成方面，显得落后，发展缓慢，对国外近年发展的GTO、GTR、IGBT、MCT等关键电力电子器件以及现代理论和计算机相结合产生的交流变频控制设备正处于引进、应用、消化吸收的阶段。我国煤矿应用现代交流变频调速设备过去只限于地面，用量不
19、大，1994年以前，煤矿井下实用变频器还未涉足， 90以上使用的交流鼠笼型电动机，给变频器的使用提供了广阔的领地，阳泉矿务局、北京京桂科技开发中心和中国华兴（北京）电子技术产业发展公司，于1995年为煤矿研制T 660V隔爆型交流变频调速器与同时研制的 KJHZ型局部通风安全节能监控装置配套使用，它已通过国家级煤矿防爆安全产品质量监督检验中心检验，性能指标全部合格，在井下做工业试验运行可靠，这是我国煤炭行业第一次以安全和节能为目的，在井下实际应用全控型电力电子器件的变频调速设备，从此变频调速打破了井下恶劣环境的困扰冲进了“煤矿禁区”，开辟了煤矿井下使用交流变频调速装置的新领域，填补了我国煤矿的
20、空白。1.6 模糊控制概述模糊控制就是建立在人类思维的模糊性的基础上，它与传统控制有着本质的区别。它不像经典控制那样需要用精确数字所描述的传递函数，也不像现代控制理论那样需要用矩阵表示的状态方程。模糊控制的核心是它用具有模糊性的语言条件语句作为控制规则去执行控制。这里的控制规则往往是由对被控对象十分熟悉的专业人员给出的，所以模糊控制从本质上来说是一种专家控制。这种控制规则充分反映了人的智能活动。1974年，英国学者E.H.Mamdani把模糊控制器用于蒸气机的控制，从而开创了模糊控制的历史。经过二十多年的发展，模糊控制的研究大致经历了两个阶段，即简单模糊控制阶段和自我完善模糊控制阶段。前者的模
21、糊控制器主要采用CRI推理法，在推理中采用Mamdani提出的蕴含关系公式，对控制器的算法都采用脱机处理的方法，在微型计算机系统上把控制器上的推理过称作成控制表，在实际中则用控制表去控制。这个阶段的模糊控制器的结构比较死板，自适应能力和鲁棒性都有限，控制精度也不高。现在的模糊控制器已发展到自我完善阶段，己经出现了具有参数自调整、自组织、自学习等功能的模糊控制器。模糊控制在实践应用中与传统控制相比有以下几个引人注目的特点：(1)无需事先知道被控对象的精确数学模型，所以，它可以对那些数学模型难以求取或无法求取的对象进行有效控制。(2)由于控制是以人的经验总结出来的条件语句表示的，所以对一个不熟悉模
22、糊控制理论的人来说，学习和掌握模糊控制的方法也是很容易的。(3)由于表示控制知识是以人的语言形式，故有利于人机对话和系统的知识处理，从而有系统处理的灵活性和机动性。一个典型的模糊控制系统的结构如图l-1所示。它由给定输入、模糊控制器。对象、反馈信号以及比较环节组成。而一个模糊控制器通常由三部分组成，即模糊化部分、模糊推理部分及反模糊化部分或清晰化部分，如图l2所示。各部分的功能大致为：模糊化部分把系统的偏差从数字量转化为模糊量：模糊推理部分对模糊量按照一定的规则进行推理；反模糊化部分把推理出来的结果转化为可用于实际控制的数字量。模糊控制器对象给定R图1-1 模糊控制系统反模糊化模糊推理模糊化图
23、1-2 模糊控制器1.7 PLC可编程控制器的现状和发展1.7.1可编程控制器的产生近年来，随着大规模集成电路的发展，使得以微处理机为核心组成的可编程控制器得到了迅速发展，并广泛应用与各种领域中，以满足现代化大生产中的高效、大量的自动化要求。如电动机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数、温度、压力、流量的设定与控制等。可编程控制器是20世纪60年代末首先在美国出现，最初称为可编程逻辑控制器，简称PLC，目的是用来取代继电器控制盘，具有逻辑判断、定时、计数等顺序功能。当时，大规模生产线的控制电路大多是由继电控制盘构成的，这种控制装置可靠性低、体积大、耗电多，改变生产程序则更为困难。为了改变这种状况，
24、提高生产效益，1968年，美国通用汽车公司对外公开招标，想用新的控制装置取代继电控制盘。该公司对新型控制器提出了如下要求：编程简便，可在现场修改程序。维修方便，采用插件式结构。可靠性高于继电控制盘。体积小于继电控制盘。数据可以直接送入计算机。成本可与继电控制盘相竞争。输入可为市电。输出可为市电，要求再2A以上，可直接驱动电磁阀、接触器等。扩展时原系统变更最少。可以存储程序，存储容量大于4K。由以上的要求可以看出PLC的优点。1.7.2 PLC现状及发展趋势长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。(1)国外可编程控制器现状目前，全世
25、界约有PLC生产厂家约200家，生产300多个品种。世界PLC领导厂家的五霸分别为西门子公司、A-B公司、施耐德公司、三菱公司、欧姆龙公司，他们的销售额约占全球总销售额的三分之二19。从西门子公司的SIMATIC S7-400的性能可对PLC窥见一斑:SIMATIC S7-400是匣式封装模块，可卡在导轨上安装，由I/0总线和通信总线建立电气连接，模块可在工作或加电时替换或插、拔，可快速安装维护，修改方便，其主要性能有:. CPU存储器容量64K字节，可扩展到1.6M字节。. 位和字处理速度80ns至200ns. 最高系统计算能力可以有4个CPU同时计算。. 强大的扩展能力S7-400中央控制
26、器最多能连接21个扩展单元。. 每个CPU上多点接口(MPI )能力，可同时连接编程装置、操作员接口系统等. CPU上的SINEC-L2-DP附加有分散u0的集成性能。. 提供与计算机和其它Siemens产品或系统的连接接口。. 高可靠性，完善的自诊断和清除故障功能。(2) 国内可编程控制器现状我国的PLC生产目前也有一定的发展，小型PLC己批量生产;中型PLC已有产品;大型PLC已经开始研制。有的产品不仅供应国内市场，而且还有出口。但是国内产品市场占有率不超过10%。另一方面，国产PLC许多仍停留在全套引进或以仿制为主的阶段上。当然，国内产品在价格上占有明显的优势。对于国内PLC的认识，可以
27、从江苏嘉华实业有限公司生产的dH 120系列产品窥见一斑，其主要性能有:输入输出从20点到120点任意配置内置32个定时器、31个计数器、几百个中间继电器和数据寄存器，可方便地完成逻辑控制、定时、计数控制、高速计数、数据处理、模拟量控制等功能。编程简便，108条指令功能齐全DIN标准卡槽安装，可拆端子排接线高可靠性，强抗干扰用于各种工业环境总体来说，国产PLC的发展有一定的基础。但从产品结构上看，我国自主研制及引进技术生产的PLC大都属于中低档产品，至今没有形成主流产品和完整的系列产品。1.7.3可编程控制器的发展方向(1)PC机产品向小型化方向发展在80年代初期，超小型与小型机相继问世，并迅
28、速发展。如日本三菱公司的FX0、FX2系列PC机，FX0型PC机的I/O点数为14点，体积最小的是100mm80mm47mm，而它却具有高速计数、中断、脉冲调制等功能，同时，它还可以实现模拟器定时器功能并且具有SFC指令，FX2系列PC机除了具有开关量I/O外，还具有模拟量输入、输出以及多种智能模块，并具有连网通信能力，扩大了小型PC机的应用范围。(2)向高速度、大容量和智能化方向发展由于采用了微处理器或大规模集成芯片，PLC的速度大大提高。如三菱公司的A3A系列高档PLC就采用了MSP芯片，指令速度可达0.15us/步。PLC的内存容量在不断扩大，有些PLC已采用硬盘作为外部存储器。智能模块
29、与PLC的CPU并行工作，提高了PLC的速度和效率。各种智能模块在不断推出，如高速计数模块、PID回路控制、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些智能模块使过程控制功能大为加强。 (3)PLC编程工具与编程语言的多样化、高级化、标准化PLC的编程语言目前朝着三个方向发展：一是向多种编程语言发展；二是向高级语言发展，如BASIC、C、FORTRAN语言等；三是朝着PC机编程语言的标准化方向发展。 (4)向网络方向发展加强PLC的联网能力成为PLC的主要发展趋势。PLC的联网包括PLC之间，PLC与计算机之间。PLC的生产厂家都在使自己的产品与制造自动化通信协议标准兼容，从而不同
30、的PLC之间可以相互通信。PLC与计算机之间的联网能进一步实现计算机辅助制造和辅助设计。(5)发展容错技术和故障诊断为了满足某些系统极高可靠性和安全性的要求，一些PLC增加了容错功能，如双机热备用、自动切换I/O、双机表决I/O、三重表决。为了及时诊断故障，有的公司研制了智能、可编程I/O系统或故障诊断程序，供用户了解I/O组态的状态和监测系统的故障。近年研制推出了公共回路远距离诊断和网络诊断技术。第二章 变频调速2.1变频调速的原理根据电机学和电力拖动基础中提供的结论，异步电动机转速n的表达式为： （2.1）旋转磁场的转速即同步转速电源频率电机极对数转差率上式表明，交流电动机的调速方式实际上
31、有两大类：一类是在同步转速恒定的情况下调节转差率：另一类是调节同步转速。调节转差率调速的实质是将输入功率的一部分转化为转差功率以削轴上输出功率的大小，迫使电动机运行速度下降。异步机的调压调速、转子串电阻调速、滑差离合器调速、斩波调速等等均属于改变转差率方式，这类调速方式的主要缺点是：采用这种方式时，必有一部分输入功率转化为转差功率进入转子电路，这部分功率只能以铜耗的形式消耗在转于电阻中。由于转差功率与转差率成正比，转速越低，损耗越大，不仅降低了运行效率，电动机本身的发热也十分严重。串级调速把转差功率加以回收利用而没有白白损耗掉，使系统的实际损耗减小，避免了这一点，但它必须以增加一套功率变换设备
32、作为代价。一般来说，改变转差率的调速方式是一种耗能的办法，从节能的观点，这种调速方式是不经济的。但由于这种方法简单，设备价格比较便宜，它还是广泛应用于一些调速范围不大，低速运行时间长电机容量较小的场合中。调节同步转速的方式又有两种，一种是改变磁极的对数，即变极调速，一种是改变定子供电电源频率，即变频调速。变极调速方式比较简单，设备投资比较少，但它必须选用特殊制造的多速电动机。由于电动机结构和制造工艺的限制，通常只能实现23种极对数的切换，调速是有级的，且转速变化的级差很大，调速范围也受到限制。变频调速是一种典型的交流电动机高速调速方法，它既适用于异步电动机，也适用于同步电动机。交流电动机采用变
33、频调速不但能无级调速，而且能根据负载的不同，通过适当调节电压与频率之间的关系，可使电机始终运行在高效率区，并保证良好的动态性能。 在各种异步电动机调速系统中，效率最高、性能最好的系统是变压变频调速系统。在变压变频调速系统中，在改变电动机的转速时，须同时调节定子电源的电压和频率，在这种情况下，机械特性基本上平行移动，而转差功率不变，它是当前交流调速的主要发展方向。长期以来，变压变频调速虽然以其优良的性能受到瞩目，但因为主要靠旋转发电机组作为电源，缺乏理想的变频装置而未得到广泛的应用。直到电力电子开关器件问世以后，各种静止式变压变频装置得到迅速的发展，而价格逐渐降低，才使变压变频调速系统的应用与日
34、俱增。 风机、泵类负载耗能与转速立方成比例，因此现在该类负载多数采用变频调速的异步电动机拖动，取得了明显的节能效果。2.2变压变频装置从结构上看，变压变频装置可分为间接变压变频和直接变压变频两类。从变频电源的性质上看，又可分为电压源型变频器和电流源型变频器两大类。间接变频装置先将电网的交流电源通过整流器整流成直流，然后经过逆变器将直流变为可控频率的交流。直接变频装置将电网交流电源一次变换成可控频率的交流。2.2.1交直交变频器（l）用可控整流器调压、用逆变器调频的变频装置，此类变频器结构简单，控制方便。这种控制方式中，调压和调频分别在两个环节上进行，两者需要在控制电路上协调配合，由于输入环节采
35、用可控整流器，当电压和频率调得很低时，电网侧功率因数较低，输出环节多用由晶闸管组成的三相六拍逆变器，输出谐波较大：（2）用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的交直交变压变频装置，此类装置整流器不调压，单独设置斩波器，用脉宽调压，调压时输入功率因数不变，但仍有谐波较大的问题.（3）用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器同时调压和调频的交直交变频装置，这种控制方式中，用不可控整流，功率因数高，用PWM逆变，谐波可以减小，谐波减小的程度取决于开关频率，而开关频率受器件开关时间的限制，是当前最有发展前途的一种装置结构。交直交变频装置中的逆变器一般接成三相桥式电路，以输出三相交流变频电源。在一个周
36、期内，控制各个晶闸管轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压，改变晶闸管导通和关断的时间，即可得到不同的输出频率。在某一瞬间，控制一个晶闸管导通，同时迫使另一个晶闸管关断，在两管之间实现换相。在同一桥臂上、下两管之间互相换相的，如图25所示，当VT4导通时关断VT1，而VT1导通时又关断VT4，这时每个晶闸管在一个周期内导通区间是180度，称为180度导通型逆变器。另一种是在同一桥臂左右两管之间进行的，如：VT3导通时，使VT1关断，VT5导通时使VT3关断。这时，每个晶闸管在一个周期内的导通区间为120度，称为120度导通型逆变器。2.2.2交交变压变频装置整流器导通期间它只有一个变换环节
37、，其输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正、反两组按一定周期相互切换，在负载上获得交变的输出电压。输出电压的幅值取决于两组整流装置的的控制角，输出电压的频率取决于两组整流装置的切换频率。如果控制角保持不变，则输出平均电压为方波，要想得到正弦波输出，就必须在每一组断改变其控制角。交交变压变频装置的最高输出频率不超过电网频率的13l2，一般只用于低速、大容量的调速系统。2.2.3电压源型变频器和电流源型变频无论是间接变频装置还是直接变频装置，从变频电源的性质上看，都可分为电压源型变频器和电流源型变频器两大类。（l）电压源变频器在交直交变压变频装置中，中间直流环节采用大电容滤波，
38、直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，电压控制响应慢，适用于为多台电机同步运行时的供电电源，但不要求快速减速的场合。（2）电流源型变频器当交一直交变频器的中间直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，电源内阻抗很大，输出交流电流是矩形波或阶梯波，由于滤波电感的作用，系统对负载变化的反应迟缓，不适用于多电机传动，更适合于一台变频器给一台电机供电的单电机传动，但可以满足快速制动和可逆运行的要求。若系统若采用可控整流器，存在以下不足：l）调频由逆变器完成，调压由可控整流器实现，二者之间需要协调配合，而且由于中间直流电路采用大惯性环节滤波，电压调
39、节速度缓慢。2）使用可控整流器，对电网。产生谐波污染，网侧功率因数降低，电压和频率调得低，功率因数也越低。3）输出波形为矩形波或阶梯波，含有一系列的（6K士1）次谐彼，PWM变频器较好地解决上述问题。当采用PWM方法控制逆变器功率开关元件的通、断时，即可获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲，改变矩形脉冲的宽度可改变输出电压幅值，改变调制周期可以改变输出频率。这样，调压和调频在逆变器内部完成，二者始终配合一致，而且与中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能；由于输出等幅脉冲，只需恒定直流电源供电，可用不可控整流取代可控整流，这使电网侧的功率因数大为改善：采用PWM逆变器，能够抑制或消除低次
40、谐波，加上使用自关断器件，开关频率的大幅度提高，输出被形可以非常逼近正弦波，可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，减小了电机的谐波损耗并且减轻了转矩脉动，太大扩展了传动系统的调速范围，提高了系统的性能。2.3正弦波脉宽调制（SPWM）变频器 SPWM变频器是一个交直交变压变频装置，整流器UR是不可控的，它的输出经电容滤波（可附加小电感限流）后形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器UI上，逆变器的功率开关采用全控式器件，按一定规律控制其导通或关断，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。SPWM调制原理:脉宽调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压和电流信号，输出
41、的矩形波脉冲与正弦波等效。等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦波曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉仲来代替，矩形脉冲的幅值不变，备脉冲的中点与正弦波每一等分点的中点相重合，这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。以前多用模拟电路元件实现SPWM的控制，这种方法的缺点是所需硬件较多，而且不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。现在大多采用的是数字电路的SPWM逆变器，采用以软件为基础的控制模式。随着高速度、高精度多功能微处理器、微控制器和SPWM专用芯片的发展，采用微机控制的数字化SPWM技术己占当今PWM逆变器的
42、主导地位。SPWM调制法原理是利用三角波与正弦波参考电压相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。当改变参考信号的幅值时，输出脉宽随之改变，从而可以改变输出基波电压的大小。当改变参考信号的频率时，可以改变输出基波电压的频率。如果控制 ，使其频率、幅值协调变化，则可以完成变频器的控制或者改变载频三角波的频率，并保持每周期输出的脉冲数不变时，就可以改变基波电压的频率。这种调制方式的特点是半个周期内脉冲中心线等距，脉冲等幅、调宽，各脉冲面积之和与正弦波下的面积成比例，因此调制波形更接近于正弦波，谐波分量大大减小。在实际应用中，对于三相逆变器，是由一个三相正弦波发生器产生三相参考信号，与一个公用的三角波载波
43、信号相比较，而产生三相脉冲调制波。从调制脉冲的极性看，SPWM可分为单极性和双极性控制模式两种，所谓单极性是指在输出的半个周波内同一相的两个导电臂仅一个反复通断，而另一个始终截止。而双极性调制在输出的半个周波内同一相的两个导电臂互补交替通断。本系统采用双极性控制模式，调制模式如图2.1。图2-1双极性SPWM模式调制原理SPWM逆变器的性能与两个重要参数有关，它们是调制比m和载波比K，其分别为： (2.2) (2.3)式中、参考信号的幅值、频率（角频率周期）式中、载波信号的幅值、频率（角频率周期）在SPWM控制方式中， 的值保持不变，m值的改变由改变 来实现。根据载彼比K的变化与否，分为同步调
44、制和异步调制。在变频调速时，三角载波与正弦调制波的频率同步改变，即保持K值不变的为同步调制。同步调制输出电压半彼内的矩形脉冲数是固定不变的，如果取K为3的倍数，同步调制能保证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差120度的对称关系。但是，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电机产生脉动转矩和较强的噪声。在改变的同时，的值保持不变，使K值不断变化的为异步调制。异步调制的优点是逆变器在低频运行时K值加大，相应地减少谐波含量，以减轻电动机的谐波损耗和转矩脉动。但是，异步调制可能使K值出现非整数，相位可能漂移，且正、负半波不对称，偶次谐波就
45、会变得突出起来。将同步调制与异步调制结合进来，成为分段同步调制，这克服了同步调制和异步调制的不足，在整个变频范围内划分成若干个频段，在每个频段内都维持载波比K恒定，对不同的频段采取不同的K值，频率越低，K值可取大些。但是随着器件开关频率的提高，使得K值足够太，偶次谐波问题就不会很明显。第三章 PLC可编程技术3.1 PLC的产生与发展1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，己经成功地应用于
46、食品，饮料，冶金，造纸等工业。虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分四代。第一代在1969-1972年。这个时期的产品，CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。其功能也比较单一，仅能实现逻辑运算、定时、计数等功能，其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今，成为可编程控制器的第一用户语言。第二代在1973-1975年。这个时期的产品已开始使用微处理器作为CPU， IPLC(可变成逻辑控制器)成为真正意义上的PC(可编程控制器)(尚未正式命名)，而存储器采用半导体存储器。其功能
47、上有所增加，能够实现数字运算、传送、比较等功能，并初步具备自诊断功能，可靠性有了一定提高。第三代在19761983年。这个时期，PLC进入了大发展阶段，美国、日本、原西德各有几十个厂家生产PLC。这个时期的产品己采用8位和16位微处理器作为CPU,部分产品还采用了多微处理器结构。其功能显著增强，速度大大提高，并能进行多种复杂的数学运算，具备完善的通讯功能和较强的远程1/0能力，具有较强的自诊断功能并采用了容错技术。第四代为1983年到现在。这个时期的产品除采用16位以上的微处理器作为CPU外，内存容量更大，有的已达数兆字节;可以将多台PLC链接起来，实现资源共享;可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统;编程语言除了可使用传统的梯形图、流程图等，还可使用高级语言;外设多样化，可以配置CRT和打印机等。第一代PLC功能太弱，已基本淘汰;第四代PLC面向复杂大型系统，应用还不广泛。目前，在各行业应用最多的是第二、三代产品。另外，在PLC 的发展过程中，产生了三类按1/0点分类的PLC11:小型、中型、大型。一般小于256点为小型小于64为
