基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制的毕业论文.doc

平顶山学院2010届本科生毕业论文 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 何国满 基于PLC的三相反并联整流桥的逻辑控制 摘 要 以电磁感应原理为基础原理为基础，采用螺线管型纵向电磁搅拌方式。纵向交变磁场在连铸坯的钢水中产生出横向环流，从而产生指向连铸坯轴心的洛伦兹力形成上下行环流，起到了增加等轴晶和抑制连轴坯中间组织疏松和缩孔的良好作用，大部分夹渣在上行环流时已被去除。硬件电路的部分功能采用可编程序逻辑控制器控制，以提高系统的自动化程度和使用的灵活性，降低故障发生的几率。关键词： 电磁搅拌， 交交变频， 拉逆变， PLC 3 Based on PLC-parallel rectifier bridge opposite logic control Abstract Based on the principle of electromagnetic induction based on the principle, using a solenoid-type vertical electromagnetic stirring method. Longitudinal alternating magnetic field in the molten steel billet to produce transverse circulation, resulting in the Lorentz force pointing to the formation of continuous casting billet axis from top to bottom-line circulation, played to increase the equiaxed grains and suppress even the axis billet porosity and shrink the middle of the organization hole well and most of the slag in the uplink when the circulation has been removed. Some functions of the hardware circuits using programmable logic controller to improve system automation and flexibility of use and reduce the likelihood of failure.key words: EMS, Cycloconverter, Pull inverter, PLC32目录1设计引言11.1设计研究的背景、现状及意义11.1.1设计研究的背景11.1.2设计研究的现状和意义11.2设计研究思路22 PLC与现代电力电子技术简介32.1 PLC概述32.1.1认识PLC32.1.2 PLC的特点及其分类42.1.3 PLC的性能、应用领域及其发展趋势52.2 PLC的组成与工作原理72.2.1 PLC的组成72.2.2 PLC的工作原理72.3 电力电子器件的发展与分类82.3.1 电力电子器件的发展过程82.3.2电力电子器件的分类93 与设计相关的机电技术说明93.1 三菱系列可编程序逻辑控制器工作过程简述93.2 三菱FR-A540系列变频器使用说明114纵向电磁搅拌装置主电路及控制电路设计154.1设备外形图154.2设备控制电路设计154.3设备控制电路原理图设计174.4三相全桥整流反并联导通设计205系统软件程序设计215.1 PLC梯形图概述215.2程序运行界面图215.3 梯形图设计245.4运行情况说明276设计总结28参考文献29致 谢30 1设计引言1.1设计研究的背景、现状及意义1.1.1设计研究的背景本设计的主要内容涉及钢铁生产企业中对连铸坯内部钢水进行纵向电磁搅拌装置的研究。目前，国际上因质量要求，积极开展了对连铸坯电磁搅拌技术的研究，这种技术已成为连铸技术研究的热门话题之一。据相关机构不完全统计，我国现有连铸设备1260流，其中，安装了电磁搅拌设备的仅占8%，而在运行的电磁搅拌设备才只占45%左右。造成这种局面的原因有两方面：一是大多数电磁搅拌设备为国外进口，其价格昂贵，每流约2030万美元；二是绝大多数电磁搅拌设备为水平旋转磁场式，改善连铸钢坯质量的效果不甚明显。具体表现在：一：当对钢水进行旋转式电磁搅拌时，水平旋转的钢水虽然可以搅乱横向的柱状晶的形成，但并不有利于纵向的等轴晶的生长；二：钢水横向旋转，产生离心力，加剧了钢坯中间的疏松和缩孔；三：钢水横向旋转并不有利于夹渣的上浮；四：产生旋转磁场的定子线圈的六个绕组的体积过大，发热严重，必须浸泡在软化水中，导致线圈寿命短（一般在一年左右）。加之水软化设备昂贵，更增加了连铸设备的成本；五：无论是在旋转磁场式电磁搅拌装置还是行波式纵向电磁搅拌装置中，都需要三相乃更多相超低频交流逆变电源。这类电源的造价高昂（约几十万元人民币至几百万元人民币），而且设备复杂，故障率高，更不易维修。正是由于以上原因限制了电磁搅拌设备在我国的应用。 本设计研究的目的是解决现有设备成本高、体积大、线圈寿命短、和连铸坯质量不可靠的问题，提供一种对连铸坯内部钢水进行环抱挤压的纵向电磁搅拌装置。1.1.2设计研究的现状和意义本设计研究的是对连铸坯内部钢水进行环抱挤压的纵向电磁搅拌装置，主要由感应线圈和交流电源两部分构成，感应线圈由作为导线的金属导电管缠绕在结晶器上形成螺线管感应器，金属导电管内通入冷却液，并接在交流电源上。金属导电管为铜管，冷却液为水。 本设计的优点和积极效果： 本设计的第一个特点是螺线管型纵向电磁搅拌方式，该方式的搅拌感应线圈采用空心铜管制作，铜管内通水冷却，并以螺线管的形式缠绕在结晶器上。当交变电流通过线圈时，线圈所包围的空间内产生纵向交变磁场，磁场方向与结晶器的轴向一致。根据电磁感应原理，纵向交变磁场在连铸坯的钢水中感生出横向环流。输入的交变电流的频率越低（050Hz），其趋肤效应越弱，也就会有更多的感生电流渗入到钢水之中。由电磁感应定律可知，环行横向流动的感生电流与纵向交变磁场相互作用会产生指向连铸坯轴心的洛伦兹力。钢水在该力的环抱挤压下流向表面，到达钢水上表面后，再向下回流，从而形成上下行纵向环流。上下行环流都具有增加等轴晶和减少连铸坯中间组织疏松和缩孔的良好作用。由于连铸坯内钢水必先经过上行环流后才进入下行环流，钢水经过上行环流作用，大部分夹渣已被去除。 本设计之纵向搅拌方式较之传统旋转磁场式搅拌有如下五个显著优点：一：纵向流动的钢水更有利于扩大等轴晶带，增加钢坯强度；二：钢水受到向心洛伦兹力的环抱挤压，可明显减小连铸坯中间的疏松和缩孔；三：上行环流钢水中的夹渣在上行钢水的裹挟下上浮，到达结晶器的上表面。由于夹渣比钢水轻，所以，当钢水向下回流时，因浮力作用，使更多的夹渣摆脱了钢水的裹挟而浮在结晶器的上表面，促进了夹渣的去除；四：螺线管感应器的感应线圈只有一个，其体积远比具有六个线圈的旋转磁场式搅拌感应器小很多。这样一来，感应线圈就可采用通水冷却的空心铜管绕制，而不必将感应器线圈浸泡在软化水中，大大延长了感应线圈的寿命，同时也省去了价格昂贵的水软化装置；五：结构简单，成本低，维修容易。所以说，本设计的研究成果应用前景十分广泛。 本设计的第二个特点是提供了一种新型的超低频电源，该电源由整流振荡电路和主控电路构成，结构简单、造价低廉、工作可靠。与传统的三相或更多相的交流供电方式不同，本设计只有一个单相交流电源。为使电源尽可能简单可靠，我们摈弃了传统逆变器及调谐振荡电路，而是采用了由两组反并联的可控桥构成的整流振荡电路。在主控电路指令控制下，其正可控桥向搅拌感应线圈输送正向电流，而反可控桥向搅拌感应线圈输送反向电流。这两组可控桥交替工作，产生交变电流输出，其频率在050Hz范围内逐步可调。 这种独特的交流供电方式与连铸坯电磁搅拌所需要的超低频率密切相关。根据可控桥的工作原理，这两台正反并联可控桥的交替转换频率，即超低频电源的输出频率必须小于每一台可控桥所输入的市电频率（即小于50Hz）；另一方面，为使感生电流克服趋肤效应而渗入到钢水内部，超低频电源的频率必须很低，一般应在050 Hz，甚而在010 Hz范围调整。这一点正好与正反并联可控桥的输出频率特性相吻合。 总之，与传统的旋转磁场式电磁搅拌方式相比，本发明的纵向搅拌方式不仅提高了钢坯质量，而且相应设备造价仅为同类设备的四分之一至十分之一，所以应用前景十分广阔。1.2设计研究思路本设计共分六个章节，从引言到原理，从技术说明再到软硬件的具体设计，再到最后的软件仿真，设计结构的安排恰当合理，主要由以下三部分组成。 本设计的第一部分由前两章构成，对设计的相关内容作了基础性介绍。第一章主要介绍设计背景与设计思路，设计背景主要介绍设计课题的由来，设计思路则是对所有内容做一简单的条理性描述，对后续设计的规范进行具有重要的指导意义：第二章主要介绍本设计所涉及的技术领域的背景知识，主要内容有两部分组成，即可编程序逻辑控制器的相关叙述和现代电力电子技术的相关叙述，这是本设计的基础性内容，起重要的导引作用。 本设计的第二部分由第三、四章组成，第三章主要介绍与设计相关的技术知识，这是对设计过程中所涉及的主要知识点的工作原理进行描述，包括交交变频的工作原理和工作过程、三相反并联的工作原理和工作过程、三菱FX系列PLC的工作原理和工作过程。这一部分对即将进行的硬件电路设计所涉及的关键性问题进行了详细说明：第四章是对研究课题的主电路和控制电路进行设计，并对每一部分的工作过程进行简要且详尽的表述。第五章则是在上一章硬件电路设计的基础之上利用三菱FX系列PLC的编程软件编制系统相关功能所需要的程序，以简化硬件电路设计的复杂程度，是系统整体功能的实现更加方便快捷。 本设计的第三部分由第六章组成，主要涉及设计的相关知识。设计结果可行与否，完全在于系统能否正常运转如果设计结果不能应用于实际生产，设计成果便没有任何实际价值，这一部分的主要作用查找设计过程中的不足之处并加以改正，使本设计成果顺利应用于实际当中，体现设计成果的实际价值。 2 PLC与现代电力电子技术简介2.1 PLC概述2.1.1认识PLC随着微处理器、计算机和数字通信技术的发展，计算机控制已经应用在所有的领域。现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一需要，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。可编程序控制器(Programmable Logical controller)正是顺应这一要求出现的，它是一微处理器为基础的通用工业控制装置。是现代工业自动化控制的首选产品，发展极为迅速，应用面极为广泛，与机器人、CAD/CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。如果说初期发展起来的PLC主要是以它的高可靠性、灵活性和小型化来代替传统的继电-接触控制，那么当今的PLC则吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果，得到了更新的发展，从单机生产自动化到整条生产线的自动化，乃至整个工厂的生产自动化从柔性制造系统工业机器人到大型分散控制系统PLC均承担之主要角色。 1987 年国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对 PLC 作了如下的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。 PLC发展至今大体经历了 3个主要阶段： (1) 从 20 世纪 60 年代 PLC 产生到 70 年代，占支配地位的 PLC 技术是处在序列发生器状态机(sequencer state machines)和基于 CPU 的位片(bit-slice)技术之间。AMD 2902和2903 在施奈德公司的 Modicon 和 Rockwel(公司的)A-B PLC 中非常流行。传统的微处理器主要用于小型的 PLC， 但缺乏快速处理的能力。 PLC 的主要功能基本局限在逻辑控制阶段,各个生产公司都是以单机为主发展硬件技术，为各类继电器接触器控制系统设计开发各种基本型号和具有基本逻辑控制功能的 PLC。 (2) 1973 年，PLC 具有了通信能力，PLC 之间可以进行相互对话，使得它们可以远离工业控制现场。PLC 之间也可以发送和接收各种电平，从而进入模拟控制的世界。但由于缺乏统一的标准，使得协议和物理网络均无法兼容，在某种程度上影响了 PLC 的通信联网能力。到了 80 年代末期，随着工业电器自动化程度的不断提高，在开发研制 PLC 单机功能的同时，还着重加强了软件技术的开发，提高 PLC 的联网和通信功能，并且许多公司还加强了特殊功能模块的研制。(3) 20 世纪 90 年代以来，由于大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，同时为了适应计算机集成制造系统(CIMS)和现代网络技术，PLC 由单 CPU 转向多 CPU，16 位和 32位微处理器被大量应用于PLC中，使其运算速度、通信联网、图像显示和数据处理功能都大大增强。同时随着通信联网技术的发展，新通信协议不断产生。最新的标准(IEC 1131-3)已经尽量将 PLC 编程语言融合为一个国际标准。现在，我们可以同时使用功能模块图(function block diagram)、指令表(instruction list)、梯形图(ladder diagram)和结构化文本(structured text)等对 PLC 进行编程。在现代工业控制系统中，PLC 已经真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理和联网通信等功能的多功能控制器。 2.1.2 PLC的特点及其分类(1) PLC的特点 编程方法简单易学 梯形图是使用最广泛的编程语言，器电路符号和继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观、易学易懂，熟悉继电器电路原理图的电气技术人员只需要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，PLC在执行梯形图程序时，将它翻译成汇编语言后再去执行。 功能强、性价比高一个小型的PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与功能相同的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信系统进行联网，可以进行分散控制和集中管理。 硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强PLC产品已经标准化系统化、模块化，配备有种类齐全的硬件装置供用户使用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统，PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子进行外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以驱动一般的电磁阀和中小型交流接触器。通过修改用户程序可以方便快速地适应工艺条件的变化。 可靠性高、抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器和时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件对其进行替代，仅剩下与输入和输出有关之少量硬件元件。接线可以减少到继电器控制系统的十分之一到百分之一。，大大减少了因触点接触不良造成的故障。 PLC使用了一系列的硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC早已经被大多数用户公认为最为可靠的工业控制设备之一。 系统的设计、安装、调试工作量少 PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，如果有效的掌握了其基本设计方法，设计梯形图的时间要比设计继电器系统电路图的时间少得多。 编制好的程序可以在实验室进行模拟调试，输入信号可以用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管观察输出信号的状态，在现场调试过程中发现的大多数问题可以通过修改程序来解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。 维修工作量小、维修方便 PLC的故障录很低，且有完善的自诊断和显示功能。 PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息，方便地查明故障原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。 体积小、能耗低 控制系统使用PLC以后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此开关柜的体积比原来的小得多，PLC控制系统的配线比继电器控制系统少得多。(2) PLC的分类小型PLC小型PLC 的I/O 点数一般在128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体除了开关量I/O 以外，还可以连接模拟量I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。中型PLC中型PLC 采用模块化结构，其I/O点数一般在2561024 点之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC 通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。大型PLC大型PLC的输入、输出总点数在2048点以上，用户程序储存器容量达到16K以上。大型PLC的性能已经与工业控制计算机相当，它具有计算、控制和调节的能力，还具有强大的网络结构和通信联网能力，有些PLC还具有冗余能力。它的监视系统采用CRT显示，能够表示过程的动态流程，记录各种曲线，PID调节参数等；它配备多种智能板，构成一台多功能系统。这种系统还可以和其他型号的控制器互联，和上位机相联，组成一个集中分散的生产过程和产品质量控制系统。大型机适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400、OMRON公司的CVM1和CS1系列、AB公司的SLC5/05等系列。2.1.3 PLC的性能、应用领域及其发展趋势(1) PLC的性能 PLC的性能用软件和硬件指标来描述。 硬件指标包括环境温度、环境湿度抗震抗冲击抗噪声干扰耐压接地要求和使用温度等。PLC的设计一般都能满足这个要求。软件指标主要用编程语言用户存储器容量和类型I/O总数，指令数软元件的种类和点数，扫描速度以及其他指标进行描述。(2) PLC的应用领域 在发达的工业国家，PLC已经广泛的应用于所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围也不断扩大。 PLC按其不同的控制类型，已成功应用于以下几个方面 开关量逻辑控制PLC用与或非等逻辑指令来实现触点和电路的串并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已经遍及各行各业，甚至深入到家庭当中。 慢连续量的过程控制慢连续量的过程控制是指对温度压力流量和速度等慢连续变化的模拟量的闭环控制，PLC通过模拟量I/O模块，实现A/D和D/A的转换，并通过专用的智能PID模块实现对模拟量的闭环控制，使被控变量保持为设定值。PLC的这一功能已经广泛应用在电力、冶金、轻工、化工、机械等行业。例如：锅炉控制、加热炉控制、磨矿分级过程控制、水处理控制、酿酒控制等。3快连续的运动控制PLC提供了驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块，通过这些模块可以实现直线运动或圆周运动的控制。如今，运动控制已经是PLC不可缺少的功能之一它已经广泛应用于各种机械，机器人、金属成型机械、装配机械等。 数据处理PLC提供了各种数学运算、数据传送、数据转换、数据排序以及位操作等功能，可以实现数据的分析、采集和处理。这些数据可以通过通信系统传送到其它智能设备，也可利用它们与存储器中的参考值进行比较，或利用它们制作各种要求的报表。数据处理功能一般用于造纸、冶金、食品、柔性制造等行业中的一些大型控制系统。 通信联网PLC的通信类型主要有一下四种：PLC之间的通信。PLC之间可以进行一对一通信，也可在多达几十甚至几百台PLC之间通信；既可以在同型号PLC之间进行通信，也可以在不同型号的PLC之间进行通信。例如：可以将三菱FX系列的PLC作为三菱A系列PLC的就地控制站，从而可简单地实现生产过程的分散控制和集中管理。PLC与各种智能控制设备之间的通信，PLC可与条形码读出器、打印机以及其他远程IO智能控制设备之间进行通信，形成一个攻强大的智能控制网络。PLC与上位计算机之间的通信。可用计算机进行编程，或对PLC进行监控和管理。通常情况下，采用多台PLC进行分散控制，有一台上位计算机进行集中管理，这样的系统成为分布式控制系统。PLC与PLC的数据存取单元进行通信。PLC提供了各种型号不一的数据存取单元，通过此数据存取单元可以方便地对设定数据进行修改，对各监控点的数据或图形变化进行监控，还可以对PLC出现的故障进行诊断等。近年来，随着计算机控制技术和网络通信技术的发展，已经兴起了工业自动化（FA）网络系统。PLC的联网、通信等功能正适应了智能化工厂的发展需要，它可以使工业控制从点到线再到面，使设备级的控制、生产线的控制和管理层的控制连成一个整体，从而创造更高的效益。PLC的应用领域越来越广泛，几乎凡是有控制系统存在的地方都需要PLC，随着其性能价格比的不断提高，PLC的应用范围必将不断扩(3) PLC的发展趋势 微型机价格便宜，大力发展微型PLC是市场的主导方向之一。与此同时，大型PLC则朝着高性能、高速度、大容量的方向发展。一些占据较高市场份额的PLC生产商则大力开发智能型I/O模块和分布式I/O系统。随着软件功能的逐渐完善，PC编程软件将逐步取代手持编程器，其编程语言也日趋标准化，其通信模式也必然朝着易用化和“傻瓜化”的方向发展。2.2 PLC的组成与工作原理2.2.1 PLC的组成PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图2.1。PLC内各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。图2.1 PLC的基本组成原理2.2.2 PLC的工作原理(1) 扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。(2) 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(3) 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。(4) 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。2.3 电力电子器件的发展与分类2.3.1 电力电子器件的发展过程上世纪50年代末晶闸管在美国问世，标志着电力电子技术就此诞生。第一代电力电子器件主要是可控硅整流器(SCR)，我国70年代将其列为节能技术在全国推广。然而，SCR毕竟是一种只能控制其导通而不能控制关断的半控型开关器件，在交流传动和变频电源的应用中受到限制。70年代以后陆续发明的功率晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)、功率MOS场效应管(Power MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等，它们的共同特点是既控制其导通，又能控制其关断，是全控型开关器件，由于不需要换流电路，故体积、重量较之SCR有大幅度下降。当前，IGBT以其优异的特性已成为主流器件，容量大的GTO也有一定地位。许多国家都在努力开发大容量器件，国外已生产6000V的IGBT。IEGT(injection enhanced gate thyristor)是一种将IGBT和GTO的优点结合起来的新型器件，已有1000A/4500V的样品问世。IGCT(integrated gate eommutated thyristor)在GTO基础上采用缓冲层和透明发射极，它开通时相当于晶闸管，关断时相当于晶体管，从而有效地协调了通态电压和阻断电压的矛盾，工作频率可达几千赫兹23。瑞士ABB公司已经推出的IGCT可达4500一 6000V，3000一 3500A。MCT因进展不大而引退而IGCT的发展使其在电力电子器件的新格局中占有重要的地位。与发达国家相比，我国在器件制造方面比在应用方面有更大的差距。高功率沟栅结构IGBT模块、IEGT、MOS门控晶闸管、高压砷化稼高频整流二极管、碳化硅(SIC)等新型功率器件在国外有了最新发展。可以相信，采用GaAs、SiC等新型半导体材料制成功率器件，实现人们对“理想器件”的追求，将是21世纪电力电子器件发展的主要趋势。 高可靠性的电力电子积木(PEBB)和集成电力电子模块(IPEM)是近期美国电力电子技术发展新热点。GTO和IGCT，IGCT和高压IGBT等电力电子新器件之间的激烈竞争，必将为21世纪世界电力电子新技术和变频技术的发展带来更多的机遇和2.3.2电力电子器件的分类 电力电子器件分类：可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。 IGBT优点：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTOGTR优点：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO优点：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电力MOSFET优点：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。制约因素：耐压，电流容量，开关的速度。3 与设计相关的机电技术说明3.1 三菱系列可编程序逻辑控制器工作过程简述(1) 可编程序控制器的工作过程 PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程。一个循环扫描过程称为扫描周期。PLC在一个扫描周期内基本上要执行以下六个任务： 运行监控任务。为了保证系统可靠工作，PLC内部设置了系统监视定时器WDT，WDT的时间设定值一般为扫描周期的23倍，通常为100200 ms。 与编程器交换信息任务。编程器在PLC的外部设备中占有非常重要的地位，用户把应用程序输入到PLC中，或对应用程序进行在线运行监视和修改都要用到它。编程器在完成处理任务或达到信息交换的规定时间后，就把控制权交还给PLC。 与数字处理器(DPU)交换信息任务。一般大中型PLC多为双处理器系统，一个是字节处理器(CPU)，另一个是数字处理器(DPU) ，在一般小型PLC中是没有这个任务的。 与外部设备交换信息任务。如果没有连接外部设备，则该任务跳过。 执行用户程序任务。系统的全部控制功能都在这一任务中实现。 输入/输出信息处理任务。 (2) PLC的工作过程如图所示 图3.1 PLC的工作过程(3) PLC的输入/输出过程 PLC的工作方式是周期扫描方式，所以其输入/输出过程是定时进行的。对用户程序而言，要处理的输入信号是输入信号状态暂存区的信号，而不是实际的信号。运算处理后的输出信号被放入输出信号状态暂存区中，而不是直接输出到现场的。 扫描循环时间循环时间（ Cycle Time ）是指操作系统执行一次循环操作所需的时间，包括执行 程序段和中断该循环的系统操作的时间，循环时间又称为扫描循环时间（ Scan Cycle Time ）或扫描周期。 循环时间与用户程序的长短、指令的种类和 CPU 执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在循环时间中占相当大的比例。循环时间会因为下述事件而延长：中断处理、诊断和故障处理、测试和调试功能、通信、传送和删除块、压缩用户程序存储器、读写微存储器卡 MMc 等。 输入输出滞后时间 输入愉出滞后时间又称为系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。 输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为l0ms左右。 输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向晶闸管型输出电路在负载通电时的滞后时间约为lms，负载由通电到断电时的最大 滞后时间为l0ms；晶体管型输出电路的滞后时间一般在lms以下。 由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两三个扫描周期。 PLC总的响应延迟时间一般只有几毫秒到几十毫秒，PLC周期性的输入/输出处理方式对一般控制对象而言是能够满足的，但是对那些要求响应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足，这时可以用智能型输入/输出单元或专门的软件指令，通过与扫描周期脱离的方式来解决。11.3 PLC的中断输入处理过程PLC的中断输入处理方法同一般计算机系统是基本相同的，即当有中断申请信号输入后，系统要中断正在执行的相关程序而转向执行中断子程序；当有多个中断源时，它们将按中断的优先级有一个先后顺序的排队处理。系统可以通过程序设定允许中断或禁止中断。PLC的中断源信息是通过输入单元进入系统的。PLC的中断源有优先顺序，一般无嵌套关系。3.2 三菱FR-A540系列变频器使用说明(1) 三菱FR-A540系列变频器外形图如图3.2所示 图 3.2 三菱FR-A540系列变频器外形图 (2) 三菱FR-A540系列变频器基本配置说明图 图3.3 三菱FR-A540系列变频器基本配置说明图 (3) 三菱FR-A540系列变频器基本配置接线图 图 3.4 三菱FR-A540系列变频器基本配置接线图 主回路端子说明R, S, T 交流电源输入连接工频电源，当使用高功率因数转换器时，确保这些端子不连接(FR-HC)。U, V, W 变频器输出接三相鼠笼电机。R1, S1 控制回路电源。与交流电源端子R,S连接。在保持异常显示和异常输出时或当使用高功率因数转换器时。(FR-HC)时，请拆下RR1和S-S1之间的短路片，并提供外部电源到此端子。P, PR 连接制动电阻器拆开端子PR-PX之间的短路片，在P-PR之间连接选件制动电阻器(FR-ABR)。P, N 连接制动单元连接选件FR-BU型制动单元或电源再生单元(FR-RC)或高功率因数转换器(FR-HC)。P, P1 连接改善功率因数DC电抗器拆开端子P-P1间的短路片，连接选件改善功率因数用电抗器(FR-BEL)。PR, PX 连接内部制动回路用短路片将PX-PR间短路时(出厂设定)内部制动回路便生效(7.5K以下装有)。接地变频器外壳接地用，必须接大地。 控制回路端子说明STF 正转启动。STF信号处于ON便正转，处于OFF便停止。程序运行模式时为程序运行行开始信号,（ON开始，OFF静止）。当STF和STR信号同时处于ON时，STR 反转启动STR信号ON为逆转，OFF为停止。相当于给出停止指令。STOP 启动自保持选择使STOP信号处于ON,可以选择启动信号自保持。RH，RM，RL 多段速度选择用RH,RM和RL信号的组合可以选择多段速度。JOG