双馈电机原理

双馈电机原理 1 单馈电机与双馈电机 众所周知，一般线绕型异步电动机转子串电阻调速(图1a)或按可控硅低同步串级调速(图1b)其转子调速 (n)均低于定子同步转速(n1 ),转差功率 (PS)都是从转子绕组输出，前者消耗在外接电阻上，后者回输到电网上。 (转差功率 即转子铜耗。电机同步转速不变，输出转速变小时，转子电流增加，转子铜耗增加。即转速越低，转差功率越大; 异步电机定子旋转磁场与转子转速的差额率称 转差率 ) 通常，人们将这种定子由固定电源(一般为工频电网电源)供电，转子消耗或回收转差功率的交流异步电动机称为―单馈‖电机。忽略电机损耗，设电机定子电磁功率为P1，电源相序为A-B-C ; 电机转子绕组同步转速为n2,(转子三相电流相序为a-b-c);转子输出机械功为PM,则单馈电机的功率与转速关系为: P1=PM+PS „„„„„„„„„„„„.....? 单馈电机功率(P1)=转子输出机械功(PM)+转差功率(PS) n=n1-n2 „„„„„„„„„„„„„„„.?单馈电机转速 (n)=定子同步转速(n1)—转子同步转速( n2) 欲使电机转速超越同步转速，根据电磁感应关系和电机稳定运行条件可知，电机转子绕组应由另一套输出电压为Ef的独立附加电源Sf(又称交流励磁电源)供电，并向转子绕组输入转差功率PS，且励磁相序应改为a-b-c(图1c)。这种定、转子绕组分别由各自交流电源供电的交流电机称 为―双馈‖电机。工作于超同步电动状态的―双馈‖电机其功率及转速关系为: P1+PS=PM „„„„„„„„„„„„„„„?双馈电机功率=转子输出机械功(PM)—转差功率(PS) n=n1+n2 „„„„„„„„„„„„„„„......?双馈电机转速=定子同步转速(n1)—转子同步转速(n2) ―双馈‖与―单馈‖电机本质区别是:―单馈‖电机转子绕组三相电流是感生的，输出转差功率―发电‖―双馈‖电机的转子绕组三相电流由转子感应电势E2与Ef共同产生，Sf电源可强制性向电机输入 在调速传动中，线饶型电动机的应用并不少见，但作―双馈‖应用并不多，这是因采用―双馈‖虽可获得比―单馈‖更好的调速性能和技术、经济指标，但需要增加一套独立的双向变频电源Sf，且控制系统复杂。随着电力电子技术的发展，数控技术和微机控制技术的渗透，双馈调速也日益成熟，并得到推广应用。 2 ―双馈‖电机的运转状态 设―双馈‖电机定子回路供电电压为U1，电流为I1;转子回路电流为I2,励磁电源Sf的输出电压为Ef;气隙磁通为Φm ，转子感应电势为E2 ，忽略电机各部分损耗，则: 定子侧电磁功率:1=3 功率因数) 转子侧转差功率:S=322 cosφ2 „„„„?(φ2 为I2与E2 相位差，即转子侧功率因数) 励磁电源容量:f?S=3f2 cosδ„„„„...? (δ为I2 与Ef 相位差， 即励磁电源Sf 的功率因数) 转矩: M=KMI2Φm sinθ„„„„......................?(KM —转矩比例系数，θ—I2 与Φm 相位差) 当控制φ1 ，φ2 相位角时，可以控制功率P1 与PS 的流转;当改变θ角时，可改变M的正负;当调节δ时，可调节励磁电流的有功分量与无功分量，从而调节cosφ 1 。图2示出了―双馈‖电机调节有功功率时(δ=0和180?时的)四种运转状态各量近似的相位关系。 从图2可知，双馈电机运转状态的改变既有标量控制，又有矢量控制，当需要调节cosφ 1 时，δ=0,180? 3 多级组合型励磁电源 为使电机获得由低同步,超同步的无级调速性能和有功与无功独立调节的运行特性，从上所述可知，作为―双馈‖调速转子励磁电源的基本条件是:功率可逆流转，且输出电压及其电流的幅值、频率、相位、相序均可调节。从理论上讲，励磁电源可分为二相，三相或多相，下面以选择三相为例加以说明: 3.1 晶闸管相控整流与有源逆变器组合电源(AC-DC-AC):相控变流电源 (图3) 它由两组完全相同的全控桥式整流电路组成，具有中间带大电感滤波直流环节。电机侧变流器?和电源侧变流器?在传递转差功率PS 时既可工作于―整流‖ 状态(AC-DC)，又可工作于(有源)―逆变‖状态(DC-AC)。变压器T是考虑在一定调速范围内转子感应电压与电网相互匹配而设置的。 PPU1I1cosφ 1 „„„„? (φ1为I1与U1相位差，即电机定子侧EIPPEI 优点 采用电网换流，主控电路简单，PS双向控制易实现。 缺点 励磁电流为方波，存在较大谐波转矩;在n?n1时电机侧变流器?无换流电压，电机无法跨越同步转速点，系统运行不稳定，需另采取特殊换流措施。. 3.2 可控整流器与电压型SPWM逆变器组合电源(AC-DC-AC):SPWM变频电源(图4) 电源侧变流器?是三相全控AC?DC相控整流器，电机侧变流器?是三相电压型SPWM逆变器，具有电容滤波中间直流环节。前者为电网换流，后者为自换流逆变器,采用SPWM调制控制。 优点 该组合电源能为转子提供正弦电压或电流，可消除低次谐波转矩，可在同步转速点平滑过渡。 缺点 低频区输出波形较差，动态性能较差，大容量装置成本高。 3.3 双高频PWM整流器组合电源(AC-DC-AC)::双向高功率因素高频整流电源(图5) 在电源侧与电机侧各接一套三相高频PWM整流电路，通过中间电容滤波直流环节连接起来。当PS 输出转子，电源侧变流器?用作高频PWM整流(AC-DC)，电机侧整流器?将高频PWM整流器转化为‖逆相‖运行(DC-AC)，反之，亦然。 优点 能向电机转子提供三相正弦波励磁电压和电流，能使电源侧电压和电流为正弦波，且功率因素为1。 缺点 可关断器件读，低频特性差，成本高，控制较复杂。 4 单级励磁电源 该类电源仅有一级电能转换器组成。 4.1 晶闸管相控型交~交直接变频器(AC-DC):直接变频电源(图6). 图6是三相零式AC/AC变频电路,它是三相交~交变频器最简单的一种，由六组三相半波可控整流电路组成。主电路要用18个元件。在大容量系统中，要采用六组三相全控桥式整流电路，要用36个元件。在采用‖余弦交迭法‖对控制角(α) 进行‖调制‖控制时，可为转子提 供正弦励磁电压或电流。 优点 电源无中间直流环节，变换效率高，励磁电压或电流接近正弦波，可减少低次谐波转矩，控流无‖死区‖存在，低频特性好。， 缺点 主电路元件多，控制复杂，输出f0仅为(1/2- 1/3)电源频率。 4.2 矩阵式AC/AC变频电源(图7) 采用9个二端双向全控逆导开关,(图7b),按3×3矩阵排列,可组成三相?三相矩阵式变换器。这是一种‖广义电能转换器‖，采用高频SPWM控制技术，通过不同控制算法可以变更矩阵结构形式,组成直-直斩波(DC-DC) „„用于双馈电机‖起动‖; 组成直-交逆变 (DC-AC)„„用于双馈电机―投励‖或低同步运行，组成交 -直整流(AC-DC)„„用于双馈电机同步运行或超同步运行。采用矩阵式变换器可使双馈电机多变量的协调控制和多运转状态的相互转化大大简化。 优点 可使电机侧电压及电流为正弦波，电源侧电流与电源电压同相且为正弦波，调频范围不受限制，可直接通过升频控制使电机反转，灵活的电路结构变化，使变换器具有多种功能。 缺点 可关断器件多(18个)，需按严格逻辑程序进行控制，技术不成熟，成本高。 5 多功能励磁电源(图8) 从4.2可知，双馈电机为适应多变量解耦控制和多运转状态相互转换，其励磁电源要具有斩波、整流、逆变、变频等多种功能，为简化电源结构，减少开关元件，可选择1~2个最基本、最重要的变换器为基础，通过增减n个单向导电元件(二极管)和机械开关的换接以构成多功能变流器。例如可以选择三相不可控整流桥和一套高频PWM整流器作基础，通过D1，D2和K1~K4转换(见图8)，可获得相控高频PWM整流、斩波及逆变器四种功能，上述四功能变换器分别可适应双馈调速―起动‖、―低同步‖、―同步‖、―超同步‖的需要。 参考文献: [1] 《泵站电机双馈调速控制系统设计》 湖北工学院学报 2000.9 廖冬初 刘群 张杰等 [2]《大中型电排站―提速增容‖ 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 选择》 电气传动自动化增刊 2001.8 刘群 张杰 廖冬初 [3]《基于8XC196MC单片机的双馈电机斩波与双馈调速技术研究》 电机与控制学报，2002.6 林成武 朱建光 王凤翔 [4]《电流型逆变器用于双馈调速的实验研究》 通信电源技术,,,,. 刘文军 刘群 戴碧君 [,]《超同步串级调速系统》 电气传动自动控制 同济大学 袁国华 陈德俭 赵锦标 孙泽昌 上钢一厂 朱世照 几种双馈式变速恒频风电机组低电压穿越技术对比分析 1 引言 并网风力发电是近十年来国际上发展速度最快的可再生能源技术。并网风力发电机与传统的并网发电设备最大的区别在于，其在电网故障期间并不能维持电网的电压和频率，这对电力系统的稳定性非常不利。电网故障是电网的一种非正常运行形式，主要有输电线路短路或断路，如三相对地，单相对地以及线间短路或断路等，它们会引起电网电压幅值的剧烈变化。 双馈式变速恒频风电机组是目前国内外风电机组的主流机型，其发电设备为双馈感应发电机，当出现电网故障时，现有的保护原则是将双馈感应发电机立即从电网中脱网以确保机组的安全。随着风电机组单机容量的不断增大和风电场规模的不断扩大，风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。人们越来越担心，一旦电网发生故障迫使大面积风电机组因自身保护而脱网的话，将严重影响电力系统的运行稳定性。因此，随着接入电网的双馈感应发电机容量的不断增加，电网对其要求越来越高，通常情况下要求发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行( fault ride-through )，并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行，也就是说，要求风电机组具有一定低电压穿越 (low voltage ride-through) 能力。为此，国际上已有一些新的电网运行规则被提出。例如:德国北部的电力公司 (e.on netz 公司 ) 要求风电场能够在图 1 所示的电压范围内 (即图中阴影区 ) 不脱网运行 [1][33] ，电网电压跌落到 15% 以后风电机组不脱网运行时间须持续达 300ms ，当电网电压跌落低于曲线后才允许风电机组脱网。这里电压指的是风电场连接点的电压。而为英国部分地区供电 的 national grid 电力公司则要求当高于 200kv 的输电线路发生故障时，所有并网运行的电站或风电场必须在 140ms 内保持不脱网运行 [2] 。另外苏格兰电力公司 (scottish hydro-electric 公司 ) 对电网故障时电站或风电场不脱网运行也有类似的要求 [3] 。 图1 e.on netz公司对电网故障时风电场不脱网运行的电压范围要求[33] 为了提高风电机组的低电压穿越能力，必须针对当前主流风电机组中的双馈感应发电机的运行特点进行研究，研究它们在电网故障与故障恢复过程中的暂态行为，消除或减轻在不离网控制情况下可能引起的机组损害。许多文献 [4-7] 报道了在电网电压跌落情况下，风电机组中的双馈感应发电机会导致转子侧过流，同时转子侧电流的迅速增加会导致转子励磁变流器直流侧电压升高，发电机励磁变流器的电流以及有功和无功都会产生振荡。这是因为双馈感应发电机在电网电压瞬间跌落的情况下，定子磁链不能跟随定子端电压突变，从而会产生直流分量，由于积分量的减小，定子磁链几乎不发生变化，而转子继续旋转，会产生较大的滑差，这样便会引起转子绕组的过压、过流。如果电网出现的是不对称故障的话，会使转子过压与过流的现象更加严重，因为在定子电压中含有负序分量，而负序分量可以产生很高的滑差。过流会损坏转子励磁变流器，而过压会使发电机的转子绕组绝缘击穿。为了保护发电机励磁变流器，采用过压、过流保护措施势在必行。 为了保证电网故障时双馈感应发电机及其励磁变流器能安全不脱网运行，适应新电网运行规则的要求，国内外学术界和 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 界对电网故障时 双馈感应发电机的保护原理与控制策略进行了大量研究。据文献的报道，当前的低电压穿越技术一般有三种方案:一种是采用了转子短路保护 技术( crowbar protection )，二种是引入新型拓扑结构，三是采用合理的励磁控制算法 。下面逐一分析介绍。 2 转子短路保护技术 [8] 这是目前一些风电制造商采用得较多的方法，其在发电机转子侧装有 crowbar 电路，为转子侧电路提供旁路，在检测到电网系统故障出现电压跌落时，闭锁双馈感应发电机励磁变流器，同时投入转子回路的旁路(释能电阻)保护装置 , 达到限制通过励磁变流器的电流和转子绕组过电压的作用，以此来维持发电机不脱网运行(此时双馈感应发电机按感应电动机方式运行)。 目前比较典型的 crowbar 电路有如下几种: (1) 混合桥型 crowbar 电路 [9] ，如图 2 所示，每个桥臂由控制器件和二极管串联而成。 图2 混合桥型crowbar (2)IGBT型crowbar电路[9]，如图3所示，每个桥臂由两个二极管串联，直流侧串入一个igbt器件 和一个吸收电阻。 图3 igbt 型crowbar (3) 带有旁路电阻的 crowbar 电路 [10] ，如图 4 所示，出现电网电压跌落时，通过功率开关器件将旁路电阻连接到转子回路中，这就为电网 故障期间所产生的大电流提供了一个旁路，从而达到限制大电流，保护励磁变流器的作用。 图4 旁路电阻型crowbar 励磁变流器在电网故障期间，与电网和转子绕组一直保持连接，因而在故障期间和故障切除期间，双馈感应发电机都能与电网一起同步运行。当电网故障消除时，关断功率开关，便可将旁路电阻切除，双馈感应发电机转入正常运行。 crowbar 电路的转子短路保护技术存在这样一些缺点: 首先，需要增加新的保护装置从而增加了系统成本;另外，电网故障时，虽然励磁变流器和 转子绕组得到了保护，但此时按感应电动机方式运行的机组将从系统中吸收大量的无功功率， 这将导致电网电压稳定性的进一步恶化，而且传统的 crowbar 保护电路的投切操作会对系统产生暂态冲击。文献 [1] 提出了改进方案，该方案与传统方案的区别在于:在转子短路保护电阻切除后，将转子电流控制指令设定为该时刻转子电流的实际值，从而防止由于转子电流控制器指令电流与实际电流不等而引起的暂态冲击。然后通过逐渐改变转子电流指令，实现转子电流控制器的软起动。在转子电流控制器的作用下发电机将逐步恢复到正常运行。这缓解了 crowbar 保护电路的投切操作对系统产生的暂态冲击，在一定程度上缩短了发电机低电压穿越的过渡时间。但该文献仅限于研究对称故障发电机不脱网运行，未讨论电网故障运行初始条件对不脱网运行效果的影响。 3 引入新型拓扑结构 除了上述典型 crowbar 技术的应用外，一些文献还提出了一些新型低压旁路系统，如图 5 、图 6 所示。 图 5 新型旁路系统 图6a) 并联连接网侧变流器 3.1 新型旁路系统 [11-13] 如图 5 所示，这种结构与传统的软启动装置类似，在双馈感应发电机定子侧与电网间串联反并可控硅电路。 在正常运行时，这些可控硅全部导通，在电网电压跌落与恢复期间，转子侧可能出现的最大电流随电压跌落的幅度的增大而增大，为了承受电网故障电压大跌落所引起的的转子侧大电流冲击，转子侧励磁变流器选用电流等级较高的大功率igbt 器件，这样来保证变流器在电网故障时不与转子绕组断开时的安全。电网电压跌落再恢复时，转子侧最大电流可能会达到电压跌落前的几倍。因此，当电网电压跌落严重时，为了避免电压回升时系统在转子侧所产生的大电流，在电压回升以前，将双馈感应发电机通过反并可控硅电路与电网脱网。脱网以后，转子励磁变流器重新励磁双馈感应发电机，电压一旦回升到允许的范围之内，双馈感应发电机便能迅速地与电网达到同步。再通过开通反并可控硅电路使定子与电网连接。这样可以减小对 igbt 耐压、耐流的要求。对于短时间内能够接受大电流的 igbt 模块，可以减少双馈感应发电机的脱网运行时间。转子侧大功率馈入直流侧会导致直流侧电容电压的升高，而直流侧的耐压等级依赖于直流侧电 容的大小，因此直流侧设计 crowbar 电路，在直流侧安装电阻来作吸 收电路，将直流侧电压限制在允许范围内。 这种方式的不足之处是:该方案需要增加系统的成本和控制的复杂性。考虑到定子故障电流中的直流分量，需要可控硅器件能通过门极关断，这要求很大的门极负驱动电流，驱动电路太复杂。这里的可控硅串联电路如果采用穿透型 igbt 的话， igbt 必须串联二极管。而采用非穿透型 igbt 的话，通态损耗会很大。理论上，如果利用接触器来代替可控硅开关的话，虽通态时无损耗，但断开动作时间太长。而且由于该方案在输电系统故障时发电机脱网运行，因此对电网恢复正常运行起不到积极的支持作用。 3.2 串联连接变流器 通常双馈感应发电机的背靠背式励磁变流器采用如图 6a) 所示的与电网并联方式 [13-16] ，这意味着励磁变流器能向电网注入或吸收电流。为了提高系统的低电压穿越能力，文献 [17] 提到了一种新的连接方式，即将变流器与电网进行串联连接，比如，变流器通过发电机定子端的串联变压器实现与电网串联连接，则双馈感应发电机定子端的电压为网侧电压和变流器输出的电压之和。这样便可以通过控制变流器的电压来控制定子磁链，有效的抑制由于电网电压跌落所造成的磁链振荡，从而阻止转子侧大电流的产生，减小系统受电网扰动的影响，达到强化电网的目的。但这种方式将增加系统许多成本，控制也比较复杂。 4 采用新的励磁控制策略 从制造成本的角度出发，最佳的办法是不改变系统硬件结构，而是通过修改控制策略来达到相同的低电压穿越效果:在电网故障时，使发电机能安全度越故障，同时变流器继续维持在安全工作状态。 文献 [18] 利用数值仿真的方法对电网三相对称故障时发电机不脱网运行的励磁控制进行了研究。研究结果表明，通过适当提高现有双馈感应发电机励磁控制器中 pi 调节器的比例和积分系数，能够在一定范围内维持电网故障时发电机不脱网运行。然而该文献未对故障时发电机不脱网运行的范围进行详细地研究计算。该文献提出的方法仅适用于系统对称三相故障引起发电机母线电压轻微下降时保持发电机不脱网运行，当故障引起发电机母线电压严重下降时，励磁变流器将出现过电压和过电流。文献 [19] 则利用硬性负反馈的方式补偿发电机定子电压和磁链变化对有功、无功解耦控制性能的影响，该方案能够在一定程度上提高双馈感应发电机在输电系统故障时的运行特性，并能够在一定范围内限制发电机转子电流，保护转子励磁变流器。但该方案对转子电流的有效控制是在提高转子电压的前提下实现的，考虑到转子侧励磁变流器输出最大电压的限制，该方案仅适用于输电系统故障引起发电机电压轻度骤降的场合，对于引起发电机定子电压严重骤降的电网故障，该方案会由于转子侧励磁变流器无法提供足够高的励磁电压而失去对转子电流的控制。另外，文献 [20] 还建议充分利用发电机电网侧变流器在电网故障过程中对电网电压的支持作用，通过协调转子和电网侧变流器的控制提高电网故障时发电机不脱网运行的控制效果。 文献 [27-32] 提出了一种灭磁保护原理。在理解电网短路故障时发电机的暂态物理过程的基础上，提出了电网短路故障时双馈感应发电机不脱网运行的励磁控制策略。为保证故障期间双馈感应发电机励磁变频器安 全运行，新的励磁控制策略针对故障过程中发电机内部电磁变量的暂 态特点，控制发电机转子电流产生的磁链 ( 故障暂态时该磁通只通过漏磁路径，是漏磁链 ) 以抵消定子磁链中的 ― 有害 ‖ 暂态直流分量对转子侧的影响。 文献以仿真和小容量试验验证了该控制策略在电网对称故障下的正确性，并分析了各种因素对控制效果的影响。文献 [32] 对基于灭磁保护原理的励磁策略进行的深入分析表明，故障前初始条件(定子电压和转差率)对本控制策略的故障效果影响非常大，随着故障前定子电压的增加，转子电流可能无法控制在满足励磁变流器安全要求的最大暂态电流峰值之内，只有故障前初始条件处于可控运行范围内时，在故障励磁控制的作用下，发电机转子故障电流才能够控制在 2.0pu 的安全范围。 5 结束语 本文通过对国内外学术界和工程界在电网故障时双馈感应发电机的保护原理与控制策略进行研究分析，得出以下几点结论，为实际应用中具体设计提供参考。 (1) 电力系统要求双馈感应发电机能在电网故障时保持不脱网运行，并对电网稳定性提供支持。因此在导出发电机基本电磁关系的基础上，分析电网故障过程中发电机内部电磁变量的暂态变化过程，研究适应小值电网故障情况的新励磁控制策略，即出现不严重的电网故障时，电压跌落未严重到一定程度的情况下，通过一定的励磁控制方法，实现发电机和变流器安全度越短时低电压故障，而不必需要触发 crowbar 电路来进行发电机和变流器的保护。 (2) 在大值瞬态故障下一般需要使用 crowbar 这种短接保护措施来 保护发电机和变流器。因 crowbar 电路触发后和电网故障恢复时，一般转子电压和电流会瞬态跳变，然后衰减。利用仿真工具分析比较目前各种 crowbar 电路的优劣，从成本，可靠性和可能达到的最佳性能指标，工作极端环境适应性等方面进行比较改进，优选出最佳方案，减小电压跌落情况下触发 crowbar 电路时转子暂态电流跳变幅度。 (3) 电网运行时经常出现的是不对称故障情况，当电网出现不对称故障时，会使过压、过流的现象更加严重，因为在定子电压中含有负序分量，而负序分量可以产生很高的滑差。然而目前严重故障下进行的研究大都是针对电网对称故障的情况，无法满足实际电网故障情况要求，不能实现工程实际应用。因此，考虑电网不对称故障下，发电机的控制模型和算法有待于进一步改进研究。 变频器在风力发电行业中的应用 目前，世界上大中型风力发电机组主要有两种型式: 一类是定桨距失速调节型，属于恒速机型，一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值，继而使风电机组并网后定子磁场旋转频率等于电网频率，转子、叶轮的变化范围小，捕获风能的效率低; 另一类是变速变距型，一般采用双馈电机或者永磁同步电机，通过调速器和变桨距控制相结合的方法使叶轮转速可以跟随风速的变化在很宽的范围内变化，保持最佳叶尖速比运行，从而使cp(风能利用系数)在很大的风速变化范围内均能保持最大值，能量捕获效率最大。发电机发出的电能通过变流器调节，变成与电网同频、同相、同幅的电能输送到电网。相 比之下，变速型风力发电机具有不可比拟的优势。 目前流行的变速变桨风力发电机组的动力驱动系统主要两种方案:一种是升速齿轮箱，绕线式异步电动机， 双馈电力电子变换器;另一种是无齿轮箱的直接驱动低速永磁发电机，全功率变频器。两个方案各有优缺点:前者采用高速电机，体积小重量轻，双馈变流器的容量 仅与电机的转差容量相关，效率高、价格低廉，缺点是升速齿轮箱价格贵，噪音大、易疲劳损坏;后者无齿轮箱，可靠性高，但采用低速永磁电机，体积大，造价高，变频器需要全功 率，成本提高。 除了上述两个方案外，还引入了两个折中方案，一个是低速集成齿轮箱的永磁同步电机，全功率变频器;一个是高速齿轮箱的永磁同步电机，全功率变频器。根据美国国家可再生能源实验室报告的量化比较数据分析，这两种折中方案也具有很大的发展潜力。 2 变速恒频双馈风力发电系统工作原理 2.1 叶轮能量最大捕获原理 风力机通过叶轮来捕获流动的风能，风的能量转化为叶轮旋转的动能，齿轮箱再把这种机械能传输到发电机，由发电机通过内部的电磁关系将机械能变为电能输出。 图1为在不同风速下，叶轮转速与风力机输出功率的关系图。由图1可知，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，输出功率越高，相应的叶轮转速也越高。因此，如果能随风速变化改变叶轮转速，使得风力机在所有风速下都工作于最大功率输出点，则发出电能最 多，否则发电效能将降低。 图1 不同风速下，发电及转速与输出功率曲线图 双馈发电机的最大风能捕获控制就是通过预先制定的风速对应的最大功率曲线，控制风力机转速，使其跟随风速的变化而相应变化，保证风力机的叶尖速比恒定，达到最大功率输出。假设在风速v2下，系统最初工作p1 点，如果风速阶跃变化到v3，风力机转速由于惯性保持不变，此时风力机输出机械功率达到p2点，大于双馈发电机的发电功率，此时，风力机输入力矩大于双馈发电机的输出力矩，风力机转速增加，沿对应于风速v3的曲线向p3移动，当达到该点后，双馈发电机根据最大功率曲线给出相应的转矩给定值，并与风力机输入力矩相平衡，此时系统便稳定工作于p3点，输出对应于v3风速下的最大功率p3。 2.2 双馈发电机的变速恒频控制原理 根据感应电机定转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可以得出变速恒频风力发电机转速与定转子绕组电流频率关系的数学表达式(1) (1) 式中，f1为定子电流频率，由于定子与电网相连，所以f1与电网频率相同;p为电机的极对数;n为风力发电机的转子转速;f2为转子电流频率。 当风力发电机转速发生变化时，通过转子侧变频调速装置调节转子电流频率f2，保证f1恒定不变，实现风力发电机的变速恒频控制。 当风力发电机处于亚同步速运行时，即n < n1(同步转速)，f2取正号，转子侧变频器从电网吸取功率pr(转子功率)，为发电机转子提供频率为f2 的正向励磁电流，保证定子绕组产生与电网同频同幅的电压矢量，从而将风力机捕获的机械能pmec转化为电能，此时定子输出的功率为ps=pmec–pr。 当风力发电机处于超同步速运行时，即n>n1(同步转速)，f2取负号，转子侧变频器将吸收的机械能反馈回电网pr，为发电机转子提供频率为f2的负向励磁电流，保证定子绕组产生与电网同频同幅的电压矢量，同时将风力机捕获的机械能pmec转化为电能，此时定子输出的电能为ps=pmec，pr。 3 abb风力发电变频器 abb传动公司目前主要有两类产品应用于风力发电系统，一类是应用于双馈发电机系统的变频产品acs800,67，一类是应用于永磁同步电机且无齿轮箱(直驱系统)的变频产品acs800,77，这里主要介绍变频产品acs800,67。 3.1 控制原理 acs800,67风力发电变频器主要和带有转子绕组和滑环的感应式发电机一起使用，连接于双馈发电机转子和电网之间，电路图如图2所示。 图2 acs800,67风力发电变频器电路图 变频器工作原理与上节所述一致，当风速变化时，acs800,67 通过内部控制快速增加或降 低转子磁场的旋转速度，保证发电机获得最优滑差，达到获得最大发电量的目的。该传动单元也可以完成在将定子输出接入电网之前使定子输出电压和电网电压同步的目的。在脱离电网时，传动单元通过将转矩给定 调整为零，使定子电流减少至零，以便将发电机从电网脱离。 网侧变流器是一个基于igbt模块的变流器，将输入的三相交流电整流为所需的直流电，为转子侧逆变器供电。网侧变流器控制对象为直流母线电压和网侧无功功率，通过检测网侧两相电流和直流母线电压，采用直接转矩的控制方法，实现直流母线电压泵升且恒定以及网侧功率因数可控(一般设置为1)的目的。同时也可以实现功率的双向流动以及降低网侧电流谐波含量的目的。 转子侧变流器包含一个或两个基于igbt的逆变器模块，将直流电逆变为产生转子磁场所需频率和幅值的三相交流电，向转子绕组供电。转子侧变流器控制对象为转矩和无功功率，通过对转矩的控制实现对发电机发电有功功率的控制，通过对无功功率的控制完成对发电机转子磁场的建立，实现对发电机无功功率的控制。 图3 双馈感应发电机直接转矩控制原理 图3是abb公司双馈感应式发电机直接转矩控制技术原理图。图3中，ψs、ψ0、ψg表示定子磁通、转子磁通和电网磁通;t*、t表示转矩给定值和估计值;ψr_ref、pf*表示转子磁通给定值和功率因数给定值;θm为转子的机械角度;is、ir为定子和转子电流;电机参数:rr为转子电阻，ls为定子感抗，lr为转子感抗，m为互感， dtc控制系统有两种运行模式: 为漏抗。 发电模式: s1、s2闭合，控制发电机的转矩和无功功率或功率因数; 同步模式: s1闭合、s2断开，控制发电机同步并网，此时转矩给定t*=0。两种模式间的切换，无明显的电压和电流冲击。 转矩给定由最优发电量决定，而发电量由风速v与发电功率p的曲线p=f(v)决定。 无功功率(或功率因数)给定由电网所需的实际值决定，一般可设为0kvar(或1)。 转矩反馈由两部分组成。在同步模式运行时(s2断开时，is=0且t*=0)，转矩反馈表示电网磁通矢量ψg和定子磁通矢量ψs的角度差，由此控制定子磁通矢量ψs的运动，使其与电网磁通矢量ψg同步运动;发电模式运行时，电网磁通矢量ψg和定子磁通矢量ψs已经同步，=0或ψs=ψg。转矩计算如式(2)所示。 (2) 在同步模式运行时，定子磁通估计值(转子坐标转换到定子坐标后)由等式(3)得到。 (2) 发电模式运行时，转子磁通矢量 ψr的计算先是测量出定子磁通矢量ψs，由式(4)得到定子坐标下的转子磁通矢量ψr。将其幅值作为控制器的反馈量。将其转换到转子坐标下ψrejθm，确定ψr所在的扇区。转子的机械角度θm可以通过角度编码器测量得到。 (4) 3.2 变频器选型 如前所述，双馈风力发电系统的变频器由于接在发电机的转子侧，所以变频器容量可小于发电机的容量，仅为发电机的转差功率，因此，变频器容量的选择与风力发电机的调速范围密切相关。一般风力发电机的调速范围为额定转速的70,,130,，转差率为?30,，所以变频器的额定容量可选为发电机额定容量的1,3。表附表为acs800,67的选型表。 假设发电机额定电压为690v，额定功率为2mw，额定转速为1500r/min，调速范围为?30,，即发电机转速工作范围为1000r/min,2000r/min，因此，变频器的功率可选为2mw×30,,0.6mw，根据选型表可得:转子侧变流器型号为acs800,104,0770,7;而整流侧变流器由于控制的网侧功率因数为1，只流过有功电流，故容量相对较小，型号为acs800,104,0580,7。 3.3 技术特点 acs800,67还具有以下技术特点: (1)长寿命设计 变频器内部器件选型和系统配置均按照20年使用年限设计，特别是直流母线电容采用胶片电容替代原有的电解电容，寿命更长、耐低温特性良好。冷却风扇具有调速功能，可延长其使用寿命。 (2)适用于恶劣的使用环境 变频柜内和模块内部均内置加热器， 且配置有温度和湿度传感器，对抗低温和高湿环境。所有线路板均带有防腐涂层，柜体防护等级为ip54，保证了变频器恶劣环境下的可靠工作。 (3)高端配置、紧凑型设计 变频器将输入lcl滤波器、输出滤波器du/dt以及进线接触器和直流熔断器作为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 配置，通讯适配器和以太网适配器作为选装配置。紧凑型的设计理念使得其在同等功率的变频器中体积最小，适用于放在发电机舱内。 (4)低电压穿越能力 在电网发生严重故障期间，比如短路或瞬间掉电，可通过使用有源或无源crowbar硬件，提供对电网的支持，保证电机依然在网。 (5)优良的可控性 由于整流单元采用igbt可控整流，直流母线电压得到泵升，因此电机转子的电压可控制高达750v，风机的速度范围更宽，转子的电流更低。 发电机的功率因数可达到+/-0.9，甚至更高，这完全取决于电机设计，变频器对此不成为瓶颈。 在转子电压接近于0v时，变频器也完全可控可以在速度范围内的任何一点切入切出。 即使在风机静止时，也可以通过整流单元发出无功功率对电网提供支持。 (6)完善的保护功能 具有多重保护功能，例如过流、接地、风机超速和失速等保护功能，提供对电机转子和变频器的完整保护。 4 应用案例 上海南洋电机厂采用acs800,67变频器构建双馈风力发电机的实验平台，风力机采用直流电动机模拟，即双馈发电机转子靠直流电动机拖动。系统连接示意图如图4所示。技术数据如下所示: 图4 试验台系统连接图 发电机:定子额定电压690v;定子额定电流1500a;额定频率50hz;额定功率1345kw;额定转速1513r/min;同步转速1500r/min;功率因数0.9;转子开路电压1990v;转子电流550a; 变频器型号:acs800,67,0480,0770,7;调速范围?30,。 4.1 同步运行 双馈风力发电系统投入电网前首先要进行同步运行，即使发电机的定 子电压在幅值、频率和 相位上与电网电压达到一致。典型的同步运行步骤如下: (1) 将发电机转子拖动到设定的正常工作范围内，即同步转速的 70,, 130,，启动变频器; (2) 开关s1闭合，网侧变流器启动为转子侧变流器建立直流电压。开关s2仍然断开; (3) 转子侧变流器测量电网电压ugrid(开关s2的输入侧)和定子电压us; (4) 转子侧此时工作于同步模式，转子侧变流器通过磁化转子绕组，感应出与电网电压同步的定子电压; (5) 当定子电压与电网电压同步后，开关s2闭合，同步运行过程完成。此后变频器切换到转矩控制模式，接受给定的转矩和无功功率指令，准备开始发电。 图5为采用abb专用软件drivewindow 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 的同步运行曲线图。图5(a)为发电机转子转速被直流电动机拖动到1300r/min(如曲线1所示)后，变频器投入运行。开关s1闭合后，网侧变流器启动建立直流母线电压(如曲线2所示)，当直流母线电压建立完成并稳定后，转子侧逆变器投入运行，为转子绕组提供三相励磁电流，产生旋转的磁场，并在定子绕组上感生电压(如曲线4所示)，当定子绕组上的感应电压与电网电压(如曲线3所示)在幅值、频率和相位完全一致后，同步过程完成，可以随时闭合开关s2，将发电机并入电网。曲线5和6分别为同步过程中的定转子电流。 (a)同步运行各变量(有效值)变化曲线 (b)定子和电网u相(瞬时值)电压曲线 图5 定子电压和电网电压同步运行曲线图 图5(b)所示为电网u相电压与定子u相电压在同步过程中的变化曲线。由图可知，当变频器投入运行后，定子u相电压迅速建立，并与电网u相电压在相位、幅值上完全一致，达到同步的要求。 4.2 发电运行 图6为发电机处于超同步运行(转子转速为1513r/min)，给定转矩为额定转的85,，无功功率给定为零时，电网线电压、相电流的波形图。理论分析可知，当发电机处于超同步运行状态，发电机的定子侧和转子侧应同时向电网输出电能，网侧相电流为定子与转子的电流之和。通常网侧变流器的无功功率给定设置为零，所以定子与转子电流的相位相同，都与电网电压反相。实际上，由图6可知，电网相电压与定子电流相位相差180?，完全反相，发电机处 于发电状态，向电网输出电能，功率因数为, 1。 图6 网侧线电压与电流波形图 5 结束语 综上所述，风力发电作为21世纪全球最有发展潜力的新能源之一，必将受到越来越多的重视。由abb研制和生产的风力发电变频产品acs800,67,77代表了当今风电的两大主流方向，已经成功应用于世界各地，对于推对该项技术的全球发展起到了积极的推动作用 Crowbar电路在双馈风力发电机中的作用及控制 如果不能及时采取保护措 施 ， 定、转子绕组仅靠其自身电阻和漏抗不足以抑制浪涌电流(浪涌电流指电源接通瞬间，流入电源设备的峰值电流。 )，过大的电流和电压将导致励磁变频器、定转子绕组以及母线电容损坏。 在电网电压骤降时，一种常用的办法是采用电阻短接转子绕组来旁路RSC，为转子侧的浪涌电流提供一条通路，即Crowbar 电路 。按照所用开关元件的不同，Crowbar 分为主动式和被动式2 种，其中被动式Crowbar 采用晶闸管，主动式Crowbar 采用绝缘栅双极晶体管 (IGBT)等可关断元件，主要区别在于能否强制关断。 变速恒频DFIG 风力发电系统原理图，其中 直流 Crowbar 利用电阻作为吸收电路， 防止直流母线电压过高(整流滤波后的母线电压)，起到保护设备作用 进气压力传感器:反映进气歧管内的绝对压力大小的变化，是向ECU(发动机电控单元)提供计算喷油持续时间的基准信号,一般固定在发动机的右上部,个个车型可能都不一样. 空气流量传感器:测量发动机吸入的空气量，提供给ECU作为喷油时间的基准信号, 节气门位置传感器:测量节气门打开的角度，提供给ECU作为断油、控制燃油/空气比、点火提前角修正的基准信号,在节气门阀体上,节气门装在进气歧管上. 曲轴角度传感器:检测曲轴及发动机转速，提供给ECU作为确定点火正时及工作顺序的基准信号,装在曲轴皮带轮上面. 氧传感器:检测排气中的氧浓度，提供给ECU作为控制燃油/空气比在最佳值(理论值)附近的的基准信号,装在消声器的三元催化上面. 进气温度传感器:检测进气温度，提供给ECU作为计算空气密度的依据,装在空气滤芯到节器门的一根管子上. 水温传感器:检测冷却液的温度，向ECU提供发动机温度信息,装在缸盖上. 爆燃传感器:安装在缸体上专门检测发动机的爆燃状况，提供给ECU根据信号调整点火提前角,装在发动机的有上角上 怠速马达:管发动机的怠速的,装在节气门阀体上. 喷油嘴:管喷射出可燃混合气体的,可燃混合气体是汽油和空气混合的产物,可燃混合气体是喷在气缸体的,装在进气歧管上的. ECU:是电子控制单元(电脑板)就是以上传感器提供一个信息,然后给出一个正确的信息,装在发动机向后的一块铁板上. 电控系统-氧传感器 1973年开始制定了汽车排放法规，到了1978年排放法规更为严格。为了与新的排放 法规相适应，在汽车上采用了三元催化剂排气净化装置。为充分发挥三元催化剂的净化特性，需要把空燃比控制在理论空燃比(λ=1)附近的狭窄范围内，如图1-80所示。 发动机废气中的氧含量直接反映发动机空燃比，因此检测发动机废气中的氧含量是控制混合气空燃比的有效手段。废气中的氧气超过一定限度说明混合气偏稀，而废气中完全没有氧气侧说明混合气偏浓，偏浓混合气 将会造成排气污染。 图1-80 三元催化剂净化率特性曲线 氧传感器的作用是指示发动机中混合气的燃烧是否完全，测定废气中的氧含量，然后将检测的结果及时反馈给发动机的控制系统，以便使发动机控制系统不论发动机机械状态如何，都能有效地对燃料系统进行调控，把混合气的空燃比控制在理论空燃比附近很窄的范围内，使装有三元催化转换器的发动机达到最佳的排气净化效果。氧传感器装在排气歧管或前排气管内，如图1-81所示。 图1-81 氧传感器的安装位置 1-排气歧管 2-氧传感器 现在已经实用化了的氧传感器，有氧化锆(ZrO2)氧传感器和二氧化钛(TiO2)氧传感器两种。氧化锆氧传感器，是利用氧化锆高温时其内外两侧氧浓度差，使其产生电动势的特性来测量废气中氧的浓度。二氧化钛氧传感器是利用二氧化钛周围氧气分压的不同而进行氧化或还原反应，从而使电阻发生变化的原理来测量废气中氧的浓度。根据氧传感器是否需要加热，可将氧传感器分为加热式和不加热式，二氧化钛氧传感器为加热式，氧化锆氧传感器有加热型的也有不加热型的。加热式氧传感器上一般有3根引线(三线式)，其中一根为信号线，另外两根为加热线;而不加热式氧传感器为单线式，即只有一根信号线。 1、氧化锆(ZrO2)氧传感器 图1-82所示为氧化锆氧传感器的结构，该传感器由可产生电动势的多 孔二氧化锆陶瓷管、具有导线作用的套管以及为防止氧化锆管破损的防护罩与导入排气的通气窗等构成。在试管状氧化锆元素的内外两侧，设置了白金电极，为了保护白金电极，用陶瓷包覆电极外侧，内侧输入氧浓度高的大气，外侧输入氧浓度低的汽车排出气体。 图1-82 氧化锆式氧传感器的结构 a)结构图 b)局部放大图 1-防护置 2-氧化锆体 3-壳体 4-输出接头 5-外套 6-导线 7-电动势 8-大气一侧的白金电极 9-固态电解质(氧化锆元素)10-排气一侧的白金电极 11-涂层(陶瓷)12-排气 13-大气 图1-83a所示氧化锆式氧传感器的作用原理，氧化锆在高温下具有这样一种特性，即当内外侧的氧浓度差较大时，就会产生电动势，这种传感器的工作和干电池的原理相似，氧传感器的二氧化锆起到类似电触液的作用。 在高温时，二氧化锆能导电，如果此时两个极板接触的气体的含氧量不同，极板之间就会产生一个微量电压。这是因为氧离子带两个自由电子，即有负电荷，而二氧化锆吸收氧离子，结果负电荷积聚在靠铂极一侧的二氧化锆表面。氧传感器利用这一性质，在氧化锆管内侧导入大气(氧浓度高)，外侧接触氧浓度低的排气。因此，随着排气中的氧浓度变化，其内外侧浓度比也在变化，在氧不足的过浓混合气侧，其氧浓度比较大，使之产生电动势。同时，在氧过剩的稀薄混合气侧，其氧浓度比较小，使之几乎不产生电动势。 图1-83 氧化锆式氧传感器的作用原理及输出特性 a)氧化锆式氧传感器的作用原理 b)没有铂催化作用时的输出特性 c)有铂催化作用时的输出特性 1-铂电极 2-多孔陶瓷层 3-排气 4-标准空气 5-铂电极 6-固体电解质(氧化锆)7-电动势 8-电动势曲线 9-传感器表面氧浓度曲线 即使在过浓混合气燃烧时，排气中也会有少量氧存在。因此，只有氧化锆管，不能形成可获得充分电动势的氧浓度比。而在氧化锆管表面覆盖多孔铂时，不仅具有电极的作用，还有催化剂作用，即 2CO+O2一?2CO2 通过这种作用，过浓混合气燃烧时生成的排气与铂(催化剂)接触，使该部分残存的低浓度氧几乎与一氧化碳(CO)完全反应，由于铂表面的 O2浓度几乎为零(其表面CO浓度也相应减少)，故氧浓度比非常大，从而可产生1V左右的电动势。故采用具有催化剂作用的铂作电极，可使电动势以理论空燃比为界发生突变。 对于稀薄混合气燃烧生成的排气，由于存在高浓度的O2与低浓度的CO，即使CO与O2完全反应，也会有剩余的O2存在，故氧浓度比低，几乎不产生电压。 此外，在接近理论空燃比的排气中，存在着低浓度的CO与O2，在铂表面O2从与CO完全反应状态(CO过剩，O2为零)，急剧向氧过剩状态(CO为零，O2过剩)变化，氧浓度比也急剧变化，从而使电动势急剧变化，图1-83b、c所示为氧化锆式氧传感器的输出特性。但上述特性只在温度比较高的条件下才能充分体现出来，在低温时，这种特性会发生很大变化，这时为了能够得到稳定的输出，应把氧传感器安装在不使温度降低的 位置，如可把图1-84所示的陶瓷加热器置于氧化锆元素的内侧，使氧化锆氧传感器保持较高温度，这种方法已经实用化了。 图1-85a所示为氧化锆式氧传感器的空燃比反馈控制系统实例，在该系统中，为对排气中的CO、HC、NOx三种成分同时获得高净化率，而采用了三元催化剂。为使三元催化剂发 挥最佳效果，必须在各种工况下，总是使空燃比控制在理论值水平附近。因此，使用氧化锆式氧传感器来检测排气中的氧浓度，通过发动机电控单元的反馈控制，即可实现控制空燃比 的反馈控制。 图1-84 带加热器的氧化锆式氧传感器 1-氧化锆 2-加热器(陶瓷表面) 图1-85b所示为反馈控制系统工作原理，空燃比大时，排气中氧浓度增高，氧传感器把这种状态转变为电信号输入ECU。然后，ECU控制增加燃油喷射量。同样，空燃比小于理论空燃比时，排气中氧浓度降低，氧传感器把这种浓度状态输入ECU然后ECU控制减少喷油量，使之恢复原来状态。就是这样，反馈控制系统通过反复地进行这种动作，使空燃比接近理论值水平。 图1-86所示为氧传感器与ECU的连接电路。排气氧浓度与大气氧浓度的差值可产生电动势，把该电动势在输入回路的比较器中与基准电压对比，以0.45V以上为1(浓信号)，以0.45 V以下为0(稀薄信号)输入ECU。 图1-85 氧化锆式氧传感器的空燃比反馈控制系统框图 a)系统框图 b)工作原理图 1-吸入空气量信号 2-冷却水温度信号 3-空气流量计或负压传感器 4-转速传感器 5-发动机 6-三元催化剂 7-氧传感器 8-喷油器 9-燃油喷射量信号 10-ECU 11-转速信号 12-喷油时间补充回路 13-决定基本喷射时间电路 图1-86 氧传感器与ECU的连接电路 1-氧传感器 2-基准电压 3-比较器 4-电脑 2、二氧化钛(TiO2)式氧传感器 二氧化钛式氧传感器采用TiO2 N型半导体元件制成，该传感器也与氧化锆式氧传感器一样，可通过检测排气中氧浓度控制空燃比。 图1-87所示为二氧化钛式氧传感器的结构，TiO2元件为一圆板状电极在绝缘体(陶瓷)的削端，装有一TiO2热敏电阻元件，从其两电极与两元件的中点共引出3根导线。同时，在绝缘体的表面缠绕着钨丝加热圈，从中又引出两根导线。 二氧化钛氧传感器的工作原理同氧化锆式氧传感器的工作原理有很大不同，它是利用导体二氧化钛(TiO2)，依周围氧气分压的不同而进行氧化或者还原反应，使电阻发生变化。 图1-87 二氧化钛式氧传感器结构及特性 a、b)结构 c)特性 1-TiO2氧传感器元件 2-壳体 3-绝缘体 4-端子 5-陶瓷连结片 6-导线 7-TiO2热敏电阻元件 氧分压如果偏离理论空燃比，则呈阶跃变化。所以利用测定的氧气分 压，即传感器的电阻变化，就能测得空燃比的偏离差值。与空燃比相对应的传感器电阻值的变化特性如图1-89c所示，图中以理论空燃比为界，电阻值产生跃变。 当周围气体介质中的氧元素多时，二氧化钛的电阻值增大;反之，氧元素少时，电阻值减小。与氧化锆式氧传感器相同，由于在理论空燃比附近电阻值急剧变化，故其输出电压也急剧变化。 二氧化钛式氧传感器的三个端子分别是基准电源、传感器输出端和接地端。由于二氧化钛的电阻随温度变化，故串联热敏电阻后具有温度补偿作用。在低温状态下，二氧化钛电阻值增大，影响其正常的性能，为使其快速升温以活化其性能，可装有加热线圈。 二氧化钛式氧传感器虽然比氧化锆式氧传感器结构简单、体积小、便宜，但电阻随温度的变化大。因此，需要加设温度修正回路，内装加热器，以便使高温下的二氧化钛式氧传感器检测特性比较稳定。 电器控制与PLC应用复习资料 一、名词解释 1、 中间继电器是将一个输入信号变成多个输出信号或将信号放大(即增加触头容量)的继 电器. 2、 低压隔离器是一类在电源切除之后将线路与电源明显地隔开以保障检修人员安全的手动 操作电器。 3、 组合开关是一种采用叠装式结构将动触头和静触头装在绝缘件 内的刀开关，其层数由动 触头数量决定，动触头安装在操作手柄的转轴上，随转轴旋转而改变各对触头的通断状态。 4、 低压断路器是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压和欠压、过载和短路保护的电 器。 5、 电器元件布置图是一种在图上绘出了所有电气设备和电器元件的技术文件。在生产机械 电器控制设备制造、安装和维修中必不可少。 6、 接线图中画出设备电控系统个单元和个元器件间的接线关系，并标注出所需数据，如接 线端子号、连接导线参数等，主要用于安装接线、线路检查、线路维修和故障处理，实际应用中通常与电路图和位置图一起使用。 PLC程序容量一般指PLC所能存放用户程序的多少。 PLC输入输出点数(即I/O点数)是指: 9、 符号地形图编程模式是指用户通过输入一些表示逻辑关系的元素图形符号来监理程序， 程序在屏幕上用梯形图形式来显示的一种编程模式。 10、 布尔梯形图编程模式是指用户通过输入指令的助记符(或称布尔符号)来建立程 序，程序在屏幕上仍以梯形图的形式显示的编程模式。 二、填空 1、 分磁环使铁芯中的两部分磁通所产生的电磁吸力不会为零，从而消除了衔铁的振动和噪 声。 2、 触头的作用是接通或分断电路，因此要求其具有良好的接触性能，电流容量较小的银器 (如接触器、继电器)常采用银质材料作触头。 25A以上的交流接触器装有灭弧罩，灭弧罩按其额定电压和额定电流不同分为栅片式和纵 缝式两种。 4、 近年来从国外引进一些交流接触器产品，有德国BBC公司的B系列、西门子公司的3TB 系列、法国TE公司的LC1-D和LC2-D系列等。 AC2是指交流接触器的控制对象为绕线式异步电动机的启动和停止 AC4是指交流接触器的控制对象为笼形异步电动机的启动、反接制动、反转和电动 7、 过电流继电器的动作电流整定范围，交流过电流继电器为110%~350%IN，直流过电流 继电器为70%~300%IN。 8、 欠电流继电器的电流整定范围，吸合电流为30%~50%IN，释放电流为10%~50%IN，欠 电流继电器一般是自动复位的。 9、 使熔断器熔体熔断的电流值与熔断器的保护特性曲线，也称熔断器的安-秒特性。 PLC将电控(逻辑控制)、电议(过程控制)和电结(运动控制)这三电集于一体 可以方便灵活的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。 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与机械触点，也是 保障可靠性高的重要原因，而采用循环扫描的工作方式，也提高的抗干扰能力。 12、 步进控制功能是指用步进命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，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由于那个键构成的步进控制器。 13、 定时/计数控制器是指用PLC提供的定时器、计数器指令实现对某种操作的定时或 计数控制，以取代时间继电器和计数器。 14、 扩展功能是指通过连接输入/输出扩展单元(即I/O扩展单元)模块来增加输入、 输出点数，也可以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。 15、 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 主机相连接，进行远程控制，接收信号，传出信号。 PLC采用典型的计算机结构主要包括CPU、RAM、ROM和输入输出接口电路等。 PLC内部采用总线结构进行数据和指令的传输。如果把PLC看做一个系统，该系统 由输入变量?PLC?输出变量组成。 I/O区的寄存器可直接与PLC外部的输入、输出端子传递信息。这些I/O寄存器在 PLC中具有“继电器”的功能，即有他们自己的“线圈”和“触点”。故在PLC中又常称之一寄存器为“I/O继电器区”。 19、 每个I/O寄存器由一个字(16个bit)组成，每个bit位对应一个外部端子，称作 一个I/O点。 FP0可经RS232口直接连接调制解调器，通信时若选用“调制解调器”通信方式， 则FP0可使用AT命令自动拨号，实现远程通信，如果使用C-NET通信单元，还可将多个FP0单元连接在一起构成分布式控制网络。 21、 松下电工的各种编程工具软件适用于任何FP系列可编程控制器，所以也可用于 FP0。而且由于FP0的编程工具接口是RS232C，所以连接个人电脑仅需一根电缆，不需要适配器。 X、Y分比别表示输入、输出继电器，它们以位(bit)寻址，而WX和WY则是以 字(Word)寻址的输入、输出继电器(或称为输入、输出寄存器)。他们可以直接向输入、输出端子传递信息。 23、 增加扩展单元时，FP0主控单元可自动进行I/O分配，故不需要设定I/O编号。 24、 常数主要用来存放PLC输入数据，十进制常数用数据前加字头K表示;十六进制 常数用数据前加字头H表示;不论是十进制数还是十六进制数，在PLC内部都将转换为补码形式的十六位二进制数。 25、 索引寄存器还可以以索引指针的形式与寄存器或常数一起使用，可起到寄存器地 址或常数的修正值作用。 26、 在FP0型PLC中初始定义有100个定时器，编号T0~T99.通过系统寄存器NO.5 可重新设定定时器的个数。 27、 在同一个程序中，相同序号的定时器只能使用一次，而该定时器的触点可以通过 常开或常闭触点的形式被多次使用。 28、 当NSTP或NSTL前面的触点闭合时执行该步进指令，使程序转入下一段步进程 序。此时PLC将前面程序中用过的数据区清除，输出关断，定时器复位。但二者的使用条件是不同的;NSTP只在触点由断到通的一瞬间即上升沿时执行，此后即使触点一直处于闭合状态也不再执行，而NSTL则只要其前面的触点式闭合的就执行。 SSTP指令表示开始启用一段步进程序;CSTP表示步进清除，当最后一段步进程序 执行完成后，使用这条指令可以自动清除数据区，输出关断，定时器复位;STPE指令表示步进结束，执行到该指令即结束整个步进过程。 三、判断 1、 触头的结构有桥式和指式两类。桥式触头又分两种，一种为点接触式，适用于电流不大 的场合;另一种为面接触式，适用于电流较大的场合 2、 指形触头(也称线接触)，指形触头在接通与分断时产生滚动摩擦，可以去掉氧化膜。 故其触头可以用紫铜制造，特别适用于触头分合次数多，电流大的场合。 3、 交流接触器的主触头经过交流电流，但对他的吸引线圈的电压并没有硬性规定，通常多 数是施加交流电压，也有为了增加接触器的开闭次数和可靠性采用直流吸引线圈的。 4、 窄缝(纵缝)灭弧的几条纵缝在电弧所形成的磁场电动力的作用下可使电弧分割成数段 且与固体介质接触，电弧迅速熄灭。这种结构多用在交流接触器上。 5、 交流接触器的吸引线圈电压只在85%~105%时能正常工作，电压过低、高于这个范围， 线圈都有可能烧毁。 6、 直流接触器吸引线圈的可靠工作电压也是在85%~105%UN范围，电压降到5%~10%UN 时，动铁芯释放。 7、 新型中间继电器触头闭合过程中动、静触头间有一段滑擦、滚压过程，可以有效的清除 触头表面的各种生成膜及尘埃，减小了接触电阻，提高了接触可靠性， 有的还装了防尘罩或采用密封结构，也是提高可靠性的措施。 8、 有些中间继电器安装在插座上，插座有多种型式可供选择，有些中间继电器可直接安装 在导轨上，安装和拆卸均很方便。 9、 电动机式时间继电器延时时间长，可达数小时延时精度高，但结构复杂，体积较大，常 用的有JS10、JS11系列和7PR系列。、 10、 电子式时间继电器多为数字式，又称计数式，其结构是由脉冲发生器、计数器、 数字显示器、放大器及执行机构组成，具有延时时间长、调节方便、精度高的优点。 11、 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的串联及其他 各种逻辑连接，进行开关控制。 12、 数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、位移、数制转换及编码和译码等 操作。 13、 通信联网功能是指通过PLC之间的联网，PLC与上位机中间的连接等，实现远程 I/O控制或数据交换，以完成急哦阿大规模的系统控制。 14、 监控功能是指PLC监视系统个部分的运行状态和进程，对系统中出现的异常情况 进行报警和记录，甚至自动终止运行，也可在线调试，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。 PLC外部的各种开关信号、模拟信号以及传感器中检测的各种信号均作为PLC的输 入变量，他们经过PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算处理后送到输出端子，他们是输出变量。 CPU是中央处理器(center processing unit)的缩写，CPU一般由控制电路、运算器 和寄存器组成。他作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。 17、 在程序中，每个I/O点都可以看成是一个“软继电器”，有常开触点，也有常闭 触点，同一个命名的触点可以反复使用，其使用次数不限。 18、 在PLC中常用这样的逻辑量代替实际的物理器件，用这种“软继电器”代替“硬 继电器”可以大大减少外部接线，增加系统设计的灵活性，便于实现柔性制造系统(FMS)。 FP0的运行速度在同类产品中是最快的，每个基本指令执行速度为0.9μs，500步的 程序只需0.5ms的扫描时间还可以缩短至50μs的窄脉冲，即FP0有脉冲捕捉功能。 FP0具有5000步的大容量内存及大容量的数据寄存器，可用于复杂控制及大数据量 处理。 四、问答 1、 电磁机构铁芯和衔铁的结构形式是怎样的, 答:从常用铁芯的衔铁运动形式上看，铁芯主要可分为拍合式和直动式两大类。 衔铁沿轴转动的拍合式铁芯形式有E形和U形两种，其铁芯材料由硅钢片叠成，多用于触头容量较大的交流电器中，衔铁直线运动的双E形直动式铁芯则多用于触头为中、小容量的交流接触器和继电器中。 2、 直流电磁铁的吸力特性有哪些, 答:直流电磁铁在衔铁在被吸合前后，其电磁吸力是不同的。因为直流电磁铁励磁电流的大小只与所加电源电压U及线圈电阻R有关。在U和R均不变时，电流I是定值。电磁铁未吸合时，磁路中有空气隙，磁路中的磁阻很大，使得磁通??减小;电磁铁吸合后，气隙减小，磁路中的磁阻减小，则磁通??增大。 3、 直流电磁式时间继电器的特性有哪些, 答:直流式电磁式时间继电器是用阻尼的方法来延缓磁通变化的速度，已达到延时目的的时间继电器，其结构简单，运行可靠，寿命长，允许通电次数多。但它仅适用于直流电路，延时时间较短。一般通电延时仅为0.1~0.5s，而断电延时可达0.2~10s。因此，直流电磁式时间继电器主要用于断电延时。 4、 热继电器的基本结构是怎样的, 答:热继电器是一种电气保护元件。它是利用电流的热效应来推动动作机构使触头闭合或断开的保护电器，主要用于电动机的过载保护、断相保护、电流不平衡保护以及其他电气设备发热状态时的控制。热继电器由电阻丝做成的热元件，其电阻值较小，工作时将它串接在电动机的主电路中，电阻丝所围绕的双金属片是由两片线膨胀系数不同的金属片压合而成， 左端与外壳固定。当热元件中通过的电流超过其额定值而过热时，由于双金属片的上面一层热 膨胀系数小，而下面的大，使双金属片受热后向上弯曲，导致扣板脱扣， 扣板在弹簧的拉力下将常闭触点断开 5、 速度继电器的速度动作范围是什么, 答:速度继电器的动作速度一般不低于120r/min，复位转速约在100r/min以下，该数值可以调整。工作时，允许的转速高达1000~3600r/min。 6、 机械设备，电器控制系统的分析步骤是那些, 答:机械设备电气控制系统的分析步骤课分为: A、 设备运动分析。对液压系统驱动的设备还需进行液压系统工作状态分析。 B、 主电路分析。确定动力电路中用电设备的数目、接线状况及控制要求、控制执行件 的设备及动作要求。如交流接触器主触头的位置，各组主触头分、合的动作要求，限流电阻的接入和短接等 C、 控制电路分析。分析各种控制功能的实现。 F80(BCD)与F81(BIN)指令书写格式及含义是什么, 答:F80、F81是一对互逆的转换指令，前者是将16bits二进制数转换为4digitBCD码，后者是将4digitBCD码转换为16bits的二进制数。其指令书写格式及说明如下: |—| |—[F80 BCD，S，D] |—| |—[F81 BIN，S，D] S:需转换的数据所在寄存器。 D:转换后的数据所在寄存器。 F85(FNEG)16位数据求补指令书写格式及含义是什么, 答:F85(FNEG)16位数据求补指令的书写格式为:|—| |—[F85 NEG，D]。它表示当触发信号接通时，将D指定的16位数据的每一位(0或1)求补，求补结果存于D中。求补的方法是将所有位求反后再将结果加1。 五、程序设计题 1、 设计程序，使按下SS一秒后KM1启动，再延时一秒以后KM3启动，以实现星形 启动，延时六秒后KM3断开，0.5秒后KM2接通实现?运转。 S S3 YV M S2 S1 2、设计程序，当水池低水位时S4打开，YV打开，进水定时4S若S4仍不为off—水阀无进水，若S4off，水塔S2为开，则水塔无水，M启动，若水塔S1，ON时，停机。 梯形图四种方法 可编程控制器plc外部接线简单方便，它的控制主要是程序的设计，编制梯形图是最常用的编程方式，使用中一般有 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 设计法，逻辑设计法，继电器控制电路移植法和顺序控制设计法，其中顺序控制设计法也叫功能 表图设计法，功能表图是一种用来描述控制系统的控制过程功能、特性的图形，它主要是由步、转换、转换条件、箭头线和动作组成。这是一种先进的设计方法，对于复杂系统，可以节约60%~90%的设计时间.我国1986年颁布了功能表图的国家标准(gb6988.6-86)。有了功能表图后，可以用四种方式编制梯形图，它们分别是:起保停编程方式、步进梯形指令编程方式、移位寄存器编程方式和置位复位编程方式。本文以三菱公司f1系列plc为例，说明实现顺序控制的四种编程方式。 例如:某plc控制的回转工作台控制钻孔的过程是:当回转工作台不转且钻头回转时，若传感器x400检测到工件到位，钻头向下工进y430当钻到一定深度钻头套筒压到下接近开关x401时，计时器t450计时，4s后快退y431到上接近开关x402，就回到了原位。功能表图见图1: 图1 功能表图 2 使用起保停电路的编程方式 起保停电路仅仅使用与触点和线圈有关的指令，无需编程元件做中间环节，各种型号plc的指令系统都有相关指令，加上该电路利用自保持，从而具有记忆功能，且与传统继电器控制电路基本相类似，因此得到了广泛的应用。这种编程方法通用性强，编程容易掌握，一般在原继电器控制系统的plc改造过程中应用较多。如图2为使用起保停电路编程方式编制的与图1顺序功能图所对应的梯形图，图2中只有常开触点、常闭触点及输出线圈组成。 图2 起保停电路实现顺序控制 3 使用步进梯形指令的编程方式 步进梯形指令是专门为顺序控制设计提供的指令，它的步只能用状态寄存器s来表示，状态寄存器有断电保持功能，在编制顺序控制程序时应与步进指令一起使用，而且状态寄存器必须用置位指令set置位，这样才具有控制功能，状态寄存器s才能提供stl触点，否则状态寄存器s与一般的中间继电器m相同。在步进梯形图中不同的步进段允许有双重输出，即允许有重号的负载输出，在步进触点结束时要用ret指令使后面的程序返回原母线。把图1中的0-3用状态寄存器s600-s603代替，代替以后使用步进梯形指令编程，对应的梯形图如图3所示。这种编程方法很容易被初学者接受和掌握，对于有经验的工程师，也会提高设计效率，程序的调试、修改和阅读也很容易，使用方便，程序也较短，在顺序控制设计中应优先考虑，该法在工业自动化控制中应用较多。 图3 步进指令实现顺序控制 1。启动、保持、停止电路 x1 x2 |--||---|/|-----(y1) | | | y1 | |--||- | 2.三相异步电机正反转控制电路 | | x0 x2 x1 y1 |--||--------|/|------|/|-------|/|-------(y0) 正转 | | | y0 | |--||------ | | x1 x2 x0 y0 |--||--------|/|------|/|-------|/|-------(y1) 反转 | | | y1 | |--||------ | 3.闪烁电路 x0 t1 |--||---|/|-----(to)k20 | | t0 |--||-----------(t1)k30 | | |-----(y0) 4.延时接通/断开电路 x0 |--||-----------------(t0)k90 | | y1 x0 |--||--------|/|------(t1)k30 | | t0 t1 |--||--------|/|------(y1) | | | y1 | |--||------ 考验，已经被证明能完成系统要求的控制功能，而继电器电路图又与梯形图有很多相似之处，因此可以将继电器电路图―翻译‖成梯形图，即用plc的外部硬件接线图和梯形图有很多想似之处，继电器系统的功能。这种设计方法一般不需要改动控制面板，保持了系统原有的外部特性，操作人员不用改变长期形成的操作习惯。 1、基本方法 继电器电路图是一个纯粹的硬件电路图。将它改为plc控制时，需要用plc的外部接线图和梯形图来等效继电器电路图。可以将plc想象成是一个控制箱，其外部接线图描述了这个控制箱的外部接线，梯形图是这个控制箱的内部―线路图‖，梯形图中的输入位和输出位是这个控制箱与外部世界联系的―接口继电器‖，这样就可以用分析继电器电路图的方法来分析plc控制系统。在分析梯形图时可以将输入位的触点想象成对应的外部输入器件的触点，将输出位的线圈想象成对应的外部负载的线圈。外部负载的线圈除了受梯形图的控制外，还右能受外部触点的控制。 将继电器电路图转换成为功能相同的plc的外部接线图和梯形图的步骤如下: 1) 了解和熟悉被控设备的工作原理、工艺过程和机械的动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理。 2) 确定plc的输入信号和输出负载。继电器电路图中的交流接触器和电磁阀等执行机构如果用plc的输出位来控制，它们的线圈在plc 的输出端。按钮、操作开关和行程开关、接近开关等提供plc的数字量输入信号继电器电路图中的中间继电器和时间继电器的功能用plc内部的存储器位和定时器来完成，它们与plc的输入位、输出位无关。 3) 选择plc的型号，根据系统所需要的功能和规模选择cpu模块，电源模块和数字量输入和输出模块，对硬件进行组态，确定输入、输出模块在机架中的安装位置和它们的起始地址。 4) 确定plc各数字量输入信号与输出负载对应的输入位和输出位的地址，画出plc的外部接线图。各输入和输出在梯形图中的地址取决于它们的模块的起始地址和模块中的接线端子号。 5) 确定与继电器电路图中的中间、时间继电器对应的梯形图中的存储器和定时器、计数器的地址。 6) 根据上述的对应关系画出梯形图。 1、注意事项 根据继电器电路图设计plc的外部接线图和梯形图时应注意以下问题: 1) 应遵守梯形图语言中的语法规定。由于工作原理不同，梯形图不能照搬继电器电路中的某些处理方法。例如在继电器电路中，触点可以放在线圈的两侧，但是在梯形图中，线圈必须放在电路的最右边。 2) 适当的分离继电器电路图中的某些电路。设计继电器电路图时的一个基本原则是尽量减少图中使用的触点的个数，因为这意味着成本的节约，但是这往往会使某些线圈的控制电 路交织在一起。在设计梯形图时首要的问题是设计的思路要清楚，设计出的梯形图容易阅读和理解，并不是告别在意是否多用几个触点，因为 这不会增加硬作的成本，只是在输入程序时需要多花一点时间。 3) 尽量减少plc的输入和输出点。 plc的价格与i/o点数有关，因此输入、输出信号的点数是降低硬件费用的主要措施。 在plc的外部输入电路中，各输入端可以接常开点或是常闭点，也可以接触点组成的串并联电路。plc不能识别外部电路的结构和触点类型，只能识别外部电路的通断。 4) 时间继电器的处理 时间继电器除了有延时动作的触点外，还有在线圈通电瞬间接通的瞬动触点。在梯形图中，可以在定时器的线圈两端并联储器位的线圈，它的触点相当于定时器的瞬动触点。 5) 设置中间单元 在梯形图中，若多个线圈都受某一触点串并联电路的控制。为了简化电路，在梯形图中可以设置中间单元，即用该电路来控制某存储位，在各线圈的控制电路中使用其常开触点。这种中间元件类似于继电器电路中的中间继电器。 6) 设立外部互锁电路 控制异步电动机正以转的交流接触器如果同时动作，将会造成三相电源短路。为了防止出现这样的事故，应在plc外部设置硬件互锁电路。 7) 外部负载的额定电压 plc双向晶闸管输出模块一般只能驱动额定电压ac220v的负载，如果系统原来的交流接触器的线圈电压为380v，应换成220v的线圈，或是设 置外部中间继电器。 plc初学者梯形图编程的一般原则 最起码的基本指令要会,功能指令最好看得越多以后越有用,还有plc的 功能模块也要学习(当然如果你有条件或愿意学的话).总之看你的态度了, 多学无害.附指令表希望对你有用 三菱fx2n应用指令集 程序流程应用指令 1、fnc(cj) 跳转指令 2、fnc01 fnc02 fnc06(call sret fend) 调用子程序 3、fnc03 fnc04 fnc05(iret ei di)中断处理 4、fnc07(wdt)看门狗定时器 5、fnc08 fnc09(for next)程序循环 数据传送、区域比较应用指令 1、fnc10(cmp) 比较 2、fnc11(zcp)区域比较 3、fnc12(mov) 传送应用指令 4、fnc13 (smov)数据移位应用指令 5、fnc14(cml)数据反相传送应用指令 6、fnc15 (bmov) 成批传送 7、fnc16 (fmov) 多点传送应用指令 8、fnc17 (xchp) 数据交换 9、fnc18(bcd) 将bin转换为bcd 10、fnc19(bin) 将bck转换为bin 四则运算逻辑应用指令 1、fnc20(add) 加法应用指令 2、fnc21(sub) 减法 3、fnc22(mul) 二进制乘法 4、fnc23(div) 二进制除法 5、fnc24(inc) 增加 6、fnc25(dec) 减少 7、fnc26(wand) 逻辑与 8、fnc27(wor) 逻辑或 9、fnc28(wxor) 二进制互斥逻辑异或 10、fnc29(neg) 求补码 旋转、位移应用指令 1、fnc30、fnc31(rorp、rolp)左、右旋转 2、fnc32 fnc33(rcrp、rclp)包含进位标识的左、右旋转 3、fnc34、fnc35(sftrp、sftlp)位数据左、右移 4、fnc36、fnc37(wsfrp、wsflp)字符数据左、右移 5、fnc38、fnc39(sfwrp、wfrdp)字符数据位移写入与读出 数据处 理应用指令 1、fnc40(zrst)区域数据复位 2、fnc41(deco)译码 3、fnc42(enco)编码 4、fnc43(sum)on位总数计算 5、fnc44(bon)on位判断 6、fnc45(mean)平均值 7、fnc46、fnc47(ans、anr)警报线圈的输出与复位 8、fnc48(sqr)开平方 高速处理应用指令 1、fnc50(rer)输入/输出信号立即处理 2、fnc51(reff)改变输入端响应时间 3、fnc52(mtp)矩阵输入 4、fnc53(dhscs)高速计数器比较设置 5、fnc54(dhscr)高速计数器比较复位 6、fnc55(dhsz)高速计数器区域比较 7、fnc56(spd)脉冲密度 8、fnc57(plsy)脉冲输出 9、fnc58(pwm)脉冲宽度调制 10、fnc59(plsr)加减速脉冲输出 宏应用指令 1、fnc60(ist)步进运转状态设定 2、fnc61(ser)多笔数据比较 3、fnc62(absd)绝对式控制 4、fnc63(incd)相对式控制 5、fnc64(timr)调整式定时器 6、fnc65(stmr) 特殊定时器 7、fnc66(altp)交替信号 8、fnc67(ramp)求斜率 9、fnc69(sort)数据排序 外部设定显示应用指令 1、fnc70(tky)10个按钮输入 2、fnc71(hky)16个按钮键输入 3、fnc72(dsw)指拨开关 4、fnc73(segd)7段数码管译码 5、fnc74(segl)7段数码扫描 6、fnc75(arws)箭头开关外部设定调整