万洲电气股份--转子变频IGBT占空比给定问题.docVIP

应用S7-200的PWM发生器解决转子变频IGBT占空比给定问题 陈华桥 万洲电气集团有限公司 襄阳441002 摘要：本文介绍了现代斩波式转子调速系统的原理以及控制方式，阐述其优点。在此系统控制过程中PLC起到至关重要的作用包括主回路逻辑控制、模拟量采样及处理、系统状态指示、系统故障判断及保护、IGBT占空比的给定等。 关键字：PWM占空比、IGBT、逻辑控制 1.引言 斩波式转子调速系统主要由变频调速装置、内反馈电动机或高压绕线式电动机等两大部分组成。系统具有控制电压低，控制功率小，智能驱动，安全可靠，操作方便，谐波小，效率高，调速平滑，性价比高等特点。可应用于各种风机、水泵的调速，平均节电率率高。斩波式转子变频调速技术在国内已经日益成熟，市场份额逐年上升，其厂家所使用的控制器大致可以分为二类：一类是以单片机芯片为基础集成控制与显示为一体的控制器，该控制器在成本及控制速度方面有一定优势，但也存在显示不直观界面小、电磁抗干扰性差、现场调试逻辑修改专业性强等缺点。另一类是以西门子S7-200可编程控制器+HMI（人机界面）组建的控制系统，该系统借助S7-200系列PLC的极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、丰富的内置集成功能、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块等出色表现成为众多厂家的首选，其可靠性、二次开发性等具有很强的优势。［1］ 主回路和工作原理［2］ 2.1主回路的组成 IGBT斩波式转子调速(俗称转子变频)系统主电路图如图1所示。 图1 IGBT斩波式转子调速系统主电路 通过分析主回路可知，系统回路大致由5个部分组成：主回路逻辑控制接触器、万洲电气WYQ系列水阻启动器、整流模块、IGBT升压斩波电路、有源逆变模块、保护部分等。 2.2工作原理及本文需要解决的问题 现代转子调速原理是将逆变角固定为最小值βmin，通过IGBT高频斩波来调节附加电势。设斩波占空比为α，则附加电势为（1－α）Uβ min。所以，改变斩波占空比α就可以改变附加电势，从而达到调速的目的。 S7-200有两路PWM发生器，建立脉宽调节信号信号波形。一路发生器指定给数字输出点Q0.0，另一路发生器指定给数字输出点Q0.1。一个指定的特殊内存（SM）位置为每路发生器存储以下数据：一个控制字节（8位值）、一个脉冲计数值（一个不带符号的32位值）和一个周期和脉宽值（一个不带符号的16位值）。其输出PWM波形周期范围为10us--65535ms，占空比可调范围0%-100%，其波形标准，抗干扰能力强等特点完全满足工程电力IGBT升压斩波电路。故使用S7-200解决IGBT占空比是本文解决的问题之一。 在国内众多转子变频生产厂家中通常由特定分频芯片通过采集同步信号处理后将逆变角β固定在25°βmin 35°，故在PLC程序中未设计到逆变角问题（但包含逆变故障保护功能）。 另外，系统逻辑控制也是本文需要解决的一个问题之一，如逻辑部分出现错误可能导致整个系统及电机产生毁灭性的灾害。鉴于S7-200系列PLC具有极丰富的指令集、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块等出色表现对于解决本系统逻辑控制已经绰绰有余。 除上述问题外，模拟量处理、系统状态指示、系统故障判断及保护等同样需要S7-200系列PLC来完成。 基于S7-200的IGBT斩波式转子调速系统编程［3］［4］ 3.1 IGBT占空比α 编程 在现代转子调速系统中IGBT控制方式为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,缩写为PWM）或脉冲调宽型。保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton即为PWM。 使用S7-200系列PLC实现对IGBT占空比α的控制有二种方法：一种是通过PLC编程得到所需要PWM标准波形，然后通过外围电路进行隔离放大成周期不变，开关导通时间ton时段电压为+15V,关断时段toff电压为-15V的矩形波，如图2所示。 图2 IGBT模块驱动波形 斩波式转子调速系统使用S7-200系列PLC内部产生PWM波形程序如下： S7-200系列PLC内PLS(PWM/PTO输出)指令是靠读取指定SM内存位置的数据，并以此为PWM/PTO发生器编程。PWM/PTO位控制所对应功能如表1： Q0.0 Q0.1 位功能 =0 =1 SM67.0 SM77.0 PTO/PWM更新周期值 无更新 更新周期 SM67.1 SM77.1 PWM更新脉宽时间值 无更新 更新脉宽 SM67.2 SM77.2 PTO更新脉冲计值 无更新 更新脉冲计数 SM67.3 SM77.3 PTO/PWM选择 1us/tick 1ms/tick SM67.4 SM77.4 PWM更新方法 异步更新 同步更新 SM67.5 SM77.5 PTO操作 单段操作 多段操作 S