第十章 现代控制技术

第一节 可编程控制器

【教学目标】

知道可编程控制器及其应用。 【教学重点】

可编程控制器的特点。 【教学难点】

可编程控制器的基本结构。 【教学过程】 【一、复习】

简述继电器—接触器系统控制电路的功能。 【二、引入新课】

较大系统的电气控制设备，其控制电路是很复杂而庞大的。例如，四层楼的电梯，其控制电路中将会涉及到几十甚至几百个接触器、继电器。如果要PLC控制，无论是控制电路还是所使用器件，都会减少到令人吃惊的地步。 【三、讲授新课】

10.1.1 可编程控制器的特点

1．可编程控制器（简称PLC）：可编程控制器是专用的计算机系统。 2．控制系统：以图10.1所示异步电动机正、反转控制为例进行分析。

图10.1 三相异步电动机正反转控制电路示意图

正转起动按钮SBstF、反转起动按钮SBstR、停止按钮SBstP等“发布命令”的电器移在示意图的左侧。

接触器线圈等“执行命令”的电器移在示意图的右侧。 控制电路中具有逻辑运算功能的电路在示意图中间方框中。

10.1.2 可编程控制器的基本结构

可编程控制器基本结构如图10.2所示。它是由输入接口、输出接口、处理器（简称CPU）和电源部件组成。

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图10.2 PLC基本结构示意图

如图10.3为PLC和编程器外形图。图中，输入单元和输出单元是连接输入、输出设备的接口，持续在CPU内存储器中处理。编程器用来输入程序，其作用相当于计算机的键盘。

图10.3 PLC和编程器外形图

【四、小结】

可编程控制器（PLC）作为新型工业控制设备必将逐步取代传统继电器——接触器系统，就目前而言，虽然其输出还要配合接触器，但其内部软件形成的软继电器所能发挥的功能仍然是十分强大的。 【五、习题】

一、是非题：1；二、选择题：1；三、填空题：1、2。

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第二节 变频器

【教学目标】

了解变频器的基本原理及其应用。 【教学重点】

变频器的基本原理。 【教学难点】

交－直－交变频器的分类及工作。 【教学过程】 【一、复习】

PLC的工作原理。 【二、引入新课】

变频空调对室温的控制。 【三、讲授新课】

10.2.1 变频器的用途及结构

1．变频器的功效

（1）功效之一是节能。电机在设计过程中都留有一定的余量，变频器通过降低电机转速减少输出功耗，实现“按需供能”例如变频空调通过改变电机转速“按需供能”，这样压缩机就不会频繁起动，会使压缩机保持稳定的工作状态，可以使空调达到节电的效果，同时减少噪音，延长空调使用寿命。

（2）功效之二就是与PLC、计算机配合，达到精确控制、改善产品品质、提高生产效率、降低维护费用、提高生产自主化水平的目的。

2．变频器工作过程。

变频器工作过程示意图如图10.4所示。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源电压变换为另一频率的电能的控制装置。变频器在改变电源频率的同时，也对输出电源的电压进行线性调节，从而实现对交流电动机无级调速。

图10.4 变频器工作过程示意图

3．变频器的结构

变频器的结构如图10.5所示。变频器由整流器、中间储能环节、逆变器和控制器组成。

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图10.5 变频器的基本结构

（1）整流器的作用：将单相或三相交流电整流成直流电。变频器的负载为电动机，属于感性负载，会与电网之间有无功功率的交换。这种无功功率的交换要靠中间储能环节的储能元件来缓冲，储能元件主要是电感元件和电容元件。

（2）逆变器是利用半导体开关器件组成的逆变电路。逆变是相对整流而言，即将直流电逆变为交流电。逆变电路通过有规律地控制逆变器中开关器件的通与断，得到所需频率的三相交流电。

（3）控制电路由运算电路、检测电路和驱动电路等组成。其作用是对逆变电路的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。

10.2.2 变频器的种类

变频器分为交－交、交－直－交两种形式，其结构如图10.6所示。

图10.6 变频器结构

✓ 交－交变频器是将工频交流电直接变换成频率、电压均可调的交流电。

✓ 交－直－交变频器是先将工频交流电通过整流滤波转换成直流电，然后再把直流电变换成频

率、电压均可调的交流电，这种方式又称为间接式变频器。目前，广泛应用的是交－直－交变频器。 1． 按照输出性质分类

（1） 电流型变频器。特点：采用大电感作为中间储能环节。这种变频器直流内阻较大，接近

于电流源，称为电流型变频器。用途：用于频繁急加速、减速的大容量电动机的传动。 （2） 电压型变频器。特点：采用大电容作为中间储能环节。由于大电容的作用，主电路直流

电压比较平稳，输出到负载电动机端的电压为方波或阶梯波。由于这种变频器的直流电源内阻较小，相当于电压源，称为电压型变频器。 2． 按照输出电压调节方式分类

变频器在调速时，需要同时调节逆变器的输出电压和输出频率，以保证电动机能正常工作，对输出电压的调节主要有两种方式。

（1） PAM方式。通过改变直流电压的幅值进行调压的方式，又称为脉冲幅值调节方式。 （2） PWM方式。变压器的输出频率和输出电压的调节均由逆变器按PWM方式来完成，又称

为脉冲方式调节方式。 3． 按照控制方式分类

（1） U/f控制。对变频器的输出频率和电压分别控制，称为U/f控制。

（2） 转差率控制。转差率控制方式可以有效地提高调速精度，它是针对具体电动机的机械特

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性调整控制参数，因而这种控制方式的通用性较差。

（3） 矢量控制。U/f控制方式和转差率控制方式的动态指标不高，利用矢量控制主要是为了提

高变频器调速的动态性能，主要用于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的应用场合。 10.2.3 变频器参数的设定

（1） 起动时间。起动时间的设定不宜长。经验值1.5～2s/kW，小功率电动机要取大些；大于30kW的电动机取大于2s/kW。 （2） 制动时间。制动时间的设定宜长不宜短。对水泵、风机以自由停车为宜。

（3） 起动频率。起动频率的设定值大一些，对电动机加速起动有利，尤以轻载时更适用。对

重载负荷起动，如果频率值设定过大，会造成起动电流加大，一般起动频率从0Hz开始合适。 （4） 起动转矩。与起动频率设定基本一致。

（5） 基本频率。基本频率的标准是50Hz/380V，即U/f＝380/50=7.6，但在因重载负荷起动不

了，而调整其它参数也无效时，调整基本频率是最效的方法，即将50Hz的频率跳到30Hz或以下，此时U/f值大于7.6，即在同频率下，尤其低频段时，输出电压增高，转矩增大，在重负荷时能够很好地起动。 （6） 制动时过电压。制动时过电压产生的原因是由于制动时间短，制动电阻过小引起的，适

当增加制动时间，增大制动电阻值可以避免。 （7） 制动方法。能耗制动适用于一般制动，能耗消耗在电阻上，以发热的形式损耗。在较低

频率下，制动力矩过小，易产生爬行现象。直流制动适用于精确停车或停位，无爬行现象，可与能耗制动联合使用，一般在≤20Hz时用直流制动，＞20Hz时用能耗制动。回馈制动适用于100kW以上、调速比D≥10、高低速交替或正反转交替且运行周期时间短的电动机，在这种情况下，回馈能量可达电动机容量的20％。 【四、小结】

1． 了解变频器的用途及结构。 2． 了解变频器的种类。 3． 了解变频器参数的设定。 【五、习题】

是非题：2；二、选择题：2；三、填空题：3、4。

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第三节 传感器

【教学目标】

了解传感器的基本原理及其应用。 【教学重点】

传感器的基本原理。 【教学难点】

传感器的应用。 【教学过程】 【一、复习】

变频器的应用。 【二、引入新课】

自动门、声控灯的控制。 【三、讲授新课】

10.3.1 传感器

传感器：将非电能转换成电能的器件称为传感器，若转换为标准信号（如4mA～20mA），则这种传感器称为变送器。

传感器是测量装置，它的输入量是某一被测量，可以是物理量，也可以是化学量等，它的输出量是某种物理量，这种物理量应该是便于传输、转换、处理、显示，这种量可以是气、光、电物理量，主要是电物理量。输出量和输入量之间有准确的对应关系，且应有较高的精度。 10.3.2 传感器的组成

传感器的组成框图如图10.7所示。

图10.7 传感器组成的框图

（1）敏感元件的作用：是直接感受被测量的元件，即被测量通过敏感元件转换成与被测量有确定关系，且易于转换的非电量。

（2）传感元件的作用：也称为转换元件，是将敏感元件输出的非电量转换成电参数再进行输出。 （3）测量转换电路的作用：将常规元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。 10.3.3 传感器的分类

传感器的分类如表10.1所示。

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10.3.4 传感器的应用 1.液位检测

液位检测可以使用电容液位传感器或超声波传感器实现。电容液位传感器是利用被测物质的不同介电常数将液位变化转换成电容变化进行测量的。

电容传感器分为三类：变极距式、变面积式、变介电常数式。

电容液位或料位检测传感器属于变介电常数式。如图10.9为电容液位传感器的原理图。

图10.9 电容液位传感器

在图10.9（a）中，当被测绝缘液体的液面在同轴双金属管的两个电极之间上下变化时，引起两个电极间不同介电常数介质（上面是空气，下面为非导电液体）高度的变化，从而导致总电容的变化。

图10.9（b）所示为测量导电液体液位的电容传感器示意图，当被测介质是导电的液体时，内电极应采用金属管外套聚四氟乙烯套管式电极，外电极就是容器内的导电介质本身。 2.金属材料厚度测量

电容测厚仪可用来测量金属材料的厚度，图10.10所示为测量厚度的电容测厚仪示意图。

图10.10 电容测厚仪

在被测金属带材的上下两侧各放置一块面积相等且与带材距离相等的极板，这样极板与带材就形成了两个电容器。把两块极板用导线连接起来就成为一个极板，而金属带材就是电容器的另一个极板。如果带材厚度发生变化，则引起电容的变化。用交流电桥将电容的变化检测出来并经过放大，即可由电容测厚仪显示出带材厚度的变化。 【四、小结】

1．了解传感器的作用及组成。 2．了解传感器的分类及应用。 【五、习题】

一、是非题：3、4；三、填空题：5。

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