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【正文】 機(jī)械手的 PLC 控制 表 311 小型異步三相電動(dòng)機(jī) 機(jī) 座 1 2 3 4 5 6 7 8 9 定子鐵 12 14 16 21 24 28 32 36 42 中心高 90 10 11 13 16 18 22 25 28 表 312 中型異步三相電動(dòng)機(jī) 機(jī) 座 11 12 13 14 15 定子鐵心 560 650 740 850 990 中心高度 375 450 500 560 620 中、小型三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)座號(hào)與定子鐵心外徑及中心高度的關(guān)系見表 311 和表 312。 2．額定功率 額定功率是指在滿載運(yùn)行時(shí)三相電動(dòng)機(jī)軸上所輸出的額定機(jī)械功率，用表示， 以千瓦（ kW）或瓦（ W）為單位。 3．額定電壓 額定電壓是指接到電動(dòng)機(jī)繞組上的線電壓，用 UN 表示。三相電動(dòng)機(jī)要 求所接的電源電壓值的變動(dòng)一般不應(yīng)超過(guò)額定電壓的177。 5%。電壓過(guò)高，電動(dòng)機(jī)容 易燒毀；電壓過(guò)低，電動(dòng)機(jī)難以啟動(dòng)，即使啟動(dòng)后電動(dòng)機(jī)也可能帶不動(dòng)負(fù)載，容 易燒壞。 4．額定電流 額定電流是指 三相電動(dòng)機(jī)在額定電源電壓下，輸出額定功率時(shí)，流入定子繞 組的線電流，用 IN 表示，以安（ A）為單位。若超過(guò)額定電流過(guò)載運(yùn)行，三相電 動(dòng)機(jī)就會(huì)過(guò)熱乃至燒毀。 三相異步電動(dòng)機(jī)的額定功率與其他額定數(shù)據(jù)之間有如下關(guān)系式 PN ?? 3U N I N cos?N?N 式中 cos?N —— 額定功率因數(shù) ?N —— 額定效率 5．額定頻率 26 機(jī)械手的 PLC 控制 額定頻率是指電動(dòng)機(jī)所接的交流電源每秒鐘內(nèi)周期變化的次數(shù)，用 fN 表示。 我國(guó)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)電源頻率為 50Hz。 6．額定轉(zhuǎn)速 額定轉(zhuǎn)速表示三相電動(dòng)機(jī)在額定工作情況下運(yùn)行時(shí)每分鐘的轉(zhuǎn)速，用 nN表示， 一般是略小于對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速 n1。如 n1=1500r/min，則 nN =1440r/min。 7．絕緣等級(jí) 絕緣等級(jí)是指三相電動(dòng)機(jī)所采用的絕緣材料的耐熱能力，它表明三相電動(dòng)機(jī) 允許的最高工作溫度。三相電動(dòng)機(jī)的絕緣等級(jí)和最高允許溫度參見表 。 8．定額 定額是指三相電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，即允許連續(xù)使用的時(shí)間，分為連續(xù)、短時(shí)、 周期斷續(xù)三種。 1）連續(xù) 連續(xù)工作狀態(tài)是指電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行時(shí)間很 長(zhǎng)，電動(dòng)機(jī)的溫升 可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫升的工作方式 2）短時(shí) 短時(shí)工作狀態(tài)是指電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行時(shí)間很短，使電動(dòng)機(jī)的溫 升達(dá)不到穩(wěn)態(tài)溫升；停機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)，使電動(dòng)機(jī)的溫升可以降到零的工作方式。 （ 3）周期斷續(xù) 周期斷續(xù)工作狀態(tài)是指電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行時(shí)間很短，使電動(dòng) 機(jī)的溫升達(dá)不到穩(wěn)態(tài)溫升；停止時(shí)間也很短，使電動(dòng)機(jī)的溫升降不到零，工作周 期小于 10min 的工作方式。 9．接法 三相電動(dòng)機(jī)定子繞組的連接方法有星形（ Y）和三角形（△）兩種。定子繞 組的連接只能按規(guī)定方法連接，不能任 意改變接法，否則會(huì)損壞三相電動(dòng)機(jī)。 10．防護(hù)等級(jí) 防護(hù)等級(jí)表示三相電動(dòng)機(jī)外殼的防護(hù)等級(jí)，其中 IP 是防護(hù)等級(jí)標(biāo)志符號(hào)， 其后面的兩位數(shù)字分別表示電機(jī)防固體和防水能力。數(shù)字越大，防護(hù)能力越強(qiáng)， 如 IP44 中第一位數(shù)字 “ 4” 表示電機(jī)能防止直徑或厚度大于 1毫米的固體進(jìn)入電 機(jī)內(nèi)殼。第二位數(shù)字 “ 4” 表示能承受任何方向的濺水。 27 機(jī)械手的 PLC 控制 3． 3 機(jī)械手電機(jī)的選用 Y2 系列三相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)新穎、造型美觀、噪音低、振動(dòng)小、絕緣等 級(jí)高等特點(diǎn)，產(chǎn)品現(xiàn)已達(dá)到九 十年代國(guó)際先進(jìn)水平，是 Y系列電機(jī)的更新產(chǎn)品。 外殼防護(hù)等級(jí) IP54，它具有良好的起動(dòng)性能和運(yùn)行性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠， 維修方便等特點(diǎn)，電機(jī)采用 E 級(jí)或 B 級(jí)絕緣，外殼防護(hù)等級(jí)為 IP44，冷卻方式 為 ICO141，額定頻率為 50Hz，額定電壓為 380V。 豎軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)承載整個(gè)機(jī)械手的所有負(fù)載，需要功率較大，而機(jī)械手主要用于生 產(chǎn)線夾持較輕便物體，綜合考慮，豎軸選用 Y263M22，功率 250W，可滿足生 產(chǎn)需要。 橫軸主要驅(qū)動(dòng)橫臂的左右運(yùn)動(dòng)，承載重量較小，選用 Y263M12，功率 180W， 即可滿足生產(chǎn)需要。 電動(dòng)機(jī) 3 主要用來(lái)控制機(jī)械手抓的加緊和放松，所承載負(fù)載最小，因此可選用 Y263M14，功率 120W。 第四章 變頻器 變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。 20 世紀(jì) 60 年代以后， 電力電子器件經(jīng)歷了 SCR(晶閘管 )、 GTO(門極可關(guān)斷晶閘管 )、 BJT(雙極型功率 晶體管 )、 MOSFET(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管 )、 SIT(靜電感應(yīng)晶體管 )、 SITH(靜電感 應(yīng)晶閘管 )、 MGT(MOS 控制晶體管 )、 MCT(MOS 控制晶閘管 )、 IGBT(絕緣柵雙極型 晶體管 )、 HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管 )的發(fā)展過(guò)程，器件的更新促進(jìn)了 電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。 20 世紀(jì) 70 年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻 (PWM － VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。 20 世紀(jì) 80 年代，作為變頻技術(shù)核心 的 PWM 模式優(yōu)化問(wèn)題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍 形波 PWM 模式效果最佳。 20 世紀(jì) 80 年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達(dá) 國(guó)家的 VVVF 變頻器已投入市場(chǎng)并獲得了廣泛應(yīng)用。 28 機(jī)械手的 PLC 控制 變頻器的構(gòu)成 異步電動(dòng)機(jī)用變頻器調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的結(jié)構(gòu)圖如圖 41 所示。通常由變頻器主電 路（ IGBT、 BJT、或 GTO 做逆變?cè)┙o異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源 輸出的電壓或電源及頻率，由控制回路指令進(jìn)行控制。而控制指令則根據(jù)外部的 運(yùn)轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運(yùn)算獲得。對(duì)于需要精密速度或快速響應(yīng)的場(chǎng)合，運(yùn)算還應(yīng)包含由 變頻器主電路和傳動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)出來(lái)的信號(hào)和保護(hù)電路信號(hào)，即防止因變頻器主電 路的過(guò)電壓，過(guò)電流引起的損壞外就，還應(yīng)保護(hù)異步電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)等。 圖 41 變頻器的構(gòu)成 29 機(jī)械手的 PLC 控制 圖 42典型的電壓型逆變器一例 主電路 給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)速調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖 42 示出了典型的電壓逆變器的例子，其住電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直 流功率的 “ 整流器 ” ，吸收在整流和逆變時(shí)產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的 “ 平波回路 ” ，以及 將直流功率變換為交流功率的 “ 逆變器 ” 。另外，異步電動(dòng) 機(jī)需要制動(dòng)時(shí)，有時(shí) 需附加 “ 制動(dòng)回路 ” 。 1 整流器 最近大量使用的是二極管的變流器，如圖 42所示，它把工頻電源變換為直 流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn) 行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。 2平波回路 在整流器整流后的直流電壓中，含有電源 6 倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生 的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電 流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路的構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用 簡(jiǎn)單的平波電路。 30 機(jī)械手的 PLC 控制 3逆變器 同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，根據(jù) PWM 控制信號(hào)使 6 個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷，就可以得到三相頻率相同的交流輸出。 4制動(dòng)電路 異步電動(dòng)機(jī)在再生制動(dòng)區(qū)域使用時(shí)（轉(zhuǎn)差率為負(fù)），再生能量?jī)?chǔ)存于平波回路電 容器中，使直流電壓升高。一般說(shuō)來(lái)，由機(jī)械系統(tǒng)（含電動(dòng)機(jī)）慣量積蓄的能量 比電容能儲(chǔ)存的能量大，需要快速制動(dòng)時(shí)，可用逆變器向電源反饋或設(shè)置制動(dòng)回 路（開關(guān)和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓升高。 控制電路 給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、 頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，稱為 控制電路。如圖 41 所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的 “ 運(yùn)算電路 ” ， 主電路的 “ 電壓 /電流檢測(cè)電路 ” ，電動(dòng)機(jī)的 “ 速度檢測(cè)電路 ” ，將運(yùn)算電路的控 制回路信號(hào)進(jìn)行放大的 “ 驅(qū)動(dòng)電路 ” ，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的 “ 保護(hù)電路 ” 。 在圖 41 點(diǎn)劃線內(nèi)，僅以控制 A 部分構(gòu)成控制電路時(shí)，無(wú)速度檢測(cè)電路，為 開環(huán)控制。在控制電路 B 部分增加了速度檢測(cè)電路，即增加了速度指令，可以對(duì) 異步電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制更精確的閉環(huán)控制。 控制電路主要包括： 1運(yùn)算電路 將外部的速度 、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決 定逆變器的輸出電壓、頻率。 2電壓 /電流檢測(cè)電路 與主回路電位隔離，檢測(cè)電壓、電流等。 3驅(qū)動(dòng)電路 為驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。它使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 4速度檢測(cè)電路 以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸上的速度檢測(cè)器（ TG、 PLG 等）的信號(hào)為速度信號(hào)，送 入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。 5保護(hù)電路 檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或過(guò)電壓等異常時(shí)，為了防止逆變 31 機(jī)械手的 PLC 控制 器和異步電動(dòng) 機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。 保護(hù)回路主要包括： （ 1） 逆變器保護(hù) 1）瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù)。由于逆變器負(fù)載側(cè)短路等，流過(guò)逆變器器件的電流達(dá) 到異常值（超過(guò)容許值）時(shí)，瞬時(shí)停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)，切斷電流。變流器的 輸出電流達(dá)到異常值，也同樣停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。 2）過(guò)載保護(hù)。逆變器輸出電流超過(guò)額定值，且持續(xù)通達(dá)規(guī)定的時(shí)間以上， 為了防止逆變器期間、線路等損壞要停止運(yùn)轉(zhuǎn)。恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)需要反時(shí)限特性， 采用熱繼電器或者電子熱保護(hù)（使用電子電路）。過(guò)負(fù)載是由于負(fù)載的 GD（慣 性）過(guò)大或因負(fù)載過(guò)大使電 機(jī)堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。 3）再生過(guò)電壓保護(hù)。采用逆變器使電動(dòng)機(jī)快速時(shí)，由于再生功率直流電路 電壓將升高，有時(shí)超過(guò)容許值。可以采取停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)或快速減速的辦法， 防止過(guò)電壓。 4）瞬時(shí)停電保護(hù)。對(duì)于數(shù)毫秒以內(nèi)的瞬時(shí)停電，控制電路工作正常。但瞬 時(shí)停電時(shí)間在 10s 以上時(shí)，通常會(huì)使控制電路誤動(dòng)作，主電路也不能供電， 所以檢出后使逆變器停止工作。 5）接地過(guò)電流保護(hù)。逆變器負(fù)載側(cè)接地設(shè)計(jì)，為了保護(hù)逆變器，有時(shí)要有 接地過(guò)電流保護(hù)功能。但為了確保人身安全，需要裝設(shè)漏電斷路器。 6）冷卻風(fēng)機(jī)異常。有冷卻風(fēng)機(jī) 的裝置，當(dāng)風(fēng)機(jī)異常時(shí)裝置內(nèi)的溫度將上升。 因此采用風(fēng)機(jī)熱繼電器或器件散熱片傳感器，檢出異常后停止逆變器。 （ 2）異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù) 1）過(guò)載保護(hù)。過(guò)載檢出裝置與逆變器保護(hù)共用，但考慮低速運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)熱時(shí)， 在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)埋入溫度檢出器，或者利用裝在逆變器內(nèi)的電子熱保護(hù)來(lái)檢 出過(guò)熱。動(dòng)作頻繁時(shí)，可以考慮減輕電動(dòng)機(jī)負(fù)載、增加電動(dòng)機(jī)及逆變器容量 等。 2）超頻（超速）保護(hù)。逆變器的輸出頻率或者異步電動(dòng)機(jī)的速度超過(guò)規(guī)定 值時(shí)，逆變器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 （ 3）其他保護(hù) 1）防止失速過(guò)電流。急加速時(shí)，如果異步電動(dòng) 機(jī)跟蹤遲緩，則過(guò)電流保護(hù) 32 機(jī)械手的 PLC 控制 電路動(dòng)作，運(yùn)轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進(jìn)行（失速），所以，在負(fù)載電流 減小之前要進(jìn)行控 制，抑制頻率上升或使頻率下降。對(duì)于 恒速運(yùn)轉(zhuǎn)中的過(guò)電流，也進(jìn)行同樣的控 制。 2）防止失速再生電壓。減速時(shí)產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了 防止再生過(guò)電壓保護(hù)電路動(dòng)作，在直流電壓下降之前要進(jìn)行控制，抑制頻率下降， 防止失速再生過(guò)壓。