变频调速系统范文

变频调速系统范文（精选11篇）

变频调速系统 第1篇

随着现代工业技术的发展,变频调速技术在机械加工中已得到广泛的应用[1]。在数控车床实验系统中,主轴旋转精度决定了零件的加工精度,变频调速调节数控机床主轴的转速,具有高效率、宽范围、高精度的特点,主轴调速越来越多地采用变频调速[2]。从主轴调速系统的总体性能指标出发,如何正确选择电机和变频器,求得电机与变频器的最佳配合,是主轴变频调速系统设计的关键。

本研究主要探讨数控车床实验系统的主轴变频调速系统的设计。

1 变频调速的基本原理

交流感应电动机的转速为:

n0=n(1-s)=60f(1-s)/p (1)

式中:f定子电源频率,s转差率,p磁场极对数。

由式(1)知,改变电源的频率f,电动机转子转速就随之得到调节,这就是变频调速。变频器利用电力半导体器件的通断作用,可以将工频电源变换为另一频率的电源,提供电动机无级调速所需要的电压、频率,实现异步电动机的平滑调速[3]。

变频器实现变频的方式主要有交流-交流变频和交流-直流-交流变频(直接转矩控制变频或矢量控制变频)。交流-交流变频就是改变晶闸管导通控制角α的大小和变化的频率,实现交流-交流的电压和频率的调整。利用晶闸管的导通性能,本研究先把工频交流电源转换成直流电源,再利用由晶闸管构成的逆变器主电路,输出三相频率和电压均可调整、等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波),实现交流-直流-交流变频,拖动三相异步电机调速运转[4,5]。

2 数控车床实验系统主轴调速的变频电机选择

由于切削过程的复杂性,影响切削力的因素非常多,因此目前尚未导出简便的计算切削力FX,FY,FZ的理论公式,一般都是通过大量实验,建立经验公式来计算切削力。本研究将背吃刀量、进给量及切削速度3个主要因素作为可变因素,而其他影响因素则用修正系数间接计算,可以得出FX,FY,FZ 3个分力的经验公式[6]:

$\{\begin{array}{l}F{}_{{\rm Z}}=C{}_{Fz}\cdot a{}_p^{xFz}\cdot f{}^{yFz}\cdot V{}^{nFz}\\ F{}_Y=C{}_{Fy}\cdot a{}_p^{xFy}\cdot f{}^{yFy}\cdot V{}^{nFy}\\ F{}_X=C{}_{Fx}\cdot a{}_p^{xFx}\cdot f{}^{yFx}\cdot V{}^{nFx}\end{array}$

(2)

式中:FZ切削力;FY径向力;FX进给力;V切削速度,V=πnd/(1 000×60);n工件转速;d工件直径;f进给量。

车削时,FZ比FY,FX大得多,而且FY,FX方向上的运动速度又很小,因此,FY,FX所消耗的功率很小(仅为1%～2%),故可忽略不计。适用于车床的切削力的计算公式如下:

FZ=9.81CFza${}_{{\rm P}}^{xFz}$ (3)

根据数控车床实验系统的运行条件,取:CFz=40,xFz=1.0,yFz=0.75,apmax=6 mm,fmax=0.2 mm/r,n=2 500 mm/min,d=30 mm。则切削功率Pm=FzV×10-3=704.13×3.93×10-3=2.765 kW。本研究取机床的传动效率ηm=0.75,则数控机床主轴电机功率PE≥Pm/ηm=3.687 kW。

变频器供电下的异步电机运行条件发生了根本的变化[7],电机运行时,随着变频器的调频调压控制,机械特性曲线可以任意平移,这使异步电机在性能上大大改善。所以,数控车床实验系统变频电机的选择,还应考虑:①电机与车床主轴功率特性匹配问题;②变频电机与普通电机机座号尽量相同;③强力切削和加工材料的不均匀性,主电机功率应有一定的储备[8,9]。

该实验系统选用新乡市特种电机制造有限公司的YVP系列4级变频电机,额定功率为5.5 kW,额定转矩30 Nm,额定电流为12 A,可与同类变频装置配套,互换性、通用性强,其功率、底脚安装尺寸和中心高等对应指标与Y系列异步电机完全一致,与实验系统环境要求相符。主要技术指标为电压:三相380 V/50 Hz;变频调速范围:5 Hz～100 Hz无级调速。低速时转矩平滑,无爬行现象;能通过变频装置的电压提升,保证电动机在5 Hz时输出额定转矩而不致使电机因发热而烧毁。

3 变频器类型的选择

在数控车床实验系统中,主轴调速变频器的选型应注意:①变频器是实现恒压控制还是恒流控制;②变频器的负载性能曲线;③变频器与负载的匹配问题,变频器的额定电压、电流应与负载的额定电压、电流相符,对于特殊的负载则需要参考电机性能参数,以最大电流确定变频器电流和过载能力,在恒转矩负载或有减速装置时还应注意转矩匹配;④考虑到高次谐波会导致输出电流增大,变频器驱动电机,特别是电抗小的高速电机,其容量应略大于普通电机的选型;⑤电缆、电机对地耦合电容的存在,也会引起电流增大,变频器的容量应适当提高;⑥采用PWM控制逆变器,整流器不可控的变频器,功率因数相对较低、网侧谐波污染严重、无法实现能量的再生利用,在要求较高的场合,整流和逆变过程都采用PWM控制的双PWM变频器[10]。

在数控车床实验系统中,选择变频器时,变频器的额定电流是一个关键量。对于采用4极以上电动机或者多电动机并联时,必须以总电流不超过变频器的额定电流为原则。数控机床属于连续运转,连续运转时所需的变频器额定容量和额定电流应满足下式:

$\{\begin{array}{l}{\rm P}{}_{C{\rm N}}\ge \frac{k{\rm P}{}_{{\rm M}}}{\eta \cos \text{ϕ}}(\text{k}\text{V}\text{A})\\ {\rm P}{}_{C{\rm N}}\ge k\times \sqrt{3}U{}_{{\rm M}}{\rm I}{}_{{\rm M}}\times 10{}^{-3}(\text{k}\text{V}\text{A})\\ {\rm I}{}_{C{\rm N}}\ge k{\rm I}{}_{{\rm M}}(\text{A})\end{array}$

(4)

式中:PM负载所要求的电动机的轴输出功率;η电动机的效率(通常约0.85);cos ϕ电动机的功率因数(通常约0.75);UM电动机电压,V;IM电动机电流,A;k电流波形的修正系数(PWM方式取1.05～1.0);PCN变频器的额定容量,kVA;ICN变频器的额定电流,A。

变频器与异步电动机组成不同的调速系统时,变频器容量的计算方法也不同。上述适用于单台变频器为单台电动机供电连续运行的情况,三者是统一的,选择变频器容量时应同时满足3个算式。

在数控车床实验系统中,主轴调速系统变频器是按照选定的电动机型号确定的,电动机的额定电流IM为12 A,额定电压380 V,额定功率为5.5 kW,选择的变频器容量和额定电流应满足下式:

$\{\begin{array}{l}{\rm P}{}_{C{\rm N}}\ge \frac{k{\rm P}{}_{{\rm M}}}{\eta \cos \text{ϕ}}=\frac{1.05\times 5.5}{0.85\times 0.75}=9.0(\text{k}\text{V}\text{A})\\ {\rm P}{}_{C{\rm N}}\ge k\times \sqrt{3}U{}_{{\rm M}}{\rm I}{}_{{\rm M}}\times 10{}^{-3}=8.3(\text{k}\text{V}\text{A})\\ {\rm I}{}_{C{\rm N}}\ge k{\rm I}{}_{{\rm M}}=1.05\times 12=12.6(\text{A})\end{array}$

(5)

对动态性能要求较高的数控车床实验系统,原来多采用直流传动方式。目前,矢量控制型变频器已经通用化,对于要求高精度、快响应的数控车床的实验系统,采用矢量控制高性能型通用变频器是一种很好的方案[11],而且中、小容量变频器以电压型变频器为主,此实验系统选用三菱FR-A740-3.7K-CHT系列变频器。其基本参数:额定电流为12.6 A,额定容量为9 kVA,允许电动机最大功率为5.5 kW,额定过载电流为150%,额定输出电压为3相380 V～480 V,电压允许波动为±5%,需强制风冷。

本研究选择的变频电机与变频器配置合理,且其调整性能和启动转矩均能满足系统要求。

4 数控车床实验装置

数控实验装置属于小型实验机床,调速范围不大,不需要换挡。主轴调速的实验装置接线图如图1所示,TA、TB、TC端子接外部控制电路,PA、PB端子用来制动,SVC、0V端子用来改变频率,COM、SCW、SCCW端子用控制电动机的正反转,QF是空气开关,有隔离电源、断路、过电流、欠电压等保护作用。

数控车床实验平台示意图如图2所示。

数控车床的实验系统是利用实验控制面板对工作台进行控制,在面板上能体现各部分的操作情况。出现的故障能在面板上体现出来,使系统更加直观,便于数控车床的检测、维修及故障排除等方面的学习。主轴变频调速系统设计是数控车床实验系统的一个重要部分,在数控车床实验系统中,主轴调速采用变频电机与变频器配合使用的变频调速,较电磁调速电机结构更加简单,维修方便,且效率高、节能效果显著;调速平滑,范围广,能在5 Hz～100 Hz范围内无级调速;起动电流小,不用附加起动设备,低频起动时力矩对负载冲击小;体积小、重量轻、安装尺寸和Y系列相同,特别适合在数控车床实验系统中使用。

5 结束语

变频调速的应用范围非常广泛,在50 Hz以下可作恒转矩运行,在50 Hz以上可作恒功率运行,是一种理想的调速控制方式。用于数控车床主轴调速控制系统的变频调速,其因起动性能优越、高效节能、调速范围大、精度高、无级调速等优点而得到广泛的应用,并逐步取代直流调速。交流变频器和变频电机组成的变频调速系统,应用在数控车床的实验系统中,更便于检测、维修以及故障排除等方面的学习,具有很高的实用价值。

摘要：主要针对要求高精度、快响应的数控车床主轴调速系统的设计要求,通过对变频调速的基本原理和变频方式的分析,提出了变频电机与变频器组合的调速方案。根据数控车床实验系统的运行条件,计算车床的切削力和主轴电机的功率,为选择实验系统的主轴变频调速电机提供依据。根据选定的变频电机的特性,提出了变频器的选择原则,进而选择了额定容量和额定电流均与变频电机匹配的,且采用矢量控制高性能型通用电压型变频器。最后,简要介绍了数控车床实验平台的设计思路。研究结果表明,选择的变频电机与变频器配置合理且其调整性能和启动转矩均能满足实验系统的要求。

关键词：变频调速,变频电机,变频器,数控车床

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变频调速系统 第2篇

一、变频调速系统主要特点

1. 明显改善结构受力状态。由于变频器具有软启动、软停止的功能，所以起重机启动、制动相对平稳，对起重机的传动机构、钢结构的冲击明显减小。经检测证实，变频调速控制系统的应用可大大改善起重机结构的受力状态。

2.调速范围宽，性能好。起重机专用的变频器一般具有很强的环境适应性，由于变频器内部进行了模块化设计，集成度高，可靠性强。系统实现闭环控制，具有很强的限速、防失速和力矩控制能力，并具有优良的伺服响应特性，对急速的负载波动有很强的适应性。操作者可根据作业要求，随时修改各挡速度值，也可选择操作电位器实现无级调速。

3.结构简单、可靠性高、易维护。变频调速控制系统采用独立的控制柜，系统设计合理，外观结构简单，检修方便。尤其是起升系统用一套装置即可实现原两套起升控制装置的功能，既减轻了小车的自重，改善了钢结构的受力状况，又增加了小车的维修空间，便于日常保养和维护。系统还具有过流保护、过压保护、欠压保护、短路保护、接地保护等功能，确保了控制、保护动作的准确性和可靠性。变频调速控制系统还具有自诊断功能，通过同PLC的通信来实现故障实时显示及处理对策，便于查找故障和维修。

4.提高工作效率和减小机械磨损。起重机起升系统可根据负荷大小自动切换实现空钩、副钩、主钩等多挡不同的工作速度，减少了速度切换交替的辅助时间，降低了司机劳动强度，可大大提高起重机的作业效率。同时由于变频器采用软启动和软制动，不仅减小了对钢结构的冲击，还减轻了制动轮与刹车片间的磨损。

5.提高了安全性。起升机构实现了闭环矢量控制，具备了零速转矩的功能，即在起升机构制动器出现机械故障而失灵的情况下，变频器可自动输出足够大的转矩(大于150%) 不使负载下滑，从而提高系统的安全性。

6. 超载报警。(1)90%额定载重量时，发出断续的报警声，显示重物质量值但正常工作。(2)105%额定载重量时，发出连续的报警声，2s后自动切断变频器输出，显示重物质量值并停止工作。(3)120%额定载重量时，发出连续的报警声，立即自动切断变频器输出，显示重物质量值同时停止工作。

7. 节能效果显著。一般变频器具有自动节能操作模式，同时能较大地提高系统功率因数和工作效率，因此节电率可达20%左右。

二、控制方式及起升电机的选取

1. 起升系统采用矢量控制，一台变频器控制一台起升变频电机，其速度的自动切换由变频专用质量测控仪和可编程控制器来完成，大、小车系统控制采用V/F控制，各由一台变频器控制多台电机。所有限位保护触点均作为PLC的 输入点，经程序处理再进行保护，

2. 起升电机的选取应考虑具备较宽的调速范围，采用变频电机代替普通的线绕式电机。变频电机在闭环控制条件下，50Hz以下为恒转矩调速，50～100Hz为恒功率调速， 其绝缘结构具有对于变频器输出高载波频率电压的适应能力，能够承受200%额定转矩的过载，满足125%额定起重量的静载试验。

3. 选用可靠性高、编程简单、使用方便、功能完善的 PLC代替原继电器、接触器控制方式，与变频器相结合，实现“机电一体化”。由于变频器的干扰因素较多，对PLC的参数采集要考虑干扰，因此在配线和接线等操作时要注意抗干扰的措施，输出线要采用钢管作屏蔽处理，所有的控制线都采用屏蔽线，而且要注意接地问题。同时在编制程序时，要采取软件抗干扰措施。

三、变频调速对起重机整体的影响

1. 变频调速对起重机特性的影响。起重机实际载荷具有多变性，不仅在不同的循环中可能有不同的载荷，即使吊同样的物件载荷也是随机变化的。载荷的变化与离地时的情况、加减速度、制动时间、风阻力等因素有关。(1)变频调速改变了载荷的离地速度，做到零速起升，降低起升机构的动应力系数;加减速为无级调速;增添电制动形式，降低机械制动冲击力;降低制动器制动力矩及起重机自重。(2)变频器的应用可节省控制柜空间，发挥PLC总

线控制或遥控器操作的优势，同时一套变频器可供不同时工作的多机使用，可节省大量输电线及一次性投资。(3)高功率因数，低启动电流。变频调速在满载运行时电机具有高达0.9以上的功率因数、下降过程不从电网提取能量或向电网反馈能量的特点，降低了对前级变压器的配置要求，节约能源及一次性投资。(4) 变频调速的应用优化了起重机的工作性能提高了起重机整机寿命和机构的定位精度，改善了劳动强度及人机关系。

2.变频调速对结构件的影响。变频调速降低了载荷离地时的速度及载荷离地瞬间产生的附加加速度;减少了载荷离地瞬间对起重机的动态冲击值及附加加速度引起的附加动应力载荷。变频调速能降低起升动载荷系数值，从而可降低起重机动载载荷及起重机的自重。

3.降低电机启动力矩。欧洲机械搬运协会标准(FEM)对不同类型电机的启动转矩M有相应的规定：直接启动的鼠笼电机Mmin/M Nmax≥1.6(Mmin为电机最小启动转矩，MNmax为电机最大额定启动转矩);滑环电机Mmin/MNmax≥1.9;调压和变频类电机 Mmin/M Nmax≥1.4。变频调速对启动转矩的降低，可进一步降低动载荷对机械结构及传动部件的强度要求。

4.回转和行走机构。变频调速的S特性可消除速度切换过程中的力矩冲击，力矩可变及电制动特性的应用，可消除反向切换过程中的齿间间隙造成的冲击力矩，降低机械制动时的运行速度，从而降低对制动力矩的要求，减少制动冲击，提高运行或回转机构部件的使用寿命。变频起重机行走机构的减速器、传动轴等传动部件的力矩选择可按传统机构的1/1.5选用。

四 结论

风扇变频调速系统开发 第3篇

随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势,电机交流变频调速技术是当今推动节电技术进步的一种主要手段。加之单片微型计算机功能集成化的发展,其应用也逐渐由传统的控制,发展到模拟信号处理,数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)以及液晶的显示等,且它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多能灵活的组装成各种智能控制装置。现今世面上的风扇频率固定、稳定性较差、不能实现步进变频和转速测量,基于此而选择将单片机控制变频的研究运用到家用风扇,实现交流风扇的变频调速。本文以AT89C51单片机为控制核心,以交流电动机为控制对象,由电机芯片L298构成脉宽调制型逆变电路,实现对交流电动机转速控制的系统的硬件组成、软件设计。

1 系统设计原理

以单片机为控制中心,分为控制电路组件、逆变电路组件、风扇测速组件和液晶显示组件。通过控制电路组件中的键盘输入设定频率值,单片机产生信号与逆变电路组件构成脉宽调制(PWM)型逆变电路,采用交-直-交方式,把工频交流电源通过桥式整流、滤波等过程转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。再利用集成化的霍尔元件作为风扇测速组件,将磁钢安装在风扇根部,霍尔探头置于风扇根部附近,风扇旋转时磁钢通过霍尔探头附近时,信号线上将产生一个脉冲,将这个脉冲反馈给单片机控制的液晶,从而来测定及显示风扇的在设定频率的转速。系统框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 控制电路

控制电路主要以AT89C51为控制中心,建立最小系统,外接键盘和液晶,利用编写的程序产生SPWM(正弦脉宽调制)输出,通过键盘控制设定频率值,再将采集的反馈信号在液晶上显示。控制电路主要是产生SPWM输出,且提供键盘输入和液晶显示。其中键盘和液晶直接编写程序即可实现,SPWM的产生要通过计算才能实现,具体PWM由正弦调制波和三角载波比较产生,正弦波发生器和三角波发生器分别由单片机的模拟电路组成,在异步调制方式下,三角波的频率是需固定的,而正弦波的频率和幅值随调制深度的增大而线性增大。简单直观,但存在一些缺点,系统可靠性低,输出电压的频率和幅值不稳定,精度低,难以实现最优化SPWM控制。采用专用集成芯片可以产生稳定高效的SPWM,但是这些专用芯片在市场上不易买到且价格昂贵,而利用单片机完成控制组件的功能,简化了设计,虽然不能实现最优化的SPWM控制,但是完全可以达到设计要求[1,2]。

2.2 逆变电路

逆变电路组件主要是由电机芯片L298和分频电路组成,主要功能是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。SPWM信号由单片机产生,然后利用分频电路将一路SPWM信号分成两路,最后用两路SPWM波对L298控制即可实现逆变[3,4]。

L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是:工作电压高,最高工作电压可达46 V;输出电流大,瞬间峰值电流可达3 A,持续工作电流为2 A;可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载。在这里利用其内部的控制及驱动电路,在IN1和IN2脚上加上SPWM波,使得L298内部的4个三极管两两交替导通,在OUT1和OUT2之间接升压变压器的初级,这样便可以实现从直流到交流的转变。升压变压器采用的是220 V-9 V的降压变压器逆用,考虑到升压后需要带动约22 W的电扇,加之是逆变使用,考虑变压器的功耗和保证余量,最终选用了功率为25 W的220 V-9 V的普通变压器[5]。

2.3 风扇测速电路

风扇测速组件的主要功能是检测风扇当前的转速。将磁钢安装于风扇根部,霍尔探头置于风扇根部附近,风扇旋转时,当磁钢通过霍尔探头附近时,信号线上将产生一个脉冲,将这个脉冲反馈给单片机,通过计算每秒钟脉冲的个数来测定风扇的转速。由于采用了集成霍尔元件,信号调理电路全部集成在了芯片内部,所以只需要电源线和一根信号线即可。

2.4 液晶显示电路

液晶显示组件的主要功能是显示设定的频率和风扇当前转速。采用LCD1602,具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点。它可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0～D7,和RS,R/W,EN三个控制端口,工作电压为5 V,并且带有字符对比度调节和背光。

按照要达到的效果设定的显示为:初始化第一行显示为“SPWM:89S52.SYS-”,第二行显示“Initia-lizing.”,随着第一行显示设定的频率“set:00001Hz”第二行显示风扇的具体转速“spd:00000rpm”。与单片机连接如图2所示。

VDD:电源正极,4.5～5.5 V,通常使用5 V电压。

VL:LCD对比度调节端,电压调节范围为0～5 V,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,但对比度过高时会产生“鬼影”,因此通常使用一个10 kΩ的电位器来调整对比度,或者直接串接一个电阻到地。

RS:MCU写入数据或者指令选择端。MCU要写入指令时,使RS为低电平;MCU要写入数据时,使RS为高电平。

R/W:读写控制端。R/W为高电平时,读取数据;R/W为低电平时,写入数据。

E:LCD模块使能信号控制端。写数据时,需要下降沿触发模块。

D0～D7:8位数据总线,三态双向。如果MCU的I/O口资源紧张的话,该模块也可以只使用4位数据线D4～D7接口传送数据,本充电器就是采用4位数据传送方式。

BLA: LED背光正极。需要背光时,BLA串接一个限流电阻接VDD,BLK接地,实测该模块的背光电流为50 mA左右。

BLK: LED背光地端。

3 系统软件设计

系统软件由主程序、显示子程序、键盘子程序、中断子程序等构成。主程序中主要完成系统的初始化,通过产生的正弦波和三角波产生SPWM信号,送到硬件电路,并根据显示模块计算要显示的数据并送出显示、键盘扫描及服务处理、输入数据的码制变换等[6,7]。软件流程如图3所示。

4 系统整机调试

系统采用各个模块分开调试。首先是控制电路组件,其中键盘是利用单片机最小系统,编写指令。总共设置两个按键,主要完成频率值的加减,达到频率设定的效果,按键一是单增,按键二是单减。再利用数字示波器来观察控制电路产生的SPWM的波形。通过对不断改变正弦波和三角波的频率而产生的不同波形进行比较,不断改进软件程序来消除谐波干扰,从而得到满足要求的频率范围和步进值。然后是逆变电路组件,利用波形发生器输入满足要求的SPWM波形,利用开关电源接入功率为40 W,电压为15 V和功率为5 W,电压为5 V的直流电,提供驱动。通过不断改变SPWM波形频率,观察风扇的转速,当频率设定为50 Hz的时候风扇开始转动,频率不断增大,风扇转速不断加快;当频率设定为最大255 Hz的时候,风扇转速达到最大。

最后是风扇测速组件和液晶显示,先将霍尔传感器的信号线接入单片机,通过磁钢在感应区晃动产生脉冲信号反馈给单片机,然后利用编写的指令控制单片机计算反馈的脉冲个数,即是风扇的转速。液晶模块的显示是通过给单片机编写程序来达到显示设定的频率和风扇的转速的效果。

5 结 论

由于世面上的风扇存在频率固定、稳定性较差、不能实现步进变频和转速测量的问题,这里选择将单片机控制变频的研究运用到风扇,实现交流电机的变频调速,与同类产品比较,该系统结构简单,稳定性高,具有一定的信价比优势。其中系统的硬件电路充分发挥了AT89C51的数字信号处理和控制管理功能,提高了整个系统的效率和性能。集成芯片的使用有效地减少了干扰,提高测量的精度。软件算法的程序采用模块化、结构化设计思想,易于移植,功能模块可以很容易的扩展,运算速度也得到了很大程度的提高。经过测试,系统的性能和效率基本达到预期的效果。根据需要,以后还可以使用更先进的DSP芯片、宽屏图形液晶器、更大的存储器等方式升级系统。

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变频调速系统 第4篇

电气工程及自动化

基于矢量控制的变频调速系统设计与仿真

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。于是，从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，在变速传动领域，直流调速一直以其优良的性能领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。

电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。20世纪50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速。70年代后期，以功率晶体管(GTR)，门极可关断晶闸管(GTO)、功率MOS场效应管(Power

MOSFET)为代表的全控型器件先后问世，并迅速发展。在80年代后期，以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的复合型器件异军突起。IGBT兼有MOSFET和GTR的优点，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和GTR通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，目前是用于中小功率范围最为流行的器件。与IGBT相对应，MOS控制晶体管(MCT)则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。80年代以后出现的功率集成电路(Power

IC-PIC)，集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前己用于交流调速的智能功率模块(Intelligent

Power

Module-IPM)采用IGBT作为功率开关，含有驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减少了体积、减轻了重量、又提高了可靠性，使用维护都更加方便，是功率器件的发展方向。

随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。现代的电力电子变换装置中，PWM变压变频技术是主要使用的变换器控制技术，常用的PWM控制技术有：基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制；基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；基于电流环跟踪的CHPWM控制；电压空间矢量控制SVPWM控制。在以上的4种PWM变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种则以被控电机的算法简单为目标的，因此目前应用最广。

在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制取得了突破性进展。由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。上世纪70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题。矢量控制在国际上一般多称为磁场定向控制，亦即把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小、方向均用瞬时值来表示。这个理论是1968年首先由Darmstader工科大学的Hasse博士发表。1971年西门子公司的Blaschke又将这种一般化的概念形成系统理论，并以磁场定向控制的名称发表。前者是在学会的论文杂志上发表；而后者是公司研究成果，故以专利的形式发表。

矢量控制方式有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等，可提高异步电动机转矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等，以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整（AVR）控制技术的控制方式，已实用化并取得良好的效果。

近十多年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量，进行速度估算以取代速度传感器。其关键在于在线获取速度信息。除了根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。无速度传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统可靠性，降低了成本，因而引起了广泛兴趣。

本设计是基于矢量控制的变频调速系统设计与仿真，主要研究交流异步电机控制系统的拓扑结构、系统构成和工作原理，并对交流异步电机矢量控制系统进行建模与仿真，结合应用前沿电力电子技术和先进控制理论，完成交流异步电机的双闭环控制与性能分析。在分析矢量控制基本工作原理的基础上，利用仿真软件MATLAB/Simulink建立系统的仿真模型，进行仿真研究与性能测试。同时，本设计结合当今国内外实例对该原理进行实际论证。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：

矢量控制是一种新型的高性能的交流传动控制技术，该控制方法思想新颖，控制结构简单，具有良好的动、静态性能，在船舶电力推进系统中有着广阔的应用前景。综合掌握电气工程学科领域前沿的电力电子技术，及电力传动控制方面的基础理论和相关技术。

主要研究交流异步电机控制系统的拓扑结构、系统构成和工作原理，并对交流异步电机矢量控制系统进行建模与仿真，应用前沿电力电子技术和先进控制理论，完成交流异步电机的双闭环控制与性能分析。在分析矢量控制基本工作原理的基础上，利用仿真软件MATLAB/Simulink建立系统的仿真模型，进行仿真研究与性能测试。

三、研究步骤、方法及措施：

1.总体方案的选择、确立；

2.进行理论分析计算；

3.硬件制作调试和软件编程；

4.拟出论文初稿；

5.作品的完善。

通过查阅已有的相关文档及技术资料，先确立总体方案，根据选择的方案进行针对性的设计研究。

四、参考文献

[1].阮毅，陈伯时．电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M]，第4版．北京：机械工业出版社，2009.8．

[2].陈伯时．交流调速系统[M]，北京：机械工业出版社，1999．

[3].胡崇岳．现代交流调速技术[M]，北京：机械工业出版社，1998.9．

[4].周绍英，储方杰．交流调速系统[M]，北京：机械工业出版社，1996.11．

[5].吴安顺．最新实用交流调速系统[M]，北京：机械工业出版社，1998.8．

[6].王兆安，黄俊．电力电子技术[M]，第4版．北京：机械工业出版社，2000．

[7].丁斗章．变频调速技术与系统应用[M]，北京：机械工业出版社，2005.10．

变频调速系统 第5篇

【关键词】煤矿皮带系统；变频器；自动化控制

1、引言

随着电力电子技术的进步，变频器在煤矿皮带机场合的应用日渐成熟，针对皮带机系统多台电机协同控制的特点，采用多台变频器主从控制技术进行变频调速，能有效地提高煤矿生产效率、减小起动电流冲击及机械冲击、实现各电机之间的功率平衡。本文以某煤矿主井皮带机系统为例，详细阐述主井皮带机变频调速系统的实现方案。

2、系统介绍

2.1主井皮带机电控系统

该煤矿主井皮带机采用双滚筒、三驱模式。针对上述皮带机机械系统，设计了如图1所示的主井皮带机电控系统。

如图1所示，高压开关柜采用一备一用的双进线形式，进线电压等级为10kV，PT柜用于监测进线电压，馈出l连接10kV/660V的l#变压器原边，馈出2连接10kV/660v的2#变压器原边，馈出3连接10kv/380v的3#变压器原边；l#变压器副边给l#变频器BP1、2#变频器BP2供电，2#变压器副边给3#变频器BP3供电，3#变压器副边给低压配电柜供电；低压配电柜给工艺控制柜(PLC柜)及其他外围设备供电；1#、2#、3#变频器分别驱动电机A、B、C。

2.2变频调速系统

如图1所示，电控系统采用3台ABB公司生产的ACS80一04系列变频器BP1、BP2、BP3，分别拖动电机A、B、C。

ACS800一04变频器采用直接转矩控制。其控制思想为：结合检测的直流母线电压及变频器逆变部分三相开关管状态进行电压重构，得到定子三相电压；将重构得到的定子三相电压及检测的定子三相电流送至磁链模型及转矩模型中，可得定子磁链及转矩的实际值；在滞环比较器中，将定子磁链及转矩实际值分别与相应的给定值进行比较，得到PWM信号，驱动逆变部分功率器件的开通与关断，产生输出电压的SVPWM波形，控制电机变频调速。优点是在加减速或负载变化的动态过程中，可获得快速的转矩响应；选用定子磁链作为被控量，磁链模型不受转子参数的影响，增强系统的鲁棒性。

2.3自动化控制系统

煤矿主井皮带机自动化控制系统采用Siemans公司生产的S7-300可编程序控制器，通过CPU315-2PN/DP模块中MPI/DP端与变频器BP1、BP2、BP3及触摸屏TP170A组成ProfibusDP网络进行通讯，并对变频器BP1、BP2、BP3进行控制、过程数据采集监视。

3、系统实现方案

3.1变频器主从控制方式

由图1皮带机机械系统可知：电机A、B、C通过两个滚筒共同拖动一条皮带运行，电机A、B之间属于刚性连接，电机A、C之间属于柔性连接。在皮带机全速段運行过程中，应保证三台电机输出的转矩、转速均相同，进而保证三台电机输出功率相同。为此，需对三台变频器进行主从控制。

现场设置变频器BP1为主机，BP2、BP3为从机。电机A、B之间为刚性连接，此时机械结构已保证两电机的转速同步，故BP2从机采用转矩控制模式，即跟随BPI主机的转矩给定，以保证两电机承担的负载转矩平衡，进而达到功率平衡；电机A、C之间为柔性连接，此时机械结构已不能保证电机A、C同步运行的要求，此时BP3从机采用转速控制模式时，即跟随BP1主机的转速给定，同时需利用转矩下垂特性以保证电机A、C电机承受的负载转矩平衡，根据现场实际运行情况，可在参数60.06DROOPRATE中定义合适的下垂速率降。

3.2主从机通讯实现方案

多台ACS800变频器采用主从控制方式时，需为每台变频器配置一块RDCO板，它们之间通过光纤进行通讯。主机通过光纤向从机发送一个16位的控制字和一个16位的转速或转矩给定值，实现对从机的控制。一般情况下，从机不通过主从通讯链路向主机发送任何反馈数据，而将从机的故障信号连至主机的运行使能信号端，形成联锁。一旦发生故障，联锁将同时停止主机和从机的运行。

3.3自动化控制系统实现

如图1所示，自动化控制系统采用S7一300可编程序控制器对变频器进行控制PLC只向BP1主机发送信号，BP1主机再通过主从通讯链路(光纤通讯)对BP2、BP3从机进行控制；同时，主从机的过程数据反馈至PLC系统中，并在触摸屏TP170A中进行显示，以实现变频器数据的监视。

变频器通过RPBA一01ProfibusDP适配器模块与S7一300组成ProfibusDP网络。变频器参数98.07可选择通讯协议，参数组51COMMMODDATA月队中可设置通讯类型、站点地址、波特率。本方案中通讯协议为ABBDrives协议，通讯类型为PPO4，主从地址分别为3、4、5，波特率均为500Kbps。

在STEP7编程软件中，需进行DP网络硬件配置。安装RPBA一01GSD文件(ABB_0812.GSD)，选择Opera-tionmode(ABBDrives)，设置与变频器中相对应的通讯类型(PPO4)、主从站点地址(3、4、5)、波特率(500Kbps)。

此时，即完成PLC与变频器之间的通讯设置。通过PLC向BP1主机发送控制字47FH和转速给定，观察所有电机是否启动并最终按给定转速匀速运行；若需正常停车时，向BP1主机发送控制字476H，观察所有电机是否按所选择的停车方式正常停车；若需紧急停车时，向BP1主机发送控制字470H，观察所有电机是否紧急停车。

4、结语

总之，本电控系统在该煤矿运行两个月以来，状况良好。各种工况下，三台变频器输出转矩、转速、功率均平衡。因此，针对煤矿皮带机系统，采用多台变频器主从控制技术是一种理想方案。

参考文献

[l]陈伯时.电力拖动自动控制系统(第三版)[M].北京:机械工业出版社,2000.

[2]ABB公司.ACS80O标准控制程序固件手册[Z].ABB公司,2010.

变频调速典型控制系统(五) 第6篇

冶金、造纸、纺织、化纤及电线(缆)加工等行业中的许多生产线都要求在加工过程中绷紧带材或线(缆),维持张力恒定,为此必须在生产线中安排一些专门控制张力的机械,它不担任加工材料任务,其转矩完全用来产生张力,例如卷取(开卷)机、张力S辊、活套、收(放) 线 (缆)机等。由于张力由电动机转矩产生,所以这些机械的电动机控制系统的任务不是控制转速,而是控制张力转矩,转速取决于带(线)材移动的线速度v,是一个从属变量。称这类控制系统为张力控制系统,它实质上是转矩控制系统。

5.1 张力控制系统分类

5.1.1 按有无张力检测分类

按有无张力检测,张力控制系统分2类:直接张力控制系统和间接张力控制系统。直接张力控制系统需要张力传感器,通过张力闭环来控制转矩或转速。间接张力控制系统不需要张力传感器,而是根据张力给定值计算转矩给定,通过转矩环来控制张力。直接张力控制精度虽比间接张力控制高,但易出稳定问题,实际应用时不是简单的用张力调节器产生全部转矩或转速给定信号,而是以间接张力控制为基础,保留原转矩或转速给定计算,张力闭环只用来微调转矩或转速给定(微调范围5%～10%)。

5.1.2 按实现张力控制的途径分类

按实现张力控制的途径,张力控制系统分2类:通过转矩给定控制张力系统和通过转速给定控制张力系统。它们都基于由转速外环和转矩内环构成的双环基础调速系统。在建立张力后,前者的转速调节器ASR饱和,不参与控制,仅转矩环ATL工作,通过改变转矩给定来控制张力;后者的转速调节器ASR不饱和,ASR和ATL都工作,通过改变转速给定来控制张力。这两种控制系统的选择取决于张力负载的性质。如果微小的转速变化就能引起大的张力变化(刚性张力负载),则不适合用通过转速控制方法,因为没有转速调节的空间,容易引起振荡,转速才升高一点,张力就过大,转速刚降一点,张力又过小甚至消失,带材一松、一紧来回振,这时宜通过改变转矩给定来控制张力。如果微小转速变化引起的张力变化不大(弹性张力负载),有转速变化的空间,宜通过改变转速来控制张力,例如塑料薄膜(线)的生产线,随张力加大材料被拉长,又如某些带材加工线中的张力S辊,随张力加大带材下垂量减小,它们都有转速调节空间,这时通过改变转矩给定来控制张力反而可能引起弹性振荡,参见本讲第5.5节。

间接张力控制系统没有张力调节器,大多采用通过转矩给定控制张力系统,但在遇到弹性张力负载引起弹性振荡时,需引入转速增量信号来抑制振荡(见5.5节)。直接张力控制系统有2种可能的控制方法:对于刚性张力负载,宜用通过转矩给定控制张力系统,这时张力调节器输出是转矩给定微调信号(附加转矩给定ΔT*);对于弹性张力负载,宜用通过转速给定控制张力系统,这时张力调节器输出是转速给定微调信号(附加转速给定Δn*)。

5.1.3 按有无卷径变化分类

卷取机和开卷机示意图绘于图1,卷取机把生产加工出来的带(线)材卷在套筒上,随生产进行,收集的材料不断增加,卷径D逐渐增大;开卷机把成卷的原料送出去加工,随生产进行,原料不断送出,卷径D逐渐减小,它们的卷径D都是变化量。生产工艺要求在加工过程中带(线)材的张力和线速度v不变,这样卷取和开卷电动机的转矩和转速就要随D变化而变化,为此控制系统必须先检测和计算D,然后根据它来计算转矩和转速给定值。另外随D变化,电动机负载的转动惯量也在变,相应加减速所需的动态转矩补偿量和转速PI调节器的比例系数也要随之变化。卷径变化使得控制系统复杂。

张力S辊示意图绘于图2,它只产生张力,不收集或发送带(线)材,无卷径变化问题,不用计算卷径,直接根据张力给定和线速度来设定转矩和转速给定值,相应动态转矩补偿量和转速PI调节器的比例系数也是固定值,控制系统简化了许多。

5.2通过转矩给定控制张力系统的单动、联动和断带(线)保护

开始生产前,先要上料和穿带(线),这时张力控制机械处于单动工作状态,与主机无机械联系,调速系统应是有转速外环和转矩内环的双环转速控制系统,通过点动和爬行来完成上述任务。开始生产时,转入联动工作状态,张力机械通过爬行把带(线)材绷紧,在张力机械和主机间逐步建立起张力,然后带张力随主机加速至工作速度,这时调速系统应是只有转矩环的张力控制系统,转速调节器退出控制。生产结束前,张力机械和主机带张力一同降速至停止,这时仍是联动工作状态,调速系统仍只有转矩环。生产结束后,要卸料,张力机械又改回单动,调速系统改回双环转速控制系统。上述工艺过程要求调速系统能方便地在转速控制和张力控制系统之间从一种平滑过渡到另一种。

在生产过程中如果发生断带(线),张力突然消失,由于这时转速环不工作,张力控制系统的转矩环继续维持电动机转矩不变,张力转矩变成加减速的动态转矩,造成卷取机和张力S辊突然加速,直至飞车,开卷机突然停车并反向转起来,非常危险,迫切需要断带(线)保护。

能满足上述2项要求的通过转矩给定控制张力调速系统框图示于图3,它是由转矩内环ATL和转速外环ASR构成的双环系统,其特点是张力控制的转矩给定信号不是直接送至ATL输入,而是从转速调节器ASR正限幅T*max输入。

在单动时,附加转速给定Δn*=0,ASR限幅值为固定值,这时的调速系统是标准的双环转速控制系统,转速环和转矩环都工作,由于张力尚未建立,张力机械与主机无机械联系,所以张力机械的转速等于其给定值,完成上、卸料及穿带任务。穿带完成后,发出联动指令,施加附加转速给定Δn*=5%～10%到ASR输入,卷取电动机低速爬行,慢慢绷紧带(线)材。在带(线)材绷紧后,受张力牵制电动机爬不动,转速n<n*+Δn*,ASR正向饱和并退出控制,这时ATL的转矩给定输入T* 等于ASR的正限幅值T*max ,从而实现从转速控制到张力控制的平滑过渡,张力大小通过改变T*max来控制(ASR的负限幅仍为固定值)。在联动期间,主转速给定n* 按满足带(线)材以线速度v移动所需的电动机转速来设定,因此在整个生产过程(加速、稳速及减速)中都是n*-n≈0,靠Δn*维持ASR正饱和,调速系统按张力控制模式工作。

如果在工作中发生断带(线)故障,卷取或张力S辊电动机加速,在转速升高5%～10%后,n*+Δn*-n=0,ASR退出饱和并恢复控制,调速系统自动转回转速控制模式,转矩给定T* 减小,转速被限制在n=n*+Δn*。监测ASR是否饱和的信号还可用作发出“断带”联锁信号的依据之一,如果在联动期间,张力已建立(张力大于门槛值),发现ASR退出饱和且能维持一定时间便可判断为“断带”。这个延时时间很重要,否则会因转速信号抖动而误发“断带”信号。

开卷机工作情况略有不同,规定它的正方向为张力转矩方向(T>0)和开卷时电动机旋转方向相反(n<0,见图1),因此转速给定为-n*,而附加转速给定Δn*仍为+,张力控制时ASR正饱和,T*max是正限幅值,通过它来控制张力大小,电动机工作在再生状态。断带(线)后,张力转矩变成减速转矩,电动机减速,当转速减到n=-n*+Δn*时ASR退出正饱和,调速系统转回转速控制模式,转速被限制在n=-n*+Δn*。

5.3 卷取和开卷机的间接张力控制系统

5.3.1 卷取和开卷变频器主电路

卷取和开卷电动机功率小于1 MW,所以它们的变频器宜采用交-直-交电压型PWM变频器。

从图1知:卷取工作时,电动机转速和转矩方向一致,工作于电动状态,功率流动方向是从中间直流母线经逆变器流到卷取电动机;开卷工作时,电动机转速和转矩方向相反,工作于再生状态,功率流动方向是从开卷电动机经逆变器流向中间直流母线。根据这个特点,变频器主电路最好采用公共直流母线方案,把开卷机和卷取机(或/和主机)的逆变器接在同一段直流母线上,示于图4。这样安排后,开卷机发出的再生功率通过直流母线直接转流到卷取机或/和主机(开卷、卷取和主机同时工作),不再流到制动单元和电阻,从而大大减小整流器、制动单元和电阻的容量。通常在计算整流器、制动单元和电阻容量时都不计入开卷功率,因为开卷工作后流过这3个设备的总功率都将减少,不会增加。

5.3.2 开卷和卷取电动机负载特性及容量选择

本小节讨论开卷和卷取电动机的负载特性(转矩、功率与转速关系)及容量选择,讨论基于2个前提条件:

1)忽略电动机及机械的空载转矩,因为它小于5%;

2)不计加减速的动态转矩,开卷和卷取电动机加减速较平稳,动态转矩不大,可以利用电动机和变频器的过载能力来满足它,故在选择电动机容量时不考虑它。

开卷和卷取电动机的转矩、转速和功率公式如下

TL(m)=TT(m)

=FT(m)D(m)/2 (1)

$n{}_{(\text{m})}=\frac{60iv{}_{(\text{m})}}{\text{π}D{}_{(\text{m})}}(2)$

$\begin{array}{l}{\rm P}{}_{\text{L}(\text{m})}=\frac{{\rm T}{}_{\text{L}(\text{m})}n{}_{(\text{m})}}{9565}\\ =\frac{30i}{9565\text{π}}F{}_{\text{Τ}(\text{m})}v{}_{(\text{m})}(3)\end{array}$

式中:所有变量的下标(m)表示这变量是有量纲和单位的测量值,无此下标表示该变量是无量纲和单位的相对值(数字控制器中的量);TL(m)和TT(m)分别为电动机负载转矩和张力转矩,Nm;FT(m)为张力,N;D(m)为卷径,m;v(m)为带(线)材线速度,m/s;n(m)为电动机转速,r/min;PL(m)为电动机的负载功率,kW;i为减速机速比。

由式(1)～式(3)知:在张力FT(m)和线速度v(m)不变条件下,转矩TL(m)与卷径D(m)成正比,随D(m)增大而加大;转速n(m)与卷径D(m)成反比,随D(m)增大而降低;功率PL(m)与卷径D(m)无关,也就是说在卷径变化期间负载功率不变。

在张力最大(FT=FT.max)且不变条件下,转矩、功率与转速的关系示于图5。以开卷过程为例说明负载转矩TL和功率PL变化情况:在建立张力时线速度v≈0,相应n≈0,这时由于卷径最大(D=Dmax),故负载转矩也最大(TL=TL.max),位于A点,负载功率PL=0 (因为n≈0);升速期间,随v从零增加到vmax,n从零增加到nB,假定在这期间D没变,则TL维持最大值不变,工作点从A过渡到B,PL从零线性增长到PL.max:

$\begin{array}{l}{\rm P}{}_{\text{L}.\max (\text{m})}=\frac{{\rm T}{}_{\text{L}.\max (\text{m})}n{}_{\text{B}(\text{m})}}{9565}\\ =\frac{30i}{9565\text{π}}F{}_{\text{Τ}.\max (\text{m})}v{}_{\max (\text{m})}(4)\end{array}$

恒速生产期间,v=vmax不变,随D减小,n继续增加,TL沿反比曲线减小,当D减至最小D0时,n增至最大nmax,工作点从B过渡到C,这期间PL维持PL.max不变;在减速期间,假定D=D0不变,则工作点从C过渡到D。卷取过程的工作点移动轨迹与开卷相反,从D点出发,经C和B,到达A。

负载特性与调速系统的恒转矩调速和恒功率调速特性形状一样。若选择电动机的额定转速nN.1=nB,则只要电动机额定功率

PN(m)≥PL.max(m) (5)

就能满足生产要求,电动机的调速特性为图5中的曲线T1。在开卷到B点时,电动机电压已升至额定电压,基础调速系统中用电压控制的自动弱磁控制环节开始工作,随后转入恒功率调速区,电压不变,磁链减弱,同样转矩电流产生的转矩与转速成反比,所以电动机的负载转矩电流在整个开卷(卷取)过程中都维持不变(不包括加减速动态电流)。

这种选择电动机容量的方法有时不能实现。按此法电动机的恒功率调速范围nmax/nN.1应等于卷径变化范围Dmax/D0 。开卷(卷取)电动机的功率等级小于1 MW,适合采用异步电动机,由于在恒功率调速段异步电动机的颠覆转矩随n升高按平方关系减小(见第1讲1.2节),所以它的恒功率调速范围受限制,一般≤2,而卷径变化范围常达3～4或更大。以卷径变化范围=3为例,如果要求恒功率调速范围nmax/nN=3及电动机在nN时颠覆转矩=2.5TN (TN为电动机额定转矩),则在nmax时,颠覆转矩=2.5TN /32=2.5TN /9=0.28 TN ,这时负载转矩TL=TL.max/3,电动机将拖不动负载。解决该问题的办法是,在保持电动机额定转矩不变条件下,提高其额定转速至nN.2,令nmax/nN.2≤2,相应电动机额定功率也增大nN.2/nB倍,即

PN(m)≥PL.max(m)(nN2(m)/nB(m)) (6)

电动机的调速特性为图5中的曲线T2。由于电动机的体积和重量取决于转矩,而不是功率,所以按此法增大功率后,电动机体积和重量不变,但变频器功率加大。采用该电动机后,在开卷过程的A-B段,电动机负载转矩电流维持最大不变;在B-B′段,由于仍在电动机的恒转矩调速区,随D减小和n升高,电压升高,负载转矩电流减小,负载功率不变;在B′点,n和电压都升至额定值,自动弱磁控制环节开始工作;在B′-C段,恒功率调速,电压和功率不变,负载转矩电流维持减小后的值不变。

为避免在卷径变化范围大时增大电动机容量,某些大型开卷和卷取机改用励磁同步电动机传动,因为在高性能变频调速系统中,励磁同步电动机都工作在功率因数=1状况下,在恒功率调速段最大转矩与(n/nN)成反比,不存在与(n/nN)2成反比情况。

5.3.3 开卷和卷取电动机的间接张力控制

开卷和卷取电动机的间接张力控制采用图3所示的通过转矩给定控制张力系统,它的恒功率调速用基础调速系统中的自动弱磁控制环节实现,余下的问题是如何根据期望的张力F*T和线速度v*来计算图3中的转速给定n*和ASR的正限幅给定T*max。

5.3.3.1 卷径D计算

由于n*和T*max都与卷径D有关,故先算卷径。由式(2)知:

$D{}_{(\text{m})}=\frac{60i}{\text{π}}\frac{v{}_{(\text{m})}}{n{}_{(m)}}(7)$

在数字控制系统中,所有变量都是相对值,须把式(7)改写为相对值表达式:

$\begin{array}{l}D={\rm K}{}_{\text{D}}\frac{v}{n}\\ {\rm K}{}_{\text{D}}=\frac{60i}{\text{π}}\frac{v{}_{\text{B}}}{D{}_{\text{B}}n{}_{\text{B}}}(8)\end{array}$

式中:vB为线速度基值,m/s,通常选用最大线速度vmax为基值;DB为卷径基值,m,通常选用设备允许的最大卷径Dmax为基值;nB为转速基值,通常选用电动机额定转速nN为基值;KD为比例系数,在选定上述各变量基值及减速比i后它是常数。

直接按式(8)计算D存在3个问题:

1)v和n信号的波动及噪声导致D波动;

2)断带(线)时,该计算公式不成立;

3)断带(线)后需停机(控制电源不停)处理事故,若原来算的卷径数据丢失,在处理完事故后恢复再生产时,卷径数据不对。

有多种解决上述问题的方法,最常用的是数字电动电位器法。数字电动电位器实质上是积分器,输入+1信号后,输出按一定斜率上升;输入-1信号后,输出按一定斜率下降;输入0时,输出不变;停机时输出保持原数据不丢失。基于数字电动电位器的卷径D计算框图示于图6,图6中DPM是数字电动电位器,CMP是比较器,Dini是初始卷径信号,S是卷取/开卷工作模式选择开关,v是线速度实际值信号,来自测速辊或主机,n是卷取/开卷电动机转速实际值信号。

以卷取过程为例说明计算过程。开始工作前先置选择开关S于卷取位置,并设置Dini=D0 (空套筒直径)。开始卷取后,随实际卷径增大,n降低,e=KDv-nD>0,CMP输出+1,DMP输入a=+1,DPM输出的卷径信号D从D0开始加大,直至e≤0,a=0,DPM输出停止变化,到再次发现e >0时,D再加大,如此反复使D跟随实际卷径逐渐加大,一直保持D≈KDv/n关系。DPM输出变化速度不要设置得太快,只略大于实际卷径的变化速度,这样在信号v和n波动时,D来不及变化,即使变大了一点,它也不会退回来,而是等到实际卷径超过该值后再开始跟随,从而防止了由v和n波动带来的D波动。发生断带(线)后,卷取电动机转速n迅速上升,e <0,a=0,D维持断带发生时的值不变。在停机(控制电源不停)处理断带(线)事故期间,由于a=0,DPM仍保持断带发生时的D值不丢失,待到再开机生产时,D计算从该值的基础上开始。

开卷时,先置选择开关S于开卷位置,并设置Dini等于来料原始卷径。开始开卷后,随实际卷径减小,转速升高,由于此时v和n都是负值,仍然e=KDv-nD>0,CMP输出+1,经反号器a=-1,DPM输出的卷径信号D从Dini开始减小,直至e≤0,a=0,DPM输出停止变化,也实现D≈KDv/n。由于开卷时a的输出状态只有0和-1,所以在整个开卷过程中D只逐步减小,不后退。发生断带(线)后,卷取电动机转速迅速下降,e <0,a=0,D维持断带发生时的值不变。

5.3.3.2 转速给定n*计算

为在整个卷取/开卷过程中使ASR处于饱和状态,n*应该等于在有张力牵制条件下的电动机实际转速n,由式(8)得:

$n{}^{*}={\rm K}{}_{\text{D}}\frac{v}{D}(9)$

式中:系数KD的定义见式(8)。

5.3.3.3 正限幅给定T*max计算

由控制框图(图3)知,在建立张力后T*max就是转矩环ATL的给定T*,即

T*max=T*

=T*T+T*D+T*0 (10)

式中:T*T为张力转矩给定;T*D为加减速动态转矩给定;T*0为电动机和机械空载转矩给定。

上述转矩给定都是相对值,它们的基值TB是电动机额定转矩TN,即

$\begin{array}{l}{\rm T}{}_{\text{B}}={\rm T}{}_{\text{Ν}}\\ =9565\frac{{\rm P}{}_{\text{Ν}}}{n{}_{\text{Ν}}}\end{array}$

由式(1),电动机的张力转矩给定为

${\rm T}{}_{\text{Τ}}^{*}=\frac{1}{2}\frac{D{}_{\text{B}}F{}_{\text{Τ}\text{B}}}{{\rm T}{}_{\text{B}}}F{}_{\text{Τ}}^{*}D(11)$

式中: DB为卷径基值,m;D为卷径相对值;FTB为张力基值,N;F*T为张力给定相对值,F*T= F*T(m)/FTB,F*T(m)为张力给定测量值,N。

电动机的动态转矩给定为

$\begin{array}{l}{\rm T}{}_{\text{D}}^{*}=\frac{GD{}_{(\text{m})}^2}{375}\frac{n{}_{\text{B}}}{{\rm T}{}_{\text{B}}}\frac{\text{d}n}{\text{d}t}\\ =\frac{GD{}_{(\text{m})}^2}{375}\frac{n{}_{\text{B}}}{{\rm T}{}_{\text{B}}}\frac{{\rm K}{}_{\text{D}}}{D}\frac{\text{d}v}{\text{d}t}(12)\end{array}$

(由于卷径D变化很慢,在推导此公式时认为dD/dt=0)

式(12)中:GD${}_{(\text{m})}^2$为电动机、机械和卷材总的飞轮转矩

GD${}_{\text{m}}^2$=GD${}_{0(\text{m})}^2$+GD${}_{w(\text{m})}^2$ (13)

式中:GD${}_{0(\text{m})}^2$为电动机和机械的飞轮转矩,Nm2,即无卷材时的飞轮转矩,它与D无关,可以通过线性加减速电动机测出;GD${}_{w(\text{m})}^2$为卷材的飞轮转矩,Nm2,它与D有关。

$GD{}_{w(\text{m})}^2=\frac{\text{π}g}{8i{}^2}\gamma bD{}_{\text{B}}^4(D{}^4-D{}_0^4)(14)$

式中:g为重力加速度,m/s2; r为卷材比重,kg/m3;b为卷材宽度,m;i为减速机速比。

电动机和机械空载转矩很小(<5%),常忽略,但若张力变化倍数大,空载转矩与最小张力转矩相比不可忽略时,就必须设置T*0。它近似是转速n的二次方函数,在实际系统中常通过空转电动机和机械测取空载转矩曲线T0=f(n),然后用函数发生器来分段近似。

5.3.3.4 转速调节器中比例系数自适应

控制框图(图3)中的转速调节器ASR在建立张力后处于饱和状态,它的PI调节功能不工作,但在上卷、卸卷及断带时,ASR退出饱和,调速系统返回转速控制模式,它的PI调节功能恢复工作。从文献[1,2]介绍的调节器参数工程计算方法知,ASR中的比例系数VRn与电动机、机械及卷材的总飞轮转矩GD2成正比。卷径D变化时,GD2随之变化,相应VRn也需做出适当调整来适应它的变化。VRn自适应框图示于图7,其中FG是存有GD2=f(D)曲线的函数发生器(在D=D0时f(D)=1),VRn.0是D=D0(无卷材)时的VRn ,VRn= f(D) VRn.0 。

由于总GD2中,电动机和机械的GD${}_0^2$(无卷材)占有较大份额,在D/D0≤3时总GD2变化不大,不必使用VR.n自适应环节。

5.4 直接张力控制系统

5.4.1 卷取和开卷机的直接张力控制系统

对于张力控制来说,间接张力控制系统是开环控制,按照张力和线速度期望值算出转矩给定,通过转矩环ATL去控制转矩,实际张力是多少不知道,故它的张力控制精度受限制。要想进一步提高张力控制精度,就要装设张力传感器,加入张力调节器,改用直接张力控制系统。与间接张力控制系统相比,直接张力控制系统的卷径变化倍数与张力变化倍数之乘积可以从40提高到100,线速度可以从600 m/min提高到2 000 m/min。直接张力控制易出现稳定问题,因为在张力降到零(松带)后张力闭环断开,控制结构的突变易导致振荡。以卷取为例,松带后张力反馈消失,卷取机加速,带材突然绷紧,张力反馈超过给定值,卷取机减速,带材又松开,如此反复造成振荡。为解决这问题张力闭环按微调设计,调节范围≤10%。

依照卷取(开卷)机与主机联系的紧密程度不同,直接张力控制系统又分2类:在微小转速变化能引起大张力变化(刚性张力负载)场合,采用通过转矩给定控制张力系统;在微小转速变化只引起微小张力变化(弹性张力负载)场合,采用通过转速给定控制张力系统。为防止振荡,张力调节器不能在开始工作之初就投入,需先用间接张力控制建立稳定张力,然后再投入该调节器,甚至延时到带张力加减速完成之后的稳速段才投入。在加工结束松带前,也需要先撤除张力调节器。

5.4.1.1 通过转矩给定控制张力的直接张力控制系统

通过转矩给定控制张力的直接张力控制系统用于刚性张力负载,框图示于图8。它基于通过转矩给定控制张力的间接张力控制系统,转矩给定经ASR的限幅T*max施加到ATL输入,图8中,D,n*,T*max,T*D和T*0的计算与间接张力控制一样,但张力转矩给定为

${\rm T}{}_{\text{Τ}}^{*}=\frac{1}{2}\frac{D{}_{\text{B}}F{}_{\text{Τ}\text{B}}}{{\rm T}{}_{\text{B}}}(F{}_{\text{Τ}}^{*}+\text{Δ}F{}_{\text{Τ}}^{*})D(15)$

式中,ΔF*T是张力给定微调信号,来自张力调节器AFTR的输出,它被限幅在10%左右。AFTR的输入是张力给定F*T和来自张力传感器的张力反馈信号FT 。

接收到建立张力信号后,施加附加转速给定Δn*,待ASR饱合后,转入张力控制。为防止张力振荡,在建立张力过程中要先闭锁AFTR,另外在解除张力控制前也要闭锁AFTR。如果卷径变化倍数>3,ASR也需要PI调节比例系数VR.n自适应环节,实现方法与图7相同。

5.4.1.2 通过转速给定控制张力的直接张力控制系统

通过转速给定控制张力的直接张力控制系统用于卷取(开卷)材料是易拉伸的弹性材料(例如塑料箔材)场合(弹性张力负载),它们为通过转速控制张力提供了转速变化空间。这种控制系统的框图示于图9。

该系统转矩环ATL的转矩给定由3部分组成:张力转矩给定T*T、动态转矩给定T*D和空载转矩给定T*0。T*D和T*0的计算与间接张力控制相同,T*T来自转速调节器ASR的输出。ASR的转速给定为

$n{}^{*}={\rm K}{}_{\text{D}}\frac{v+\text{Δ}v{}^{*}}{D}(16)$

式中,v为线速度信号,Δv*为线速度微调信号,来自张力调节器AFTR的输出,它被限幅在2%～10%。AFTR的输入是张力给定F*T和来自张力传感器的张力实际值FT之差。对于卷取机,若FT <F*T,Δv*加大,使n*加快,绷紧带(线)材,减小张力误差;对于开卷机,若FT<F*T,Δv*加大,由于v是负值,n*减慢,也绷紧带(线)材,减小张力误差。

AFTR的投入和解除过程与通过转矩给定控制张力的直接张力控制系统相同。如果卷径变化倍数>3,ASR也需要PI调节比例系数VR.n自适应环节。

5.4.2 张力S辊的直接张力控制系统

S辊是带材生产线中常用设备,用来控制带材在某生产段的速度。它由2或3个辊组成,每个辊由1台电动机驱动,带材包在这几个辊外,以扩大带材和辊面接触的面积,增加摩擦,从而增加对带材的拉力。S辊传动采用主从控制,按主辊的工作模式,它分2类:速度基准S辊和张力S辊。速度基准S辊的任务是控制该生产段带材移动的线速度v,它的主系统采用无转速静差的双环基础调速系统,任务是使v等于其给定值。如果生产段很长,一组S辊拉不动全段的带材,就需要增设第2或第3组S辊。一个生产段中有几组S辊后,就出现S辊间转速协调和负荷分配问题,所以新增设S辊的主系统都采用张力控制,它们的任务是使带材张力FT等于其给定值,转速n则取决于v,系从属变量,称这类S辊为张力S辊,见图2。由于存在“打滑”可能(“打滑”时主从辊间机械联系断开),S辊的从系统宜采用通过转速环实现负荷均衡系统SLBS,参见第4讲4.3节(有机械联系的多电动机主从控制系统)。

张力S辊大多采用直接张力控制。与卷取(开卷)机的直接张力控制系统一样,按实现张力控制的途径,张力S辊的直接张力控制也分2类:通过转矩给定控制张力系统和通过转速给定控制张力系统。它们的工作原理也和卷取(开卷)同类系统相同。与卷取(开卷)机不同,张力S辊不存在卷径变化问题,D=D0=常数,不需要D计算,相应n*,T*T和T*D的计算都被简化,ASR的VR.n自适应环节取消,由于张力变化倍数小,T*0补偿也被取消。

通过转矩给定控制张力的S辊直接张力控制系统示于图10。

由于张力S辊用于长的生产段,在两组S辊之间的带材会有一定下垂量,转速微小变化引起下垂量变化,有一定转速变化空间,即使用于不易拉伸材料的张力S辊也常采用通过转速给定控制张力的S辊直接张力控制系统,见图11。

为防止张力振荡,AFTR输出被限幅于10%或更小。另外在建立张力过程中和解除张力控制前,也要先闭锁AFTR。

5.5通过转矩给定控制张力系统的弹性振荡及抑制[1,3]

从前面介绍知道:对于刚性张力负载,通过转速给定控制张力系统易振荡;对于弹性张力负载,则通过转矩给定控制张力系统易振荡,即使采用间接张力控制也一样。通过转矩给定控制张力的间接张力控制系统,转速调节器饱和,根据线速度和张力期望值计算转矩给定,通过转矩环ATL使实际转矩等于给定值。这时,转速开环,没有张力调节器张力也是开环,粗想起来这系统不应有稳定问题,但是如果负载张力有弹性(张力大小与拉伸量成比例),人们可以看到一个奇怪的振荡现象,电动机转矩平稳不变,而转速和张力却在来回振荡。本节分析产生这种弹性振荡的原因,并介绍抑制方法。

下面以卷取系统为例说明弹性振荡的起因。卷取机示意图见图1。在讨论稳定问题时认为线速度v和卷径D不变(信号v来自主机,不受张力波动影响)。

振荡发生时,张力FT=FT0+ΔFT,张力转矩TT=TT0+ΔTT,电动机转矩T=T0+ΔT,转速n=n0+Δn,转角

$\{\begin{array}{l}\theta =\theta {}_0+\text{Δ}\theta \\ ={\rm K}{}_{\text{a}}{\displaystyle \int (}n{}_0+\text{Δ}n)\text{d}t\\ \theta {}_0={\rm K}{}_{\text{a}}{\displaystyle \int n}{}_0\text{d}t\\ \text{Δ}\theta ={\rm K}{}_{\text{a}}{\displaystyle \int \text{Δ}}n\text{d}t\end{array}(17)$

(上述几个表达式中变量下标0表示无振荡时的值,Δ表示振荡带来的增量)

电动机运动方程

$\{\begin{array}{l}{\rm T}-{\rm T}{}_{\text{Τ}}={\rm T}-{\rm K}{}_{\text{Τ}}DF{}_{\text{Τ}}\\ ={\rm T}{}_{\text{m}}\frac{\text{d}n}{\text{d}t}\\ {\rm K}{}_{\text{Τ}}=\frac{D{}_{\text{B}}F{}_{\text{Τ}\text{B}}}{2{\rm T}{}_{\text{B}}}=\text{c}\text{o}\text{n}\text{s}\text{t}.\end{array}(18)$

把上式中各变量改写为无振荡值+增量形式。无振荡时

$\begin{array}{l}{\rm T}{}_0-{\rm T}{}_{\text{Τ}0}={\rm T}{}_0-{\rm K}{}_{\text{Τ}}DF{}_{\text{Τ}0}\\ ={\rm T}{}_{\text{m}}\frac{\text{d}n{}_0}{\text{d}t}(19)\end{array}$

比较式(18)和式(19)

$\text{Δ}{\rm T}-{\rm K}{}_{\text{Τ}}D\text{Δ}F{}_{\text{Τ}}={\rm T}{}_{\text{m}}\frac{\text{d}\text{Δ}n}{\text{d}t}(20)$

间接张力控制的转矩环ATL使T=T*=T0,不受张力转矩和转速振荡影响,ΔT=0。

对于弹性张力负载

ΔFT=KeΔθ (21)

把式(11)～式(17)和式(21)代入式(11)～式(20),得运动方程

$\frac{{\rm T}{}_{\text{m}}}{{\rm K}{}_a}\frac{\text{d}{}^2\text{Δ}\theta }{\text{d}t{}^2}+{\rm K}{}_{\text{e}}{\rm K}{}_{\text{Τ}}D\text{Δ}\theta =0(22)$

这是二阶不衰减振荡方程。弹性系数Ke越小,振荡频率越低,振幅越大。对于刚性张力负载,Ke非常大,振荡频率很高,电动机和机械响应不了,振荡不会发生。

抑制弹性张力振荡的方法是在转矩中引入转速增量信号,令

T=T*=T0-KnΔn (23)

则 ΔT=-KcΔn

代入式(20),得运动方程

$\frac{{\rm T}{}_{\text{m}}}{{\rm K}{}_{\text{a}}}\frac{\text{d}{}^2\text{Δ}\theta }{\text{d}t{}^2}+\frac{{\rm K}{}_{\text{c}}}{k{}_{\text{a}}}\frac{\text{d}\text{Δ}\theta }{\text{d}t}+{\rm K}{}_{\text{e}}{\rm K}{}_{\text{Τ}}D\text{Δ}\theta =0(24)$

这是二阶衰减振荡方程,弹性张力振荡被抑制。

实现上述抑制方法的框图绘于图12。图12中转速给定n*按式(5)～式(9)算出,它近似等于n0,n*- n≈-Δn。与间接张力控制系统框图3相比,本图ATL的输入信号T*(转矩给定信号)中增加了-KcΔn分量。不振荡时,Δn≈0,-KcΔn分量不影响张力控制,它只抑制振荡。

实例1:某铝板冷轧机,它的来料较厚、硬,在第1道轧制的卷取过程中,板材产生很大抗弯曲弹力,电动机拉紧一点,板材就弯过来,卷紧一点,电动机放松一点,板材又弹回去,卷又松开,电动机负载转矩的大部分都被用来克服这弹性。开始采用图3所示系统,出现明显振荡,电动机电流和转矩稳定不变,而转速一快一慢,铝卷一紧一松来回振。在后几道轧制时,铝板薄了,抗弯曲弹力没了,系统工作正常。后改用图12所示系统,在转矩中增加-KcΔn成分,上述振荡问题解决。

实例2:某带钢加工线的水平活套示于图13,电动机驱动绞车,通过钢绳拉动活套车水平移动,绷紧钢带。活套的任务是贮存一定数量的钢带物料,维持生产线生产的连续性,v1和v2分别是钢带输入线速度和输出线速度,在冲、放套时v1≠v2,这时电动机转速n比例于v1和v2 之差,正常工作时v1=v2,电动机堵转n=0,在整个生产过程中都维持张力转矩不变。活套电动机的任务是产生固定的张力转矩,它不需要动态转矩和空载转矩补偿,也无断带可能,从原理上说其控制系统只需要转矩环(不需转速外环) 和固定的转矩给定T*,起初人们确实设计了一个这样的系统,但工作起来后发现弹性振荡,虽然电动机实际转矩等于给定值不变,很稳定,无波动,而电动机却来回转动,带材一松一紧抖动。

钢带的重量W由带钢张力FT平衡,将FT分解为一个垂直分量Fv和一个水平分量Fh,Fv=W/2,Fh=Fvl/d (d是钢带下垂量,l是从下垂最低点到活套车的水平距离)。钢缆的拉力(张力)等于Fh ,电机以转速n旋转,转角θ加大,活套车右移,l加大,d减小, Fh加大。Fh和转角θ间是非线性关系,在分析稳定时都采用小信号增量,经小信号线性化后FT和θ间的关系可以用下式近似表示

ΔFh=KLΔθ (25)

式(25)表明,水平活套车传动也是一个弹性张力负载,虽然调速系统只有一个张力环(简化的间接张力控制系统),也存在稳定问题。

解决这问题的办法也是在转矩中引入-KcΔn成分,框图示于图14。图14中n0是无振荡时的电动机转速,即

n0=Kn(v1-v2)

由图14知 n0-n=-Δn

ΔT*=-KcΔn

采用此措施后,振荡消除,钢带拉紧。

参考文献

[1]马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统[M].北京:机械工业出版社,2010.

[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].第3版.北京:机械工业出版社,2003.

煤矿井下变频调速系统应用案例 第7篇

1.1 变频设备运行时数值分析

在变频调速系统中,如果调节电源频率或系统电路的参数(如电感L、电容C)使电路两端的电压与其中的电流同相,这时电路中就会发生串联谐振现象。串联谐振发生时,会带来较大的瞬间电流和高电压。

谐振发生时,瞬时电压超出额定电压。此时,XL=XC,其中,XL为感抗;XC为容抗。

当XL=XC>R时,系统中的感抗电UL与容抗电压UC都高于正常工作电压,这时可能会引起电缆线芯绝缘的击穿,而且电缆越长,谐振电压也越高,电缆绝缘被击穿的几率也越大。

谐振发生时,产生瞬间大电流。电路的阻抗模:

谐振发生时,阻抗模值最小,因此,在电源电压U不变的情况下,电路中的电流将在谐振时达到最大值。

经过分析可以看到,由于系统频率的变化,会造成脉冲电压突然增大,这样会引起电缆线芯绝缘的击穿;同时生成瞬时大电流,零线芯会承受比主线芯更大的电流,产生较强的电磁波,对周围邻近地区的通信工具或调幅接收器将产生严重的干扰,会对井下安全生产带来严重威胁。

1.2 原有电缆分析

1.2.1 结构分析

目前煤矿井下变频调速系统普遍采用《煤矿用阻燃电缆》(MT818-1999)中的煤矿用移动金属屏蔽监视型软电缆,即普通三相电缆,型号为MYPTJ,其结构为3根主线芯,每根主线芯上缠绕附着的零线(见图1)。

1.2.2 特点

MYPT J型煤矿用移动橡套软电缆具有良好的抗静电干扰和抗电磁波干扰性能,但是使用这种电缆的系统会在达到一定频率后使主线芯和零线产生干扰和谐振电压不平衡,并产生较高的脉冲电压,给煤矿井下运输及敷设电缆造成困难,而且电缆的制造难度大。这就对电缆的绝缘强度提出更高的要求,需要增加电缆线芯的绝缘厚度和选用介电常数小的绝缘材料来提高电缆绝缘的耐压水平,防止电缆绝缘被击穿,而新的M V F P T型对称结构变频器电缆则可满足上述要求。

1.3 变频器电缆的选择

1.3.1 电缆结构及材质

MVFPT型对称结构变频器电缆主线芯与零线芯位置采取对称结构设计,并增加电缆主线芯金属屏蔽与成缆后金属屏蔽。

MVFPT型电缆导体采用镀锡软铜线,表面应光洁,无油污,无尖端凸起等缺陷,应符合MT818.1-1999标准中的规定。

该电缆动力线芯绝缘采用乙丙橡胶为基料的绝缘胶料,其性能应符合GB 7594.8中XJ230A型的规定,但抗张强度应不小于6.5MPa。这种电缆的绝缘厚度与20℃时的绝缘电阻参照MT818.7-1999标准中的规定,以保证成品电缆有足够的电绝缘强度。

该电缆绝缘屏蔽采用半导电挤包或半导电带包层。屏蔽的过渡电阻值应不大于3 kΩ。缆芯外应编织一层镀锡铜丝的金属屏蔽,编织密度应不低于8 0%。

根据电缆的使用环境和条件,外护套采用氯丁橡胶或氯化聚乙烯为基料的护套胶料,其性能应符合GB7594.7中XH-03A型规定。

1.3.2 特点

(1)有较好的抗压、防爆、过载安全性能。主线芯与零线芯的位置采用了对称结构,导线的互换效应及其对称平衡,可将系统频率变化产生的谐振干扰减小到最低水平,此时电缆主线芯采用一般的电绝缘强度即可。这样就提高了电缆的抗压、防爆、过载安全性能。

(2)有较好的抗干扰性能。主线芯与零线芯位置的对称结构以及增加电缆主线芯金属屏蔽与成缆后金属屏蔽,可大大提高三相交流电的平衡性,降低三相负载相互产生的电磁干扰。

(3)有利于改善供电品质。3根零线的结构提供了方便灵活的接地方式,具有较低而且均匀的正(逆)序和零序阻抗,可以确保在频率变化生成瞬时大电流并产生较强的电磁波时,电磁波信号不干扰电缆附近地区的其他通信信号,并提高了电缆自身的抗干扰能力,能有效阻止外界电磁波信号对系统的干扰。同时,该结构可以实现内屏蔽和外屏蔽电场的统一性,延长了电压倍增时电机与传动器之间的转换时间。

2 大功率交交变频设备对电网的使用

由于交交变频设备的非线性和波形非正弦的特点,电气传动装置电源侧的电流不仅含有基波,还包含大量的谐波,会给供电系统的安全运行和供电质量带来不良的影响,同时会给系统中的其它用电设备带来很大的影响。

交交变频提升机等大功率负荷对电网的影响主要表现在:产生谐波电流;平均功率因数低;电压波动很大。

谐波电流对电气设备的危害:

(1)对供电变压器的影响主要是产生附加损耗,温升增加,出力下降,影响绝缘寿命。

(2)对旋转电机的主要影响是产生附加损耗,其次是产生机械振动,噪声和谐波过电压。

(3)对电缆及并联电容器的影响:当产生谐波放大时,并联电容器将因过电流及过电压而损坏,严重时将危及整个供电系统的安全运行。

(4)对变流装置的影响:交流电压畸变可能引起不可逆变流设备控制角的时间间隔不等,并通过正反馈放大系统的电压畸变,使变流器工作不稳定,而对逆变器则可能造成换流失败而无法工作,甚至损坏变流设备。

(5)对通信产生干扰,使电度计量产生误差。

(6)对继电保护自动装置和计算机等也将产生不良影响,如系统电压升高,缩短电气设备寿命等。

(7)部分谐波电流超过国标要求。

开滦东欢坨矿业分公司谐波分量如表1所示。对比6k V母线的总谐波电流和国标电流允许值表可以看出,部分谐波电流超过国标要求,必须进行治理。针对此情况引进S V G动态补偿系统。

3 SVG的基本工作原理

3.1 原理

S V G与系统连接示意图如图2所示。

电网电压和S V G输出的交流电压分别用向量Us和U1表示,则连接电抗X上的电压UL即为US和U1的向量差。而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的,这个电流就是S V G从电网吸收的电流I。如果不计及连接电抗器和变流器损耗,S V G的工作原理可以用图3所示的单相等效电路图来说明。在这种情况下,只需U1与Us同相,仅改变U1的幅值大小即可控制S V G从电网吸收的电流是超前还是滞后90°,并且能控制该电流的大小。

采用直接电流控制的有源滤波型中压S V G的工作原理:IS=IL+IC,即电源电流IS是负载电流I和补偿电流IC的向量和。假设负载电流I中含有基波正序电流(包括基波正序无功电流Ifq+和基波正序有功电流Ifp+)、基波负序电流If-和谐波电流Ih,即

为了使电源电流Is中不含有基波正序无功和基波负序电流,则需要控制SVG输出电流Ic,满足Ic=-(Ifq+If-)。这样)电源电流中就只含有基波正序有功和谐波电流,即Is=Ifp+Ih。所以想要达到补偿的目的,关键是控制SVG输出电流。

3.2 恒无功控制系统

SVG连接到系统中,通过控制SVG输出电流的幅值与相位来控制从SVG输出的无功性质与大小QS V G,只要QS(系统)=QL(负载)-QSVG=恒定值(或0),功率因数就能保持恒定,电压几乎不波动。

精确计算出负载中的瞬时无功电流,采集进线电流及母线电压,经运算后得出要补偿的无功功率。计算机发出触发脉冲,经光纤传输至脉冲放大单元,经放大后触发IGBT或IGCT,获得所补偿的无功电流。

3.3 运行结果

(1)电网实时因数数值不小于0.98(滞后,无过补)。

(2)成套装置具有短时过载能力。

(3)输出调节范围为-100%~100%(无级可调)。

(4)系统响应时间小于5ms。

(5)故障时提供报警信息,严重故障时封锁SVG驱动脉冲,同时装置退出运行。

(6)装置运行过程中,最大有功损耗较低(不大于输出容量的0.8%)。

(7)现场实测谐波分量大大低于国标相关要求的数值。

(8)通过SVG装置现场视频和音频信号,随时可以观察到现场的设备运行状况,包括维护指导、故障状态、故障位置、电压/电流指示值等,配合厂家远程服务监控系统,大大降低了系统的维护工作量和技术难度。

S V G应用前后的电源三相电流波形对比如图4、图5所示。

4 结语

浅谈对变频调速系统的理解 第8篇

目前, 国内变频调速系统的研究非常活跃, 但是在产业化方面还不是很理想, 市场的大部分还是被国外公司所占据。因此, 为了加快国内变频调速系统的发展, 就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解。主要表现在以下几个方面:

1 消防给水设备

1.1 传统水泵控制技术的弊端。

在传统的水泵控制方式中, 靠调节出口或入口闸阀方式来进行, 人为增加管网阻力达到变化流量和压力的目的。因此, 在控制过程中, 流程阻力损失相应增加, 而此时水泵的特性曲线不变, 叶片转速不变, 电机输入功率并无减少, 而是白白地损失在调节过程中。传统的控制方式, 造成水泵长期处于高速、满负荷状态下运行, 因此维护工作量大, 设备寿命低, 并且运行现场噪声大, 影响环境。1.2变频调速技术的原理。变频调速技术 (vaiahle vaiahle firequency technology) 是一项综合现代电气技术和计算机控制的先进技术, 广泛应用于水泵节能和恒压供水领域。变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系, 即均匀改变电动机定子绕组的电源频率, 就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢, 轴功率就相应减少, 电动机输入功率也随之减少。这就是水泵变频调速的节能作用。1.3变频调速技术用于消防给水系统的控制方式。a.继电接触器控制方式;b.逻辑电子电路控制方式;c.单片机电路控制方式;d.带比供积分微分IPl Dl控锚器或可缩程序逻辑 (PLC) 控制器的控制方式;e.变频器内部集成控制方式。此种控制方式将PID、PLC的功能都以集成方式综合到变频器内, 形成了面向控制和应用的新型变频器。由于PID运算预先固化在变频器内部省去对PLC的设计和对PID的编程, 而且PID参数的在线调试非常容易。内置PID调节器采用了优化算法, 所以水压调节十分平滑、稳定。同时, 为了保证水压反馈信号值的准确、不失值, 可对该信号设置滤波时间常数, 同时还可对反馈信号进行换算使系统的调试非常简单、方便。所以采用带有内置PID功能的变频器生产出的恒压供水设备, 能够降低设备成本, 并节省安装调试时间。

变频调速技术用于消防给水系统可以实现水泵电机无级调速, 依据用水量的变化自动调节系统的运行参数, 在用水量发生变化时保持水压恒定以满足消防用水要求。与传统消防给水方式相比, 不论是设备的投资、运行的经济性, 还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势, 而且具有显著的节能效果。

2 空调压缩机

由于传统的制冷系统采用定速压缩机, 因此人们对制冷系统及压缩机的研究重点一直是在名义工况和额定转速下稳态工作时的效率和其它工作特性上。传统的制冷系统采用定转速压缩机, 实行开关控制, 利用压缩机上附带的鼠笼式电动机驱动压缩机, 从而调节蒸发温度。这种控制方式使蒸发温度波动较大, 容易影响被冷却环境的温度。压缩机电机在工作过程中要不断克服转子从静止到额定转速变化过程中所产生的巨大转动惯量, 尤其是带着负荷启动时, 启动力矩要高出运行力矩许多倍, 其结果不仅要额外耗费电能, 而且会加剧压缩机运动部件的磨损。另外这种运行方式在启动过程中还会产生较大的振动、噪声以及冲击电流, 引起电源电压的波动, 因此应采用变频压缩机替代定转速压缩机, 从而避免这种频繁的起停过程。

而变频调速技术主要由以下4个方面的关键技术组成:逆变器, 微控制器, PWM波的生成以及变频压缩机的电机选择。

2.1 逆变器。

变频空调的核心部件是变频器, 其主要电路采用交-直-交电压型方式。交-直过程一般采用单相二级管不可控直接整流, 直-交过程一般采用6管三相逆变器, 另有一个辅助电源, 一个逆变器控制器和相应的驱动电路。目前大部分厂家采用的逆变桥由6个绝缘栅极晶体管 (IGBT) 组成, 其综合了MOSFET和GTR的优点, 开关频率高、驱动功率小。随着智能功率模块 (IPM) 技术的发展应用, IPM正在逐步取代普通IGBT模块。由于IPM内部既有IGBT的棚极驱动和保护逻辑, 又有过流、过 (欠) 压、短路和过热探测以及保护电路, 提高了变频器的可靠性和可维护性。另外, IPM的体积与普通IGBT模块不相上下, 价格也比较接近, 因此目前应用较为广泛。比较成功的产品如:日本三菱电机公司所生产的PM20CSJ060型以及日本新电元公司生产的TM系列IPM模块等。2.2微控制器。微电子技术的发展使变频调速的实现手段发生了根本的变化, 从早期的模拟控制技术发展数字控制技术。微控制器目前主要由单片机向DSP (信号处理器) 过渡。以目前应用比较广泛的TI公司的TMS320C240为例, 其具有:50Ns的指令周期, 544字的RAM, 16K的EEPROM, 12个PWM通道, 三个16位计数器, 两个10位A/D转换, WATCHDOG, 串行通讯口, 串行外围接口等, 采用DSP, 可使控制电路简单, 而且控制功能强大。2.3 PWM波的生成。PWM控制是交流调速系统的控制核心, 任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。其中, 空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用。在家用空调器中, 目前国内大部分厂家采用常规的SPWM方法, 在国外, 在部分厂家以采用磁通跟踪型SPWM生成方法, 该方法以不同的开关模式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹-理想磁通圆, 即用空间电压矢量的方法决定逆变器的开关状态, 以形成PWM波形, 该方法电压利用率高, 低频谐波转矩小, 频率变化范围宽、运行稳定, 具有比较好的控制性能。2.4变频压缩机的电机。变频压缩机电机主要分为交流异步电动机和直流无刷电动机两种。目前国内一些大的压缩机生产厂家如:万宝、松下、上海日立、东芝万家乐等已有能力生产变频压缩机 (包括交流机和直流机) , 交流电动机成本低, 制造工艺简单, 但其节能效果较差。直流无刷电机拖动由无刷电机本身, 转子位置传感器和电子换向开关组成。转子磁极为永磁体, 电枢绕组采用自控式换流, 定子旋转磁场与转子磁极同步旋转, 通常采用按转子磁场定向的定子电流矢量变换控制, 既有普通直流电机良好的调速性能和启动性能, 又从根本上消除了换向火花、无线电干扰的弊端, 具有寿命长、可靠性高和噪声低, 控制方便等优点。

3 棉纺行业

3.1 原棉纺设备中的A字头梳棉机道夫传动

都采用双速电机及摩擦离合器形式, 因此, 从慢速到快速运行时产生的意外牵伸及变速箱齿轮磨损产生的“打顿”使棉条重不匀, 往往使成纱等级大幅下降甚至成为不合格品。目前新开发的梳棉机道夫传动已采用交流变频加普通异步电动机, 由于变频的升降速范围很宽, 可达0.1~3600秒, 且取消变速箱, 离合器, 直接采用同步齿形带传动道夫, 升降速非常平稳, 传动精度高, 且无噪声, 它的使用从根本上克服了原A字头梳棉机弊病, 从而可确实可靠地保证棉条质量。3.2原粗纱机一直采用锥形 (铁炮) 变速机构, 但锥形变速皮带打滑导致变速不准, 影响绕纱张力和成形不好的质量问题。现采用交流变频调速, 去掉了锥形变速机构, 使以上难题迎刃而解, 从根本上把好了粗纱的质量关。而对于细纱机来说, 由于新型机采用变频调速器去掉了成行机构中的成型凸轮, 进而克服了由于成行凸轮所造成的桃底有停顿, 桃顶有冲击的难题, 使细纱卷绕成形质量大为提高。主电机采用变频调速后, 使得细纱在大、中、小纱时的转速在变化, 大大减少了细纱的断头率, 使成纱质量得到了可靠保证。

展望

在交流调速的研究与制造过程中, 硬件的设计与组装占了相当大的比重。电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人, 对人员的素质有一定要求。而国外相关产业的人工成本相对较高, 在近十年内, 交流调速的制造业有可能向发展中国家转移。对中国来说, 这也是一个机遇, 如果我们抓住这个机会, 再利用本身的市场有利条件, 有可能在我国形成交流调速系统的制造业中心, 使我国工业上一个新的台阶。

摘要：为了加快国内变频调速系统的发展, 就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解。

关键词：变频调速系统,消防给水设备,变频压缩机,PWM,数字控制,棉纺行业

参考文献

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[7]制造业自动化.制造业自动化, 杂志社.[7]制造业自动化.制造业自动化, 杂志社.

基于DSP数字型变频调速系统 第9篇

数字信号处理器(DSP)是高速专用的微处理器,运算功能强大,数据传输速度快,在数字控制领域应用广泛[2]。TMS320C240是目前应用于数控领域性能最好的DSP芯片[1],它是专门为电机控制设计的,它内部自带了PWM输出单元,具有适时运算能力,并集成了电极控制外围部件,使设计者加较少的硬件设备,就可以构成最小目标控制系统,从而可以降低系统费用和成本。PWM逆变器开关器件采用新型IGBT器件,具有开关频率高、驱动功率小、线路简单等特点。日本富士EXB840为系统驱动器,这是专门用来驱动IGBT的驱动模块,由控制电路输出的PWM控制信号经驱动模块EXB840控制IGBT1-6的通断,实现调压调频,从而控制电机的转速。本文选用以上数字器件进行了交流电动机变频调速系统设计,它具有调速范围宽、效率高、动态性能好等特点,被广泛地应用在交流调速领域。

1 系统的总体构成

基于DSP数字型变频调速系统的结构框图如图1所示。

该系统主要由主回路部分,控制电路,检测部分三部分组成,还附有必要的外围电路。主回路主要是把电网电压经过整流和逆变,送入交流电动机,并通过控制电路控制逆变器开关元件的开断,实现电动机的调速。控制电路把检测电路采集到的电压、电流和转速等信号送入DSP芯片中,进行矢量控制算法运算,再输出控制信号控制主回路逆变器,同时通过键盘控制经DSP处理后显示电动机的运行状态。

2 硬件设计

2.1 主回路

采用电压型PWM变频器的主回路。这种变频器先将电源提供的交流电通过整流器变成直流,再经过逆变器将直流变换为交流电。应用不控整流、PWM逆变器调压变频的交-直-交变压变频装置,该结构可以较好地解决输入功率因数低和输出谐波大的问题。PWM逆变器开关器件采用IGBT,它是一种新型全控电力电子器件,综合了MOSFET和GTR的优点,开关频率高,驱动功率小,线路简单的特点。主电路结构如图2所示。

2.2 控制回路

控制电路的核心采用D S P芯片中的TMS320C24*系列,它是专门针对电机控制而设计的,本系统中应用TMS320C240芯片。C240含有操作速率为20×10条指令1s的CPU,片内含有16KB程序存储器(ROM),544B数据存储器,双十位A/D转换器,它含有同步串行外设接口(SPI),异步串行通信接口(SCI),备有四种掉电模式,采用基于仿真头(JTAG)扫描的仿真技术;它提供的脉宽调制(PWM)及I/O接口,可以用于驱动各种类型的电机。它包含了3个起/停定时器和9个比较器,并辅以灵活的波形发生逻辑,可产生多达12路PWM输出;它还支持对称的和非对称的PWM生成能力以及空间矢量PWM状态装置,以实现功率开关器件的优化方案;它能以比较低的功耗延长使用使命,它还包括死区发生单元,从而有助于保护功率器件;此外,事件管理器集成了4个接收输入端,其中2个可用于光电编码器正脉冲的直接输入。C240内部框图如图3所示[1]。

该控制电路的算法采用矢量控制算法,把采集的电压,电流信号和速度信号同时送入TMS320C240芯片中,在C240中经过比较器和函数库进行矢量运算,输出控制信号[4]。

2.3 驱动电路

应用日本富士电机的E X B系列驱动器EXB840,作为该系统的驱动器,这是专门用来驱动IGBT的驱动模块。该模块的特点是内部装有2500V的高隔离电压的光耦合器,有过电流保护电路和过电流保护输出信号端子,另外,可以单电源供电。由控制电路输出的P W M控制信号经驱动模块EXB840控制IGBT1-6的通断,实现调压调频,从而控制电机的转速。EXB840驱动器的内部结构和脚码说明如图4所示[3]。

2.4 检测电路

电压、电流检测均采用霍耳元件,其特点是可实现隔离,而且交直流均可检测,精度高,但需要外接电源,价格较高。转速检测采用光电编码器,这是一种位置检测器。

3 软件设计

DSP程序的编写可以用汇编语言,也可以使用C语言。一般来说,采用C语言设计的开发周期短,效率较高,并且移植性好,利于实现模块化、组态化的设计目标,所以设计中的程序也是用C语言编写的[4]。主程序流程图如图5所示。

4 结论

将设计的变频系统运用于电梯运行控制系统中,由于电梯经常需要处于正反转、反复起动制动过程中,要求电动机在各种负载下都有良好的调速性能和准确停车性能。本设计采用全数字芯片实现交流电动机的变频调速系统,能够在规定时间周期内采集数据、信息、发出控制信号,并且能在准确的时间内达到目的要求,完全能够满足电梯乘客的舒适感和平层精度要求。此外,该系统结构紧凑、体积小、重量轻、可靠性高、功能强、成本低等优势赢得广大用户关注,已广泛用于冰箱、空调、洗衣机等家用电器及风机、泵或一般工业变速传动控制中。

参考文献

[1]TMS320C2407A DSP controller,TI,2002.

[2]陈林,熊有伦,侯立军.基于DSP的变频调速系统设计[J].电工技术杂志,2002,(03):9-11.

[3]林雪岩,付兴武.基于DSP的全数字式变频调速系统[J].电气时代,2004,(12):139-140.

变频调速系统 第10篇

【关键词】变频器参数 变频调速系统 故障 诊断方法

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2016）12C-0191-02

变频器为改变传统的交流电动机调速而诞生，发展至今，其已经达到了很高的智能化程度，完全实现了参数化，随着电子技术和芯片技术发展，仍会在控制精度、控制方式上不断地扩展更新。在企业生产设备如产品生产线、机床，日常生活设施如电梯、高层建筑供水中，变频器的应用已经十分普遍。由于变频器在电气系统中的重要性，一旦发生故障，势必对生产生活造成影响，如果长时间无法排除故障，则会在经济上造成更大损失。

为避免故障发生，必须做好日常检查维护工作，但设备故障是无法杜绝的，为了能迅速排除故障，就需要理解变频调速系统的原理，掌握故障处理的方法和技巧。下面以西门子变频器为例，阐述故障诊断方法。

一、变频调速系统构成要素

如图1所示，变频调速系统主要由电源、变频器、交流异步电动机、传动机构和终端机械构成。

电机转动由变频器的输入信号决定，输入信号分为：（1）命令控制信号。决定电动机的启动、停止、换向，可能器件有开关、按钮、传感器、PLC、智能温控器等。（2）频率控制信号（亦称转速信号）。决定电动机的快慢，可能器件有外部开关、PLC、智能温控器等。输出信号是继电器型触点或模拟电流（压），起监视变频器运行状态的作用。

二、诊断方法

系统的故障表现通常是不能启动、转速不正确、发生报警停机。主要涉及命令信号的有无，频率信号是否正确和参数设置是否正确几个因素，最基本的手段是：（1）听声音。变频器内有一个散热风扇，当接受了启动信号后，会转动，发出轻微的响声，据此，可判断启动命令的有无。（2）观察基本操作面板BOP：改变输入侧的频率信号，如果BOP显示值发生变化，说明变频器能够接受频率信号。以此为基础，再结合变频器的控制参数、状态参数进一步确定原因。

（一）无法启动。电动机的启动取决于启动命令信号，即使提供了命令信号，但接口不一致，电机仍不会转动，这就要检查命令源参数P0719和P0700，P0719是选择控制命令源的总开关，优先级比P0700高，例如P0719设为55，P0700设为2，此时接受USS的启动信号而不是端子排的开关信号。出现本故障时应首先比对工程决策与接线，看信号来源与参数选择值是否一致，如有错误，则需更正使两者成为一致。

其次要查看相关的状态位，这些状态位以七段码形式显示，如图2所示。当信号有效时相应的显示点亮。按七段码显示的参数见表1，限于篇幅，参数各位含义请详查手册。

下面试举几例说明。

例1：R0019第一位无显示，说明驱动装置运行未准备好，原因是P0010设置值不为 0。

例2：假设PLC输出数字信号接入变频器7#端子作启动信号。查看R0722第二位无显示说明变频器未得到信号，线路中间出现断路或 PLC逻辑错误。

例3：假设PLC通过COM链路USS通讯协议输出启动信号。查看R2018（第0组部分实验数据如表2所示），如果开机后显示1150，说明通信建立，接通PLC的RUN端，未显示1151，则说明PLC程序错误。R2018 亦可按位显示在R2036、R2037中。

（二）转速不正确。当变频器风扇转动后，可能出现的情况有：（1）电机仍然不转；（2）转动，但速度显示不正确。这时应根据频率给定源值查看相关的状态参数，相关参数如下。

R0020：显示实际的频率设定值（斜坡函数发生器的输出）。

R0024：经过滤波的实际的输出频率。

R0096：显示以[%]值表示的PZD 信号。

R0720：显示数字输入的数目。

R0722：显示各个数字输入的状态。

P0701- 0708：定义数字输入 的功能。

R0750：显示现有模拟输入的数目。

R0751：显示模拟输入的状态。

R0752：显示以V（或mA）为单位的经过平滑的模拟输入电压（或电流）值。

R0755：按十六进制数 [4000h] 标定的模拟输入值。

P0757- 0760：用于配置模拟输入的标定。

P1001-1007：固定频率 。

R2018：显示经由 COM链路USS 接收到的过程数据。

有几点需要指出，第一，对多段速，P1001-1007各对应一个频率值，但一个频率值不必放在固定的参数内，例如25既可设在P1001，也可设在P1007，只要外部数字信号输入001或111，都使电动机运行在25 Hz。第二，模拟输入时，P0757-P0760的设置不同，可使电动机随输入的变化运行在同一方向，或不同的方向。第三，频率值高于P1082或低于P1080时，会出现限幅情况，应该修改P1082、P1080。第四，USS通信给定时，如电源接地端 PE脱开，运行频率值保持之前的值。

（三）不能换向。此种情况比较简单，一般是外部方向信号缺失，可参照前述方法查找。欲得到反轉效果，更有效的办法是将频率值设为负值。

（四）异常报警。变频器内部有相当完善的保护措施，当发生过压、欠压、过流、过温等情况，BOP面板会显示以F或A开头的异常信息编码，可仔细查阅手册，依照手册条目检查。值得提醒的是，人为疏忽致参数不正确，亦会造成异常，例如P0305、P0307远比电动机额定值大，短时间内电动机温度攀升很快。

无论在工程施工阶段或设备投入运行后，设备都可能发生问题。当故障出现时，基本思路是从命令、频率信号处入手，同时考虑设备所处环境，逐层剥笋式深入，思路要正确，方法要得当，就一定能解决问题。文中叙述的方法，经过日常教学的实践检验，对促进职业能力培养和提升专业技能是行之有效的，也可供工程技术人员借鉴。

【参考文献】

[1]MICROMASTER 420通用型变频器（使用大全）[Z].

[2]MICROMASTER 440通用型变频器（使用大全）[Z].

[3]西门子标准驱动MICROMASTER4系列变频器手册[Z].

[4]驱动通讯基础[Z].

[5]USS通讯参数设置总结[Z].

【基金项目】广西高校科研立项项目研究成果（KY2015YB475）

PLC控制与变频调速系统设计 第11篇

1变频调速及分类

1.1按变频电源的性质分类

按变频电源性质分类可分为电压型变频器和电流型变频器。对于交—直—交型的变频器,中间直流环节采用什么样的滤波器是电压型变频器和电流型变频器的主要区别。在电路中间环节,直流环节多采用大电容滤波器,直流电压波形平直,施加在负载上的电压值一般不会受到负载的影响,电压值基本保持不变,电压型变频器通过逆变的方式输出的交流电压形状大多为矩形或阶梯形,但是当通过电动机负载滤波器后波形接近正弦式, 其含有的谐波分量较大。其优点是其运行方便,几乎不受负载等因素的影响。缺点是当负载短路时或者在变频运行时投入了负载,都会出现过电流的现象,需要短时间内采取有效措施进行保护。

1.2电流型变频器

在电路中间直流环节多采用大电感滤波电流波形平直,其不受施加在负载上的电流的影响,所以电流值比较稳定类似于电流源这就是电流型变频器。通过应用电流型变频器来控制直流电流时可以通过改变直流电压的方式,从而形成可调节的直流电源进一步可以控制输出。 因为电流的可控性好的特点所以电流型变频器可以限制因负载短路问题引起的过电流现象,经常用在频繁加减速和四象限运行的地方。交—交变频器没有滤波电容, 但是供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质所以也属于电压型变频器,有的交—交变频器用电抗器把输出的电流波形变成矩形波,让它具有电流源的性质这时属于电流型变压器。

1.3 PLC的介绍

PLC中文名为可编程逻辑控制器,PLC是一种在数字运算操作下的电子系统,主要应用在工业环境中,其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时和计数与运算操作等指令主要采用可编程的存储器,同时在控制不同类型的机械生产过程时主要采用数字或模拟式输入输出的方式。在工作运行时PLC想要实现控制功能主要通过执行反应要求的客户程序,用户要求的程序需要不断重复输入直到停机或者切换到stop工作模式,这样PLC输出的信号才能不断的反馈可能会发生变化的输入信号。

2 PLC控制变频调速系统设计

2.1 PLC控制变频器的方法

在采用PLC控制变频器时常用两种方法模拟量控制法和通信方式。模拟量控制的方法操作简单而且直观, 在通过此方法实现对变速器的控制时主要是利用变频器的I/0端子将变频器的跟随速度设置成某个模拟量的输入,一般一个模拟量通道中只能有一个变频器。通信的方法不单单实现了对变频器的控制,还可以获取变频器的运行状态,它操作方式很简单只需要把变频器看做为一个设备,PLC来通信来读写出变频器内部的寄存器从而实现了对变频器的控制。

2.2变频器中数值型信号的输入

变频器中也存在一些频率、电压等数值型指令信号的输入,有数字输入和模拟输入两种,数字输入在给定时通常应用变频器面板上的键盘操作和串行接口,模拟输入给定时一般通过接线端子的内部,通常电压信号为0 ~ 10V/5V或者输入的电流信号为0/4 ~ 20m A。接口电路因输入信号来决定,所以在选择PLC的输入模块时必须要依据变压器的输入阻抗来决定。如果变频器和PLC的电压信号范围不同时,又加上变频器和PLC的输入、输出端晶体管所允许的电压、电流的限制因素,所以需要将限流电阻用串联的方式接入来确保开关时不超过PLC和变频器输入输出端的允许容量。

2.3 PLC的优点

如今大多数PLC的“梯形图编程方式”在控制线路上思绪清晰直观,满足了很多工厂企业中工人们和技术人员的编程水平和读图的习惯,所以让人易于接受,掌握速度快。在执行梯形图程序时用内部的解释程序将其翻译成汇编语言,虽然比直接执行汇编语言编写的程序消耗时间长一些,但是对于目前的大型机电控制装备来说这些都显得微不足道,就目前对控制的要求来讲完全可以满足。

3设计中应注意的问题

3.1启动变频器时

在启动变频器时,不能迅速地把给定电压达到设定值应该逐步达到设定值来实现软启动功能,这样就会减少起动电流对电网的冲击破坏,还节约了电能的损耗。 在启动阶段不能调节PID,防止出现震荡现象。负载过大时,可以在变频器的侧边加上电抗器来减少变频器高次谐波的影响。

3.2将变频器与PLC相连接时

对PLC进行接地时要按照规定的接线标准和接地条件,连线应使用双绞线或者屏蔽线这样可以提高抗噪声能力,注意和变频器用接地线要不是同一根。当电源条件不好时,可以将噪声滤波器和降低噪音用的变压器接入PLC的电源模块和输入输出模块的电源线上。如果在同一个操作柜安装了PLC和变频器时,尽量把与变频器有关的导线和PLC有关的导线分开。在PLC和变频器连接时,由于弱电控制强电的因素,所以要注意到连接时的干扰避免出现由于干扰造成的变频器故障发生,导致变频器和PLC受损。

3.3在进行变频切换时

电机在变频供电方式下切换时,必须保证接触器闭合和断开的顺序和开关时的时间,防止电机绕组产生的感应电动势加载到变频器的输出逆变桥上,造成损坏。 在PLC自动调节时,PLC运算中断要定时防止受到扫描周期的影响,可以依据系统的调速指标和控制精度来设定中断的时间周期,当然也要考虑到系统在给定到系统运行输出时的时间的延迟。

4结论

目前的PLC技术能够满足大多数企业的技术人员的编程水平,变速调控技术和PLC相结合让两者优点共同发挥更有益于现在企业的发展。总而言之,虽然现在PLC技术还可以满足工厂企业的需求但是也要不断发展和完善可编程逻辑控制器技术,将其与变频调速系统相结合共同应用于所需的领域范围来推动我国工业水平的发展。

参考文献

[1]曹亚丽,宋爱娟,高玉强.PLC电梯控制系统设计[J].可编程控制器与工厂自动化,2011(1):74-75.

[2]宋家成.交流调速系统应用与维修[M].北京:中国电力出版社,2009.