变频调速控制范文

变频调速控制范文（精选12篇）

变频调速控制 第1篇

多电动机传动指一个生产机械或一个工艺区段中有多台电动机,它们的运动不独立,彼此之间存在约束,例如存在机械轴或通过被加工物体连在一起(另一种机械联系)。多电动机传动中的每个电动机调速系统都基于第1讲第1.4节介绍之基础调速系统,为满足生产工艺要求它们也需要辅以第3讲介绍的工艺调速典型转速控制环节,本节介绍由于彼此约束而需要增加之各调速系统间的协调控制措施。

4.1有转速静差系统

这类系统常用于辊道类传动,解决电动机之间的负荷分配不均问题。辊道用于输送货物,许多辊子排成一列,每个辊子或几个辊子用一台电动机驱动,整列辊子多台电动机以同样转速一齐转动,带动货物运动,图1为其示意图。

在输送过程中,货物逐次通过辊子,当货物压在某个辊子上时,驱动该辊子的电动机就有负载,货物没来前或离开后电动机空载。如果货物较长,同时压在几台电动机驱动的辊子上,则由这几台电动机共同推动货物,于是出现负荷分配问题。受货物和辊子间摩擦力约束,同时受压的几个辊子表面的线速度必须相等,受加工误差和摩损程度不同影响,辊子直径不会完全相同,因此要求电动机转速有微小差异。基础调速系统是转速无静差系统,若转速给定一样,它们的稳态实际转速就一样,把这系统用于辊道传动,将造成线速度高的辊子拖线速度低的辊子走的情况,两台驱动电动机负载差别巨大。辊道传动用于运送货物,对转速精度和调速范围都要求不高,常采用无转速传感器调速系统,由于转速观测存在误差,即使转速给定一样,各电动机的实际转速也不完全相同,也是负荷分配不均的原因。

为解决辊道电动机之间的负荷分配不均问题,希望各台电动机的调速系统都是有转速静差系统,随负载转矩加大,转速逐渐略微下降,它们的外特性示于图2,图2中纵坐标v表示辊子表面线速度,横坐标是负载转矩T。原来线速度高的辊子的负载转矩大,转速下降多,原来线速度低的辊子的负载转矩小,转速下降少,从而使得二者线速度实现平衡。设货物同时压在辊1和辊2上,二者的外特性略有差别,辊1略高于辊2,压上货物后二者线速度相同,则辊1电动机的负载转矩为Tl,辊2为T2,Tl>T2 。外特性越硬(下垂小),负载差越大;外特性越软(下垂大),负载差越小。

有转速静差系统通过在基础系统中加入“下垂环节”(“droop环节”)实现,它是从ASR输出到输入的负反馈,反馈系数为KB,框图示于图3。

在稳态,ASR之PI调节器输入=0,ATL使电动机实际转矩T等于给定转矩T*,

n*-n=KBT (1)

由于电动机的空载转速n0等于给定转速n*,则转速下垂率

$\text{Δ}n(\%)=\frac{n{}_0-n{}_{\text{Τ}\text{Ν}}}{n{}_{\text{Ν}}}=\frac{{\rm K}{}_{\text{B}}{\rm T}{}_{\text{Ν}}}{n{}_{\text{Ν}}}$ (2)

式中:nN和TN为额定转速和转矩;nTN为额定转矩对应的转速。

在采用相对值计算时nN=TN =1,

则 Δn(%)=KB (3)

KB越大,转速下垂率越大,负荷差越小。KB也不能太大,否则从空载到带载的转速差太大,对货物的进入和离开辊道不利,对运货速度影响也太大。通常设置Δn(%)=10%～15% 。

除辊道类传动外,这类有转速静差系统还用于其他需要简单负荷均衡的设备,例如轧机的立辊传动。立辊装于水平辊(主轧辊)旁,任务是轧制轧件的边缘,它的功率远小于水平辊,当轧件同时位于这两组辊中时,立辊转速只能随水平辊走,受轧辊和轧件材质、尺寸、温度等参数影响,两组辊的转速很难匹配,为防止立辊负载过大或过小,要求立辊采用有转速静差系统(主辊为无转速静差系统)。

4.2多单元(分部)协调控制系统[1,2]

生产机械由多个单元(分部)组成,通过被加工的工件连成一体,例如:造纸机、印染机、连续轧钢机等,各单元之间的运行速度必须保持一定的比例关系。要求各单元的电气传动装置本身运行稳定、鲁棒性好、不受电源、负载以及环境变化的影响,并设置各单元之间的协调控制环节。有的机械还要求在生产中同步加减速(在加减速期间也能保持各单元速度比例不变),为此要求各电动机转速对斜坡给定有良好的动态跟踪性能。

在造纸机中,纸浆连续地从网部流出,经压榨部脱水、干燥部烘干、压光机压光,最后,由卷纸机卷纸。上述每个部分都称之为分部,由一台或多台电动机驱动,示于图4。生产时,由于纸张的伸缩,各分部之间应有一定的速度差,通常称为速度差控制。由于生产是连续进行的,必须保持该速度差稳定不变,不受负载、电网、温度等扰动影响,否则会影响纸的定量,甚至造成纸张断头。这就要求每个分部传动都是在第3讲第3.2节中介绍的稳速系统(卷取机控制参见第5讲)。为协调各分部速度,让它们的转速给定都来自一个实现速度差控制所需的转速链给定环节。

在连续轧钢机中,钢材同时在几个机架中进行轧制,只有通过这些机架的钢材秒流量相等,才能不出现机架间堆钢或拉钢现象,使生产连续进行。连轧机组中Rb和Rc两个机架的连轧示意图绘于图5。

钢材经Rb轧制后,厚度、宽度和线速度从ha,wa和Va变为hb,wb和Vb,再经Rc轧制,进一步变为hc,wc和Vc。秒流量相等指每秒通过轧辊的钢材体积相等,即

hawaVa=hbwbVb=hcwcVc (4)

由于Vb比例于Rb的转速nb ,Vc比例于Rc的转速nc ,所以在两组辊直径相同时

$\frac{n{}_c}{n{}_b}=\frac{h{}_{b}w{}_b}{h{}_{c}w{}_c}$ (5)

也就是说,实现连轧生产的条件是各机架间的转速比要等于各段轧件横截面面积之反比,并在该轧件的全部轧制过程中维持这种关系不变,不受各种扰动影响。不同于造纸机的平稳负载工况,连续轧钢机在各机架咬钢时会受到突加负载冲击,为避免这种强负载扰动破坏秒流量平衡关系,要求驱动每个机架的调速系统都是在第3讲第3.6节中介绍的抗负载扰动系统。为协调各机架速度,让它们的转速给定都来自一个实现转速比控制所需的转速链给定环节。

许多连轧机都是恒速轧制,即在轧制一块钢材的全部过程中(从开始咬钢到轧完抛出)轧制速度不变,只有在改换规格品种时才改变速度。高速带钢轧机却不同,它要求低速咬入,咬入后升至高速轧制,快结束时再降至低速,因此要求所有机架带钢同步加减速,在加减速过程中也维持秒流量平衡关系。为此转速链给定环节应具有在加减速期间保持转速给定比不变的功能,同时每个调速系统应具有优良的对转速给定跟踪功能,也就是说需有转速预控环节(参见第3讲第3.4节)。

从上述2个应用实例知道,多单元协调控制系统中各单元应是具有良好抗干扰能力的无转速静差调速系统,为连续生产它们的转速彼此之间应保持一定比例关系,因此需要用一个转速链给定环节协调各单元的转速给定量。转速链给定环节应具有下列功能。

1)能根据工艺模型设定各单元转速给定之间的比例关系。

2)由于工艺模型不可能和实际情况完全符合,另外生产中工艺条件 (例如被加工材料的成分、温度、厚度、辊径等)也在不断变化,事先设定的转速链需要在生产中不断进行人工或/和自动修正(加入附加转速给定),这附加修正量还要参与下一个单元的调节。

由上述两项要求,综合出转速给定链关系式

3)所有转速给定同步升降,即在加减速过程中维持式(6)关系不变,为此用一个斜坡给定RFG产生信号n*0,其他所有转速给定都按式(6)算出。

转速给定链框图示于图6。

转速给定链的自动修正已广泛应用,常用的方法有张力控制和活套(或跳辊)控制2种。在设计自动修正系统前,先要依据工艺安排从所有单元中选择一个基准单元,例如第1个单元或最后一个单元或中间某一个单元,它的转速给定不修正。在基准单元后面的单元根据该单元前面的张力或活套(或跳辊)高度偏差修正其转速给定;在基准单元前面的单元根据该单元后面的张力或活套(或跳辊)高度偏差修正其转速给定。有自动修正后,人工修正通道仍需保留。

第x单元的张力控制示意图绘于图7a,其控制框图绘于图7b。张力计测出的张力信号FT.x与张力给定F*T.x比较后,经张力调节器AFTRx,产生自动修正的转速附加给定Δn*a.x,它与人工修正量Δn*m.x相加得总修正量Δn*x,送至转速链给定环节,去修正该单元的转速nx 。

第x单元的活套控制示意图绘于图8a。借助气动、液动或电动推力把活套臂抬起,绷紧被加工的带(线)材,根据活套臂抬起角度可以算出活套高度Hx,如果前后单元转速不合适,Hx就要变化,可以通过活套高度闭环来产生该单元转速给定的自动修正信号,维持Hx不变,从而实现连续生产。例如发现Hx加大,经调节器产生自动修正信号Δn*a.x,去增加后面单元的转速或减小前面单元的转速,使Hx恢复到给定值H*x。类似的设备还有跳辊,示于图8b,借助气动或液动拉力把跳辊拉下,绷紧被加工的带(线)材,若跳辊的自重和拉力之和为2FTx,则带(线)材中的张力等于FTx 。在前后单元转速不匹配时,跳辊高度Hx就要发生变化,也可以通过Hx闭环来产生该单元转速给定的自动修正信号。活套(或跳辊)控制框图与图7b一样,只是把图中的张力给定和反馈信号变成活套(或跳辊)高度给定H*x和反馈Hx,调节器的名字改为AHRx,示于图8c。为避免Hx在平衡位置附近来回跳动,在Hx反馈通道中需加入微分环节DT(微分负反馈)。跳辊有时也用于卷取(开卷)机控制,由于它们的卷径D是变化量,相应电动机转速也随之变化,所以框图中的转速给定n*x应根据线速度vx和卷径D算出,n*x=KDvx/D (KD为比例系数),见第5讲第5.3节中式(9)。

注意:张力控制和活套控制都需要有投入环节,只有在工件已绷紧及张力已建立后才能把转速自动修正环节投入,并要限制Δn*a.x的最大修正范围(10%左右),否则会带来振荡,例如发现工件松了,没有反馈量了,马上增加后面单元转速,工件突然绷紧,张力过大,又赶快减速,造成工件一紧、一松来回振荡。另外在工件即将过去时,还需设置张力控制或活套控制的退出环节,防止工件过去后,张力突然消失,活套高度突然变化,给调速系统带来冲击。

4.3有机械联系的多电动机主从控制系统[2,3,4]

生产中经常遇到有机械联系的多电动机传动系统,特点是电动机之间的转速彼此受约束,主要有如下几类:

A.2台或更多台电动机同轴传动或经齿轮箱连在一起,例如大型轧机的多电动机主传动或卷取机传动、压下传动等,电动机间的连轴短、粗,属于钢性联系;

B.大型多点提升机、升船机、双臂推料机等传动,其特点是电动机间的连轴细、长,属弹性联系;

C.宽轨距行走机构等,每个车轮由一台电机拖动,轮间无机械轴连接,它们的转速靠轮子与轨道的摩擦和机构钢架相互约束,也属弹性联系;

D.带钢加工、造纸、印刷、印染等生产线中的S辊传动,每组2或3个辊,彼此间无连轴,其转速靠套在它们上面带材的张力相互约束(见图9),特点是时有机械联系(套上带材正常工作时)、时无机械联系(上料、下料及打滑时),其联系也有一定弹性。

因电动机转速受机械联系约束,这类系统宜釆用主从控制,一台电动机的控制设计为主系统,由它决定转速,其他电动机的控制设计为从系统,任务是均衡电动机间负荷。最常用的主从控制系统示于图10,2套电动机的控制共用1套转速调节器ASR(主系统有转速调节器,从系统没有),其输出T*1作为2套转矩控制环ATL1和ATL2共同的转矩给定,2个转矩环促使2台电动机的实际转矩等于同一给定值,从而实现负荷均衡,称这系统为经转矩环负荷均衡的主从系统TLBS (load balancing system via torque loop)。

对于刚性联系(A类)的多电动机传动,TLBS系统好用,负荷均衡效果好,但对于弹性联系(B～D类)传动,它不大好用,负荷虽然也均衡,但机械弹性和间隙会带来扭振,对于C和D类传动,它还存在“打滑”后机械联系断开,从电动机转速失控问题(“打滑”后摩擦减小,由于从系统没有转速环,它仍产生和主系统一样的转矩,造成从电动机的电动转矩大于负载转矩,电动机加速,越加速摩擦越小,打滑越严重)。

4.3.1 TLBS系统的轴弹性扭振

图11示出最常见的两电动机传动情况,2台电动机经减速机和机械轴联在一起,本文以它为例分析弹性扭振产生机理,其结果也可用于更多电动机传动及C和D类无连轴的传动。

在分析中,转矩T和角速度ω都是相对值,无量纲和单位,角度的单位是弧度(rad)。在分析中把整个转矩环看成一个时间常数为σT的小惯性环节,由于σT远小于扭振周期,近似认为扭振时转矩实际值T无滞后的跟随其给定值T*变化,即T=T*。

由图11,写出两电动机的运动方程

式中:ω1,ω2为两电动机角速度;i为减速机减速比;Ts1和Ts2为机械连轴两端之负载转矩;TL1,TL2为两外加负载转矩;J为折合到电动机轴的惯性时间常数,J=(2πfN/p)J(m)/TB,J(m)为转动惯量测量值,(2πfN /p)为角速度基值,fN 为电动机额定频率,p为电动机极对数,TB为转矩基值。

式(7)和式(8)相减 并用微分算子s□代替d□/dt (□为变量名),

Js(ω1-ω2)=(T1-T2)-(Ts1-Ts2)/i-ΔTL (9)

式中:ΔTL为折算到电机轴上的外加负载转矩差,ΔTL=(TL1-TL2)/i。

考虑到

及在TLBS系统中T1=T2=T*(两转矩环ATL1和ATL2的转矩给定相同),则系统运动方程

$\frac{J}{\omega {}_{\text{B}}}s{}^2\text{Δ}\theta +\frac{{\rm K}}{i}\text{Δ}\theta =-\text{Δ}{\rm T}{}_{\text{L}}$ (11)

式中:Δθ为机械轴扭转角,rad;ωB为机械轴角速度基值;K为轴弹性系数;s为微分算子。

由于式(11)中没有s一次项,该运动方程是一个无阻尼的振荡方程,虽然两电动机的转矩相同,负荷均衡,但存在转速ω和轴转矩KΔθ振荡。振荡角频率

$\omega {}_{\text{o}}=\frac{1}{i}\sqrt{2\text{π}\frac{f{}_{\text{Ν}}}{p}\frac{{\rm K}}{J}}$ (12)

仿真结果示于图12,从图12中可以看到扭振。

如果机械轴短而粗,弹性系数K非常大,角频率ωo很高,电动机转速响应不了,扭振便不会发生,因此这类主从系统适合用于两电动机“刚性”联系场合(A类)。

4.3.2 经转速环负荷均衡的主从系统(SLBS)

弹性联系(B～D类)传动宜采用经转速环负荷均衡的主从系统SLBS (load balancing system via speed loop),其框图示于图13,主、从两套系统都有转速调节器ASR1～ASR2及转矩环ATL1～ATL2,但在从系统的转速调节器输入端接有两转矩给定值之差信号KB(T*1-T*2)。SLBS具有一定抑制扭振能力,并能解决“打滑”时转速失控问题。

图13中,两转速调节器是同样的调节器,传递函数均为

式中:VRn,Tn分别为转速PI调节器的比例系数和积分时间常数。

由图13,2套系统的转矩给定

由上式,并考虑到T*1=T1及T*2=T2

${\rm T}{}_1-{\rm T}{}_2=-\frac{V{}_{\text{R}\text{n}}[1+1/({\rm T}{}_{\text{n}}s)]}{1+{\rm K}{}_{\text{B}}V{}_{\text{R}\text{n}}[1+1/({\rm T}{}_{\text{n}}s)]}(\omega {}_1-\omega {}_2)$ (14)

多数情况下,在扭振发生时[1/(Tns)]≪1,则式(14)可以近似改写为

把式(10)和式(15)代入式(9),则系统运动方程近似为

$\frac{J}{\omega {}_{\text{B}}}s{}^2\text{Δ}\theta +\frac{{\rm K}{}_1}{\omega {}_{\text{B}}}s\text{Δ}\theta +\frac{{\rm K}}{i}\text{Δ}\theta =-\text{Δ}{\rm T}{}_{\text{L}}$ (16)

和式(11)相比,由于增加了s一次方项,式(16)是有阻尼的二阶运动方程,阻尼系数

$\xi =\frac{i{\rm K}{}_1}{2}\sqrt{\frac{p}{2\text{π}f{}_{\text{Ν}}J{\rm K}}}$ (17)

产生阻尼作用的原因是系统通过转速调节器在两电动机转矩差T1-T2中引入了转速差ω1-ω2信号,相当于引入了转角差Δθ的微分负反馈,起稳定作用。仿真结果示于图14,从图14中看到:在启动期间,由于转速调节器饱和,T1-T2=0,无阻尼作用,KΔθ等幅振荡;启动结束后,转速调节器退出饱和,T1-T2≠0,引入阻尼,转速和KΔθ振荡衰减,振荡频率与式(12)相同。

对于C和D类传动,“打滑”后机械联系断开,由于SLBS系统的主、从系统都有转速调节器,不会发生转速失控。

该系统的另一特点是容易实现“冗余”要求,即在一套电动机或调速装置故障时,靠另一套仍能拖动机械继续工作,并且在切除故障系统时不会给机械运行带来大的冲击,因为主、从两套系统都有转速调节器。从系统故障时,主系统是无静差调速系统;主系统故障时,T*1=0,从系统是有静差调速系统。这个特点对提升类设备的安全运行尤为重要。TLBS系统在从系统故障时能继续工作,而主系统故障时不能继续工作,因为从系统沒有转速调节器,即使从系统临时投入转速调节器也会给系统带来冲击。

4.3.3 有转速差补偿环节(SDCB) 的主从系统

SLBS系统具有一定抑制扭振能力,多数情况下能有效抑制轴扭振。但它的抑制能力取决于转速调节器参数,而这些参数是根据调速要求选取的,若不满足抑制扭振的要求,就需要辅以其他抑制扭振措施,加入转速差补偿环节SDCB (speed difference compensation block) 就是常用的一种,它可用于TLBS和SLBS两种系统。

有SDCB的SLBS系统框图示于图15。该系统的2个转矩给定信号中,分别加入负和正转速差信号KC(ω1-ω2),则

T1-T2≈-(K1+KC)(ω1-ω2)

系统运动方程

式中,系数K1的定义同式(15)。 和运动方程式(16)相比,s2Δθ项和Δθ项系数没变,仅sΔθ项系数加大,阻尼作用加强,阻尼系数的大小可以通过改变增益KC来调整,衰减振荡频率与式(12)相同。

$\xi =\frac{i({\rm K}{}_1+{\rm K}{}_{\text{C}})}{2}\sqrt{\frac{p}{2\text{π}f{}_{\text{Ν}}J{\rm K}}}$ (19)

有SDCB的SLBS系统仿真结果示于图16,图16和图14相比较,加入SDCB后系统对扭振的抑制作用大大加强,且在转速调节器饱和期间也有抑制作用。

如果有N台有机械联系的电动机(N> 2),则送至第x套调速系统转矩环ATLx输入端的转速差补偿信号为ΔT*x,

4.3.4 机械间隙对扭振的影响

造成扭振的因素,除连接轴的“弹性”外,还有机械齿轮和接手的“间隙”。机械间隙的特性表现为死区特性,示于图17a,图17a中纵坐标ΔTS为折合到电动机轴上的机械轴扭曲转矩ΔTS=(Ts1-Ts2)/i。

$\text{Δ}{\rm T}{}_{\text{S}}=\{\begin{array}{cc}0& |\text{Δ}\theta |\le \theta {}_0/2\\ {\rm K}(\text{Δ}\theta -\theta {}_0/2)& \text{Δ}\theta >\theta {}_0/2\\ {\rm K}(\text{Δ}\theta +\theta {}_0/2)& \text{Δ}\theta <-\theta {}_0/2\end{array}(21)$

式中:θ0为机械轴间隙,rad。

式(7) 和式(8)相减,得系统运动方程

$\frac{J}{\omega {}_{\text{B}}}s{}^2\text{Δ}\theta -({\rm T}{}_1-{\rm T}{}_2)+\text{Δ}{\rm T}{}_{\text{S}}=-\text{Δ}{\rm T}{}_{\text{L}}$ (22)

由于ΔTS的特性为非线性特性,不便直接解析,宜分段线性化,用相平面分析。

对于TLBS系统,T1-T2=0,是无阻尼的不衰减振荡系统(见图17b);对于SLBS系统和有SDCB系统,是有阻尼的衰减振荡系统(见图17c),阻尼越强衰减越快,直至全阻尼(无振荡)。3种系统的仿真结果示于图18,其中,图18a是TLBS系统;图18b是SLBS系统;图18c是有SDCB系统。

4.3.5 工程应用实例

4.3.5.1 双电动机传动

某些大型轧钢机为了增大功率、减小惯量采用双电动机驱动模式,2台电动机的轴直接串联起来,共同驱动轧机。大型龙门刨床为降低惯性、减少反转时间,也用双电动机驱动模式,2台电动机的轴通过齿轮联在一起,共同驱动机床。这样的机械联系属“刚性”联系(A类),都采用图10所示之TLBS系统,简单,负荷均衡效果很好,转矩平稳,无扭振现象。

4.3.5.2 升船机传动

某升船机由4台电动机共同驱动,提升及下放水槽,电动机间相距较远,通过细长的机械轴彼此相连,属弹性联系(B类)。由于机械间的弹性和间隙会给系统带来什么影响没把握,设计了TLBS系统(见图10)和SLBS系统(见图13)2套控制方案。试验结果表明:2种系统都能实现负荷均衡;SLBS系统运行比TLBS系统更平稳,水槽中的水晃动小(这对船在水槽中的安全很重要);在运行中途切除主系统,靠余下的3套从系统仍能把水箱平稳拖至终点,切除时系统无冲击(“冗余”功能),水槽中的水不晃动。在图19中示出提升时2#电动机的转矩波形,从图19中看到,TLBS系统有扭振,SLBS系统无扭振,转矩波形较平滑。

4.3.5.3 钢水包主提升传动

某炼钢厂钢水包主提升机有2个主吊钩,分别钩住钢水包两边,每个主钩由1台电动机驱动,两低速轴通过1根细长的机械轴联在一起。它的原设计是传统TLBS系统(见图10),投产后高速时机械声响很大,振动明显,电动机与减速机之间的联轴器处有响声,提升时两电机的转速和转矩电流波形示于图20。主系统转速波动小,因为它有转速反馈;从系统转速波动大,因为它无转速反馈;二者转矩波动基本一样,因为通过机械轴传递的扭曲转矩一样,只是符号相反。

改用SLBS系统(见图13)后,速度和转矩振荡消除,机械振动明显减小,联轴器处的声响消失,两电机的转速和转矩电流波形示于图21 (从系统波形图中的中间波形为放大了的两电动机转速差)。

4.3.5.4 S辊传动

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个或3个辊组成,每辊由1台电动机驱动(见图9),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。这几台电动机间的机械联系靠带材的摩擦力和张力实现,特点是在生产不正常时可能出现“打滑”情况,机械联系断开,另外在穿带和卸带时也无机械联系,属D类时有机械联系、时无机械联系的传动,其联系也有一定弹性。这类传动的控制都釆用图13所示SLBS系统,由于主、从系统都有转速环,故在机械联系断开时它们仍能正常工作,不失控,并有一定抑制弹性振荡能力。从运行情况知:电机负荷均衡,带材运行平稳,无扭振,“打滑”时电动机转速不失控。

S辊传动的另一个特点是,几台驱动电动机的额定功率往往不同,负荷均衡的含意不是几台电动机转矩(电流)大小相同,而是与电动机额定值成比例。只要在调试时按相对值设定转矩参数,且取额定转矩为相对值的基值,这个要求就自然满足。

4.4大型轧机的单辊传动系统[1,2]

大型轧机的上下轧辊传动分为成组传动和单辊传动2类。在成组传动中,1台电动机通过齿轮基座同时传动上、下2个轧辊。在单辊传动中,无齿轮基座,2台电动机各自驱动1个轧辊,示意图绘于图22。与成组传动相比,单辊传动可以获得更大轧制功率、更小转动惯量。

单辊传动的特点是,上、下辊传动之间时有机械联系,时无机械联系。在咬钢之前和抛钢以后,上、下辊传动独立,无机械联系;在轧钢时,通过轧件与轧辊的摩擦把上、下辊传动联系起来,彼此转速受约束。前面介绍的S辊传动也是时有、时无机械联系的多电动机传动,但它的无联系工况很少出现,正常工作时多是有联系工况,所以它采用主从工作模式。有机械联系时,从系统只起负荷均衡作用,在机械联系断开时,由于采用SLBS系统,从系统也能正常运行,但因主从系统结构不同,二者转速可能略有差别。单辊传动则不同,每轧一块钢就要出现一次无联系工况和一次有联系工况,因此希望咬入前(无机械联系时)上下辊传动是一样的转速控制系统,咬入轧件(有机械联系)后两个系统都承担负荷均衡任务,不分主从。

单辊传动控制系统框图示于图23,其中ST是负荷均衡环节的投入信号。咬入前电动机空载,负载转矩小于门槛值,ST =0,负荷差反馈回路断开,上下系统都是独立的转速控制系统;咬入钢材后电动机带轧制负载,转矩大于门槛值,ST =1,负荷差反馈回路接通,上下系统的转速调节器输入都接受负荷差信号,从而实现负荷均衡。

参考文献

[1]陈伯时,仲明振,中国电气工程大典编委会.中国电气工程大典:第15卷.电气传动自动化[M].北京:中国电力出版社,2009.

[2]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.

[3]马小亮.驱动弹性负载的调速传动[J].电气传动,2008,38(7):3-7.

变频调速控制在挤出机中的应用 第2篇

近年来，随着电子设备信息化的发展，作为物理传输介质的各种热敏性聚合物加工需求也越来多，如PVC电缆料，PE硅烷、过氧化物交联电缆料，PE交联屏蔽线等。

生产这些聚合物的关键是挤出机。挤出机也随着越来越高的时效性生产要求在不断发展。

二、挤出机的原理和构成

挤出机的机械原理：

在原料粉末里添加水或适当的液体，并进行不断的搅拌。将搅拌好的材料，用高挤出压力从多孔机头或金属网挤出。

通常是把材料放入圆筒形容器以后，用螺杆挤出材料。在使用变频技术以后，可对压力进行控制，从而可以选择最合适的线性速度。

V2对挤出机控制原理图

挤出成型设备的组成部分

一台挤出设备通常由主机（挤出机）、辅机及其控制系统组成。通常这些组成部分统称为挤出机组。

1. 主机

一台挤出机主机由挤压、传动、加热冷却三部分系统组成。

挤压系统主要由螺杆和机桶组成，是挤出机的关键部分；

传动系统中起作用是驱动螺杆，要保证螺杆在工作过程中具备所需要的扭矩和转速；

加热冷却系统主要来保证物料和挤压系统在成型加工中的温度控制。

2. 辅机

挤出设备的辅机的组成根据制品的种类而定。一般说来，辅机由剂透定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置以及制品的卷取或堆放装置等部分组成。

3. 控制系统

挤出机的控制系统主要由电器、仪表和执行机构组成，其主要作用为：

（1）控制主、辅机的拖动电机，满足工艺要求所需的转速和功率，并保证主、辅机能协调地运行。

（2）控制主、辅机的温度、压力、流量和制品的质量。

（3）实现整个机组的自动控制。

三、V2系列变频器在挤出机的应用

V2变频器用于挤出设备，有高质量的运行特性，这是因矢量控制型变频器本身可提供的良好的产品性能决定的。

1〉快速处理器提供更高频率响应

V2变频器内32位处理器，提供高控制精度、快响应频率及好的.动性能。 挤出机的工艺要求主要是控制出口的压力恒定，设备在刚开始工作时，进行转速控制，在达到需求压力时，要切换为压力控制。切换过程应该无冲击，需要变频器高的控制精度，来接应压力信号。

2〉矢量控制提供低频时高扭矩输出

挤出机的主驱动电机主要通过平行轴斜齿轮减速器减速后带动螺杆转动，在基频以下改变运行速度时为恒转矩调速。

以往使用V/f控制型变频器，由于要考虑负载的启动转矩，要设定相应的转矩提升准位，如果转矩提升设置过高，在低频轻载时会励磁太大，容易引起电机严重发热，影响到设备的稳定运行。

采用矢量控制型V2变频器，使用自学习功能可观测电机参数，不但能保证电机在低频时良好的输出特性，V2的自动节能运行功能会随转矩的改变而减少输出的电流，不但能节省电能，更能消除上述工作隐患发生的可能性。

3〉转矩限定和转差补偿

转矩限定功能可对正/反转时转矩限制进行设定，以保持转矩限定在一定水平。

自动转差补偿功能，可自动补偿因负载波动引起的电机转差变化，从而得到良好的机械特性曲线。

四、结束语

变频调速控制 第3篇

关键词：龙门刨床；变频器；可编程控制器；故障诊断；

文章编号：1674-3520（2014）-09-00-02

一、绪论

（一）概述

龙门刨床是一种广泛使用的金属切削加工机床，是许多大型企业不可缺少的设备。

龙门刨床的电气系统由主拖动和控制系统两部份组成。主拖动系统可以概括为 4 类：JF-D调速系统、晶闸管-直流电动机（SCR-D）模拟直流调速系统、全数字直流调速系统和交流变频调速系统。控制系统有继电器逻辑控制系统或继电器与 PLC 结合的控制系统。

（二）龙门刨床的运动

龙门刨床的运动可分为主运动、进给运动及辅助运动，主运动是指工作台连续重复往返运动，进给运动是指刀架的进给，辅助运动是为了调整刀具而设置的。

PLC 作为主控制器是整个系统的核心部件，它通过输入接收来自按钮操作站和转换开关的操作信号，变频器的状态及其它设备的状态信息，将这些信号经PLC 内部的用户程序运算，根据运算结果通过输出点，控制变频器完成主拖动，同时控制各交流电动机的接触器完成辅助拖动。

（三）龙门刨床的电气系统存在下列问题 ：1.调速系统占地面积大，噪音大；2.耗电量大，效率低；3.惯性大，调速系统动态及静态性能均不理想。

上世纪 80 年代初，许多企业对龙门刨床进行电气改造时，用晶闸管-直流电动 机（SCR-D）模拟直流调速系统取代 JF-D 调速系统。代表产品是 1980 年襄樊机床厂 设计的 SCR 模拟直流调速系统。该系统大大缩小了占地面积，减少了噪音，而且节省能源，效率高，使调速系统的动态和静态品质得到很大改善。目前，该系统存在下列问题：

1. PID 控制电路由分立元件组成，元件参数容易发生变化，使系统静态和动态性能恶化。

2. 众多功能单元之间接插件多，接插件的触点容易出现接触不良的故障，影响了系统的可靠性。

3. 维护和检修难度大。

（四）龙门刨床的设计

目前改造龙门刨床的主拖动部份一般采用全数字直流调速系统或交流变频调速系统，控制部份使用PLC。全数字直流调速系统选用国外的成套设备，设备的运行参数用英文显示，设备维护人员要消化和掌握系统的性能，必须花费相当长的时间和具备一定的技术水平。变频调速系统经过10多年的推广和使用，各项性能和技术指标不断趋于完善和成熟，节能效果显著。由于变频调速系统的各种运行状况和故障情况都可以通过显示器显示，因此得到电气设计人员和维护人员的推崇和喜爱。

二、变频调速

（一）变频调速在龙门刨床中的应用

龙门刨床在使用中经常遇到一个难题，即横梁刀架总是出现随机不定量的进刀，这种故障的危害非常之大。当设置一定的进刀量时，由于存在随机退刀量，导致的结果是每次的进刀量都不一样，这样就严重影响了刨削表面质量和尺寸精度，使产品满足不了技术要求，有时甚至造成废品。这是所有龙门刨床的一个通病，难以彻底根除，因此，决定抛开机械进刀方式，实现电气上的进刀，即采用变频器控制进刀。

在改造中，主运动控制主工作台采用一台通用型变频器控制一台45kw鼠笼式异步电动机，代替原来的电机扩大机---发电机---电动机组（简称A-G-M系统）系统，实现无级调速。用变频器来实现对工作台的各种不同速度的控制和往返换向。

（二）变频器接口电路设计

1、变频器输入电路设计

变频器接口电路如下图 所示。变频器的输入端子S1和S2分别用于控制电动机的正转运行和反转运行，S1 和 S2 均为 OFF 时，电动机停转。

2、变频器输出电路设计

F7 系列变频器的 M1、M2 端子之间有一个多功能输出触点，端子 MA 和 MB 提供两个 NPN 管集电极开路输出信号，MC 是它们的公共点。将 M1 和 MC 接在 一起，并与 PLC 输入电路的公共点 COM 相连，M2 和 MA 给 PLC 提供"变频器 运行"和"变频器故障"信号。需要用变频器的参数来设置这两个端子的功能。

变频器的两个模拟量信号输出端 AM 和 FM 分别输出变频器的电流信号和频 率信号，AC是这两个输出点的公共端。用FX系列的模拟量输入模块FX2N-2A来检测这两个模拟量信号。FX2N-2A的分辨率为12位，每以通道的转换时间为2.5ms.

3、制动单元选型

由于本设计采用的是电压型变频器，因为没有能量回馈单元，电动机制动时不能向电网回馈能量。

电动机高速下降为低速，或者在改变旋转方向的减速过程中，一旦电机反馈 的"泵升"电势使变频器直流母线电压达到 800V，制动单元内的功率模块立即导通，接入制动电阻，迅速释放电感中储存的能量，实现安全快速的制动。这种制动方式非常适合于像龙门刨床这样需要频繁正反转的设备。

如果没有制动单元，变频电机速度快速下降时，变频器产生过流而出现故障，若有制动单元，可以让变频电机的转速在短时间内很快降到零，可以节约电机的换向时间；因为变频器和变频电机的功率为 55kW，调速系统要求电动机速度的大小和方向在短时间内迅速变化，因此给变频器设置了两套制动单元和制动电阻单元。但制动单元和制动电阻的设置状况要根据现场的调试情况确定。

三、PLC的选择及应用

（一）可编程控制器的选型与硬件配置

1、选择合适的可编程控制器类型

选型时既要满足控制系统的功能要求，还要考虑控制系统的工艺改进后的系统升级的需要，更要兼顾控制系统的制造成本。

（1） 可编程控制器结构选择

可编程控制器的基本结构分整体式和模块式，多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多，控制要求复杂的系统，价格比整体机高。

（2）I/0点数的确定

可编程控制器控制系统的规模的大小是用输入、输出的点数来衡量的。在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%一20%的备用量。

2、开关量输入输出模块及扩展的选择

对于三菱FX系列的可编程控制器分基本单元和扩展单元和模块，在选型时能用一个基本单元完成配置就尽量不要用基本单元加扩展的模式，现在FX的输入模块一般都是分组式、汇点式，输出模块则是隔离式和分组式组合。

开关量输入模块的输入电压一般为DC24V和AC220V两种。我们最常用的还是直流输入模块。

开关量输出模块有继电器输出、晶体管输出及可控硅输出。优先选用继电器型，并且继电器输出型价格最低，也容易购买。

四、结论

变频调速典型控制系统(五) 第4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,N·m;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,N·m2,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,N·m2,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.

变频调速控制 第5篇

姓 名： 学 号： 班 级： 学 院： 完成日期：

一．课程设计目的

1．了解常用电气控制装置的设计方法、步骤及设计原则

2．学以致用，巩固书本知识。通过训练，使学生初步具有设计电气控制装置的能力。从而培养和提高学生独立工作的能力和创造能力。

3．进行一次工程技术设计的基本训练。培养学生查阅书籍、参考资料、产品手册、工具书的能力；上网查寻信息的能力；运用计算机进行工程绘图的能力；编制技术文件的能力等等。从而提高学生解决实际工程技术问题的能力。二．设计题目

一.PLC控制变频调速系统设计与调试

控制要求：

1．变频调速器受 0 ～ 10V 输入电压控制：（实验室有可能是4-20mA电流信号）0V 输出频率为 0HZ，对应同步转速为 0 r/min； 5V 输出频率为 50HZ，对应同步转速为 1500 r/min； 10V 输出频率为 100HZ，对应同步转速为 3000 r/min；

输入电压与输出频率按线性关系变化。

2．要求输出转速按下图（见附图）函数变化，请编写梯形图控制程序，并完成调试。

课题要求：

1．按题意要求，画出 PLC 端子接线图及控制梯形图。

2．完成 PLC 端子接线工作, 并利用编程器输入梯形图控制程序，完成调试。3.完成课程设计说明书 二．温度控制 设计要求：

恒温控制实验模块，是一个简化的温控系统。其中，温度信号由Pt100传感器送致变送器的测温器提供为4~20mA的模拟量，送入PLC的EM235模拟量输入模块，经过控制程序处理后，以4～20mA的模拟量输出到晶体闸管调整器，晶闸管调整器控制电热丝的加热功率，使被加热的铝散热器温度控制再设定温度附近，组成一个恒温闭环控制系统。

1．要求用PLC内部PID调节功能设计恒温闭环控制系统的控制程序。

① 温度变送器出来的标准量范围是4～20mA，即输入值4mA对应0℃，20mA对应100℃。因此信号在使用之前必须将它划到对应的范围；

② PID调节功能直接使用PLC内部的PID回路指令；

③ 温度设定值为50℃，上限幅温度值为55℃，下限幅温度值为45℃；

④ 比例增益、采样时间、积分时间、微分时间、产生定时中断的间隔时间等参数值自行确定；

⑤ 由Q0.0到Q0.7输出8位BCD码（十进制两位）的温度值，到数码管上显示其0～99℃的温度值。

2.在设计梯形图程序之前，应画出流程图和I/O接线图（包括数码显示接线图）。

三．设计内容与过程

选题一：变频调速

PLC作为先进的、应用势头最强的工业控制器已风靡全球；变频器作为交流电动机的驱动器，广泛应用于现代的工业生产和民用生活中。通过本次设计掌握PLC控制系统、变频调速系统、电机拖动及测速显示系统的硬件的使用，电路、程序的综合设计方法及对编程软件的编辑及调试。

1． 实验设备

PLC控制电机变频调速系统由S7-200PLC、变频器、电机及电机测速系统、触摸屏等组成。需使用的实验设备有：上位计算机（PC机）一台；S7-200PLC一台、EM235模拟量扩展模块（4输入1输出）一块；PC/PPI编程电缆一根；模拟输入开关一套；JD-PLC变频调速实验模块一块；200VA自耦调压器一台；可加载/可测速的三相异步电动机系统一套。

2． 实验内容和步骤

AC220VKM变频器T1T2T3PCSTFSTRRHRMRLSD102SINK自耦调压器L三相电源1L2插座L3UVWP1+-ABCRUNSE1M涡流加载测速外部晶体管公共端DC24V电源接点输入公共（源型）正转启动反转启动高速中速低速接点输入公共3频率设定器(手动)2电机系统总成短路片FR-BEL端DC0.3～5V异常输出接PLC开关量输入运行运行状态输出集电极可接入PLC开开路输出关量输入端公共端(+)模拟信号输出（DC0～5V）(-)接PLCEM235SOURCE1电流输入(-)（来自PLC(+)EM235输出）（自动）5(公共端)AM54(DC4～20mA)RS-485接口主回路端子

图1 PLC控制电机变频调速实验总图

控制回路输入端子控制回路输出端子 三相控制电源模块AL1KMBL2CL3NNLSB1电源断变频调速实验模块变频器UU1VV1WW1NSB0电源通KMKML测速与加载M电机测速与加载实验台涡流制动电源输入端NLzL自偶调压器U2V2W2N

图2 PLC控制电机变频调速外部主电路接线图

控制过程：

0通过PLC控制变频器，使三相异步电动机按下图所示的曲线运行，电机运行可分为五个部分：第一部分要求电机起动后在25s内从0（r/min）线性增加到1168（r/min）；第二部分进入恒转速运行阶段，运行时间为10s，转速仍为1168（r/min）；第三部分进入减速阶段，电机转速要求在20s内降到584（r/min）；第四部分保持584（r/min）10s；第五部分要求电机转速从584（r/min）在20s内降至0（r/min）

10V6.4V3.2V02535556585

参数计算及说明：

在电机变频调速控制系统中，变频器的输入信号是4～20mA 电流信号，而PLC的模拟量输出值范围是 0～20mA。0～20mA 的模拟量对应的 PLC 内部数字量是 0～32000，所以需要进行数据转换。4mA 对应的数字量是 6400，变频器输出 0Hz对应的电流信号为 4mA。所以第一部分加速阶段,要将频率设定电流信号从 4mA 增加到 16.8mA。编程时可以在6400刻度值的基础上，均匀地间隔一定时间逐步加刻度值到26880(如果间隔时间为0.1 s, 则82×250 =20500)。判断转速是否增加到1 168 r/min 的比较值必须是转速测量电压信号刻度值。照此法,同理可得到第三阶段(将频率设定电流信号从16.8mA减少至10.4mA，间隔时间为0.1 s, 则52×200 =10400)和第五阶段(将频率设定电流信号从10.4mA减少至4mA，间隔时间为0.1 s, 则51×200 =10200)减速部分输出的控制方法。

启动按钮SB1输入信号停止按钮SB2变频器线圈I0.0I0.1输出信号Q0.0

图3 I/O端口地址分配表

KM1LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.31MI0.0I0.1I0.2I0.3SB1SB2

图4 I/O端子接线图

图5 PLC控制电机变频调速顺序功能图

开始初始化，调用子程序0电机启动按钮按下？YN定时器启动延时，电机加速加速时间25S已到（T37=1）？YN定时器T38启动，减速运行保持时间10S已到（T38=1）？NY定时器T39启动，减速运行减速时间20S一道（T39=1）？NY定时器T40启动，恒转速运行恒转速保持时间10S已到YN定时器T41启动，电机再次减速结束

图6 PLC控制电机变频调速流程图

PLC控制电机变频调速梯形图程序：

选题二：温度控制

本设计目的在于熟悉模拟量输入处理的一般方法，熟悉PID控制及模拟量模块的输入/输出及进一步熟悉子程序、中断等。

1．实验设备

上位计算机（PC机）一台；S7-200 PLC一台；PC/PPI编程电缆一根；模拟输入开关一套；JD-PLC9温度闭环控制系统实验模块；以及PLC，增加了EM235 4模入/1模出的模拟量扩展模块一块。

2.设计原理与内容

在这个闭环控制系统设计中，系统完全是采用实际工程中使用的小型器件组成，完全再现了温控装置的控制的真实工况。程序结构可分为输入信号处理和PID调节输出两大部分，其中两大部均涉及子程序调用，后一部分还涉及中断，具体也可为一段主程序、两段子程序、一段中断程序，主程序OBI中可以包含读入反馈信号、调用子程序、显示的平均值计算、两位显示换算和BCD码转换；子程序SBR_0是将所有待用的变量寄存器初始化清零，俗称“开辟空间”；子程序SBR_1为设置PID回路参数和产生定时中断，其中产生定时中断的中断事件号可查表；中断INT0是执行PID运算及输入/输出量换算。

因为PID回路指令的使用在回路表中只要填入输入信息和组态信息即可进行PID运算。要填好这些信息，有的还需要应用“自控” 方面的知识，加热系统的热惯性较大的系统，参数选择容易满足要求。由设计者填写的只是给定值（SPn）、增益（Kc）、采样时间（Ts）、积分时间（TI）、微分时间（TD）5个参数以及产生定时中断的间隔时间。如采样时间（Ts）可根据系统的特点适当放长一些，并可与定时中断的间隔时间同步。增益（Kc）、积分时间（TI）、微分时间（TD）在设计时系统参数无法获得，只要粗放地填写即可（为防止超调，一般取值较“小”），PID的这些调节参数可在调试时修整。恒温控制的限幅环节，主要是为了防止超调和失控而采取的保护措施。只要在温度超过限幅值时，将模拟量输出端电流信号置到4mA（最小输出）即可。但应注意模拟量模块的输入/输出的值都是选取的国际电工组织规定标准信号范围4~20mA，而西门子S7—200的模拟量扩展模块各种输入/输出档均是从0开始的，温度值与PLC的单极性刻度值的对应关系如图2-1所示。如果按原始“座标”0.5的给定值不是50℃温度设定值，因此，只要将原座标0点沿45°上移，将（4mA, 6400）作为新“座标”的的0点，这时0.5的给定值就是50℃温度设定值（最终0.5005）。编程时，可在信号读入/输出时将刻度值减/加6400，变化量为25600，即温度信号输入先减去6400，除以25600最后就转化过程变量PV。反之，可知PID输出值的转化。

刻度值32000(100%)2560019200(50%)6400(0%)04mA(0℃)12mA(50℃)20mAI(mA)(100℃)

图2-1 温度值与PLC的单极性刻度值的对应关系

实验模块上的温度显示，是将经取平均处理过的温度信号刻度值，通过四则运算指令化为0～99范围的温度值，再将其化为BCD码，送到QB1上输出，再经过导线将输出位与七段码译码器的输入端子连接，数码管上就能显示0～99℃的温度值。

℃0V+5VCOM12L3L十个温度显示B2C2D2A2A1B1C1D1Q1.0Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.5Q1.6Q1.7S7-226开关量输出BCD码温度值

图2-2 数码管温度显示接线图

3．调试步骤

开机后，按预先设计好的恒温控制梯形图程序，键入程序编译下载（下位机需上电）后，运行该程序，调试时不断改变PID参数，使加热器总成的温度始终保持在50℃，达到设计要求，即完成实验。在运行该程序之前，应按图2-

2、图2-3和图2-4接线，特别应当注意数码管温度显示BCD码端接的是DC5V电源。当选择自动运行方式时，实验模块上的斜率调整电位器的接线端子R2和R3应短接

电流发送器RAMA+L+＋24V－A-RBMOB+VOB-„„IOEM235扩展模块接线端调功器信号端

图2-3 EM235接线图

EM235RAL0A+M0A-DC24V（＋）（－）变送器～220V（插座）加热器Pt100to加热器总成C2C1-晶闸管调功器

图2-4恒温控制系统示意图

4．恒温控制梯形图程序： 四．本次设计心得体会

为期一周的PLC课程设计结束了，通过本次课程设计，我对S7-200系列PLC的特点有了更深的理解。利用了S7-200系列PLC的特点，对按钮、开关等输入/输出，模拟量输入/输出进行控制，主要实现了变频器在PLC控制作用下的变频调速。

在本次课程设计的实践环节中，我更深刻地理解和掌握了电器控制及可编程控制器(PLC)的理论知识和动手技能。参阅了大量的电器控制及可编程控制器(PLC)系统设计的书籍资料，查询了大量的图表、程序和数据，特别是PLC控制电机变频调速系统设计，使得课程设计的方案和数据更为翔实和准确，力求科学严谨，使本次以模拟量为主题的课程设计精益求精。

经历自己设计实验和查阅资料，让我了解了更多关于西门子S7-200和变频器方面的知识，让我了解了大概的选型和注意事项，并自己动手实验，参照一些编程试着去编一个看似很宏大的程序，资料上查到的是欧姆龙或者是三菱的编程语句，但是通过他们的编程思路，我们可以借鉴到自己的西门子S7-200程序设计中，编程序的过程中遇到了很多问题，通过不断的问同学，反复的思考，调试，终于编出了通过调用子程序和定时中断程序来达到控制的目的，此次课程设计让我收获颇多，在这个课程设计的过程中，既让我与同学加深了沟通，又让我学到关于西门子S7-200PLC的更多知识，对其他公司的PLC也有了一定的粗浅了解，我知道这知识仅是很少的一点，但我会在以后的学习中了解更多。而且通过本次综合性设计的实践和锻炼，我对PLC系统设计工作流程有了更深入的认识，也燃起了我努力把PLC学至精通的激情与信心。

最后我对于指导老师的不厌讲解和无私指导深表感谢！

参考文献

变频调速控制 第6篇

关键词：PLC；变频器；组态软件技术；设计

1 概述

随着电子技术和自动化控制技术应用范围的不断扩大，交流变频调速在工业电机领域得到了迅猛发展。可编程控制器（PLC）作为继电器的替代装置，具有操作便捷、性能可靠、通用灵活、人机交互、寿命长等多项优势，已经被广泛应用于现场数据的采集和设备控制环节；组态软件技术可用于定制满足用户需求的功能工具，显示电机转速或对其进行调速控制；利用PLC控制器，组态软件技术和变频器，可对电动机进行变频调速试验。本文将对PLC控制电机变频调速试验系统的设计与实现展开分析。

2 关键技术分析

2.1 变频器调速原理

变频器是通过改变电机的供电电压和供电频率而进行的一项节能措施，同时还能达到提高生产效率，产品质量以及实现生产自动化的目的。变频器主要包括主电路和控制电路两部分，其中主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，主要由交-直变换电路、能耗电路、直-交变换电路和缓冲电路构成；而控制电缆则是给主电路提供控制信号的回路部分，包括运算电路、检测电缆、驱动电路、输入/输出电路、速度检测电路以及保护电路。

2.2 组态软件技术

组态软件是随着计算机技术的发展而逐渐被研发并应用起来，该技术通过提供良好的人机界面，使技术人员用最简单的方法按照自己的需求组装控制系统。组态的涵义是利用计算机软件工具对各项资源进行配置，使其能够按照预先设置的目标自动完成任务，所配置的资源既可以是计算机，也可以是各类软件，配置后的组态软件就成为具有监控和数据采集功能的软件平台工具，功能也由早期的人机图形界面扩展至实时数据库、实时控制、监控、数据采集、通信、开放数据接口、对I/O设备的支持等，可执行多种任务，运行可靠，应用范围极广。

2.3 PLC技术

PLC技术设计的目的是取代继电器盘，在继电器操作简单、成本低廉等优点上，进一步提高反应时间、控制精度、工艺可更改性、功能扩展性等，以适应现代化生产线的工艺要求。随着电子技术的不断进步，大规模集成电路的研发和应用使8位微处理器和位片处理器相继问世，进一步推动了PLC技术的发展，使该项技术增加了数值运算，扩大了输入输出规模，部分PLC已经可以取代某些模拟控制装置和小型机的DDC系统。

3 系统软件设计与功能实现

本文以提升机为例，对其电机改进设计进行分析：

3.1 系统软件设计

首先，PLC控制软件的设计。PLC控制软件的主要功能是对提升机的启动、停止、加速、减速、匀速等过程进行控制，同时采集信号，用于后期的逻辑处理；设计时应包括主程序、故障处理子程序和中断子程序，共计三个模块；PLC具有多种功能，因此其涉及的参数较多，主要有变频器复位、电机正反转、安全报警、故障、多段频率、启动、停止、上升、下降、松绳、复位、过卷等。其次，变频器参数设置。变频器与PLC的连接方式如下：变频器的DI1和DI2分别接PLC的Q0.0以及Q0.1，而变频器的AI1则与PLC的DA连接。变频器运转控制通过外给定方式实现，然后借助自动补偿方式对转矩进行补偿，电机的控制模式则可选择速度传感器矢量进行控制。编程时，变频器的10Hz与DA的给定值6400对应，其余频率则可按照正比进行适当的增加或减少，一般频率浮动范围控制在0.2-50Hz内。

最后，触摸屏监控系统设计。根据生产实际需求选择对应的触摸型，本次试验所选用的为威纶通公司的产品，型号为MT6100iv3，该产品性能可靠、操作简单，使用寿命长；利用EB8000对触摸屏界面进行编译和设计，然后下载到触摸屏即可。

3.2 PLC组成及其功能实现

第一，微处理器（CPU）。CPU是计算机系统的核心部件，同时也是PLC控制系统的核心组成部分，对整个系统的运转起着指挥和调节作用。一般CPU处理器有单片机、位片式处理器和通用处理器等，CPU位数越多，PLC档次越高，对电机进行变频调节效率也越高。单片机或8位微处理器一般用在小型PLC控制器中；而单片机或16位微处理器则用于中型PLC控制器中；位片式微处理器用于大型PLC控制器中。

第二，存储器。PLC使用的存储器一般分为系统类和用户类，系统类用于存储系统程序，而用户类则用于存储用户所编制的控制代码。CMOSRAM是一种随机存储器，能耗低，价格合理，使用寿命可长达5-8年左右。

第三，编程器。编程器是PLC的重要外围设备，能为用户提供程序写入功能，还能对程序进行检查和调试。编程器一般分为图形编辑器和简易编程器两大类，可实现指令编程、梯形图编程、脱机和联机编程等；而简易编程器的功能较少，用于小型PLC较为合适。

第四，I/O扩展单元。I/O扩展单元用于输入或者输出点数的扩展，若扩扎点数超过了PLC限制，就需要扩展单元进行扩展，确保输入/输出点数在PLC规定范围内。

4 结束语

PLC控制电机变频调速试验系统具有节能、高效、适应性强等多项优点，该系统是利用变频技术、PLC技术以及组态软件技术将传感设备、控制设备与电机结合在一起，实现了对电机设备的合理控制，保障电机运行的稳定性；除此之外，PLC控制系统还能对电机的故障检修与修复提供便利，当设备出现故障后，系统可自动对故障的位置及原因进行分析，并将分析结果提供给维修人员，帮助维修人员尽快排除故障，确保电力系统运行的安全性。

参考文献：

[1]王建伟.基于PLC的电机变频调速试验系统开发[D].中北大学，2010.

[2]刘玉娥.PLC控制电机变频调速试验系统的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2013，18：190.

[3]刘瑞杰，常宇.PLC控制电机变频调速试验系统的设计与实现[J]. 黑龙江科技信息，2015，27：35.

变频调速的原理与控制方法 第7篇

之前较长的时期内,交流调速技术仅仅用在异步电机变极以及传子回路电阻等一些相对简易的方面,其不能和拥有相对优良启动、制动以及调速功效的直流调速技术相比较。但是,在近十几年间,电子电力技术不断的革新与发展,集成电路自动控制和多种变频设备等也得到了迅猛的发展和进步,也让交流调速技术在更加宽广的调速范围中能被应用,同时也拥有相对稳定的运行状态、极高的精度,拥有非常迅速的动态响应能力,并且能用于四象限的调速设备中,让其性能和直流调速相媲美。另一方面,采取变频调速设备,会降低设备的占地面积,并减少后期的维护成本投入。尤其是用在大容量系统中,其更加的具有优越性。所以,交流调速逐渐的受到人们重视,并被大量的应用在实际中,其不断的代替直流调速系统。对于城市集中供热采暖来说,热力站所接受的热水来自于城市的热源厂,两者是依靠主管道进行热水的传输,通过热力站的热交换设备而完成热能的交换,然后再经由循环水泵将热量传输至用户。而在这一过程中,主管网以及用户稳压是通过定压补水的手段来进行控制的。而由于城市供热采暖所涉及的范围持续的扩张,采取一般的定压补水根本无法达到相对繁杂的系统定压要求。而在变频控制技术逐步发展与革新的过程中,其也被逐渐地应用在了城市的供热采暖系统中,同时取得了良好的应用效果。

1 变频调速的工作原理

对于变频调速的分析可依照异步电机转速计算式:n=60f(1-s)/p来进行。

式中:n———异步电机所拥有的转速;

f———异步电机所拥有的频率;

s———异步电机所拥有的转差率;

p———异步电机所拥有的极对数。

通过上式可得,如果异步电机所拥有的磁极对数保持恒定,均匀的变化电源所提供的电压频率值,那么就能够不间断地改变电机所拥有的转速,以实现对电机转速的无级平滑控制。采用这种原理工作的调速方法,我们将之称为变频调速。变频调速其本质是改变电机所对应电源的电压频率来完成控制异步电机的同步转速,从而完成对电机的调速操作。采用变频调速技术,可以让整个过程更具有稳定性以及平滑性。所能用于的调速范围也非常的宽泛,并且也可使系统更加的节能。尤其是使用变频装置来调控笼型电机时,可以达到操作便捷、运行稳定、能源节约量大的效果。因此,变频调速在实际中已被应用到了工业中全部的领域内,同时也被广泛地应用在空调、冰箱等家电中。另外,变频装置的组成中也包含了相应的自控元件,能够按照对外界相关参数的测量结果,和变频装置中自控组件所设定的标准数据值完成对比和计算,然后实时地调控系统运行需用的电压频率。所以,采用变频装置能够达到下列效果:

1)当水泵电机开启时,会在电机转数不断增加的过程中,而使电压的大小以及频率平滑地提升,从而达到对水泵电机软启动的目标。

2)对外界参数的测量与计算,并将相应的信号输入至变频装置的自控组件中,从而达到对电机无级平滑变速控制的目的。

2 变频装置的控制方法

在不考虑定子压降的因素条件下,水泵电机定子电压的表示为:

通过上式可得,如果U1值保持恒定,那么当频率值f1出现增大时,电机的磁通量Фm会随之降低,从而使得电机转矩也不断地变小,导致电机超载性能减弱。如果U1值保持恒定,那么当频率值f1出现减小时,电机的磁通量Фm会随之变大,而使磁路出现饱和现象,并使励磁电流也随之增加,从而使得电机铁损不断变大,会导致电机工作效率不断减小,相应的功率因数也随之降低。所以,如果让电机保持相对优良的工作性能,应当对电机进行变频的调控,并且结合对电机定子电压的调控,来保证磁通量不出现波动。依照电压U1以及频率f1所具有的差异性控制规律,能采取多种方法来调控水泵电机。

2.1 恒压频比的变频控制方法

通过调整电压和频率的比值来调控水泵电机,其是对变频装置的输出频率进行调整,也同时调整电压幅值,从而达到使电机磁通量处于相对不变的状态,这样可以使电机能够在相对宽的运转速率值内运行,并保证其工作效率以及功率因素均不出现减小。现阶段,多数的变频装置均是通过此种方法来完成对电机的调控。异步电机运转时,铁心磁通量处于几乎饱和的条件下,这样让铁心能被更加完全的利用。而当变频调控时,如果电源频率出现波动,会使其阻抗发生改变,进一步的导致励磁电流出现波动,这会导致电机发生励磁缺乏抑或超量的问题。当励磁缺乏时,会使电机转矩不断减小,相应的磁通容量无法被完全的利用。当励磁超量时,将导致铁心磁通量达到饱和,电机内部将出现非常强的励磁电流,使得铁损不断增加,同时也会让电机的工作效率及功率因素有所减小,也易发生电机过热的问题。所以,通过调控频率来对电机调速,电压要按照负荷的属性差异而进行恰当的调节。同时,通过一定的方法来确保磁通量处于一定的恒定状态。

2.2 恒磁通量的变频控制方法

当采取恒压频比值的方法对电机进行调控时,因为异步电机处于转速较小时,其感应电势相对也不高,所以此时定子压降的因素就无法被忽略不计。也就是说,在相对小的频率状态下,定子阻抗所产生的降压效果,对于电机的定子电压会有较大的影响,此时就不能确保电机的最大转矩。所以,可以用在电机调速范围相对小或者电机转矩在转速减小时同样不断减少的情况。例如,用于风机调速或者水泵调速中。而一些需进行相对大的速率调整,并且电机转矩为定值时,我们也希望在对电机调速时可以维持最大的转矩,同时也要确保电机磁通量不发生变化。所以,此时就能够通过恒磁通量的变频调控方法加以实现。要确保异步电机在工作状态时具有可靠度。我们通常要求在对电机调速过程中,其过载性能维持恒定,即确保电机的最大转矩恒定。如果采取恒压频比值的方法来调控电机,异步电机所具有的最大转矩将会受到频率增加的影响而不断的变大,同时也会受到频率减小的影响而不断的变小。如果电机最大转矩降低至一定程度,那么会使调速装置的负载性能降低。而要想对低频率下电机转速进行改进,应当通过补强电压的手段。也就是说,当处于相对低的频率时,通过增加电压用以抵消定子阻抗所引起的压降数值,从而确保电机转速相对小时依然可以拥有相对大的输出转矩,并使电机的负载性能得到改善。

2.3 恒功率变频控制方法

异步电机处于额定运行时,要使电机的运行速率增加,定子电源频率可以超过额定值而不断的增大,不过电源电压值却会受到额定值的束缚而无法再增大。而这种情况下,在频率不断增加的同时,电机运转速率不断增加,铁心的磁通量不断变小,使得电机的输出转矩也不断减小,不过电机所允许的输出功率却基本恒定,这种调速方式为恒功率变频调速方式。

3 结语

通过上述分析我们能认识到,通常当电机处于额定频率范围内运行,可采用变频调控。如果要求同转矩负载保持不变,则应当通过恒压频比的变频调控方法来对电机进行变频调控。而对于低频段加以电源电压补偿时,应当采取恒磁通量的变频调控方式对电机进行变频调控。如果是高于额定频率,那就应当通过恒功率的变频调控方法来实现。

摘要：介绍了变频调速技术的发展现状,分析了变频调速的工作原理,从恒压频比、恒磁通量以及恒功率三方面,阐述了实现变频调控的方法,为变频调速技术的应用提供了参考。

关键词：变频调速,电源,电机,电压

参考文献

[1]曲高峰.浅谈变频器多段速控制原理[J].科技视界,2016(12):50-51.

变频调速控制 第8篇

1 整体设想

这种交流变频调速控制是以PLC为核心开发的, 将PLC主机与操纵盘、呼梯盘、保护信号装置等部件进行连接, 将PLC运行时的参数输入至存储器, 然后通过输出接口向每层发送信号, 根据PLC控制系统发出的信号, 电梯就可以进行开、关门, 上、下拖拽等工作。由于电梯是为人服务的, 在考虑安全性的同时还要考虑舒适度, 所以, 要合理控制电梯的运行速度, 随着时代的发展, 人们的环保理念不断增强, 整个系统的节能性也是必须要考虑的问题。

2 变频器参数设置

为了减小启动冲击和增加电梯运行过程中的舒适感, 控制系统的速度环比系数可以适当减小, 积分时间常数应该适当增加, 因此选择故选参数为C5-01=5 s和C5-02=3 s进行设置。为了保证运行精度和可靠性, 电动机的转速控制应该是闭环的, 必须保证编码器与电机连接时的可靠性, 这样才能保证传输数据的准确性。

为了让变频器处于最佳工作状态, 在完成参数设置后, 要将曳引机制动轮与电动机轴脱离, 使电动机处于空转状态, 这样变频器就可以自动识别和存储各项参数, 实现对电梯的自动化控制。

3 系统结构设计

将PLC的输出端口与变频器的输入口相连, 对应的COM和变频器19号口相联作为信号公共端。这几个端口可以完成对PLC变频系统的状态控制, 将12号口、13号口与PLC控制系统相连, 这样就可以将变频器内的各种信号输入至PLC控制系统, 完成二者之间的通讯连接。具体方式如图1所示。

在设计时, 要根据电梯的位置和运行方向进行合理编程, 确保电梯运行的顺畅。在编程中主要采用上行优先级队列、上行次优先级队列、下行优先级队列、下行次优先级队列这四种编程方式。当使用电梯的向上或向下的按钮时, 会触发一列脉冲信号, 这些脉冲信号通过变频器传输至PLC存储器中。由于各个楼层上行、下行的方向不一致, 上行、下行触发的时间也不一致, 就会产生大量的脉冲信号在同一时间内进入PLC存储器中。这样就会降低PLC控制系统的工作效率, 影响电梯的正常运行。这时, 就要选择上述四组脉冲信号作为优先级信号, 只将这四组脉冲信号存储至PLC存储器中, 这样可以合理利用存储空间, 提升PLC的工作效率, 保证电梯的正常运行。

4 电梯PLC的调试与安装

4.1 模拟调试

在模拟调试时, 可以将手动按钮与PLC控制系统输入端相连接, 利用手动按钮输入相应的调试信号, 观察PLC控制系统的指示灯是否正确显示输入信号的执行要求。如果要使电梯从7层下行至3层, 输入信号后, 观察电梯运行方向指示和楼层指示是否正确, 从而判定各项参数的设置是否正确。当发现问题时, 要及时调整, 确保在电梯运行过程中不会出现类似的故障。

4.2 安装调试

安装调试是一个比较复杂、工程量较大、耗费时间较多的过程, 在这一过程中, 先要确定各种仪器、配件的参数型号是否正确。例如, 在购买和选择接触器、空气开关、电动机、继电器等配件时, 要仔细查看各项参数, 使其符合工程要求。在所有配件都准备完毕后, 再进行安装工作, 安装时要避免接触器、空气开关和PLC之间相互干扰, 要保证三者之间有足够的距离, 确保三者都能正常工作。在安装接近开关时, 要预留给执行开关动作的周围一定的空间, 确保轿厢能够准确停靠在每一楼层电梯门的位置, 保证乘坐人员的安全。所有电梯组件都要编号, 在安装过程中按顺序进行安装, 防止安装过程中出现混乱。

利用PLC控制系统进行控制, 当楼层数增加时, 只需要增加相应的楼层信号即可, 不需要重新进行接线安装, 提升了控制系统的工作效率, 增强了PLC控制系统的适应性。

5 结束语

将PLC控制变频调速的系统运用到电梯中, 可以提升电梯控制的水平, 降低电梯控制的成本, 使电梯控制的自动化水平逐渐提高。随着电梯数量的不断增多, PLC控制变频调速系统的技术水平也会不断提升, 相信在未来更具适应性、精确性和可靠性的PLC控制变频调速系统会逐渐得到应用, 为保障电梯安全作出贡献。

摘要：随着经济的发展, 电子技术在各个领域的应用越来越广泛。近年来, 交流变频调速的应用范围不断扩大, 电梯中PLC控制交流变频调速控制系统的应用已接近成熟, PLC的设计也取得了新的成果。以PLC对电梯的控制为基础, 探讨PLC控制交流变频调速控制系统在电梯中的应用。

关键词：PLC控制,交流变频调速,电梯,调试

参考文献

[1]景利学, 冉鹏程, 饶克克.变频调速电梯PLC控制系统设计[J].变频器世界, 2011 (11) .

[2]汪海燕, 姚宏亮.PLC在电梯变频调速控制系统中的应用[J].宿州学院学报, 2010 (02) .

[3]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 (01) .

远程控制多级变频调速改造方案 第9篇

随着变频器技术的日益成熟以及控制精度的提高,越来越多的电机由传统工频驱动改为变频器驱动。在此类改造中,为实现变频器调速功能,往往采用DCS系统远程调速或变频器面板调速两种控制方式,但两者均存在不同缺陷。前者需要敷设调速信号电缆并且加装DCS系统(或对原有DCS系统进行改造),改造工期长、投资大、改造复杂;而后者只能在现场调速,无法实现远程调速功能。本文介绍一种在原有电气控制回路基础上,不敷设电缆,仅利用西门子LOGO!与变频器多步频率功能组合,实现远程多级调速功能的控制改造方案。

1 原系统控制方式

原装车台发油系统发油泵电机的启停在装车台和操作室两地均可实现控制,由传统的接触器和继电器控制,系统不能实现远程调查。

2 改造方案

由于工艺需要,要求对发油泵电机进行变频器改造,变频器采用富士FRENIC5000G11S系列FRN30G11S-4CX型。利用西门子LOGO!和变频器的多步频率功能组合,在不进行大规模投资和工程改造的前提下,利用现有电缆和设备实现远程控制调速功能。该方案主要控制方式为电机现场操作按钮和装车台操作按钮作为LOGO!输入信号,再由LOGO!输出信号控制变频器的启停和频率设定。

3 硬件设计

改造后电气控制回路如图1所示,S1、S2为电机现场操作柱按钮,S3、S4为装车台处操作柱按钮。控制系统中,启动按钮S2、S4并联接入输入端子I1,停止按钮S1、S3串联接入输入端子I2。输出端子Q1接变频器FWD端子,作为变频器启动信号;输出端子Q2、Q3和Q4接变频器X1、X2和X3,作为调速信号输入端。

4 软件系统

系统选用LOGO!230RCL型。为使按钮的操作转变为LOGO!输出端子Q1～Q4的状态变化,需要对LOGO!进行编程,其程序图如图2所示。

LOGO!编程后输入输出关系见表1。

FRENIC5000G11S系列变频器具有多步频率控制功能。由指定的4个输入端子X1～X4设定其相应功能数据为0～3,由其on/off四位二进制组合,能选择多步频率1～15,分别对应功能设置项C05～C19预设的多步频率,其功能设置见表2。在该方案中选取C05、C07、C11 3个多步频率点,分别对应频率设定值为30、40和50Hz。

此外,需要对变频器其它参数进行相关设置:将变频器运行操作项F02参数设置为1(由外部端子FWD输入运行命令);将下限运行频率设置项F16参数设置为20Hz(收到Q1发出的启动信号后按照20Hz频率运行)。

电机启停控制过程为:根据操作启动按钮S2或S4的次数或保持时间,由LOGO!程序作出判断并发出不同输出信号,使变频器启动并在预设频率下运行;在任意工作状况下,操作停止按钮S1或S3,均可使LOGO!输出停止信号,控制变频器停机。其操作流程如图3所示。

5 结束语

远程控制多级变频调速系统已在发油系统中应用,实践证明该系统具有如下优点:

(1)系统运行稳定,根据工艺要求调整频率便捷。

(2)程序结构简单,可通过增加LOGO!输出或修改程序的方法增加控制段,更加精确地调整频率。

(3)通过修改变频器内参数设置,能方便地调整预设定频率,以满足不同工艺要求。

(4)系统接线简洁,安全可靠。

摘要：介绍一种在常用电机控制回路基础上,利用西门子LOGO!与变频器多级调速功能,实现远程控制变频器多级调速的改造方案。

关键词：变频器,多级调速,西门子LOGO!

参考文献

变频调速张力控制方法及其应用研究 第10篇

在冶金、造纸、纺织、印染、包装等行业,各种线材、带材需要大量的收放卷控制,需要不同的张力控制系统。目前常用的控制方法有机械摩擦收放卷、磁粉离合器控制、力矩电机控制等。这几种方法都是高耗能调速方法,优势是简单、成本较低,但效率低。近几年来,随着高性能变频器成本的下降,变频调速张力控制由于机械结构简单、维护成本低,目前已经广泛地应用。

2 变频调速张力控制原理

如图1所示为典型的张力控制系统,包括一个放卷、一个牵引、一个收卷。张力控制方案按照是否加装张力传感器分为张力闭环控制方案(加装张力传感器)和张力开环控制方案(无张力传感器),或者称作直接张力控制和间接张力控制。而在张力闭环控制方案中根据变频器的工作方式可分为张力闭环速度控制、张力闭环转矩控制两种方式。在张力闭环速度控制方式中又分张力闭环速度开环、张力闭环速度闭环两种。

3 变频调速张力控制模式

3.1 通用张力闭环速度控制模式

如图2所示为通用张力闭环速度控制模式示意图,给定张力与反馈张力,经过PID调节器后输出给变频器做为速度指令。变频器根据控制精度的要求,可以工作在开环速度控制,也可工作在闭环速度控制。这种模式的优点是采用过程PID,直接进行张力控制,原理简单、调试方便,但是存在PID依赖性强,难以解决好在不同线速度、不同卷径、不同惯量情况下的稳定性问题。

3.2 改进张力闭环转速控制模式

如图3所示为改进张力闭环速度控制模式示意图。起动时,根据式(1),由初始卷径D0和线速度V计算出速度指令为初值,与给定张力与反馈张力经过PID调节器输出合成作为收放卷变频器速度指令。工作起来后,不断用式(2)实际速度ωr∧与线速度V,计算当前卷径D并进行滤波处理,再根据式(3),由当前卷径D和线速度V计算出速度指令,与给定张力与反馈张力经过PID调节器输出合成作为收放卷变频器速度指令。

以初始卷径D0和线速度V计算出速度指令公式如下:

通过系统当前运行线速度V和变频器输出频率计算卷筒卷径D的公式如下:

式中,D为当前卷径;i为机械传动比;V为当前线速度;p为电机极对数。

卷径的准确计算是该方案的关键。优点是,在卷径计算准确的情况下,对PID参数的依赖性大大降低、调节量变小、系统的稳定性好,适合高速、小张力控制场合。另外,需要特别注意的是在这种控制方式下,在张力控制系统上电第一次运行或者收放卷换卷后,一定要进行卷径的复位。

3.3 张力闭环转矩控制模式

如图4所示为张力闭环速度闭环控制模式示意图。通过张力检测装置反馈张力信号与张力设定值构成PID闭环调节,调整变频器输出转矩指令,保证更高的张力控制精度。此时,变频器工作于转矩控制模式。这种模式成本最高,适合一些高精度控制的场合。

3.4 张力开环控制

张力开环控制如图5所示,在电机上加装编码器,变频器工作于转矩控制模式,转矩指令值由式(4)计算得到。

式中:T*为转矩指令、F*为张力指令。

4 转矩控制时的几个特殊问题

4.1 惯量补偿

在张力控制变频器工作于转矩模式,加减速过程中,需要提供额外的转矩用于克服整个系统的转动惯量。如果不补偿,将出现收卷加速时张力偏小,减速时张力偏大;放卷加速时张力偏大,减速时张力偏小。系统转动惯量为卷筒上材料的转动惯量和机械系统转动惯量之和。卷筒上材料的转动惯量随着卷径变化而变化,机械系统转动惯量包括卷轴转动惯量、减速箱转动惯量、电机转动惯量,它们在运行过程中固定不变。

材料惯量补偿根据当前卷径,根据式(5)计算转矩补偿量,需设定卷轴长度L(m),材料密度ρ(kg/m3)

机械系统转动惯量是固定不变的,但获取各部分转动惯量的准确值较难,可以通过以下方法进行系统惯量的辨识。

在转矩控制模式下,通过记录两次明显不同转矩T1、T2,T1>>T2下系统达到稳速ωmax的时间t1、t2,即可得到系统惯量如式(6)表示,系统动摩擦转矩TS如式(7)表示:

运行中进行惯量补偿时,系统补偿转矩为系统惯量和材料惯量之和。

4.2 摩擦补偿

在上面的已经求出系统的摩擦转矩TS,考虑摩擦转矩情况下,在转矩控制时,转矩指令

另外,还有一点需要指出的是,在张力比较小的时候,从静止起动时,静摩擦不能够忽略不计,需要考虑。否则起动会存在问题,特别是主动收卷时,会出现堆料现象。

5 张力控制的其它问题

从以上内容可以看出,张力控制中最重要的是进行卷径的计算,而要计算卷径需要准确的知道线速度,因此线速度、卷径计算是张力控制的核心问题。

5.1 线速度

(1)脉冲检测法

在牵引辊加装脉冲编码器,如果变频器具有脉冲输入,通过输入每米脉冲数,可以准确计算出线速度。如果变频器无脉冲输入,可以将脉冲输入到PLC的高速输入口,通过PLC计算出线速度后,可以通过模拟量输出或者通信方式送给张力控制变频器。这种方法成本较高,一般用在高精度控制场合。

(2)模拟量输入法

将牵引变频器的模拟输出设定为速度输出,直接通过屏蔽线连接到张力控制变频器的线速度输入口,通过设定最大线速度,即可间接检测到线速度。这种方法现实应用最多。

5.2 卷径

(1)厚度积分法

对于一些钢性的带材和线材,可以根据材料厚度按卷筒旋转圈数进行卷径累加(收卷)或递减(放卷)。计算公式如下:

带材收卷:

带材放卷:

线材收卷:

线材放卷:

式中:D为当前卷径;D0为上次卷径;δ为材料厚度;Y0为每层圈数,对于带材为1;Y为线材每层的圈数。

(2)模拟量输入法

选用外部卷径传感器,如超声波传感器、角度传感电位器等获取卷径,卷径信号通过模拟输入口到变频器或者张力控制PLC。

5.3 张力锥度

有的卷曲控制,需要材料张力随着卷径增大而相应降低,达到里紧外松,防止损伤卷轴和提高卷曲质量,保证材料端面的平整度。张力锥度根据式(14)来计算,如图6所示。当张力锥度系数K设为0时,为恒张力控制,设为100%时,为恒转矩控制。

式中:F为实际输出张力;F0为设定张力;K为张力锥度系数;D0为空芯卷径;D为卷径实时值。

5.4 自动换卷

在连续工作的场合,为了提高生产效率。自动换卷逻辑用来实现平滑的自动换卷,需要外部控制器提供信号配合完成。包括预驱动、转矩记忆、记忆转矩使能和转矩提升几个过程。关键问题是要在切刀动作时进行转矩提升。

5.5 控制时序

控制时序张力控制取得良好效果的关键技术之一。许多张力控制问题都出在控制时序方面,造成起动、停车过程问题很多,如堆料、断料等。理想的张力控制时序如图7所示,t1时间内牵引零速运行,t2时间收放卷运行,系统处于自动收紧状态,t3为牵引减速到零速的等待时间,确保系统自动收紧状态,不会产生由于惯量而导致的堆料和断料。t4是撤消收放卷命令后到撤消牵引运行命令的延迟时间。

6 张力控制成功应用实例

6.1 拉丝机

拉丝机行业,涉及的设备种类非常多,从工作方式上分,常见的拉丝机有水箱式拉丝机、直进式拉丝机、滑轮式拉丝机、倒立式拉丝机等,拉丝机主要应用在对铜丝、不锈钢丝等金属线缆材料的加工,属线缆制造行业极为重要的加工设备。从机械上,可以分解为拉丝部分与收线部分,从电气控制上可以分解为拉丝无级调速控制与卷取的恒张力同步控制,通过张力摆杆的位置变化,将张力反馈到控制系统,经过自动运算,改变卷取电机运行速度,从而达到卷取与拉丝两个环节的恒张力与速度同步,并通过排线导轮电机,可以随着卷取速度的不同,均匀地将成品金属丝缠绕在卷取工字轮上,以实现对金属材料的拉伸加工。

随着变频调速技术的不断发展,变频调速器已经被广泛应用在拉丝机行业,承担着拉丝调速、张力卷取、多级同步控制等环节。变频器的应用,大大提高了拉丝机的自动化水平与加工能力、有效降低了设备的单位能耗与维护成本,得到了行业的广泛认同。

采用上述改进张力闭环转矩控制模式,可以满足目前所有不锈钢、钢丝、铜丝等各种拉丝机的技术要求。拉丝机应用如图8所示。

n级拉伸共用一台电机拖动,拉伸力来源于拉伸轮与铜线或者钢丝的摩擦力,摩擦力的大小与线材的张紧程度有关,整个拉伸系统各级之间依靠拉伸轮的转速差别和线上张力传递来控制同步协调工作。工作时需用冷却液进行散热。卷绕部分用一台电机拖动,需要保持第n级拉伸到绕筒之间线上张力恒定,若这一段张力波动,则第n级拉伸轮上的摩擦力就会波动,依次类推,整个拉伸系统就处于波动状态,拉出的线材质量会变差,甚至由于打滑将线材磨断。

6.2 分切机

不论何种分切机都有放卷部分、驱动力输送部分、分切部分及收卷部分。其中最关键的是收卷部分。采用上述间接张力控制模式,结合惯量补偿,锥度控制、摩擦补偿等,可以取得满意的效果。分切机应用如图9所示。

6.3 复合涂布机

带有铝箔的薄膜经涂胶后,与主料(纸)进行复合,过烘箱烘干,然后定型,再把薄膜剥离开,此时,铝箔已经完整地与纸成为一体,一方面,把剥离出来的薄膜收集成卷,另一方面,给带有铝箔的纸上色,上色后再进行烘干、定型,最后收集成卷。复合涂布机应用如图10所示。

变频调速控制 第11篇

1、引言

近年来可编程序控制器（PLC）以及变频调速技术日益发展，性能价格比日益提高，并在机械、冶金、制造、化工、纺织等领域得以普及和应用。为满足温度、速度、流量等工艺变量的控制要求，常常要对这些模拟量进行控制，PLC模拟量控制模块的使用也日益广泛。

通常情况下，变频器的速度调节可采用键盘调节或电位器调节方式，但是，在速度要求根据工艺而变化时，仅利用上述两种方式则不能满足生产控制要求，因此，我们须利用PLC灵活编程及控制的功能，实现速度因工艺而变化，从而保证产品的合格率。

2、变频器简介

交流电动机的转速n公式为：

式中： f—频率;

p—极对数;

s—转差率（0～3%或0～6%）。

由转速公式可见，改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调（恒功率调速），也可以从基频向下调（恒转距调速）。因此变频调速方式，比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。同时还具有很好的性价比、操作方便、机械特性较硬、静差率小、转速稳定性好、调速范围广等优点，因此变频调速方式拥有广阔的发展前景。

3、PLC模拟量控制在变频调速的应用

PLC包括许多的特殊功能模块，而模拟量模块则是其中的一种。它包括数模转换模块和模数转换模块。例如数模转换模块可将一定的数字量转换成对应的模拟量（电压或电流）输出，这种转换具有较高的精度。

在设计一个控制系统或对一个已有的设备进行改造时，常常會需要对电机的速度进行控制，利用PLC的模拟量控制模块的输出来对变频器实现速度控制则是一个经济而又简便的方法。

下面以三菱FX2N系列PLC为例进行说明。同时选择FX2N-2DA模拟量模块作为对变频器进行速度控制的控制信号输出。如图1所示，控制系统采用具有两路模拟量输出的模块对两个变频器进行速度控制。

3.1 系统中PLC模拟量控制变频调速需要解决的主要问题

（1）模拟量模块输出信号的选择

通过对模拟量模块连接端子的选择，可以得到两种信号，0～10V或0～5V电压信号以及4～20mA电流信号。这里我们选择0～5V的电压信号进行控制。

（2）模拟量模块的增益及偏置调节

模块的增益可设定为任意值。然而，如果要得到最大12位的分辨率可使用0～4000。如图3，我们采用0～4000的数字量对应0～5V的电压输出。当然，我们可对模块进行偏置调节，例如数字量0～4000对应4～20mA时。

（3）模拟量模块与PLC的通讯 对于与FX2N系列PLC的连接编程主要包括不同通道数模转换的执行控制，数字控制量写入FX2N-2DA等等。而最重要的则是对缓冲存储器（BFM）的设置。通过对该模块的认识，BFM的定义如附表。

从附表中可以看出起作用的仅仅是BFM的#16、#17，而在程序中所需要做的则是根据实际需要给予BFM中的#16和#17赋予合适的值。其中：

#16为输出数据当前值。

#17：b0：1改变成0时，通道2的D/A转换开始。

b1：1改变成0时，通道1的D/A转换开始。

（4）控制系统编程

对于上例控制系统的编写程序如图4所示

在程序中：

（1）当M67、M68常闭触点以及Y002常开触点闭合时，通道1数字到模拟的转换开始执行;当M62、M557常闭触点以及Y003常开触点闭合时，通道2数字到模拟的转换开始执行。

（2）通道1将保存第一个数字速度信号的D998赋予辅助继电（M400～M415）; 将数字速度信号的低8位（M400～M407）赋予BFM的16#; BFM#17的b2=1; 使BFM#17的b2由1→0，保持低8位数据; 将数字速度信号的高4位赋予BFM的16#; 使BFM#17的b1=1; 使BFM#17的b1由1→0，执行通道1的速度信号D/A转换。

（3）通道2将保存第二个数字速度信号的D988赋予辅助继电器（M300～M315）; 将数字速度信号的低8位（M300～M307）赋予BFM的16#; 使BFM#17的b2=1; 使BFM#17的b2由1→0，保持低8位数据; 将数字速度信号的高4位赋予BFM的16#; 使BFM#17的b0=1; 使BFM#17的b0由1→0，执行通道2的速度信号D/A转换。

（4）程序中的K0为该数模转换模块的位置地址，在本控制系统中只用了一块模块，因此为K0，假如由于工艺要求控制系统还要再增加一块模块，则新增模块在编程时只要将K0改为K1即可。

（5）变频器主要参数的设置

根据控制要求，设置变频器的运行模式为外部运行模式，运行频率为外部运行频率设定方式，Pr.79=2;模拟频率输入电压信号为0～5V，所以，Pr.73=0;其余参数根据电机功率、额定电压、负载等情况进行设定。

3.2 注意事项

（1） FX2N-2DA采用电压输出时，应将IOUT与COM短路;

（2） 速度控制信号应选用屏蔽线，配线安装时应与动力线分开。

4、结束语

基于变频调速的转炉炼钢控制系统 第12篇

安钢第二炼轧厂成立于2005年6月10日。所辖的120吨转炉-炉卷轧机生产线, 150吨转炉×2-1780mm热连轧生产线均是安钢“三步走”发展战略规划的核心项目, 也是河南省重点工程, 集炼钢、连铸、精炼、轧钢四位于一体短流程生产工艺代表当代世界钢铁领域最新发展潮流, 控制方面采用了当今冶金行业最先进控制技术和手段, 现代工艺装备堪称国内领先, 电气控制水平国际一流, 年产钢500多万吨。其主要设备有:1座120t转炉、2座150t转炉、2座120t铁水脱硫站、3座LF、1座VD炉和2座RH炉, 3台连铸机、炉卷轧机与1780轧线。转炉冶炼的主要有Q235B、SPHC、SPHD、SPHEL、G61、CL60和MGW600等钢种, 基于变频调速的转炉炼钢控制系统是炼钢的重要部分, 电力传动应用在安钢第二炼轧厂炼钢转炉系统中, 意在达到工艺机械速度的要求, 时刻按照炼钢操作工要求的速度角度加以控制, 确保了炼钢系统正常运行。

2 转炉的电力传动及其控制

转炉的电力传动及其控制, 包括转炉倾动的电力传动装置;氧枪的电力传动及其控制;原料电力传动及其控制与其他辅助设备的控制等。

2.1 转炉倾动的变频调速控制系统

转炉倾动的变频调速控制系统采用4台变频器拖动4台电机, 变频器采用主从控制一台为主其余3台为从。当一台变频器有故障可以停用, 转炉倾动有3个操作点:主控操作室、炉前操作室、炉后操作室分别有合1分闸-摇炉动作-急停, 条件允许情况下可进行复归操作。控制器是摇杆主令控制器, 控制转炉的10个挡速, 当吹炼时转炉为0度, 出钢时炉口向后倾90度左右, 倒渣时为炉前90度左右, 转炉倾动的联锁的条件:a.氧枪在等待位以上;b.烟罩在上限位。

采用变频调速系统直接控制其转速, 并应用PLC与计算机联网, 可实现电机根据负荷的变化而变速运行, 自动调节, 既满足了生产需要, 又达到了节能降耗和提高控制水平的目的[1]。

2.2 转炉氧枪的升降的变频调速控制系统

氧枪升降的变频调速控制系统, 采用2台变频器拖动2台电机氧枪升降是位能负载, 靠钢丝绳牵引依据炼钢工艺要求, 氧枪在升降过程中, 要实现慢速到快速以及快速到慢速地转换, 氧枪的检测点较多, 氧枪的枪位直接影响到炼钢的质量, 氧枪实际枪位的检测由脉冲编码器和记算机系统高速记算模块实现, 现场24米、40.3米、48米分别设有下限位、换枪位检测氧枪的位置, 以确定高速计数模块计数的起始点。

氧枪控制有以下联锁条件, 氧气入口压力正常为P0.9兆帕, 冷却水进水流量为280每小时立方米, 冷却水进水流量差15每小时立方米, 冷却水进水温度小于等于35度, 出水温度小于等于47度, 进水流量大与出水流量时氧枪不能下枪吹炼, 当转炉位置不在0度时不能下枪。如氧枪正在吹炼时转炉不能倾动, 只有氧枪提出炉口一定距离时才允许转动。当汽包水位不正常或者烟罩漏水时, 不能下枪吹炼, 氧枪下枪吹炼前要给汽化冷却系统煤气回收系统发出信号, 使它们进入吹炼位置。

2.3 转炉一次除尘变频调速控制系统

根据风机的负载特性, 风机的流量与转速成正比, 压力与转速的二次方成正比, 调节转速可以节约能源, 当需求风量减小一半时通过变频调速仅需要额定功率的百分之12.5节约能源百分之87.5, 传统的调节风门挡板长期工作在额定转速状态下能量有相当部分损失在挡板上。

转炉一次除尘系统是转炉生产的一个重要环节, 吹炼时生产的烟气量较大, 而平时烟气量较小, 而且这两种工况交替频繁, 因此对变频调速控制系统要求较高, 响应速度快。另外, 转炉一次除尘的烟气量较大, 为风机配套的电机一般为6KV或10KV的中压电机, 这样变频器也要选择与之电压相匹配的中压变频。

3 变频器的选型

变频器控制电机传动[2]如图1所示。

根据转炉倾动的负载性质和变频器的过载系数变频器选用西门子的1336IMPACT矢量变频器的1336E-B150-AA-EN-L8E-HA2-GM5, 112KW变频器交流母线电压为660, 4台变频柜均为6SE71系列输入标准配置百分之2输入电抗器, 变频器的直流电为电容滤波的晶闸管三相, 逆变侧是PWM三相全桥电路。

4 变频器与PLC通讯

变频器与PLC通讯如图2所示。

PLC监控部分为S7-400系列产品, 采用PROFIBUS传输数据同过USS协议主-从原理, 借助与串行接口总线通讯的数据存取方法, 点对点链接。

氧枪倾动顶底复吹

4.1 与汽化通讯:

当汽化允许下枪和紧急提枪信号通过I|O点实现通讯, 允许吹炼。

4.2 与副枪通讯:

当副枪给复吹PLC信号要求降低吹氧量时降低底吹量复吹PLC信号允许副枪下枪。

4.3 与风机通讯:

当风机允许下枪和风机转速信号时发送给转炉出钢和炉次开始。

4.4 与投料通讯:

当转炉投料操作信号和炉体垂直信号通过TRUCK发送给氧枪PLC允许投料操作。

4.5 与GATEWAY通讯:

发送冶炼的信号和接收二级的信号。

5 应用效果

基于变频调速的转炉炼钢控制系统在安钢第二炼轧厂生产投用以来, 提高了转炉炼钢的效率, 达到了生产工艺机械设备的要求提高了设备运行效率, 包括电机PLC直流母线电压变压器谐波电网波形等多方面:a.平稳了电机的启动提高了电网的干扰解决了转炉倾动时电压电流的波形幅度。b.抗干扰对PLC和PROFIBUS现场棕线为配置的控制系统具有很强的抗干扰。c.改变电压畸变率实现了综和电压畸变率达到百分之10-20。d.节约能源电力传动的运用使电能效率提高, 尤其变压器等磁性器件减小额外发热, 延长了使用寿命。

结束语

基于变频调速的转炉炼钢控制系统在安钢第二炼轧厂生产投用以来, 大大降低了设备故障率, 提高了转炉倾动运行速度消除了对电网的干扰, 为进一步自动化炼钢打下夯实基础。

参考文献

[1]张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].北京:机械工业出版社, 2002:35-42.