交流电控（精选3篇）
交流电控 篇1
0.引言
电动叉车无污染,低噪声,有广阔的应用前景。传统的电动叉车以直流电机驱动为主,效率比较低,体积和重量大,转速调节受限制且直流电机维护保养难,频率高。目前部分叉车厂商已将直流驱动改为交流驱动,叉车的性能获得较大的提高,因为交流驱动系统具有如下特点:零部件安装尺寸小,电机无需换向器和电刷,可大大减小维护保养的工作量;交流电机功率大,比直流电机转速高,控制系统所需元件数量少,无需定期更换易损的元件,几乎不用维护,更高效,坚固耐用;容易产生再生制动,节省能源,可延长蓄电池的使用时间等。因此是未来电动叉车应采用的技术。近年来,随着交流电机变频技术的进步,以及大功率半导体器件和微控制器速度的大幅度提高,交流电机驱动系统跟直流电机相比,具有效率高,结构简单,免维护和使用寿命长等优点。另外,交流系统调速范围宽,而且能够实现低速恒转矩运转,很好地满足了电动叉车实际所需的转速特性。同时,由于能够再生制动,有了电力保持功能,随蓄电池电能消耗叉车性能逐渐下降的情况将得到极大改善。
目前,交流驱动叉车已成为欧洲市场的主导产品。我国也已有厂家开始研发和使用交流驱动技术。
1. 交流电机工作原理及调速因子
当异步电机定子绕组中通入对称的三相交流电后,电机内部将会形成旋转磁场,旋转磁场的速度n0由输入电流频率即同步频率f0决定。置于这个旋转磁场中的电机转子绕组由于切割磁力线而产生电势,进而产生转子电流和电磁力矩,带动转子沿磁场的旋转方向运动。转子旋转的速度落后于同步速度,产生了相对运动,从而转子中有了电流,产生力矩。转子运行的速度与同步速度的差与同步速度的比成为转差率,用s表示。
同步转速n0、电源频率f0和转差率s之间的关系[4]:
其中n为转子转速(r/min);p为极对数。
则可推导n=60 (1-s)f0/p,因此可以通过改变电源频率f0,电机的极对数p和转差率s来调节电机的转速。
交流电机的极对数是由定子绕组的连接方式决定的,可通过改变定子绕组的接法来改变极对数,从而达到变极调速的目的,这种做法无法实现无极变速,只适用于不需平滑变速的场合。
变转差率调速可实现无极变速,且比较平滑,但功耗较大,一般用于提升设备。通常通过定子调压变速,当定子电压升高时,主磁通增加,转子感应电动势增加,转子电流增大,则受到的电磁力增大,从而速度提升;反之,速度减小,缺点是这种方法低速时效率比较低。
为获得较好的机械特性以及能够平滑地变速,可采用变频的方法控制。当极对数p不变时电机转子速度n和定子电源频率f0成正比,因此连续地改变供电电源频率,就可连续平滑地调节电机的速度。频率的升高和降低会影响电机的其他参数,如输入电压和电流。各种电机都有相关的额定电压,额定电流以及额定频率,在以上额定参数的情况下工作,电机的线圈磁路几乎饱和,因此当工作频率低于额定频率时,通过降低频率来减速,如果不减小电压,则线圈磁通将增大,可能过于饱和,导致励磁电流过大而发热,长期工作于这种状态将会缩短线圈的使用寿命。通常在减小频率的同时,适当地减小电压,实现恒转矩控制;当工作频率高于额定频率时,此时电压值不能超过额定电压,因此无法保证线圈的磁通恒定,在此阶段电机以额定的功率工作,电机产生的转矩与频率成反比的线性关系下降,因此要考虑电机负载大小,防止电机输出转矩不足。
2. 电动叉车交流电机调速系统硬件设计
小功率的电动叉车一般采用24V蓄电池供电,蓄电池使用时间的长短对叉车的工作效率有一定的影响。交流电机的能量反馈特性延长了蓄电池的使用时间和使用寿命,并提升了系统的驱动能力,提高了工作效率。但由于蓄电池只能提供直流电,无法满足三相交流电机的工作条件,因此需通过逆变电路,将直流电转换成可驱动交流电机的可变压变频的交流电。
图1描述了交流电机调速系统的框图。
(参见右拦)
图1交流电机调速系统框图
交流电机调速系统主要有如下几个组成部分:
①电源及电压转换模块
电源由车载蓄电池供应,用于电机和控制器。图1中加粗黑线为大电流走线,其余均为小电流。给控制器及传感器等元件的供电电压可通过电压转换芯片获得。
②微控制器
微控制器选择的关键在于是否具备了产生基本控制信号(如PWM)的模块和附加功能的其他接口。目前,大多数芯片都已经推出了可专门用于电机类驱动的芯片,如Freescale公司的MC68HC908MR32CFU等,可对三相交流电机进行较好地PWM控制。
③逆变驱动电路
该电路是三相交流异步电机控制器的核心,通过控制MOS管导通组合,将直流电源转变成可供三相电机使用的交流电。MOS管采用IRF3205S增强型功率晶体管,可容纳较高的通断频率。Q1-Q6组成直-交逆变桥,改变6个MOS管的导通序列及导通时间,则可输出交流波形。
不同相位的驱动电路输入信号的时序不同,通过程序控制三相之间的时序相差120度,即可获得交流电源。每一相交流电的产生都要通过控制算法计算出PWM波形。PWM波形最终应用到半导体开关器件的导通与关断延时把直流电压转变为电压脉冲序列,并通过控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期达到改变电压和频率的目的。直接由微控制器输出的控制信号不足以驱动MOS管工作,因此通过驱动芯片IR2110S完成。三相交流电的逆变电路用三个IR2110S功率驱动芯片驱动6个功率MOSFET的通断,如图2所示。为保证MOSFET充分导通,驱动芯片的输出通过自举电路来提升MOSFET管栅极电压。驱动电路为增加驱动功率,通常在每个驱动桥臂利用多个MOSFET并联,以增加电流来提升驱动转矩。
④电机速度反馈
对于闭环控制的交流电机调速系统,速度反馈是比较重要的参数,通常由编码器来实现。编码器安装在电机的转轴上,产生两路相差90度相位的方波,方波的频率反映了电机的转速信号。两路波形的先后顺序可表示当前电机的转向。编码器的输入接到MCU的输入捕捉模块,在输入捕捉模块中断处理程序中对采集到的编码信号进行判断和计算,获取电机的转速和转向信息。
⑤电流检测
通过套在三相电线上的霍尔元件检测电流的大小。当电线中有电流流过时,霍尔元件中产生感应磁场,再通过转换电路将磁信号转换成电压信号,由微控制器中的AD模块采集,即可判断电流大小。不同的霍尔元件对电流的响应参数不同。
3. 软件设计思路
传统的SPWM (正弦波脉宽调制)控制,产生的调制波是一系列等幅、等距不等宽的矩形脉冲波,每个矩形波的面积近似等于正弦波的积分面积,即脉宽基本成正弦分布。在三相异步电机变频调速系统中,通常采用规则采样法通过编程产生PWM波。
如图3所示[3],可以计算出PWM脉宽时间为其中Tc为载波的周期,即SPWM控制开关的周期,M为调制度(正弦控制波形与载波的幅值之比),ω为正弦波角频率,fc为载波频率,f1为正弦波频率,fc/f1=N为载波比,可表示一个正弦周期内的矩形波数。为了方便实现120度的相位差的计算,N取3的倍数,且利用脉宽时间公式可以计算出每个矩形波的占空比为,下标i=tD/Tc;根据以上公式,可通过软件PWM产生的方法,得到需要的控制波形。
4. 结论
本文提供了一种电动叉车交流电控系统的设计方案,通过对其中的硬件模块尤其驱动部分进行了详细说明,展示了交流电控系统的工作流程。同时,在参考相关资料的基础上,描述了传统的SPWM控制思路在此硬件平台的实现,为后期过程中进行具体的控制软件的编写奠定了基础。
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交流电控 篇2
关键词：交流智能化,双控高压变频,谐波
华亭煤业集团山寨煤矿是一座设计生产能力为240万t/a的国有中型煤矿, 副斜井担任着全矿井下物资设备的提升运输任务。该斜井提升长565 m, 坡度21°, 单绳缠绕式提升机滚筒直径3 m。主电机450 k W/6 k V。原电控形式是PLC控制+串电阻调速, 采用电机转子回路投切电阻方式进行调速, 大量的能量消耗在串入定子回路的功率电阻上, 调速不够平稳, 尤其在提升大件设备和材料时容易掉道, 设备运行存在安全隐患。
针对副井提升机电控系统的缺点, 为消除设备运行安全隐患, 该矿对副井提升机电控系统进行了升级改造, 安装了1套TKD-SP/GPB型交流智能化双控高压变频电控系统。
1 系统结构
提升机交流智能化高压变频电控系统由高压真空开关柜、双功率输出的高压变频系统、低压供电系统、控制操作系统等组成 (图1) 。
高压供电单元给双功率输出的变频器提供电源, 变频器1和变频器2由高压真空接触器采用矩阵连接, 通过切换控制变频器功率的互换输出, 给电动机提供工作电源, 达到变频调速目的。
2 系统控制原理
智能化全数字高压变频电控系统设有微处理器, 整个控制功能与调速算法均由软件实现。控制系统与双功率输出的高压变频器通过控制中继转换系统的工作模式, 控制参数确定后就不会改变。其控制输出y (t) 与偏差E (t) 满足:y (t) =k E (t) , 传递函数为G (cs) =y (s) /E (s) =kc (kc为控制器的比例放大倍数) , 比例控制器如图2所示。控制的输入E (t) 与其对应的输出p (t) 如图3所示。
输出函数的图形与输入函数的图形相似, 但幅值放大了K倍, 也就是说比例放大器的输入与输出是一一对应的。如果偏差信号为0, 控制信号也为0。全数字电控系统的应用理论 (PID) 数学式为:
式中, Kc、T、Td分别是比例放大倍数, 积分时间常数、微分时间常数, 即比例、积分、微分3种控制规律的组合。
因此, 控制器具有3种控制规律的优点, 比例作用的特点是控制器的输出和偏差大小成比例, 积分作用特点是能够清除余差, 微分作用特点是控制器的输出与偏差的变化速度成正比, 有超前作用, 能有效克服控制对象的容量滞后。所以控制器的功能较为完善, 控制精度高、工作稳定性好, 在提升机全数字系统中将发挥它的优良作用。
3 系统功能及关键技术
智能化全数字高压变频电控系统采用高性能的CPU和工业计算机控制与监控技术, 完成提升机工作速度和转矩的开环或闭环控制, 形成一套系统工作, 另一套系统在线冷等待。出现故障时转换自适应系统, 退出故障系统, 等待系统工作。
(1) 以双控技术为核心, 采用多PLC可编程控制器并行处理技术, 成功研制出交流双控全数字调速控制系统, 可完成故障时换接。
(2) 针对交流提升机应用矩阵变频器的复杂工况, 提出一种模糊参数自适应PID控制策略, 提高了提升机的控制精度和运行的稳定性、可靠性。
(3) 确立了基于模糊控制提升机传送系统与制动系统协调配合控制算法, 解决开车时因松闸太快导致提升机负重负荷侧突然下坠或操作时松闸太慢提升机受到电流冲击时损坏变频器矩阵功率单元的问题。
(4) 全数字控制系统设有局域网接口和IN-TERNET网络接口, 可实现远程故障诊断和远程故障处理。
(5) 采用内置能量反馈超节能高压矩阵变频器, 消除了IGBT功率组件电容器充放电工作过程中的安全隐患, 排除了高压变频器应用在矿井提升机上的不安全因素。
4 性能特点
TKDG-SP/PB交流智能化双控高压变频电控系统在山寨煤矿副井成功运行已有4年, 充分体现出该电控系统的优异性能。
由于高压变频器具有低频转矩补偿功能, 变频器在很低频率便会产生很大的转矩, 提升机的提升能力大大增强, 彻底解决了运输液压支架等大型设备和材料时存在的安全隐患。另外, 由于交流智能化双控双功率高压变频电控系统的控制系统和功率系统 (1套工作, 另1套系统备用) , 具备电控系统的共用技术条件, 所以当控制系统和变频器出现故障时可快速切换到另一控制系统和变频系统运行, 从而避免了由于提升机控制系统和变频器发生故障对矿井安全生产造成的影响。
5 结语
(1) 节能效果显著, 经现场测算对比理论值为接近50%, 实际去除等速运行、变压器自身损耗之后, 节能效果接近40%。
(2) 该系统运行平稳、无启动冲击, 原用电控切电阻调速、启动时产生很大的机械冲击, 极易使装载重物的矿车掉道, 应用高压双控变频可以实现软启动, 困扰多年的问题迎刃而解。
(3) 智能化双控制变频电控系统可满足煤矿生产的需要, 一旦工作系统出现故障, 即可快速切换, 大大提高了提升机的运行效率。
(4) 矩阵双功率输出变频器减少了由于电容器充放电引起的高次和多次谐波, 提高了电网的质量, 保证了设备的可靠运行, 减少了检修费用。
交流电控 篇3
接触器是门式起重机上应用广泛的电气部件之一。它可以由操纵人员用手操作来控制电动机的起动和停转, 也可在其他保护元件 (如继电器) 的配合下进行, 当电动机运行发生异常现象时自动切断电源。
交流接触器主要由线圈、动静触头、动静铁芯、弹簧及联锁触头等组成。门式起重机上常用的接触器是CJ12系列转动式交流接触器和CJ10系列直动式交流接触器。
2 交流接触器常见故障原因分析及对策
2.1 线圈通电后接触器未吸合
交流接触器的线圈通电, 衔铁不吸合, 应立即断开电源, 以免线圈被烧坏。
2.1.1 接触器不吸合常见原因
(1) 接触器线圈的控制电压由于控制回路短路或断路而消失; (2) 控制回路电压过低, 达不到额定工作电压的85%; (3) 控制按钮接线错误或断线; (4) 线圈引出线的连接处脱落、线圈断线或烧毁; (5) 机械故障卡住。
2.1.2 接触器不吸合排故障
出现上述故障时, 应按如下步骤进行原因判定和排故:用万用表检测控制回路熔断器是否断开、熔断器前后是否有电压、接触器线圈的2个接线端子 (通电情况下, 并按下启动按钮) 是否有电压、线圈是否发烫, 有较大的嗡嗡声来判断故障原因并采取相应措施进行处理。
2.2 线圈断电后接触器电磁铁不释放
线圈断电, 衔铁不释放, 应立即断开电源开关, 以免发生意外事故。
引起此类故障常见原因及对策: (1) 电磁极面上的油污或渗出浸渍绝缘漆。铁心沾有油污或铁心片间绝缘漆及外表油漆变热熔化, 污染铁心表面或新接触器铁心表面的防锈油脂未擦除。 (2) 接触器触头抗熔焊性能差, 较长时间通过大电流时, 触头熔焊粘连不能释放, 其中以纯银触头见多。 (3) 剩磁过大。由于E形铁心与衔铁之间的去磁间隙在长期使用中变小, 其吸引力增大而不能释放。处理方法, 用锉刀将气隙适当加大, 也可用铁钉在中间极面上冲一些小孔。硅钢片质量不好, 也会造成剩磁过大。 (4) 机械故障卡阻。
(5) 接触器在工作过程中振动造成反作用弹簧损坏。此时只要更换同型号的反作用弹簧即可。 (6) 安装不当造成故障。
2.3 接触器主触头故障
交流接触器在工作时往往要频繁地接通和断开电流电路, 因此主触头是易损部件。常见故障有触头过热、触头磨损和主触头熔焊等。
2.3.1 触头过热的主要原因及对策
(1) 交流接触器在运行过程中, 触头通过的电流大于其额定电流会造成触头过热。触头电流过大的原因主要有系统电压过高或过低;用电设备超负荷运行;触头容量选择不当和故障运行。 (2) 动、静触头间接触电阻过大。接触电阻大小关系到触头的发热程度。造成触头间接触电阻增大的原因有:一是触头压力不足, 二是触头表面接触不良。
2.3.2 触头磨损
触头在使用过程中, 其厚度会越用越薄, 这是由触头磨损造成的。触头磨损有2种: (1) 电磨损, 是由于触头间电弧或电火花的高温使触头金属气化所造成的; (2) 机械磨损, 是由于触头闭合时的撞击及触头接触面的相对滑动摩擦等所造成的。若触头磨损过快, 应查明原因, 排除故障。
2.3.3 触头熔焊、烧结
发生触头熔焊的常见原因有: (1) 当触头闭合时, 由于撞击和产生振动, 在动、静触头间的小间隙产生短电弧, 电弧产生的高温 (可达3 000～6 000℃) 使触头表面被灼伤甚至烧熔, 熔化的金属冷却后便将动、静触头焊在一起。 (2) 接触器容量选择不当。如果因为触头容量不够而产生熔焊, 则应选用容量较大的接触器。 (3) 动静触头接触不良。1) 安装不当或磨损造成;2) 由于触头压力弹簧损坏而动触头接触压力不足;3) 3个触头不同时接触。 (4) 可动部分被卡住或动作不灵活, 动触头或它的弹簧碰到灭弧罩。 (5) 操作不当。接触器动作时间过短, 也会造成触头烧结。因此操作时动作不能过快。 (6) 外部电路原因引起故障。电源电压过低, 接触器动作时间拖长, 动作后吸不严造成故障。线路过载等使触头闭合时通过的电流过大。控制线路的联接导线接头处松动, 使电路时断时通。
因此, 出现触头烧结故障, 可通过打磨或更换触头的方法来处理。
2.4 接触器线圈发高热或烧毁
造成线圈过热或烧毁的主要原因是线圈过载或磁导体的可动部分接触不上静止部分。可通过消除线圈过载原因、消除引起磁导体可动部分动作不正常的原因 (如弯曲、卡住、脏污) 来解决。
2.5 接触器振动大、噪声异常
噪声异常会增加门吊作业信号指挥的难度, 恶化司机的工作环境, 也会造成接触器损坏加快, 从而增加门吊运用中的不安全因素, 必须加以重视。
常见原因分析及对策: (1) 动、静铁芯的极面上有灰尘和锈污。衔铁与铁心经多次碰撞后, 使接触面磨损或变形, 或接触面上有锈垢、油污、灰尘等, 都会造成接触面接触不良, 导致吸合时产生振动和噪声, 使铁心加速损坏, 同时会使线圈过热, 严重时甚至会烧毁线圈。通过清洗或将铁心端面修平整来处理。 (2) 短路环断裂。短路环断裂多发生在槽外的转角和槽口部分, 维修时可将断裂处焊牢或更换新的, 并用环氧树脂加固。 (3) 铁芯中间极面间隙过大或过小。如果触头压力过大或因活动部分受到卡阻等机械方面原因, 使衔铁和铁心不能完全吸合, 都会产生较强烈的振动和噪声。 (4) 电源电压过低。接触器的线圈控制电压不足, 达不到额定工作电压的85%。处理措施是:调控电路电压达到线圈的额定工作电压。 (5) 其他原因:包括触头压力不合适;转轴与轴孔配合不合适等。在正确判定原因的基础上, 采取相应措施以消除接触器的剧烈振动和噪音, 以保证设备安全和机械作业的正常进行。
3 交流接触器失效的危害及对策
交流接触器在门式起重机电控系统中, 通过自锁或联锁作用, 发挥安全控制操作功能。无论是自锁功能失效, 还是联锁功能失效, 都会形成严重安全危害。主要包括:电路短路、电路断路、操作不起作用等, 甚至会进一步引起电器烧毁、触电等危害。
为提高门式起重机电控系统的安全性, 尽量避免因交流接触器失效而造成巨大危害, 我们将双重联锁技术应用到门式起重机的电控系统中, 对门式起重机电控系统进行改进, 将交流接触器单一联锁的电路改成由联动按钮和交流接触器组合成双重联锁。
4 案例分析
北京车务段管内门式起重机数量较多, 并且多为老式设备。2010年, XX货场MD9106门式起重机在作业过程中, 司机室控制柜内电气起火。经查原因为主接触器不稳定且噪音大, 作业人员将主接触器电磁铁人为闭合并固定以保证能进行作业, 形成了安全隐患, 在线路过热保护的情况下, 接触器未断开, 造成损失扩大。在分析的基础上, 采取以下有效整改措施: (1) 规范操作程序; (2) 检修接触器, 消除明显噪音; (3) 改进电路, 实施联动按钮和交流接触器组合成的双重联锁。从而有效地消除了安全隐患, 保证了设备的安全使用。
5 结语