变频调速系统（共12篇）
变频调速系统 篇1
目前,随着大功率高频电力电子元器件和高速数字信号处理芯片的诞生,数字变压变频调速系统由于自身优越的调速性能,已经被广泛应用在交流调速系统中。交流调速的方法大致可以分为以下几种:变极调速,串电阻调速,降压调速,串级调速和变频调速。除去变频调速以外的其他调速方法,因为能源消耗大,调速成本高,性价比低,调速控制结构复杂,不便于维护等缺点,现如今已经被淘汰。交流变频调速通过改变电动机的电源频率,从而可以连续地改变同步转速,最终使电动机运转在一个较宽的范围以内。现在流行的交流变频调速方法有两种:变压变频法和矢量控制法[2]。从调速特性上看,交流变频调速系统在任何一个速度段的硬度特性,都与自然机械特性及其相似。同时,还具有调速范围宽、平滑性能优良等可以与直流调速系统相媲美的优良调速特性。
数字变压变频调速系统由于运行的经济性、调速平滑性以及调速机械特性等优良性能,已经广泛应用于数控机床、煤矿风机以及提升机、泵类、传送带、给料系统、制冷系统等设备的动力源,并起到了节约能源,提高电源利用率以及提升产品数量和质量的良好效果。
1、变压变频调速系统的基本组成
变压变频调速系统基本上由五大部分组成:主回路模块(主要有智能功率模块和IGBT开关原件驱动模块组成)、检测回路模块、数字控制器模块、故障综合模块(有数据检测综合单元组成)和主控制面板模块。本系统使用德州仪器公司生产的C 2 0 0 0系列中TMS320F2812作为数字控制器的主控芯片[1],智能功率模块IPM-PS21867(Intelligent Power Module),以及电压空间矢量、数字PID等先进控制算法于一体的一款交—直—交数字式交流变频器。
由图1可以看出,主回路模块通过从单相交流输入端引入220V电源,然后经整流滤波获取逆变器所需的直流电源,再利用三相全桥逆变电路开关元件的通断控制,产生交流调速电机所需的频率可调的三相交流电。同时,在主回路上通过对过电流、过电压、过热等参数的测量,经故障综合模块引入到DSP的保护引脚PDPINTB实现对PWM信号的封锁,从而起到保护电机及其控制系统的作用。检测回路模块主要负责对电压、电流等模拟信号的采样,为实现软件调速系统的闭环控制和算法实现,起到决定性的作用。数字控制器模块综合主控制面板所传递的参数以及其它反馈信息,通过FLASH RAM中所加载的程序和CPU内核高速运算性能,实现对交流电机的全数字式控制。
2、变压变频调速基本原理
2.1 变压变频问题的提出
根据电机学原理,交流异步电动机的定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁力线的结果,其有效值如下式计算[2]:
式中:K—与电动机相关的常数;f—电源频率;Φ—电机磁通量;
由电源电压的平衡方程式为:
其中,U—电源电压;E—定子绕组的反电动势;I—定子电流(I=I1+I2);r,x—为线圈电阻和漏电感;
电源电压U的一部分产生了定子绕组的反电动势E(对应1I),另一部分消耗在由r,x组成的阻抗上(对应I2)。定子电流I一部分用于建立主磁场磁通Φ,另一部分用于产生电磁力带动机械负载。当交流变压变频调速系统电源频率f下降时,由式(2-1)可得定子绕组的反电动势E会降低;在电源电压U不变的情况下。通过式(2-2),将会引起定子电流I的增加;加入外部负载不变时(即I2不变),则I1将会增加,将会使主磁通Φ增加;由式(2-1)可得反电动势E也会增加,最终达到新的平衡点。
由于电动机的磁通量与电动机的铁芯大小有关,通常在设计时已经达到饱和状态,因此将会使电动机的磁通量无法再增加,产生电流波形畸变,减弱电磁力矩,从而影响机械特性[4]。为解决上述问题,最有效的方法是维持主磁通量的不变,设法使E/f=K=常数,这样就要求在电动机在改变电源频率f时,E也应该保持不变。因为E的大小无法控制,于是我们通过式(2-2)在阻抗压降很小的情况下,可以近似得到:U≈E,从而可以用加在绕组两端的电源电压U的调整,实现对E的调整,最终使得磁通量保持在一个恒定数值以内。
2.2 变压变频转矩补偿法
变频后机械特性的下降将使电动机带负载能力减弱,影响交流电动机变频调速的使用,因此人们想办法来解决这个问题。一种简单的解决方法是采用V/F转矩补偿法[4]。
V/F转矩补偿法的原理是:针对频率f降低时,电源电压U成比例地降低引起的U下降过低,采用适当提高电压U的方法来保持磁通量中恒定,使电动机转矩回升。有时也称它为转矩提升(torque boost)。
适当提高电压U将使调压比Ku>Kf,也就是说电压U并不再随频率f等比例地变化。采用V/F转矩补偿后的电动机机械特性如图2所示。
3、变压变频调速系统的软件实现
对于数字交流变频调速系统软件部分的设计、开发与调试,我们使用的TI公司的CCS3.3进行系统开发。系统的软件设计部分共分为两大部分:第一部分为主程序部分(主要是系统时钟、看门狗等模块的初始化),第二部分是系统主体运算控制部分(即系统的中断服务子程序INT0)。
3.1 主程序模块
主程序模块就是我们通常所说的系统的void main()所包含的程序部分,在系统上电复位后,首先进入的程序的起始地址指针便指向main()函数内部的第一条指令,对系统时钟和锁相环(PLL),各种寄存器控制位的默认值,以及对系统监测模块看门狗等模块的初始化。然后,进入对系统对PIE向量表进行初始化,禁止清除所有的CPU中断标志,并对其它系统所用到的电机控制程序模块的各项参数进行赋值。完成上面初始化部分后,进入到中断使能部分,其中包括使能定时器T1,使能定时器T1的上溢中断,为执行下一步中断服务子程序INT0做好准备。最后是主循环等待,使系统等待中断时间的到来,进入中断程序,执行控制功能。
3.2 中断服务子程序模块
通过定时器1的上溢中断,使程序进入到中断服务程序部分,首先,我们要清除中断标志位,为后续环节提供准备,并保存系统中主要的参数数据。然后,就进入到程序主体程序部分,包括数字PID调节模块、电压/频率映射模块、空间矢量发生模块、PWM产生模块、捕捉模块、速度计算模块、PWM数模变换模块和低通滤波器模块。对应功能与说明如表1所示[3]
本系统有两种控制模式,一种是开环调速控制,另一种是闭环调速控制,是通过closeloop Flag闭环调节标志位进行选择的。基本程序结构图如图3所示,通过speedref速度参考值作为系统的给定值,速度给定值进入到RAMP_CNTL斜坡控制模块,此模块分时段阶梯式的增加给定值,直到达到给定值,起到平滑控制的效果,防止控制的突变造成的硬件运行的不稳定。数字PID环节主要对速度给定值与速度计算模块所获得的电机实际测量值的差值,进行比例积分微分调节,可以使系统的稳定性、快速性和动态性能有显著地提升。电压/频率映射模块可以根据输入频率的大小,通过查表函数获取最优的电压输出值VOUT,频率除作为本模块的输入以外,还为空间矢量发生器模块提供输入。利用频率和电压输出值,通过空间矢量发生器就可以产生Ta,Tb,Tc三个时间量值,然后通过PWM产生模块得到我们所需要的六路脉冲宽度调制波形,经IR2136驱动模块作用于智能功率模块,控制逆变器残生交流电机所需的三相交流电。PWM数模转换模块和低通滤波器模块只要是对输出的脉冲宽度波形进行采样,为方便程序调试与实验分析而设置的部分。
4、实验测试结果
如图3所示,通过PWM数模变换模块和低通滤波器模块,采集所得的三路PWM输出波形,及其对应理想状态下的正弦输出波形。当Enable Flag=0时,系统处于初始状态,无限循环。如图4所示。当Enable Flag=1时,进入中断服务子程序阶段。不同Speed Ref值,所对应的频率不同,从而产生的PWM的宽度和理想正弦波形的频率都不同。如图5-图7所示。
5、结语
经实验验证,数字式变频调速系统,不仅在系统稳定性方面,还是在实时的控制方面,与传统变频器相比,都存在优越的性能。对于实时性要求较高的调速系统领域,基于TMS320F2812的数字式变频器由于自身的高性能数据运算能力,已经得到普遍应用。
参考文献
[1]宁改娣,曾翔君,骆一萍等.DSP控制器原理及应用(第二版)[M].北京:科学出版社,2011.5.
[2]陈伯时,主编.电力拖动自动控制系统—运动控制系统(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2003.7.(159-160).
[3]TEXAS INSTRUMENT ACI3_1 System Document C2000 Founda-tion Software[M].Texas Instruments Inc,December 2005.(16).
[4]瑞泰创新,编著.ICETEK-ACM异步电机拖动实验指导书[M].北京:2007.(9-10).
变频调速系统 篇2
在使用变频器时，应掌握以下要点，以确保变频器安全、高效、可靠运行。
变频器的接地端子必须可靠接地，以有效抑制射频干扰，增强系统的可靠性。系统最好采用独立接地，接地电阻小于1欧。系统中的传感器、I/O接口、屏蔽层等接地线，应与系统接地总址独立连接。
环境温度对变频器的使用寿命有很大的影响，环境温度每升 10℃ ，则变频器寿命减少一半，所以变频器周围环境温度及散热问题一定要解决好。变频器的环境温度额定为 40℃ ，如果环境温度大于40～50时℃，必须降低额定电流值。否则将使器件的温升过高，从而导致器件损坏，尤其是IGBT功率模块，对于正常安全运行有较大影响，
电流下降值至少在10%以下，这样更有利于安全运行。为了更有利于变频器的安全可靠运行，变频器应置于有空气调节的环境里，温度控制在25± 3℃ ，相对湿度RH≤70%～75%。实践证明，变频器在空调环境下的故障几率要比没有空调环境少得多，系统的可靠性也得到增加。
正确的接线及参数设置，在安装变频器之前一定要详读其手册，掌握其使用方法、注意事项和接线方法。安装好后，再根据使用情况正确设置参数。变频器与被驱动电动机之间不宜加装交流接触器，以免在断电瞬间产生过电压而损坏逆变器。变频器输出端不可接电容补偿装置，以免高次谐波造成电容器过热损坏以及变频器过电流保护误动作。
浅谈高压变频调速系统特点与应用 篇3
【关键词】高压变频；异步电机；烧结机
On the VFD Features and Applications
Liu Wei
Shenyang Blower Works Group Automatic Control System Engineering Co.， Ltd.， Liaoning Shenyang 110000，
Abstract： In this paper， an iron and steel enterprises to 2×360m2 sintering machine main exhaust fan motor VFD debugging， for example， describes the classification of high voltage variable frequency speed systems， and applications.
Keywords： High frequency； induction motor； sintering machine
1.前言
最近些年我们国家的GDP持续的增加，随之而来的是大量的能源耗费，能源耗费已经成为制约我们国家经济快速发展的一大阻碍。在这样的背景，我们国家投入了大量的资金支持低能耗产业的发展，我将在本文中介绍的高压变频调速技术，就是该领域的节能降耗技术。此项技术在很多的方面超出现有的交流调速模式很多，例如，工作效率和功率因素，低频转矩，转差补偿，频率范围和动态响应等方面都有着很多的优势。日后将会在更为广泛的行业里大量的使用。它的使用将带来诸多的优点，例如工艺汇得到改善，机械设备的工作寿命会变长等。将在业界被广大的用户所认同。
2.变频调速系统的分类及特点
2.1高—低—高式变频调速系统
高—低—高式变频器是将供电电压50HZ，6kV或10kV通过10（6）kV/380V降压变压器经低压变频器变频，再用380V/10（6）kV升压变压器升压后驱动电动机。这种变频技术风险系数低，相对资金投入少方便可靠，不足的是相对的工作效率不高变压器的能耗会加大。
2.2高—低式多级串联型变频器
采用多级低压变频单元串联构成高压变频器，输入变压器为多绕组变压器，功率单元为独立的IGBT H桥智能模块，进行多个串联；通过输入变压器各二次绕组相位差，实现系统的多重化。通过波形连续叠加法，对6kV系统，输入变压器二次的18个独立绕组对应18个功率单元独立工作，进行PWM控制，实现堆压成6kV输出，使输出波形正弦化，实现系统的无谐波化。
3.系统原理
3.1系统结构
控制器和移相变压器和功率单元构成了高压变频调速系统。由10kV电源供电，有24个功率单元，每8个功率单元串联构成一组。
3.2功率单元结构
功率的单元的构成模式是一样的，可以交换单相逆变电路。整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制可以得到交变的方波。
3.3输入侧结构
输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，对于10KV电压等级的变频器，构成48脉冲整流方式，网侧对的电流波形会被这种多级移相叠加的整流方式大大改善，使其负载下的网侧功率因数接近1。
3.4输出侧结构
输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到阶梯形的PWM波形。这种波形能够最大限度的保持电缆绝缘层的完好程度。在没有滤波器的情况下，波形正弦度好能输出长距离的电缆。无需改装直接用原有电机即可不需降額；同时，电机的谐波损耗、机械振动、轴承和叶片的机械应力都会减少。
在单元出现问题的情况下，能够将这个单元进行移除。不影响其他单元的正常工作。为了了避免停机造成的损失，一般变频器可持续降额运行。
4.常见问题的处理
4.1单元过电压
需要判断进入端的高压电源正向波动数值的大小是否已经超出了警戒的范围。如果是减速时过电压，要酌情加大该系统的减速时间设定值。
4.2单元欠电压
检查输入的高压电源负向波动是否超过允许值。检查以下几个方面是否正常，高压开关、接线螺丝、整流变压器副边、单元三相进线和功率单元三相进线熔断器。
4.3单元过电流
判断功率单元输出端子有没有短路的情况发生和电机绝缘材料的完整程度。检查是否是因为超载运行导致的故障。如果是启动时过电流，应适当增大变频调速系统的加速时间设定值。
4.4单元过热
环境温度的过高、风机的不正常工作、进出风口不畅通、设备长期超负荷运行这些都能导致单元过热，这些都需要需要一一排查。除此以外还有检查继电器的工作状态。
4.5单元缺相
排查开关是否跳闸。变压器副边有无短路的情况发生。地线螺丝的牢固程度。检查功率单元三相进线是否松动，功率单元三相进线熔断器是否完好。
4.6单元光纤通讯故障
查看单元电源开关是否出现故障，正常工作状态的L1指示灯为绿色。检查连接单元和控制器的连接开关是否牢靠，查看光纤的完整程度。
4.7控制器不就绪
控制器自检不能通过时报告该故障，需要再次设定变频调速器的参数，并且在一次的重启系统；故障还存在的话，排查电路之间的连接，或者更替单片机控制板。
4.8变压器过热
当整流变压器过热应时，检查机械是否存在超载运行，另外马上查看变压器副边接线绝缘组织有无出现破损情况。排查线路是否存在发生短路的可能，环境温度超没超出正常温度，风机工作状态是否正常，并且保证风路的畅通。温度控制器的警戒参数是否设置在合理的范围内。并保证设置的参数没有被非法的篡改。
5.结束语
本文主要讲述了高频变压调速系统的特点和技术应用，并且以烧结机两台主抽风机电动机系统例举进行讨论，相关的介绍普通的故障的处理和解决方式。此项技术有着高压大容量、应用广泛、维护成本低、工作效率高、节能效果满意等优点。这项技术的应用将会越来越广泛。身为这种技术的工作人员，在专研理论知识的同时，要紧跟着实践进行总结。用科学的方法进行处理问题和分析问题。它是我们调试人员理论知识的体现，更是我们实际动手能力和解决问题能力的客观反映。
参考文献
[1]徐甫萍.《高压变频调速技术应用实践》.中国电力出版社
变频调速典型控制系统(一) 篇4
早期的电动机调速是直流电动机调速(简称直流调速)的天下,自20世纪80年代以来,随着电力电子变频技术、数字控制技术的发展和高性能交流电动机调速方法的发明,现在已经基本上实现了以交流电动机调速(简称交流调速)取代直流调速。在众多的交流调速方法中,变频调速是唯一能在调速性能及效率上与直流调速竞争,实现高性能调速的方法。本讲座只介绍变频调速的典型控制系统,它的许多控制策略也适合用于直流传动。
在变频调速系统中,变频器可以放在电动机定子侧,也可以放在双馈异步电动机 (绕线异步电动机)转子侧。变频器放在双馈异步电动机转子侧的系统称转子侧变频调速系统。依据变频器工作的象限数不同,转子侧变频调速又分2类:若变频器只能单象限工作,转差能量从电动机转子流向电网,则该系统称串级调速,转速只能从额定转速向下调;若变频器能4象限工作,转差能量可以在电动机转子和电网间双向流动,则该系统称双馈调速,转速可以在额定转速上、下调节。在转子侧变频调速系统中,变频器的容量按转差功率选取,转差变化范围小时变频器容量可以比电动机功率小很多,它是这种调速系统的主要优点,转差变化范围大后该优点就没了,所以这种调速系统的调速范围一般小于2。串级调速主要用于节能调速,对调速性能要求不高场合,双馈调速主要用于风力和水力发电,由于应用范围较窄本讲座将不涉及它们。变频器在电动机定子侧的系统即通常说的是变频调速系统,它应用最广泛,是本讲座研讨的对象。
本讲座的内容安排如下:第1讲为调速系统分类和变频调速用电动机、变频器及其控制系统概述;第2讲为通用机械的节能调速;第3讲为工艺调速的典型转速控制系统;第4讲为多电动机转速控制系统;第5讲为张力控制系统;第6讲为位置控制系统。
第1讲 调速系统分类和变频调速用电动机、变频器及其控制系统概述
1.1 调速系统分类[1,2]
1.1.1 按调速的应用领域分类
可粗分为4大类。
1)通用机械的节能调速。通用机械指风机、泵、压缩机等类机械,量大、面广,应用于各行各业,它们的用电量占全国总发电量的1/3。这类机械过去都采用不调速的交流电动机驱动,风量和流量靠挡板及阀门调节,浪费大量能源。把这类机械的交流传动系统由不调速改为调速,取消挡板及阀门调节,平均可节电30%~40%,故称这类调速系统为节能调速系统。改调速后,由于风量和流量可以连续、平滑和快速精确控制,给工艺(或燃烧)过程的优化创造了条件,有助于提高产品产量和质量;由于减少了管道和阀门的压力,可以提高设备寿命,减小维修量。节能调速对调速性能要求不高,调速范围通常不大于2。
2)工艺调速。由于机械设备的工艺需要,要求驱动电动机必须调速运行的传动系统称为工艺调速系统,不调速便不能生产,例如金属加工、造纸、提升等机械的传动系统。工艺调速是高性能调速的主要应用领域,长期以来在这个领域里,都采用直流调速,现过渡到以交流调速为主。
3)车辆牵引和船舶推进调速。各种电动车辆及船舶等运输机械的电驱动系统,也要求在运行中及时调速,这类传动系统称为牵引和推进调速系统。它们属工艺调速范畴,也是高性能调速的应用领域,但由于装在移动机械上,又有许多不同于一般机械的特殊要求,例如供电电源、设备尺寸和重量、散热及防护要求等。过去这类传动系统都采用直流调速,现在也改用交流调速。由于牵引和推进机械对传动设备的尺寸、重量和防护有严格要求,而在这些方面交流比直流占优势,所以交流牵引和推进调速取得更快发展。
4)特殊调速。某些应用场合,用户对调速有特殊要求,满足这些特殊要求的调速系统属特殊调速系统。例如转速6000r/min以上的高速系统,直流电动机满足不了这个转速要求,只能使用交流调速。又比如调速范围为1∶50000~1∶100000的极宽调速系统,用普通直流或交流电动机都有困难,只有采用特殊的永磁交流电动机才能实现。
1.1.2 按调速方式分类
有4种按调速方式分类方法。
1)开环调速和闭环调速。电动机的转速给定被设置后不能自动纠正转速偏差的调速方式称为开环调速;具有自纠偏能力,能根据转速给定和实际值之差自动校正转速,使转速不随负载、电网波动及环境温度变化而变化的调速方式称为闭环调速。
2)无级调速和有级调速。无级调速又称连续调速,指电动机的转速可以平滑调节,特点是转速变化均匀,适应性强,易实现自动化,因此在工业装置中被广泛应用;有级调速又称间断调速或分级调速,它的转速只有有限的几级,调速范围有限且不易实现自动化。在数字控制的调速系统中,它的转速给定被量化后是间断的,严格说属于有级调速,但由于级数非常多,级差很小,仍认为是无级调速。
3)向上调速和向下调速。在额定工况运行(施加额定频率的额定电压,带额定负载)的电动机的转速称额定转速,也称基本转速或基速。从基速向提高转速方向的调速称向上调速,例如弱磁调速;从基速向降低转速方向的调速称向下调速,例如降压调速。
4)恒转矩调速和恒功率调速。在调速过程中,若在流过额定电流条件下(电动机发热情况不变),电动机产生的转矩维持额定值不变,则称这种调速方式为恒转矩调速,这时电动机输出的功率与转速成正比;若在流过额定电流条件下,电动机输出的功率维持额定值不变,则称这种调速方式为恒功率调速,这时电动机产生的转矩与转速成反比。
恒转矩和恒功率调速方式的选择应与生产机械负载类型相配合。 如果恒转矩调速方式用于恒功率类型的负载,电动机功率需按最大转矩和最高转速之积来选择,导致电动机功率比负载功率大许多(恒功率负载最大转矩出现在低速,高转速时转矩小,转矩和转速的乘积远小于最大转矩和最高转速之积)。 如果电动机的恒功率调速范围和负载要求的恒功率范围一致,电动机容量最小。如果负载要求的恒功率范围大,电动机的恒功率调速范围受到电气条件的限制不能满足时,只能适当放大电动机容量,扩大调速系统的恒转矩调速范围,以弥补恒功率调速范围的不足。
1.2 变频调速用电动机
变频调速使用的交流电动机主要有笼形异步电动机、励磁同步电动机和永磁同步电动机3大类。笼形异步电动机结构简单、便宜、可靠、维护工作量小(没有滑环和电刷)、不需要励磁装置、控制简单,所以得到最广泛应用。笼形异步电动机也有一些缺点,它的应用受到一些限制:
1)异步电动机功率因数<1,在同样输出功率下用于异步电动机的变频器容量比同步电动机大10%~15%;
2)异步电动机气隙小(气隙大则电机功率因数和效率会降低),低速大容量电机(特别是工作于冲击振动场合的电机)制造困难;(对于额定转速>150r/min或200r/min,容量<3或4MV·A,无冲击振动要求的电动机,笼型异步机比同步机便宜;若额定转速>300r/min,容量达9MV·A,异步机也便宜;如果超出上述范围,则同步机便宜)
3)异步电动机额定转矩过载倍数<2.5,在恒功率(弱磁)调速区,最大转矩按升速倍数的平方下降,因此不适合用于恒功率调速范围大(>2)及要求过载倍数大的场合;
4)异步电动机转子时间常数大,不适合用于要求快速弱磁调速场合。
在上述不适合异步电动机工作的场合,宜采用励磁同步电动机,主要是低速大功率、冲击负载及要求恒功率调速范围大等场合。永磁同步电动机和异步电动机一样结构简单、可靠、维护工作量小、不需要励磁装置、控制简单,但受永久磁体昂贵影响使得电动机造价高,影响其推广应用。永磁同步电动机比异步电动机体积和重量小、效率高、调速性能好,所以主要用于对体积、重量和性能有特殊要求的场合。永磁同步电动机调速的最大问题是恒功率弱磁调速困难,只有内置式永磁同步电动机才能弱磁,表面式永磁同步电动机不能弱磁。
除上述3类电动机外,还有一类开关磁阻电动机,它简单、结实,但噪声和转矩脉动较大,调速精度也不理想,应用较少,本讲座不介绍它的调速系统和专用变频器。
1.3 调速用变频器[3]
变频调速系统采用的变频器种类很多。按使用的电力电子器件及控制、换流方式分,有基于半控器件晶闸管(thyristor)移相控制、自然换流的变频器及基于全控器件IGBT,IGCT,IEGT等PWM控制、自关断换流的变频器2大类。按变流次数分有交-交直接变频器及交-直-交间接变频器2大类。依照中间直流回路中贮能元件不同,交-直-交变频器又分电压型(直流贮能元件为电容)及电流型(直流贮能元件为电感)2类。按输出电压等级分有低压变频器(<1kV)和中压变频器(1~10kV,少数超过10kV)。现在使用的变频器有:晶闸管交-交变频器(CC)——大功率(2MW以上),低速(600r/min以下);晶闸管交-直-交电流型变频器(LCI)——大功率(5MW以上),中高速(600r/min以上); IGBT交-直-交电压型低压变频器——690V以下,中、小功率(2MW以下);IGBT交-交变频器(又称矩阵变频器MC)——低压小功率,研发阶段;交-直-交电压型中压变频器——中压(2.3~10kV),大、中功率(1MW以上);交-直-交电流型中压变频器——中压(6.9kV),大、中功率(1MW以上)。早期人们还使用过基于晶闸管强制关断的交-直-交变频器、基于大功率双极型晶体管(功率BJT,早期称GTR)和可关断晶闸管(GTO)的交-直-交变频器,现均已经淘汰,本讲座不再涉及。
基于晶闸管的变频器(CC和LCI)的优点是:便宜、可靠;可以4象限运行,能把电动机的再生能量(电机制动时的动能或下放重物时的势能)回馈至电网。CC和LCI相比,CC性能优于LCI,但CC受输出频率<20Hz限制而LCI无此限制,所以它们的应用场合不同:CC适合用于低速(600r/min以下)、负载波动大、对调速性能要求高的场合;LCI适合用于高速(600r/min以上)、负载平稳、对调速性能要求一般的场合。它们的缺点是电网侧功率因数低、谐波大,需要庞大的电网补偿及谐波吸收装置,因此正逐渐被交-直-交PWM变频器取代。
基于自关断器件的交-直-交电压型PWM变频器网侧功率因数高、谐波小,应用最广泛。其中的低压变频器只有一种两电平结构,使用的开关器件主要是IGBT及少量功率MOSFET(电压低于200V的中小功率变频器)。广泛应用的中压变频器有三电平中点钳位(3L-NPC)及H桥级联(HBC)2种结构,使用的开关器件有低压IGBT、高压IGBT、IGCT和IEGT。两种中压变频器的适用场合如下:
1)HBC适合用于6kV和10kV电动机及不要求再生能量回馈的传动(它也能实现回馈,但需付出较大代价),特别是有“旁路运行”要求的场合(在变频器故障时切除变频器,电动机直接联到电网,恒速工作)。主要应用领域是风机、泵和压缩机等节能调速传动,它们量大、面广。
2)3L-NPC输出电压达不到6kV,适合用于无“旁路运行”要求的场合(不调速就不能生产,电动机不能恒速工作,这时电动机电压不必和电网一样) ,特别是要求再生能量回馈的场合。主要应用领域是工艺调速及车辆牵引和船舶推进等传动。
交-直-交电压型低压变频器和3L-NPC中压变频器的交-直整流电源有多种型式供选用。
1)不可控整流电源(DFE)。不可控整流电源主要指二极管整流电源。有时为了限制开机时贮能电容的充电电流,改用晶闸管可控整流电源,但在充电结束后维持触发延迟角α=0°,由于这时已不控制,所以它也属于不可控整流电源类。它最简单、经济、可靠,应用最广,但不能把再生能量回馈至电网。如果要求电动机再生工作(电气制动或下放重物),则需在直流母线加装制动单元和制动电阻,吸收再生能量。
2)整流/回馈电源。整流/回馈电源基于可逆整流,其特点是:既能整流,向直流母线供能,又能回馈,把再生能量送回交流电网,适合用于再生能量大,制动频繁场合。有2种整流/回馈电源:晶闸管整流/回馈电源和IGBT整流/回馈电源。
晶闸管整流/回馈电源基于晶闸管可逆整流,由2套晶闸管桥构成,一套整流,一套逆变。它简单、便宜、应用最多,问题是存在回馈桥逆变失败的可能,若在回馈桥工作期间突然交流电源故障,进线电压降低过多,将导致逆变颠覆,直流电源短路,烧熔断器。这种故障曾在现场多次发生。
为克服晶闸管整流/回馈电源的上述缺点,Siemens公司在它的SINAMICS-S120系列产品中推出一种改进方案——IGBT整流/回馈电源。它的主电路与下面介绍的PWM整流相同,由反并联了整流二极管的IGBT三相整流桥构成,但不釆用PWM调制,在一个电源周期中每个IGBT只导通和关断一次,在三相桥式整流的自然换流点(导通延迟角α=0°处)开始导通,持续120°后关断。它既可整流也可逆变(回馈),在交流电源故障或进线电压降低过多时,关断所有IGBT,二极管桥阻止逆变电流流通,从而避免逆变颠覆发生。这种整流/回馈电源比晶闸管整流/回馈电源贵(用IGBT取代晶闸管),但比IGBT的PWM整流电源便宜(控制简单,进线电抗小)。
3)电压型PWM整流电源(又称有源前端AFE)。电压型PWM整流电源(AFE)的主电路与前述IGBT整流/回馈电源相同,但釆用PWM调制,其特点是:①电网侧输入电流为正弦波,无功从感性到容性连续可调(包括功率因数=1);②双方向功率流,既可整流,又可回馈再生能量;③可在不稳定的电网中可靠工作:在电网电压大幅度波动时仍维持直流母线电压不变;在电网故障(电压降低超出允许范围或完全掉电) 时立即关断所有IGBT,AFE变成二极管整流桥,不存在逆变颠覆问题,不会出事故。
尽管AFE有许多优良的性能,但因价格比普通整流电源贵许多(约等于逆变器价格),不宜大量使用,主要用于对调速回馈性能及电网质量要求高的场合。
4)公共直流母线。如果在1个工作面或1条生产线上有多台电动机需要变频调速,宜采用公共直流母线供电方式,即由1套大的整流电源向多套逆变器供电,见图1。
采用公共直流母线的优点:①整流器容量小。
由于不可能所有变频调速电动机同时全速、满载工作,整流器的容量小于各逆变器容量之和(整流器容量是按电动机有功功率来选择,不是按电动机电流来选择,如果电动机电流大,转速和电压不高,需要的整流容量不大)。②解决再生回馈问题容易。若公共母线下的1台或几台电动机再生工作,而其他电动机电动工作,再生的能量可以通过直流母线流入正在电动工作的电动机,大大减小需要吸收或回馈的功率。另外由于只有1条直流母线,仅需1套能量吸收或回馈装置就能解决所有电机的再生制动问题。③安装尺寸小。因为电网侧元件,如熔断器、接触器、进线电抗等可以集中采用一次,比多套电网侧元件分散安装尺寸小。
1.4 变频器调速控制系统[3]
调速的任务是控制转速,转速通过转矩来改变,转矩不只和电流有关还与磁链有关,电动机的转速、转矩和磁链耦合在一起,要想实现高性能调速必须解开耦合,实现转矩和磁链的分别控制。直流电动机的整流子帮助它实现了解耦,调速性能好;交流电动机本身不解耦,调速性能不如直流电动机,需要用某种控制策略帮它解耦,才能在调速性能上与直流电动机竞争。变频调速的控制策略有2类:按电动机稳态模型控制的调速系统和高性能调速系统。前者简单但不解耦,调速性能(主要是动态性能)差;后者解耦,实现了转矩与磁链的分别控制,性能好。按电动机稳态模型控制的调速系统通过控制电动机定子电压(或电流)幅值和频率来控制转速,它们都是标量,又称标量控制系统。这类控制系统有2种:压频比(V/f)控制和转差频率控制。前者广泛用于一般调速场合,后者主要用于电流型变频,现在很少使用,本讲座不涉及它。高性能调速通过控制定子电压电流矢量(幅值和相角)来分别控制转矩和磁链,从而控制转速。它主要有2种:矢量控制和直接转矩控制。近年来为解决高压开关器件开关频率低带来的特殊问题,从矢量控制基础上又演变出一种新控制策略——定子磁链轨迹控制,它不同于常规矢量控制和直接转矩控制,而性能优于它们。
1.4.1 压频比(V/f)控制
压频比(V/f)控制是按电动机稳态关系进行控制的开环系统,它的控制量是交流电动机的定子电压幅值us和频率fs,它们都是标量。电动机的电势幅值es≈us,磁链幅值为Ψ,采用相对值计算时,在稳态
Ψ≈us/fs (1)
由式(1)知,通过电压和频率比可以控制磁链幅值。在V/f控制系统中电压和频率按图2中虚线所示关系控制(图2中实线是es与fs的关系,低频段虚线与实线之差用来补偿定子电阻压降)。
在基速以下(fs
注意:
1)受高速时电动机功率因数降低影响,异步电动机的最大转矩Td.max随n升高按平方关系减小
Td.max≈Td.max.N(nN/n)2 (2)
在选择电动机容量时需校验恒功率调速段最大转矩是否够用(留30%裕量),这是异步电动机不宜用于恒功率调速倍数大于2场合的原因。
2)同步电动机V/f控制调速系统的最大转矩受失步限制,这是同步电动机V/f控制系统不宜用于冲击负载和经常加减速场合的原因。
V/f控制存在下述缺点:
1)启动电流不好控制。启动电流由V/f特性初始电压和定子电阻决定,初始电压是开环设定的,设大了启动电流太大,设小了电动机启动不起来。定子电阻相对值很小,微小的电压变化会引起大的电流变化,启动电流控制困难。随电动机容量加大,定子电阻相对值减小,这问题更严重。
2)启动初期电流有直流分量,阻碍启动。由于定子电阻小,PWM电压波形中微小的直流分量会引起较大定子电流直流分量,产生阻力矩,阻碍转子转动。电动机容量越大,定子电阻越小,这问题越严重。
3)磁场建立慢,启动转矩小。启动之初,定子电压和频率同时施加,由于转子绕组的阻尼作用,要经过3倍转子时间常数后磁链才能达到稳态值,磁场弱则启动转矩小。电动机容量越大,转子时间常数越大(达s级),这问题越严重。
4)空载运行时,在个别频率段会出现振荡现象。
V/f控制系统虽然有上述缺点,但因其简单,性能也能满足一般调速要求,因此应用最广泛,特别是异步电动机系统。随电动机容量加大,V/f控制系统的缺点更加明显,这时在变频器总成本中控制系统所占比例已很小,所以越来越多的大容量变频器改用无转速传感器的高性能控制系统,即使被拖动机械对调速性能要求不高。
1.4.2 高性能基础调速系统
为满足种类繁多的生产机械和千变万化的工艺要求,设计了众多的基于高性能调速的工艺控制系统,它们有一个共同的核心——基础调速系统,所有具体系统都是在它的基础上衍生出来的。
基础调速系统是一个由转矩内环和转速外环构成的双环系统,框图见图3。
图3中,ASR为转速调节器;ATL为转矩控制环;INV为逆变器;PG为编码器;F/D为频率/数字变换。
虽然调速的任务是控制转速,但调速的关键是转矩控制,只有在能快速、准确控制转矩的条件下才能获得好的调速性能。转矩内环ATL的任务就是控制转矩,在接收到转矩给定信号T*后,通过ATL的控制使电动机实际转矩T快速、无振荡地达到给定值,响应时间只有几ms到几十ms。有无转矩控制环是高性能调速系统与普通标量控制系统区别的标志。
由于电动机转矩不仅与电动机电流有关,还与磁链有关,只有在能分别控制磁链和转矩条件下才能有好的转矩控制效果,因此在图3的ATL中还包含有磁链控制环节。一个调速系统的全部调速范围分2段:基速以下是恒转矩调速,磁链恒定;基速以上是恒功率调速,磁链与转速成反比,转速越高磁链越小,又称弱磁调速。2种调速用电动机电压幅值来控制:在它低于额定电压时,维持磁链恒定;在它达到额定电压后,维持电压恒定,随转速升高自动弱磁。这自动弱磁控制环节也含ATL在内,不另外画出。对于不弱磁的调速系统,由于磁链恒定,可用电流环代表转矩环。
ATL的实现可以采用矢量控制(含定子磁链轨迹控制)系统或直接转矩控制系统,在许多书籍和文献中都有详细介绍,这里不再重复。对于工艺控制而言,需要解决的是转速外环问题,转矩内环只要好用就行,并不介意它具体是什么系统,所以在本讲座介绍各种工艺控制框图时用一个方框表示转矩环,不指明它的具体内容。
转速外环的核心是转速调节器ASR,它是一个比例-积分(PI)调节器,输入是转速给定n*和实际值n之偏差,输出是转矩给定T*。若转速偏差n*-n≠0,在调节器比例和积分的作用下,输出转矩给定T* 就要变化,经ATL控制,电动机实际转矩T随之变化,从而改变转速,减小转速偏差,直至n*-n=0,实现转速稳态无差。ASR输出有最大和最小值限制,它也就是电动机最大转矩Tmax和最小转矩Tmin限制。基础调速系统的机械特性绘于图4。
依照转速实际值信号的来源不同,有2类转速控制系统:有转速传感器系统——转速反馈信号n来自转速传感器(编码器+脉冲/数字变换);无转速传感器系统——转速反馈信号n来自ATL中的转速观测器。有转速传感器系统的静态转速精度取决于转速检测精度,在采用编码器+脉冲/数字变换检测时,检测精度取决于标准时钟脉冲精度及一个采样周期中标准时钟脉冲个数,精度可以做到很高。当转速降到低速(n<5%)时,转矩环ATL中的电动机模型从电压模型过渡到电流模型,受电动机参数变化影响变大(对于异步电动机系统主要是转子电阻变化),定向精度降低,整个调速系统的静态转速精度也受影响,要适当降低,这个问题对于矢量控制和直接转矩控制都一样。无转速传感器系统主要用于异步电动机系统,它的转速观测器工作原理基于电压模型和电流模型的比较,受电流模型中转子电阻等参数变化影响,观测精度不可能做到很高,因此整个调速系统的静态转速精度要比有转速传感器系统低很多。当转速降到低速(n<5%)时,由于电压模型不能正常工作,转速观测器无法正确观测转速,所以许多变频器的无转速传感器系统在低速时都被改造成转速开环的电流-频率系统,稳态转速精度降低到电动机本身的转差率。由于这时的无转速传感器系统已不是高性能控制系统,而是标量控制系统,所以低速的转矩出力也受影响。西门子公司Masterdrives系列变频器的静态转速精度如下:有转速传感器系统,n>10%时转速精度0.0005%,n<5%时转速精度0.001%;无转速传感器系统,n>10%时转速精度0.1fslip,n<5%时转速精度fslip (fslip是转差频率相对值,电动机功率越大,fslip越小,对于功率≥30kW的电动机,fslip<2%)。这不是最高水平的指标,但从中我们可以看出2种系统在2种转速下调速精度的差别。无转速传感器同步电动机系统,电动机工作无转差,观测器被用来观测磁场瞬时位置,同样由于低速时电压模型不能正常工作,调速系统也被转成电流-频率标量系统,转矩出力受影响。了解上述差别,可以帮助我们选用系统:有转速传感器系统适合用于要求调速精度高,启动转矩大,有稳定低速运行工况的场合;无转速传感器系统适合用于要求调速精度中等,启动转矩一般,无稳定低速运行工况的场合。
参考文献
[1]天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册[M].第2版.北京:机械工业出版社,2005.
[2]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.
变频调速系统 篇5
摘要：详细介绍了目前变频调速领域研究的热点问题，分析了最新技术发展对变频调速系统产业化所带来的影响，并对变频调速系统的发展前景进行了预测。
关键词：变频调速系统 PWM 数字控制
1 前言
当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发与利用有关。
能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高12%-55%左右，90%以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果进行单位GNP能耗(吨标准煤/千美元)的国家比较(90年代中期)，中国分别是瑞士、意大利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中国火电厂煤耗为412克标准煤/kWh，是国际先进水平的1.27倍。
由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为0.55-220kW以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。
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。
2 全数字化控制系统
随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。
单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。例如由Intel公司1983年开发生产的MCS - 96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。其高档型：8×196KB、8×196KC、8×196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。
由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此，DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。如TI公司的MCS320F240等DSP芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。最近TI公司推出的MCS320F240X系列产品更将价格降低到了单片机的水平。
在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。
3 PWM技术
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。目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不下十几种，关于PWM控制技术的文章在很多著名的电力电力国际会议上，如PESC，IECON，EPE年会上已形成专题。尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦;从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。
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。
4 高压大容量交流调速系统
在小功率交流调速方面，由于国外产品的规模效应，使得国内厂家在价格上、工艺上和技术上均无法与之抗衡。而在高压大功率方面，国外公司又为我们留下了赶超的空间。首先，国外的.电网电压等级一般为3000V，而我国的电网电压等级为6000V和10000V;其次，高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产，而国外的劳动力成本，特别是具有一定专业知识的劳动力成本较高。
目前，研究较多的大功率逆变电路有：
(1)多电平电压型逆变器
(2)变压器耦合的多脉冲逆变器
(3)交交变频器
(4)双馈交流变频调速系统。
(1)多电平电压型逆变器
日本长冈科技大学的A.Nabae等人于1980年在IAS年会上首次提出三电平逆变器，又称中点箝位式(Neutral Point Clamped)逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。
多电平电压型逆变器与普通双电平逆变器相比具有以下优点：
1. 更适合大容量、高电压的场合。
2.可产生M层梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小。
3.电磁干扰(EMI)问题大大减轻，因为开关元件一次动作的dv/dt通常只有传统双电平的1/(M-1)。
4. 效率高，消除同样谐波，双电平采用PWM控制法开关频率高、损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作、开关频率低、损耗小，效率提高。
(2)变压器耦合的多脉冲逆变器
变压器耦合的多脉冲逆变器的三电平电路中，要获得更多电平只须将每相所串联的单元逆变桥数目同等增加即可。其优点为：
1. 不存在电压均衡问题。无需箝位二极管或电容，适于调速控制;
2. 模块化程度好，维修方便;
3. 对相同电平数而言，所需器件数目最少;
4. 无箝位二极管或电容的限制，可实现更多电平，上更高电压，实现更低谐波;
5. 控制方法相对简单，可分别对每一级进行PWM控制，然后进行波形重组。
当然，这种结构的不足之处在于需要很多隔离的直流电源，应用受到一定限制。
(3)交交变频器
交交变频器采用晶闸管作为主功率器件，在轧机和矿井卷扬机传动方面有很大的需求。晶闸管的最大优点就是开关功率大(可达5000V/5000A)，适合于大容量交流电机调速系统。同时，大功率晶闸管的生产和技术功能技术相当成熟，通过与现代交流电机控制理论的数字化结合，将具有较强的竞争力。但是交交变频器也存在一些固有缺点：调速范围小，当电源为50Hz时，最大输出频率不超过20Hz;另一方面，功率因数低、谐波污染大，因此需要同时进行无功补偿和谐波治理。
(4)双馈交流变频调速系统
双馈交流变频调速系统的变频器功率小、功率因数可调、系统可靠性较高，因此近来受到了许多研究人员的重视。由于变频器的功率只占电机容量的25%，因此可以大大降低系统的成本。但是，双馈交流变频调速系统中的电机需要专门设计，不能使用普通的异步电机;而且受变频器容量和调速范围的限制，不具备软起动的能力。
5 高性能交流调速系统
V/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。
考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。
和矢量控制不同，直接转矩控制屏弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。
尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高，但是还有许多领域有待研究：
(1)磁通的准确估计或观测
(2)无速度传感器的控制方法
(3)电机参数的在线辨识
(4)极低转速包括零速下的电机控制
(5)电压重构与死区补偿策略
(6)多电平逆变器的高性能控制策略
6 展望
变频调速系统 篇6
关键词：变频调速技术；起重机；调速系统；电气化设备；行走机构；变频器
中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）05-0037-03
1 概述
随着计算机技术的迅猛发展，变频调速技术也取得了很大的提升，目前变频调速技术已广泛应用于工业生产中，与直流调速系统相比，其调速指标高、结构简单、维护便利、效率高、工作可靠性高、性能好，为以交流异步电动机为驱动的起重机提供了有利条件，利于进行大范围的调速，深受广大用户的喜爱。在交流调速技术中，变频调速技术是一种效率很高的技术，其具有外围控制线路简单、运行可靠性高、保护监测功能完备、维护工作量小等特点，在很多方面都优于传统的交流调速系统。
2 变频调速系统的研究现状
我国变频调速技术发展较慢，真正将变频调速技术应用在起重机上的时间也不是很长，起步于20世纪90年代初，多用于行走机构，变频调速技术很不成熟。随着科学技术的迅猛发展，变频调速技术也日益提升，连续开发出高性能的变频器来满足不同客户需求，注重硬件和软件质量，增加了变频调速技术在起重机调速系统中的应用范围。
目前变频器在起重机中应用的主要是直接转矩控制和矢量控制两种方式，前者可以完全摒弃解耦控制思想，利用检测到的定子电压和电流，取消了旋转变换和矢量计算，借助计算电机的磁链和转矩，实现对磁链和转矩的双位式控制，是一种动态性能的交流调速方法；后者简化了异步电机模型，并综合考虑了瞬态状况，确保了电机的良好动态性能，与此同时，也准确地控制了电机的稳态性能。
3 变频调速技术的主要特点
3.1 调速范围大，性能好
起动机中的变频器内部有专门的模块化设计，因此其环境适应性较强、集成度高，伺服响应优良。起重机的调速系统实现了闭环控制，增强了调速的可靠性和防失速能力，提高了限速能力。起重机的实际操作人员可以依据实际的作业要求，加强力矩控制能力，选择操作电位器，增强对急速负载波动的适应性，随时修改各个挡位的速度值，实现无级调速。
3.2 明显改善结构受力状态
变频器是采用软启动技术和软停止技术的装置，把其应用于起重机调速系统时，致使起动机的启动和制动都比较稳定，减少了对钢结构和传动结构的冲击。有关数据表明，将变频调速技术应用于起重机调速系统中，明显改善了起重机的结构受力状态。
3.3 结构简单，易维护
起重机的变频调速控制系统设计合理，具有过流保护和接地保护的功能，并采用独立的控制柜，外观结构简单，具有自诊断功能，确保控制保护动作的可靠性和准确性，便于检修。起重机的起升系统经过升级后，增加了起重机的维修空间，减轻了起重机自身的重量，改善了钢结构的受力状况，还便于日常的维修保养。变频调速控制系统还实现了过压保护、短路保护、欠压保护等功能，实现了超载报警功能，利用PLC通信实时显示故障，及时给出处理方法，便于查找故障和维修。
3.4 安全性高，节能效果显著
起重机是由闭环矢量控制工作，其具备了零速转矩的功能。当起重机起升机构制动器产生机械故障而出现失灵情况时，变频器会自动增大输出转矩，以足够大的输出转矩来使负载停止下滑，进而提高系统的安全性。变频器在自动节能操作模式下工作，不仅能较大地提高系统功率因数和系统的安全性，同时还能大大提高系统的工作效率，使节电率达到20%左右。
3.5 工作效率高，机械磨损小
起重机的起升系统可以根据负荷大小自动切换，从而实现主钩、副钩以及空钩等不同挡的工作速度之间的切换。这样不仅减少了速度切换交替所用的辅助时间，而且大大降低了司机的劳动强度，最终达到大大提高起重机的作业效率的目的。此外，变频器可以采用软启动和软制动来启制动，可以较大地减小对钢结构的冲击，还可以减轻制动轮与刹车片之间的磨损，减小机械磨损。
4 变频调速技术在起重机调速系统中的应用
目前，针对起重机的特点，为满足升降作业的常规要求，已设计出了应用于起重机起升过程中的矢量控制变频器，其可以提升起重机调速系统的安全性，进行开机前的力矩校验和制动器的状态监测，防止出现载荷倒拉。除此之外，该系统还可以实现电动机输出力矩记忆功能，自动记录变频器的转矩，自动检测电机参数，进行电机自检测。同时，为调速系统提供脉冲编码器接口，避免遛钩现象，进而提升变频器的动态响应能力，实现转速闭环控制，提高变频驱动的整体性能。
起重机调速系统由电控设备、机械设备、异步电动机组成，以变频器为核心，电动机的类型决定转矩，生产机械的特性决定负载转矩，这两者相互独立。由异步电动机的电压频率进行变频器的起动，通常采用限流加速、限时加速、S形加速三种方式。对于有电流限制功能的变频器，宜采用限流加速方式；阶跃式转速变频器宜选用限时加速启动方式；若想使加速过程缓和些，可以选择S形加速启动。对于塔式建筑类起动机，其升高度很高，宜采用恒定转矩控制方式，电动机的功率一定要和最高转速的负载功率相匹配，加大低速转矩，增强转矩过载能力。若低速运行时间较长，必须增加电动机的散热能力，采用强迫通风式电动机，提升变频器容量，避免电动机温度过高。
起重机的制动也应该采用变频调速技术，性价比高，从而大大降低系统成本，充分利用了再生能量。通过变频调速技术，可以改变载荷的离地速度，降低起地动应力系数和机械制动冲击力，达到无级调速，增加电动机的制动形式，减轻起重机自身重量，节省控制柜空间，充分利用PLC优势，减少投资成本，功率高，启动电流低，降低了配置要求，提高了定位精度，延长了起重机的使用年限，与此同时，也改善了劳动强度，对结构件、电机启动力矩、回转、行走机构都有一定程度的影响，降低启动转矩，进而降低对传动部件的要求，消除速度转化过程中的力矩冲击，利用力矩可变，降低机械制动运行速度，减少制动冲击，增加使用
年限。
5 结语
综上所述，变频调速技术可以进行稳定的低速运行，启动和制动过程平稳，其调速范围大、定位准确，具有良好的运行性能，精度高。在负载波动很大时，也可以平稳运行。因此，人们在变频调速技术上已做了大量研究，不断尝试了不同形式的调速方法，变频调速技术也经过了漫长的演变过程，目前变频调速技术已非常成熟，成功研制了大功率的半导体器件，将基于PLC的变频调速技术应用于起重机调速系统中，在一定程度上，提高了起重机的功能，延长了其使用寿命，有利于工业安全生产。相关技术人员一定要加强变频调速技术在起重机调速系统中的应用，提高自动化水平，不断提高电子元件的制作工艺，不断优化参数，提高平滑调速性能。相信在我们的不懈努力下，变频调速技术一定会向着智能化方向发展，起重机调速系统将更加完善。
参考文献
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作者简介：徐永辉（1985-），男，供职于深圳市华升安全检验有限公司，研究方向：特种设备安全检验检测。
变频调速典型控制系统(三) 篇7
工艺调速(含车辆牵引和船舶推进调速)指因工艺要求而调速,不调速便不能工作的系统,不能像节能调速那样“旁路变频器”。它们的控制目标主要有3类:转速控制、张力控制和位置控制。本讲和第4讲介绍转速控制,在第5讲和第6讲中分别介绍张力控制和位置控制。工艺调速传动又分单电机传动和多电机传动2大类。单电机传动指一个生产机械或一个工艺区段只有1台拖动电动机,或虽然有多台电动机但它们的运动各自独立,彼此间没有相互约束。多电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),有的彼此间无机械联系但工艺要求同步。本讲介绍单电机传动和多电机传动中单个电动机的转速控制,多电机传动中各电动机之间的协调控制在第4讲中介绍。
绝大多数工艺调速系统都基于第1讲第1.4节介绍的高性能基础调速系统,它们的内环(转矩环ATL)全一样,在随后的介绍中不再讨论,认为它能使电动机实际转矩T快速、精确地跟踪其给定值T*。针对不同工艺要求设计的不同调速系统的区别仅在于转速环,后续讨论只聚焦于转速环及转矩给定。
3.1一般调速系统
这是一类量大面广的调速系统,生产机械针对不同的产品品种或规格,要求有相应的不同运行速度,运行过程中往往要求保持恒速,对转速精度和调速范围要求不高,对加减速等动态性能也没有特殊要求。这类系统可以采用无转速传感器的基础调速系统或V/f控制的标量控制系统。
3.2稳速系统
稳速系统的生产机械负载平稳,但要求在各种扰动(负载、电网、温度等扰动)条件下保持较高的稳速精度长期运行。这类系统的典型应用是:风洞、橡胶压延机、造纸机等传动。对于风洞,风速不稳测量数据就不准确;对于造纸机,速度不稳则纸张定量偏差大,易断头。它们着眼于长时间稳定性,不要求很高的调速范围及动态性能指标。
在调速系统采用模拟控制的时代,这类系统很难做,因为需要高精度和高稳定度的给定电源及测速装置。进入数字控制时代,采用数字给定、数字反馈及基础调速系统后,实现稳速要求已不困难。数字给定和数字反馈量不受温度影响,无转速静差的基础调速系统使得稳态反馈量等于给定量,从而消除了温度变化对稳态转速的影响,缓慢的温度变化也不会引起动态转速波动。电网波动的影响已在转矩环ATL中被抑制。稳速系统负载平稳,它的缓慢变化不影响无转速静差调速系统的转速。
稳速系统宜用有转速传感器系统,无转速传感器系统中的转速观测结果受转子电阻变化影响,精度不高。
3.3宽调速系统
宽调速系统要求100以上的宽调速范围,在最低速时仍能保持一定静差率平稳运行(静差率又称转速变化率,是指在某一设定转速下负载由空载到额定负载变化时,空载转速n0与额定负载下的转速n之差的相对值(%),其基值是n;调速范围又称调速比,是指在符合规定的静差率条件下,电动机从最高转速nmax到最低转速nmin的转速变化倍数)。这类系统的典型应用是机床进给机构传动,在退刀及空走时要快,在接近期望尺寸时要慢。宽调速类和稳速类都要求静差率小,但宽调速系统强调低速性能。
宽调速系统也采用基础调速系统,有几个问题需注意。
1)宽调速系统宜采用有转速传感器系统,因为无转速传感器系统在低速时调速精度差。
2)有转速传感器的基础调速系统在低速时电动机模型从电压模型过渡到电流模型,受转子电阻参数变化影响,调速精度降低(矢量控制和直接转矩控制都一样),宽调速系统最好使用有转子电阻温度补偿环节的变频器。
3)基于编码器+脉冲/数字变换的数字转速检测存在最低转速限制条件——在1个采样周期中至少有1个编码器脉冲。宽调速系统必须按最低转速公式来选择转速采样周期长度T和编码器的每转脉冲数pe
式中:x为倍频数,x=1,2,4;p为倍频后的每转脉冲数。
4)如果最低转速太低,单靠基础调速系统不能满足要求,可以在极低速段把转速控制系统改造成位置跟踪控制系统。转速给定经数字积分变成转角位置给定信号,位置跟踪控制系统使电动机的转角跟随给定信号运行,这样的调速系统实质上是锁相系统。
3.4频繁加减速、正反转系统
有些生产机械,需要频繁启制动、加减速、正反转运行,它的生产率取决于电气传动系统的快速性。这类系统的典型应用是可逆轧钢机、龙门刨床等传动。它们对调速系统的要求是:
1)由于频繁快速制动,制动产生的再生能量巨大,如果通过电阻能耗来吸收,太浪费能源,希望能把制动能量回馈电网,变频器4象限运行;
2)对转矩和转速给定的响应要快,要求转矩响应时间<10～20 ms,转速响应时间与电动机和被拖动机械的惯量有关,如果不带机械(电动机空载),希望转速对小阶跃给定信号的响应时间100 ms左右(在调节过程中转速调节器ASR不饱和)。
常用的4象限变频器有3种:晶闸管交-交变频器;整流/回馈电源+电压型直-交逆变器;PWM整流电源(有源前端AFE)+ 电压型直-交逆变器(简称“双PWM变频器”)。对于大功率传动(>2 MW),主要采用交-交变频器或三电平双PWM变频器。这2种变频器的性能差不多,都能满足生产要求,二者的差别是:交-交变频器技术较成熟,更可靠,变频器本身便宜,但需要辅以庞大的电网无功补偿和谐波吸收装置及它们需要的建筑场地;三电平双PWM变频器较贵,但不需要电网无功补偿和谐波吸收装置,变频器本身增加的成本可以从供电设备和土建节约的成本中得到补偿,所以它得到越来越多的应用。对于中功率和中小功率传动(<2 MW),AFE太贵,双PWM变频器较少采用,整流/回馈电源+电压型直-交逆变器用的较多。由于在电网异常降低时,晶闸管整流/回馈电源可能逆变颠覆,因此这种电源不适合用于电网可靠性不高的场合。在这种场合,逆变器的电源只好用不可控整流电源+制动单元和电阻,把制动能量消耗在电阻中,或用IGBT整流/回馈电源。如果在一个工作面或1条生产线上有多台电动机需要变频调速,宜采用公共直流母线供电方式,即由1套大的整流电源向多套逆变器供电,在某一台电动机制动时,它的制动能量可以经公共直流母线转移到其他处于电动状态的电动机中去,不必回馈电网,从而大大减少回馈功率和设备容量。有关上述几种变频器和电源的简介参见第1讲第1.3节。
由于这类系统要求快速加减速和正反转,有些文献在介绍它的启制动过程时按突加给定来考虑,施加突加给定后,转速调节器ASR饱和(进入限幅区),电动机按最大转矩(一般设定为2～2.5倍额定转矩)来加、减速,在转速达到给定值后,ASR退出饱和,经微小超调转速稳定在给定值。这种控制方法曾用于机组调速系统,那时转矩响应时间长达数百ms,给被拖动机械带来的冲击小。由于转矩上升和下降时间长,在整个启制动过程中转矩停留在最大值的时间很短,平均启制动转矩比最大转矩小很多,为快速启制动必须把最大转矩用到极限。采用电力电子控制后,转矩响应时间缩短到小于10～20 ms,如果还按最大转矩来启制动,被拖动机械承受不了,因为机械中的齿轮箱和联轴器中通常都存在间隙,这么猛烈的频繁冲击会打坏它们,冲击带来的振动也会影响机械安全,这种机械事故曾多次发生。转矩上升和下降时间缩短后,启制动平均转矩与最大转矩之差减小,适当减小最大启制动转矩同样可以满足生产要求。为给机械的静负载留有余量,调速系统的堵转转矩(ASR的限幅值)仍按2～2.5倍设置,启制动时的最大转矩不用到那么大,而是按期望的启制动时间来控制。这样设置后,启制动时ASR一般不饱和,除非静负载特别大。为减小对机械的冲击,除了降低启制动转矩外,还要求限制转矩变化率。上述控制要求通过在转速给定及转矩给定通道中增设斜坡给定环节(RFG)实现。
RFG的特点是限制给定信号的变化率:当RFG输入信号的斜率高于其设定值时,RFG的输出按设定的变化率追赶输入,等到输出赶上输入后,维持输出等于输入;当RFG输入信号的斜率低于其设定值时,RFG输出无滞后的跟随输入,维持输出等于输入。有2种RFG:普通RFG和带圆角RFG。普通RFG常用于转矩给定通道,限制转矩变化率,其框图示于图1a,它的输入x(转矩给定——ASR的输出)和输出y(变化率被限制后的转矩给定——转矩环ATL的输入)响应曲线示于图1b,图1中输出yA是输出y的一阶微分信号(yA=dy/dt)。
带圆角RFG常用于转速给定通道,限制转速变化率及转矩变化率。与普通RFG不同,它的输出y(转速给定n*——ASR输入)不仅是一个斜坡,而且要求在斜坡的起始和终结部分是圆角,即要求加速度yA(yA=dy/dt=dn*/dt)是梯形波,其变化率也受到限制。这类RFG有时又称S曲线给定。带圆角RFG的框图及响应曲线分别见图2和图3。
两种RFG的数字实现方法见文献[1,3,4]。普通RFG中转矩给定变化率的设置范围为0～20 ms/额定转矩变化。带圆角RFG中启制动时间按生产要求设置,由于静负载对启动和制动的影响不同,所以启动时间和制动时间往往设的不一样。
引入RFG后,启动过程实际转速n对转速给定n*的跟踪波形示意图绘于图4a,在启动过程大部分时间里n几乎无差的跟随给定n*上升,只是在启动之初和结束时段n滞后n*,带来跟踪误差。
某些生产线对前后机械的协调要求高,希望有更好的转速跟踪性能,引入转速预控环节可以实现这目标。转速预控框图示于图5,来自RFG的加速度给定信号yA(yA=dy/dt=dn*/dt)乘电动机和机械的机电时间常数Tm,得到转速预控信号——附加转矩给定T*,它等于加减速所需动态转矩之给定
ΔT*和转速调节器ASR输出的转矩给定信号T*相加,一起作为转矩环ATL的输入。在加减速时,从预控通道来的动态转矩给定,经ATL产生加减速所需的动态转矩,使电动机迅速开始加减速,从而减小转速跟踪误差。无预控通道时,要等到转速偏差出现,ASR输出变化,才能产生动态转矩给定,动态转矩产生的滞后导致转速跟踪误差大。引入转速预控环节后的启动波形绘于图4b,与图4a相比转速跟踪性能有很大改善。良好的跟踪性能使得启制动时间和行程得到很好控制,且受静负载影响小,为生产线中前后生产机械的协调和配合带来许多方便,有助于实现生产自动化。转速预控不只用于频繁加减速、正反转系统,也用于对转速跟踪有要求的其他类型典型转速控制系统。转速预控框图见图5。
3.5提升系统
提升系统也是一种可逆系统,通过电动机正转和反转来提升和下放重物。这类系统的典型应用是矿井卷扬,钻机的钻杆提升,各种起重设备,电梯等。
提升系统和前节介绍的快速正反转系统都要求正反转,但二者的负载性质不同。快速正反转系统的负载是阻力性负载,负载转矩的方向总是和运动方向相反,阻碍运动。提升系统的负载是位势性负载,在提升重物(重物的重量大于平衡重的重量)时,负载转矩方向与运动方向相反,电动机电动工作,在下放重物时,负载转矩方向与运动方向相同,电动机再生工作。若提升和下放轻物(轻物的重量小于平衡重的重量),情况则相反,提升时电动机再生工作,下放时电动机电动工作。许多提升设备的提升距离很长,几十米、几百米、甚至几千米,再生能量非常大,最好能把它回馈电网,变频器4象限工作。和快速正反转系统一样,大功率提升机(>2 MW)采用交-交变频器或三电平双PWM变频器。对于中功率和中小功率传动(<2 MW),晶闸管或IGBT整流/回馈电源+电压型直-交逆变器用的较多,在某些对电网谐波要求严格的场合,例如高楼的电梯,为避免变频器干扰楼中其他电子和通信设备工作,有时用两电平双PWM变频器,尽管AFE价高。某些提升设备,例如钻机,它的供电电网容量小,可靠性差,还有些移动设备,它的供电通过滑道输入,偶尔会因滑道和电刷接触不良而断电,它们都不适合采用整流/回馈电源或AFE,因为在电源断电时它们会产生逆变颠覆或回馈通道断路故障,逆变器停止工作,不能把再生能量从直流回路回馈到电网,导致重物拖着电动机自由下滑,仅靠紧急抱闸来防止事故,非常危险。对于这些电网可靠性不高的设备,最好用不可控整流电源+制动单元和电阻,把制动能量消耗在电阻中。注意,如果再生工作时间长,要按长期工作制选取制动单元和电阻容量,这时逆变器的控制电源需靠不停电电源维持工作。也可以再生能量吸收装置和回馈电源都装设,电网正常时用回馈电源,电网异常时用制动单元和电阻,既安全又节能,只是初期投资略大。
提升系统和快速正反转系统对控制的要求相近,但侧重点不同,快速正反转系统强调加减速的快速性,提升系统强调加减速的平稳性。它们都要求用带圆角RFG产生S形转速给定信号,但提升系统需设定较长的加减速时间和圆角时间。由提升负载性质决定,提升系统没有基速以上的恒功率弱磁调速要求。
为把物体运送到正确位置,提升系统有准确停车要求,在物体快到位时先从提升速度降至爬行速度,等爬行到接近停车位置时再从爬行速度降至零速,然后用抱闸抱住,为此需要用位置检测及计算行程的方法来确定开始减速时刻及开始停车时刻。
在提升初始松开抱闸时,通常电动机的转矩不等于负载转矩,在转矩差的作用下将出现“溜车”问题。为避免“溜车”,要求在松开抱闸前,给基础调速系统转矩环ATL的输入施加1个附加转矩给定信号,使电动机发出的转矩与负载转矩相等。为此要求在提升机械上装设称重设备,计算附加转矩给定量。为准确控制该附加转矩,调速系统最好釆用有转速传感器系统,因为在低速和堵转时无转速传感器系统转矩控制误差大。
3.6抗负载扰动系统[2,3]
调速系统受到的扰动主要有负载波动、电网波动和温度变化。采用数字控制后转速给定和反馈量都是数字量,不受温度影响,无转速静差的基础调速系统使得稳态反馈量等于给定量,从而消除了温度变化对稳态转速的影响,缓慢的温度变化也不会引起动态转速波动。电网波动的影响已在转矩环ATL中被抑制。剩余的扰动是对调速系统影响最大的负载扰动,本节讨论如何抗负载扰动。
抗负载扰动系统和前面介绍的快速正反转系统都要求调速系统具有良好的动态性能,但侧重点不同,快速正反转系统要求对给定响应快,抗负载扰动系统要求抗负载扰动性能好。抗负载扰动系统的典型应用是连续轧钢机主传动。工作时钢材在几个机架中同时被轧制,各机架主传动的转速按秒流量原则设定,使得在正常轧制时各机架间的钢材既不受拉,也不堆积。问题出在咬钢期间,例如某一时刻第N机架咬入钢材,受突加负载影响,该机架转速要先下降一下,再逐渐恢复,这时前一架的转速已恢复,仍按照原来设定的速度供料,导致在第N机架和N-1机架之间钢材堆积,堆积量的大小比例于调速系统动态指标中的动态偏差当量Am ,即受突加负载扰动后在恢复时间tre内转速与给定值差的积分-偏差面积。受突加负载扰动后的转速波动示意图绘于图6,图6中σm(%)是动态波动量相对值(基值是n*max),tre是恢复时间。动态偏差当量为
减小动态偏差当量Am最有效的措施是引入负荷观测器,其框图示于图7。图7中的调速系统是基础调速系统,由斜坡转速给定RFG、转速调节器ASR和转矩环ATL组成。负荷观测器的任务是根据调速系统转速实际值n和转矩实际值T(对于直接转矩控制系统,T是转矩滞环控制器的反馈信号;对于矢量控制系统,T是定子电流转矩分量isφ2与磁链值Ψ的乘积),计算和输出电动机静负载转矩的观测值TL.ob.I,它是ATL的附加转矩给定,与ASR输出的转矩给定T*相加,共同产生转矩。没有负荷观测器时,克服静负载转矩所需之电动机转矩要在转速降低,转速偏差n*-n出现后,经ASR的PI作用,使T*增大才能得到,这个过程较慢。有负荷观测器后,在转速降低和转矩增加双重因素作用下,观测器很快输出静负载转矩的观测值,送给ATL,使转矩迅速增大,σm,tre和Am减小。这时ASR的输出不再承担提供静负载转矩给定的任务,只承担动态转矩给定和补偿负荷观测误差任务,变化范围大大减小,稳态时T*≈0。
负荷观测器由负荷观测调节器LOR(比例P和积分I分离的PI调节器)和模拟电动机的积分器LI组成,LI的积分时间常数等于电动机和机械的机电时间常数Tm 。在负荷观测器里,转速观测值
在实际的电动机里,转速
负荷观测调节器LOR是PI调节器,在观测器内小闭环调节结束后,LOR的输入nob-n=0,则
TL.ob=TL (6)
由上式知,在观测器内小闭环的调节过程结束后,LOR的输出TL.ob等于电动机静负载转矩TL,条件是调速系统转矩T计算准确和LI积分时间常数确实等于电动机和机械的机电时间常数(Tm测量准确)。
通常LOR的比例系数VR.ob很大,积分时间常数Tob较小,输出信号TL.ob中容易含有较大噪声,若把它作为附加转矩给定送到ATL,会给调速系统带来干扰。用LOR中的I输出(积分器输出) TL.ob.I代替PI总输出TL.ob作为附加转矩给定信号(见图7),能解决噪声问题。在观测器内小闭环调节结束nob -n =0时, PI调节器的总输出等于其I输出,所以TL.ob.I和TL.ob一样 ,也等于电动机静负载转矩。TL.ob.I是积分器的输出,波形平滑,噪声小。
观测器内小闭环的动态结构框图示于图8。数字控制的采样开关通常用零阶保持器来描述,在用频率法分析系统时可以用一个时间常数为σsam=Tsam/2(Tsam为调速系统转速环采样周期)的小惯性环节来近似。小闭环内除调节器(LOR)外,还有1个积分环节(LI)和1个小惯性环节(采样),根据调节器的工程设计方法(见文献[3,5]),调节器宜采用PI调节器,可以按典型Ⅱ型系统来设计调节器参数。取h=5,则
(7)
注意,在计算调节器参数时,小时间常数σsam中,除Tsam/2外,还应包括环内所有滤波环节的时间常数。
调试时有时遇到按此式算出的VR.ob较大,噪声大,影响系统工作情况,这时需适当减小VR.ob,加大Tob 。
3.7多质量系统(弹性负载系统)[2,3,6]
前面所有对调速系统的分析,都把电动机转子和生产机械看成一个整体,它们的转速及转角相同,转动惯量是2个分转动惯量之和,这样的系统称之为单质量系统或刚性负载系统,这条件在大多数情况下成立。若电动机和生产机械间的机械连接轴细长,它的弹性影响不能忽略,为了把负载转矩从电动机传递到生产机械,机械轴需要扭转一定角度,这时转子和机械的瞬时转速和转角将不相同,不能再把它们看成一个整体,这样的系统称之为多质量系统或弹性负载系统。弹性负载会带来轴扭振,影响运行平稳性,甚至损坏机械。多质量系统的典型实例是大型轧机主传动,电动机转子和轧辊(含轧件)经弹性轴连在一起,构成一个2质量传动系统,若转子和轧辊间还有齿轮机座,则为3质量传动系统。我国曾发生过多起扭坏主轴的重大事故,因此分析轴扭振产生机理和了解抑制方法对大功率调速传动系统的设计和调试非常重要。
轧机主传动电动机转子M和轧辊(含轧件)R经弹性轴S连在一起,构成一个2质量传动系统,示意图见图9。图9中T1和ω1是电机M的转矩和角速度,T2和ω2是负载R的转矩和角速度,J1和J2分别是电机转子和轧辊(含轧件)的转动惯量,θ和K是轴扭转角和弹性系数,各变量都是测置值。
(8)
式中:TL是R的负载转矩,认为它是常数;dTL/dt=0。
用微分算子s□代替d□/dt(□为变量名),由式(8)得:
T1-TL=(J1+J2)sω1-J2sΔω (9)
Δω=(1/K)sT2
=(J2/K)s2ω1-(J2/K)s2Δω (10)
则
代入式(9)
经整理得从电动机转矩到角速度的传递函数GL(s)为
式中:CJ为J1在(J1+J2)中占的比例,CJ=J1/(J1+J2)。
若机械轴S是短粗的刚性轴,弹性系数K=∞,
这时GL(s)是单质量系统从电动机转矩到角速度的传递函数——积分环节,积分时间常数为(J1+J2),其对数幅频特性M(ω)是斜率为-20 dB/dec的直线并在ωcL=1/(J1+J2)处穿越0 dB线,相频特性Φ(ω)为-90°的直线。
若机械轴S是细长的弹性轴,它的GL(s)(式(11))基本上也是同样的积分环节,但M(ω)和Φ(ω)在两处有突变:在
上述分析基于轴系质量都集中在M和R两处的理想情况,实际上轴系质量不完全集中,而是沿轴线分布,另外中间还有接手等质量,所以实际的M(ω)和Φ(ω)与理想结果略有区别,在ωd和ωu的M(ω)值不是-∞dB和+∞dB,而是有限值,此外在比ωu更高频率处还有几个幅值较小的振荡频率,由于它们频率高、幅值小,一般不会给系统带来有害影响。某实际轴系实际的M(ω)和Φ(ω)示于图10。
多质量调速系统的动态结构框图示于图11a,其中ASR和ATL是基础调速系统中的转速调节器和转矩环,GL(s)是从电动机转矩到角速度(在采用相对值计算时,角速度ω1=转速n)的传递函数,BSF是陷波滤波器(band-stop filter)。经ASR的PI调节器校正后,无BSF时的转速环开环对数幅频特性示于图11b。从图11b中看到,在轴系固有振荡频率ωu处开环对数幅频特性值突然升高,若该值大于0 dB,转速环就可能出现振荡,产生轴扭振。轴弹性系数K越小,ωu越低;系统动态响应越快,转速环开环对数幅频特性的穿越频率ωc越高。这两个因素都使ωu和ωc越接近,在ωu处的幅频值越高,越容易产生轴扭振。
注意:图11a框图中,各变量(n*,n,nf ,T*,T,TL)都是相对值,而式(11)中的GL(s)是按测量值算出其传递函数,把它放入本结构框图时,本应加入变换系数,由于本图仅用来说明产生扭振原因,并不真的根据它计算,所以图11a中没标出变换系数。
在转速反馈通道中引入陷波滤波器BSF是抑制扭振的有效措施。BSF是选频滤波环节,它阻止某个预先选定频率(陷波频率)的信号通过,而对其他频率信号的通过无影响。陷波滤波器BSF框图示于图12,图12中:Ta和Tb为积分器时间常数;Vp为比例系数;w和z为可调系数(调节范围0～1);a,b,c,d,e,f,g为所处位置的信号。
由图12可得:
由式(14)得:
BSF的输出
将式(15)代入式(16),经整理得BSF的传递函数
用jω置换传递函数中的s,得BSF的频率特性
由该频率特性可知:
1)若z=1,则F(ω)=1,nf =n ,BSF不起滤波作用,相当于无BSF环节,转速n直接反馈到ASR;
2)满足w-TaTbω2=0条件的频率是陷波频率ωf
陷波频率值用可调系数w设定;
3)在ω=ωf时,
F(ω)=z nf=zn (0≤z≤1) (20)
陷波频率信号衰减程度用可调系数z设定;
4)在低频段|TaTbω2-jωVp(1-w)Ta|≪w及高频段TaTbω2≫|w+jωVp(1+w)Ta|时,F(ω)=1,nf=n,BSF不起滤波作用;
5)比例系数Vp越小,式(18)分子和分母二次多项式中一次项的系数Vp(1+w)Ta越小,陷波频带宽度越窄。
BSF的对数幅频特性示于图13,在设定的陷波频率处对数幅频值突然下降,而在其他频率处对数幅频值=0(幅频值=1)。
把BSF的陷波频率选在轴系固有振荡频率ωu处,能减小调速系统开环对数幅频特性在ωu处的幅值,使之小于0 dB,从而抑制振荡,另一方面它不影响该幅频特性其它频率段,不降低穿越频率ωc值,不影响系统快速性(如果ωu和ωf较低,离穿越频率ωc近,BSF也会对调速系统动态性能有影响)。以某7 000 kW同步电动机轧机主传动系统为例:没有陷波滤波前,转速实际值波动约为1%,转矩电流波动7.5%;加入陷波滤波后,转速的波动减小到0.35%,转矩电流波动减小到1%。
陷波滤波器BSF除了插入在转速反馈通道中外,还可插入在转速调节器ASR和转矩环ATL之间,效果一样。对于2个以上质量系统,危险的轴系固有振荡频率不止一个,可以在调速系统中设置几个BSF,每个BSF抑制一个振荡频率。
调试时,令调速系统加减速,记录转矩或转矩电流波形,若发现波形上叠加有固定频率的脉动,则表明存在扭振。测量脉动频率,把BSF的陷波频率设定为该脉动频率值(调w),通过调正系数z改变陷波频率衰减程度及通过调Vp改变陷波频带宽度,使脉动幅值降到最小。
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预冷系统变频调速节能控制分析 篇8
节能是社会也是企业永恒的主题,交流变频调速是交流电动机节能效果的最理想的方案。据统计,我国主要企业的风机、水泵设备装机总功率约8亿kW,年耗电量约20000亿kWh,占全国电力消耗的1/3,占工业用电的60%。在风机、水泵运行中应用变频调速,节电率一般为20%~60%。
1 预冷水泵运行的能耗分析
预冷系统利用预冷水泵输送冷却水来冷却压缩后的空气。输送水量的大小直接影响冷却效果,冷却水流量太大,造成能源浪费;流量太小,又达不到工艺要求。因此,预冷水泵的流量是控制的关键。
预冷水泵传统的运行方式为节流调节,采用固定转速的电机驱动水泵主轴旋转,连续地将能量传递给冷却水,实现冷却水的输送。供水过程中根据实际工况调节阀门挡板的开度,改变管阻特性曲线和工作点位置,得到目标冷却水流量,其特性曲线如图1所示。
电机在额定转速下恒速运行,扬程特性曲线为曲线1,若要使流量由Q0减小至Q1,则减小阀门开度,增加管路阻力,使管阻特性由曲线3移至曲线4的位置,相应的工作点由A变为B。
此时,扬程从H0提高至H1,产生H1-H0段损失。若在阀门挡板全开的情况下,采用变频调速技术降低预冷水泵的转速,使其扬程特性曲线变为曲线2,它与管阻特性曲线3相交于工作点C,对应扬程为H2。
通过比较,不关小阀门且满足流量需求的同时,采用变频调速技术比节流调节法节省H1-H2段扬程;若供水功率与水泵工作点-原点覆盖长方形面积成正比,则ΔP(SOFBD-SOFCE)为变频调速控制方式节约的供水功率。
预冷水泵效率曲线如图2所示。图中,1、2分别为节流调节、变频调节时的效率曲线,当流量Q=QB时,两种方法对应的效率为ηB、ηA,表明流量相同情况下,变频调节的效率更高,可使水泵效率处于最佳状态。
2 预冷水泵变频调速控制系统设计
预冷水泵变频调速矢量控制系统结构如图3所示。
系统为双闭环结构,外环为转速控制环,内环为电流控制环。外环将给定转速与实测转速的误差送入转速控制器,输出转矩参考值。内环把经坐标变换得到的定子三相参考电流与实测的定子三相电流送入脉冲发生器,产生全桥逆变电路的控制脉冲,控制水泵电机运行。
3 控制器的设计
预冷水泵电机具有非线性、强耦合且参数易发生变化的特点,采用常规PI控制器,难以保证在整个控制过程中系统始终具有最佳的控制性能。而模糊控制是基于规则的控制,具有不依赖于对象精确模型的特点。
可将模糊控制和PI控制结合起来,构建二维模糊控制器,以误差e和误差变化率ec为输入,满足不同时刻的e和ec对PI参数自整定的要求。通过找出不同时刻转速误差、误差变化率(e、ec)和PI控制器的比例、积分修正系数(ΔKp、ΔKi)之间的模糊关系,根据模糊推理方法对ΔKp、ΔKi在线整定,构成模糊PI控制器,其结构如图4所示。
从系统稳定性、响应速度、稳态精度和超调量等方面考虑,控制过程对参数自整定要求如下:当偏差|e|较大时,为加快系统响应速度,Kp应取较大值,为避免系统响应出现较大的超调,Ki取值为零;当|e|和|ec为中等大小时,为降低系统超调,Kp应取较小值,Ki取值要适中,以保证系统的响应速度;当|e|较小时,为使系统具有良好的稳态性能,应增加Kp和Ki的取值。
选取输入输出变量的模糊子集为{NB,NM,NS,ZO PS,PM,PB},分别代表{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},且论域均为[-6,6],隶属度函数为三角分布。
总结工程设计人员技术知识和实际操作经验,可建立ΔKp、ΔKi和e、ec之间的模糊规则表,如表1所示。
在隶属度函数及模糊规则确定的基础上,加量化因子及比例因子,便可建立符合要求的模PI控制器。
4 仿真实验及结果分析
根据对预冷水泵矢量控制变频调速系统的分析及模糊速度控制器的设计,在Matlab/simulink软件下对系统进行仿真。利用readfis命令完成模糊工具箱与simulink的连接,建立仿真模型,如图5所示。其中模糊PI速度控制器的内部结构如图6所示。
为验证仿真模型的正确性与有效性,给出异步电机仿真模型参数如下:额定电压380V,额定频率50Hz,R1=0.087Ω,R2=0.228Ω,L1=0.0008H,L2=0.0008H Lm=0.0347H,转动惯量J=0.862,极对数=2,给定转速ω=120rad/s。采用ode23tb仿真算法,运行仿真模型,可得到水泵电机转速、电磁转矩仿真曲线。
实验结果表明,空载运行时,预冷水泵电机的转速和电磁转矩都能够瞬时响应,较快地跟踪设定值,并在0.4s时达到稳态,表明系统的动态响应较快。波形变化曲线符合理论分析,系统能够平稳运行,验证了水泵电机矢量控制变频调速模型的可行性和有效性。因此,所建模型可以满足预冷系统的供水要求,为预冷系统的控制提供了理论依据。
参考文献
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变频调速系统控制策略的研究 篇9
近十几年来,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,电气传动技术面临着一场历史革命,即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节电、改善工艺流程以提高产品质量、推动技术进步的主要手段。变频调速以其优异的调速和启制动性能,高效率、高功率因数和节能效果,广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
众所周知,变频器控制方式是决定变频调速系统性能的关键所在。变频器的控制模式指的是针对频率、电压、磁通、电磁转矩等参数之间的配合控制方式,在通用变频器中,目前比较常用的控制模式有U/f控制模式、矢量控制模式和直接转矩控制模式3大类。本文将对上述3大类控制模式进行介绍和讨论。
1 U/f控制模式
U/f模式在原理上是最简单的。电压与频率配合调整是变频调速的基本原理,令电压与频率以函数关系共同变化是最容易想到的思路。由于主要的目标是转速的调节,而交流电动机的转速又主要与频率有关,因此,在电压—频率的函数关系中,频率应该是主动变化量,也即是自变量,而电压则作为因变量跟随变化。如果我们忽略
(电动机在主磁通不变时的电压—频率关系式)中右边的第一项,也即定子电阻上的电压降,则电动机的端电压应该与频率成正比。如果令电压与频率成正比,比值保持与额定供电电压和工频频率时的比例一致,这种控制方式就是
基本U/f控制模式,也称恒定比值U/f控制模式。
在U/f控制模式下,在工频以下,电压与频率成正比,磁通近似恒定;工频以上,电压不变,电动机弱磁运行,同时,允许的运行频率也存在一个上限,这就是基本U/f控制模式的电压—频率关系。
起动困难、起动加速度低、加速时动态速度偏差特别大、满负载时需要为保证起动能力而加大变频器容量、最低允许稳定运行速度受到静差率以及额定转矩衰减双重影响,这些性能缺陷都来自一个基本原因:低速度下的磁通衰减。要解决这些问题,首先必须解决的就是降低或者消除低速时的额外磁通的衰减。因此,基本U/f控制模式显然是一种不理想的方式,需要对其进行改进,下面就介绍几种现在比较流行的改进方法。
1.1 电压补偿
为了提高低速转矩,可以根据式(1)来确定输出电压,也就是采取低频率下的电压补偿措施。目前市场上销售的基本U/f控制通用变频器被称为第二代变频器,都是采用数字控制方式的,要做一个电压—频率函数来实现电压补偿很容易。稳定运行时为了使电动机转矩输出能力在低频率下不衰减,应该将额定电流代人式(1)作为定子电流进行计算,这样算出的电压—频率曲线就能够将额定转矩线拉直,达到提高低速转矩的目的。
在采用电压补偿措施下,系统在低频率下的机械特性改善比较明显,额定转矩恒定了,空载时有轻微过励磁,有效转矩和制动转矩的衰减也减轻了许多;加速时的滞后反应在低频段也有所改善,最大转差率出现得晚一点,并且要小一些,因此,加速前期的电流高峰大大缓解,电流裕量增加,转矩峰值几乎没有了,使得补偿后允许更大的加速度了;低频率下也不会因为电流的长期过载引起保护动作,最低运行频率不再由额定转矩线衰减情况决定。
不足的是,从机械特性曲线簇可以看出,低频留下的转矩过载能力还是比高频率区差一些,制动转矩也小一些,同样过载情况下的转差率也大些,因此,转速稳定性比高速区差,也就是说,电压补偿虽明显改善了低频区的性能,但与高频区比仍有明显差距,而且要始终保持额定转矩线竖直,要求的补偿电压必须十分精确,实际上这是很难做到的。因此即使有了电压补偿,U/f控制模式也不适合在极低频率下稳定运行。一般不建议在6HZ一下频率长期稳定运行,于是其调速范围一般不低于10HZ。
1.2 转矩补偿
不仅频率会导致磁通衰减,由输出转矩产生的定子电流也会导致磁通衰减。实际上,正是转矩对于磁通的影响在不同频率下不一样,才产生了频率对磁通的影响问题。如果根据转矩的大小对电压进行补偿,会进一步改善运行情况。
实际情况下,可以近似以输出电流代替转矩进行补偿。由式(2)可见,如果针对右边第一项作一个跟随定子电流的电压补偿,由于另外两项都与频率有关,使得不同频率下磁通与电流的关系不变,就抵消了频率对于磁通的影响。
这种电流-电压补偿方式,在不同的商品变频器中采用的算法不一定完全一样,但其基本原理是相同的,所起得作用是降低转矩对磁通衰减的作用,因此,有的变频器厂家称其为转矩补偿,有的厂家则直接根据其原理称为磁通电流控制。
总的来说,转矩补偿对于低频率下,尤其是极低频率下的转矩输出能力改善很明显,不过这个结论是在没有考虑转矩补偿延时问题下做出的,考虑延时因素之后,转矩补偿在动态情况下的性能还不能达到比较理想的情况。转矩补偿的主要作用是改善了低频率下的转矩性能,同时系统的动态响应情况也有所改善。但由于工频以上电压只能够稳定在额定电压水平,因此,不可能使用电压方面的补偿,不论电压-频率补偿还是转矩补偿方式,对于工频以上的电动机机械特性曲线簇都没有影响。
转矩补偿和电压补偿的混合使用,对于低速转矩性能的提高作用明显,可以大大降低最低稳定运行频率,也明显改善了系统的起动性能。
1.3 转差补偿
转矩补偿和电压补偿混合使用时,电动机的机械特性已经接近理想情况,进一步改善的余地不大了。但是,这种情况下的运行曲线却并不理想,稳态时的速度误差和动态时的转速提升和降低延时都很明显。这个误差和延时都源于异步电动机的转差,在开环控制方式下,这是难以避免的。
如果根据定子电流计算出转速差,并且将这个转速差补偿在输出频率上去,那么就应该能够抵消掉转速差对于稳态转速误差的影响,也有可能改善动态转速提升的延时作用。利用定子电流计算转速差,并进行频率补偿的方式,称为转差补偿。
显然,转差补偿会提升电动机转速,因此会在短时间内产生一个加速过程,这个过程中定子电流会因为加速的需要而增加。定子电流增加—转差补偿—加速—定子电流进一步增加,这又构成了一个反馈控制作用,而且是一个正反馈,它很可能造成系统不能稳定运行,必须采取措施保持系统的稳定。简单的办法就是引入一个延迟,等待转差补偿造成的加速过程基本结束,定子电流稳定以后,再去重新计算新的转差补偿值。实际应用中,这个延迟时间大约需要数百毫秒。
转差补偿是频率补偿,它在基本频率变化曲线之上叠加一个补偿频率,作为实际的输出频率。转差补偿不改变频率—电压关系,因此它不会改变电动机机械特性曲线的形状。转差补偿对于稳态转速精度的改善是可以预期的,但由于补偿的延迟作用,在转速给定和负载转矩突变的时候,补偿频率不能立即改变,仍然会产生动态延迟。换句话说,转差补偿只能够改善稳态速度精度,不能改善系统的动态速度精度,因此它虽然从原理上看有闭环控制的特征,但从效果看和闭环控制有明显的差别,仍然属于补偿控制方式。
使用了转差补偿时,仍然可以采用电压和转矩的联合补偿。根据定子电流可以算出补偿频率,把补偿频率加在给定频率上可以得到实际频率的变化曲线,然后可以根据实际频率曲线与实际转速对应曲线的差值,在转矩/电压混合补偿的机械特性曲线上得到运行分析结果。
转差补偿只能够改善稳态情况下的转速精度,比较合适于转速恒值调节类型的应用。对于转速给定改变和负载转矩改变造成的动态过渡过程,转差补偿没有改善的能力。如果延迟时间设置不当,甚至会使动态性能变得更差。
1.4 小结
基本U/f控制下,低速时转矩输出能力差、起动困难、静差率比较大,而且调速范围受到额定电流下输出转矩衰减的影响,比按照静差率计算的情况更差。电压补偿和转矩补偿对于低速转矩输出能力有明显改善,克服了起动困难的问题,低速时的静差率降低,调速范围也提高了。
基本U/f控制下,由于低速下加速时电流峰值的存在,允许的最大加速度比较低,电压补偿和转矩补偿通过改善磁通情况而改善了低速转矩输出能力,大大抑制了电流峰值,使得最大允许加速度提高到了正常水平。
转差补偿能够明显提高稳态转速精度,但由于延迟作用,负载变化时仍然存在较大的动态速降,因此静差率和调速范围都不因为稳态速度精度的提高而改善。由于转差补偿产生较大的电流峰值,因此最大允许加速度比较低。
由于动态时的明显延迟反应,包括各种补偿在内的开环U/f控制方式,都没有很好的动态性能。
2 矢量控制模式(VC)
直流电动机磁场由定子励磁绕组和电枢绕组分别激励,因此,其磁通和转矩能够分别独立地进行控制,这使得直流电动机具有对转矩的良好控制能力,这也就是它在调速原理上的主要优势。交流异步电动机与直流电动机有一个内在的共同性,即直流电动机的主磁通与电枢绕组磁场运行中在空间角上是正交的,交流异步电动机也一样。差别在于,直流电动机励磁回路和电枢回路是分离的,能够分别进行控制,而交流异步电动机的励磁电流和转矩电流却合成了定子电流矢量,简单地直接控制定子电流不能实现对转矩的有效控制。
将定子电流含有的励磁和转矩电流两个矢量分离,分别进行控制,然后合成并转换成为对变频器参数的控制信号,模仿直流调速系统的控制特点实现对于电磁转矩的有效控制,这就是矢量控制的基本思路。
连续施加3/2坐标变换和VR变换,可把三相交流电变换为直流的励磁和转矩电流参数,假想有一台直流电动机,我们把变换得到的励磁电流送进它的励磁回路,把转矩电流送进电枢回路,那么这台直流电动机就能够转起来。这样就可以把交流异步电动机看作由一台假想直流电动机加上两个变换后形成的,这个假想模型揭示了两种电动机之间存在的内在联系。那么,在由转速调节器获得转矩电流指令以及由磁通控制器获得励磁电流指令后,加上VR-1变换和2/3坐标变换两个反变换,就可以产生三相交流电指令,用这个指令驱动逆变器就能够产生实际的三相交流电,去驱动交流电动机。图1将这个变换过程与一台假想的直流电动机加上两个变换的交流电动机模型连接起来。
图1中左边的单实线框里是变频器内的部分,右边双实线框里就是由一个假想直流电动机加上两个变换组成的交流异步电动机假想模型。下面再看看虚线框内的内容,如果逆变器是一个理想的电流型逆变器,它输出的交流电流就应该与电流指令完全一致,它的传递函数为1,即它是不折不扣地将输出信号传递到了输出端。各图框之间乘法关系,任何数乘以1不发生改变。2/3坐标变换和3/2坐标变换是成对出现的这是一对逆变换,两个互为逆变换的变换相乘等于1.同理,VR-1变换和VR变换连续施加的结果也等于乘以1.这样一来,虚线框里所有的部分最后相当于乘以1,即没有发生变化,整个虚线框内的内容在数学上就消失了。从控制器侧看去,相当于控制器发生了励磁和转矩指令,并且以励磁电流和转矩电流直接作用于那台假想的直流电动机。这个变频器—交流异步电动机构成的调速系统,在原理上就等效于一个直流调速系统了,达到了分别控制磁通和转矩的效果,因此,也就能够达到直流调速系统的运行效果,这就是矢量控制的基本原理。
不过,问题并没有这么简单。由VR变换式
可以知道,VR变换需要一个重要计算参数,那就是转子磁链方向角a,同理,VR-1变换也需要这个参数。
【方程中为电动机漏磁系数;为转子系数,其倒数为转子绕组电磁时间常数,P=d/dt称为微分算子,是代表倒数运算的一个符号。(2)反映了电动机参数、定子励磁和转矩电压及电流、转子磁链、转矩磁场角速度、转子角速度之间的关系)】
式(3)反映了转子磁链两个分量与电动机参数以及其他可以检测到或者计算到的运行参数之间的关系,因此,利用这个数学模型,经过一定变化后,能够获得由容易检测到的参数计算转子磁链的公式,而计算得到转子磁链两个分量后,用坐标变换可方便地得到转子磁链的方向角参数,这就提供了构造可以实际推广的矢量控制原理的思路。
矢量控制方式又分为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速度传感器矢量控制方式等。基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致,但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制,使之满足一定的条件,以消除转矩电流过渡过程的波动。因此,基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是,这种控制方式属于闭环控制方式,需要在电动机上安装速度传感器,因此,应用范围受到限制。
无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理,分别对励磁电流和转矩电流进行控制,然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽,起动转矩大,工作可靠,操作方便,一般需要专门的处理器来进行计算,因此,实时性不是太理想,控制进度受到计算精度的影响。
实际变频器产品的控制方案种类繁多,但各种矢量控制的控制模型中都含有定子和转子电阻、自感以及互感等电动机的参数,需要以某种方式获得这些参数,这就是矢量控制需要进行参数识别的原因运行中电动机实际参数的变化会影响到算法模型的精度,为了提高系统的鲁棒性,需要采取一些弥补措施,如电阻温度补偿算法等。
3 直接转矩控制(DTC)
有效地控制磁通,并且在此基础上准确快速地控制电磁转矩,是所有提高性能调速方法都必须具备的能力。反过来说,凡是具有这两方面能力的控制方案,都有可能成为高性能的调速控制模式。
对定子磁链的控制构成了有效控制磁通的手段,而对定子磁链旋转速度的控制能够控制转速差,从而实现对电磁转矩的控制。建立定子磁链和电磁转矩的数学观测模型,利用可测量的物理量,以软件测量技术获得定子磁链和电磁转矩的反馈值,采用滞环式闭环控制方式,利用电压空间矢量的开关状态切换来实现对磁通和电磁转矩的分别控制,这就是基于磁链跟踪脉宽调制的直接转矩控制的基本原理。直接转矩控制(简称DTC)是有别于矢量控制的另一类高性能变频调速控制模式,这里的转矩指的就是电磁转矩。
由于直接转矩控制是利用空间电压矢量对定子磁链的控制能力来实现的,因此磁通反馈信号应该取定子磁链,电磁转矩的反馈信号也应该根据定子磁链来建立。
【其中Ψ1为定子磁链,U1为端电压,r1为定子电阻,I1为定子绕组电流】,来建立定子磁链的观测模型。但式(4)为一个矢量式,将它在α-β坐标系下展开,则有:
式(5)就是定子磁链仿真器的电压模型。作为电压模型,式(5)有局限性,即由于有积分计算,低频率时因为电压很低,积分计算会出现误差,产生积累性漂移,精度会大大降低,因此,在低频端的控制效果不佳。为了提高低频段的控制精度,需要类似矢量控制中的转子磁链仿真电流模型那样的定子磁链仿真模型。将式(5)代人定子电压平衡式,即:
经过代数整理可得定子磁链与转子磁链的关系式为:
利用矢量控制中的转子磁链仿真电流模型式,即:
计算出转子磁链,再代人式(7),即可获得定子磁链仿真的电流模型。
由于直接转矩控制以电压空间矢量对定子磁链的控制为基本依据,因此需要建立电磁转矩相对于定子磁链的数学模型。电磁转矩相对于M-T坐标系下定子及转子电流的关系为:
由式(4)的VR变换公式,有:
将其代入式(9),并整理课得:Te=PM(iβ1iα2-iα1iβ2)(11)。这是电磁转矩相对于α-β坐标系下的定子转子电流的关系。
将定子磁链方程中的各参数进行3/2坐标变换并整理,有
代入前式并整理,有Te=P(iβ1Ψα1-iα1Ψβ1)(13)这是电磁转矩相对于α-β坐标系下的定子电流及磁链的关系。式(13)就是相当于定子电流及定子磁链的电磁转矩数学模型,它的输入参数有α-β坐标系下的定子电流参数和磁链参数,前者和磁链模型的电流输入一样,后者则是磁链模型的输出参数,其内部系数则只有电动机的极对数,可以直接从电动机铭牌获得并且在运行中不会发生变换。
这个模型中,电流由实测值经过简单的3/2坐标常系数矩阵变换而得,精度只受电流检测精度影响,磁链参数的精度则直接受磁链仿真模型的精度影响。不论磁链仿真模型使用的是电压模型还是电流模型式(13)都是使用的。
和矢量控制一样,直接转矩控制模式也有转速控制和磁链控制两个子系统。转速调节器产生转矩指令,用来和电磁转矩数学模型取得的实际转矩信号进行比较,产生转矩滞环比较器的3种状态输出;磁链控制器产生磁链指令,用来和定子磁链仿真模型取得的实际磁链信号进行比较,产生磁链滞环比较器的2种状态输出;磁链仿真模型获得定子磁链方向信号则输入到扇区比较器中,产生六种不同的扇区标准。磁链、转矩滞环比较器和扇区比较器的输出同时送人开关状态控制器中,该控制器根据表1决定逆变器的开关状态,这就实现了直接转矩控制。
表1中,DT是转矩滞环比较器的输出状态,正向电动或高速时的再生制动时,1状态在电磁转矩负偏差时出现,正偏差时撤销,反之,则输出0状态。低速再生制动等需要转子磁链旋转方向实际上反向的情况下,-1状态在电磁转矩正偏差时输出,负偏差时撤销,反之,则输出0状态。DΨ1是定子磁链滞环比较器的输出状态,1状态在定子磁链负偏差出现时输出,正偏差时撤销,0状态在正偏差时输出,负偏差时撤销。
控制结构方案示意图如图2所示。图2中的磁链仿真器内有电压模型和电流模型两种模型,根据输出频率或者转速进行切换,因此其输入参数既有电压电流信号又有实际转速信号。另外,转矩滞环比较器实际上还需要能够判断到底是在0、1状态之间切换还是在0、-1状态之间切换的逻辑输入,图2中没有表示出来。
与矢量控制比较,直接转矩控制的控制结构相对简单一些,另外一个重大的差别就是直接转矩控制的控制作用是直接施加到逆变器开关状态控制上的,而不需要由SPWM控制器进行转换控制,因此控制响应要迅速一些。
4 结论
变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术,已经渗透到经济领域所有技术部门中。控制方式是决定变频调速系统性能的关键所在。本文分析了3种比较常见的控制模式,得到如下结论:
(1)U/f控制是最基本的变频器控制方式,其思路简单,附加要求小,控制容易实现,第二代数字控制变频器提供的一系列功能对除动态运行性能以外的多方面性能都作了改善,适合于多数的二次方转矩负载以及对动态性能要求不高的反抗性恒定转矩负载的应用。
(2)矢量控制原理实际上是对直流调速原理的模仿,通过矢量变换分离和合成励磁及转矩电流矢量,实现了磁链子系统和转矩子系统的近似解耦,具备了控制转矩的手段。从理论上看,矢量控制的调速性能应该完全可以和直流调速媲美,但由于大量采用了软件测量技术及数学模型的计算,必然会带来计算误差和延迟,使实际的调速性能不如直流调速。然而直流调速技术受到实现手段的限制,也有不可避免的误差和延迟,因此,两者的差别并不大。
矢量控制的各种软件测量算法模型和数学计算模型,都来自异步电动机动态数学模型,因此,其控制原理比基于电动机稳态模型的U/f控制,能够大大改善动态运行性能。
(3)利用定子磁链的电压或者电流模型,通过滞环比较器发出增加或减小磁链的指令;利用电磁转矩模型,通过滞环比较器发出增加或减小转矩的指令;两种指令的逻辑组合产生开关状态切换,这就实现了直接转矩控制。
与矢量控制相比,直接转矩控制转矩响应速度快些,但转矩脉动对电动机运行速度的影响却大些,响应地,噪声和输出谐波成分也大些。因此矢量控制的稳态性能好些,直接转矩控制的动态性能好些,但彼此差别不大,都属于高性能的控制模式,都能够满足大多数的应用需求。
摘要：变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术,已经渗透到经济领域所有技术部门中。控制方式是决定变频调速系统性能的关键所在。本文列举了3种比较常见的控制模式(U/f控制模式、矢量控制模式和直接转矩控制模式),并分析了它们各自的特点。随着电力电子器件和微电子技术的迅速发展,控制方式也必将随之发展。
关键词：变频调速系统,U/f控制,矢量控制,直接转矩控制,控制策略
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浅谈变频调速电梯控制系统 篇10
从总体来讲, 电梯由机械系统和控制系统组成。其机械部分由拽引系统、轿箱和门系统、平衡系统、导向系统以及机械安全保护装置等部分组成;而电气控制部分由电力控制系统、运行逻辑功能控制系统组成。
1.拽引系统的功能是输出动力和传递动力, 使电梯运行。主要由拽引机、拽引钢丝绳、导向轮和反绳轮组成。导轮使将拽引钢丝绳一向对重或轿箱的钢丝绳轮, 安装在拽引机架或承重梁上。反绳轮使设置在轿箱顶部和对中顶部位置的动滑轮以及设置在机房里的定滑轮。
2.减速箱有齿拽引机的减速箱一般采用蜗轮蜗杆传动。其优点是:传动比大、运行平稳、噪声低和体积小。在减速箱中, 蜗杆可以置于蜗轮的上面, 称为蜗杆上置式结构。这种结构的蜗轮蜗杆啮合面不易进入杂物, 但可润滑性较差。若蜗杆置于蜗轮下面, 则称为蜗杆下置式结构。这种结构的蜗杆可浸在减速箱体的润滑油中, 是齿的啮合面得到充分润滑, 但要求蜗杆的伸出端要有良好的密封, 以防润滑油渗漏。
3.拽引轮, 靠钢丝绳与绳槽之间的摩擦力来传递动力, 当拽引轮两侧的钢丝绳有一定拉力差时, 应保证拽引刚绳不打滑。为此必须使绳槽具有一定的形状。在电梯中常见的绳槽形状有半圆槽、带切口半圆槽和楔形槽三种。
4.电磁制动器电梯制动器安装在电动机轴与蜗杆轴的连接处, 是通过制动瓦对制动轮抱合时产生的摩擦力来使电梯停止运动的装置。
5.电梯的电力拖动控制系统
电梯信号控制系统主要有继电器控制和计算机控制两种控制方式。由于计算机的种类很多, 根据计算机控制系统的组成放时及运行方式的不同, 计算机控制可分为个人计算机控制和微机控制两种方式。
二、变频器 (Variable-frequency Drive, VFD)
变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率, 根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压, 进而达到节能、调速的目的, 另外, 变频器还有很多的保护功能, 如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高, 变频器也得到了非常广泛的应用。电梯与变频器结合主要有以下几部分:
再生部分.这部分有两个功能, 一是将电网三相正玄交流电压整流成直流, 向逆变部分提供直流电源;二是在减速制动时, 有效控制传动系统能量回馈给电网主电路器件是IGBT或IPM模块.根究系统的运行状态, 即可作整流器使用, 也可做有源逆变器使用.再传动系统采用能耗制动方案时, 这部分可单独采用二极管整流模块.当然此时无须PWM1控制回路等相关部分
逆变器部分.逆变器部分同样是有IGBT或IPM模块组成, 作为无源逆变器, 向交流电动机供电.
平波部分.在该电源系统中, 由电解电容器构成平波器.如果是电流源, 将由电感器组成.当采用电流源方案时, 则主回路结构与控制方法与此是不同的
测部分.PG作为交流电机速度与位置传感器, CT作为主回路交流电流检测器, TP作为与三相交流电网同步信号的检测, R为直流母线电压检测器.
控制回路.控制回路一般有微机, DSP, PLC, 等构成, 可选16或32位微机.控制回路主要完成电力传动系统的指令形成, 电流, 速度, 和位置控制, 产生PWM控制信号, 故障诊断, 检测, 显示, 电梯的控制逻辑管理, 通讯和群控等任务.
三、工作原理
电压反馈信号UF与交流电源同步信号US送入PWM1回路产生出符合电动机作为电动运行状态的PWM1信号, 控制正玄与再生分中开关器件, 使之作为二极管整流桥工作。当电动机减速或制动时产生再生作用, 功率器件在PWM1信号作为下进入再生状态, 电能回馈交流电网。交流电抗器ACL主要是限制回馈到电网的再生电流, 减少对电网的干扰, 有起到保护功率开关元件的作用。
逆变器将直流电转换成幅值与频率可调的交流电, 输入交流电动机驱动电梯运行。实行电流环与速度环的PWM2信号, 输入正选电流。
变频器的主要特点是:使用交流感应电动机结构简单, 制造容易, 维护少, 适于高速运行;电力传动系统效率高, 节省电能。电梯是一种位势负载, 再运行时就有动能, 因此在制动时, 将起回馈网有很大意义。变频电梯容易实现四象限运行;结果紧凑, 体积小, 重量轻, 占地面积大为减少。
电梯为变频调速电梯, 需要实现如下功能:轿内指令的登记于清除;厅外召唤指令的登记与清除;自动开关门;楼层指示;自动选向;自动运行;自动换速以及自动平层;应具有各种相应的安全保护以及报警;照明等功能;电梯运行四种状态:有司机, 无司机, 检修和消防。从安全角度和负载电流大小考虑, PLC控制系统仍需少量接触器和继电器。有运行继电器、超载继电器、电压继电器、开门继电器、关门继电器、制动继电器等。3.变频器的工作原理及特点.
变频技术在电梯上的使用电梯变频器是一种专门用于电梯控制的仪器。电梯专用变频器是中小功率变频器中的高端产品, 它使得电梯效率提高、运行平稳、设备寿命延长, 结合PLC或微机控制, 更显示无触点控制的优越性:线路简化、控制灵活、运行可靠、维护和故障监测方便。
电梯要有舒适性, 需要电梯缓慢加速, 这就涉及到电机调速的问题:
1.其他的调速方式, 比如串电阻调速:它通过串接一个电阻, 来降低电机内部的电压, 实现转速的降低, 弊病就是在串接的电阻上会耗费一定的能量;
2.用变频器就不存在这种情况, 它直接控制输出的频率和电压来驱动电机, 不存在额外的消耗。
参考文献
[1]宋伟刚《通用带式传送机设计》机械工业出版社2006-03-01
变频调速系统 篇11
【关键词】PLC控制系统 空压站 变频调速 控制系统
【中图分类号】 G 【文献标识码】 A
【文章编号】0450-9889（2015）06C-0179-03
工业企业空气压缩站（简称空压站）或空气压缩机房（简称空压机房），使用压缩空气作为重要生产动力源。目前越来越多的自动化设备应用于工业控制现场，如正业控制汁算机、PLC、触摸屏和变频器等，利用这些设备可以大大地提高设备的自动化水平、生产效率和控制精度，实现系统的节能降耗和经济运行。
一、控制系统的控制要求和原理
（一）系统的主要控制要求。采用PLC控制变频器进行空压站技术改造后，系统的主要控制要求如下：
1.控制系统有手动和自动两种方式。在自动运行时（手动预先设定变频器控制的机组，1号或2号机组）。根据压力传感器输出的模拟电压或电流信号（0～10V或4—20mA）由PLC进行PID调节运算，控制变频器在15～50Hz之间节能地运行。其中，3～5号备用机组的控制要求为：当管道压力低于工作压力下限值（预先设定）并且变频器输出频率在上限值（预先设定）时，经过延时（延时时间可设置）由PLC控制启动3、4号其中一台机组，直至3～5号机组全部启动；当管道压力大于工作压力上限值（预先设定），并且变频器输出在下限（可设定），经延时（延时时间可设置）由PLC停止3、4号其中一台机组。同样上述两条件不变可再停一台，直到停完。
2.压力信号取自压力传感器或变送器，系统工作压力上、下限可由PLC设定。
3.手动工作时只有3、4、5号机组的启、停通过手动按钮操作，其他工作情形与自动工作方式时一样。
4.变频器在PID调节故障时可使用电位器人工进行调速。
5.人机界面要求。变频器的运行监视参数可通过RS—485串行接口，经PLC由触摸屏进行远程显示。机组的启、停延时时间可通过触摸屏修改（20～6005）。
（二）控制系统的控制原理。控制系统的控制原理主要是：由PLC基本单元扩展出模拟量输入/输出模块，通过压力传感器实时检测压力值送人模拟量模块进行PLC内部的调节运算，然后由模拟量输出模块输出直流0～10V的电压信号至变频器，变频器的输出频率信号通过模拟量输出端子回送到PLC，构成模拟量闭环控制回路。由压力传感器测量实际压力后与压力设定值进行比较，经PLC内部PID调节运算实时控制变频器的输出频率，从而调节空压机（三相异步电动机）的转速，使供气系统空气压力稳定在设定压力值上。通过变频器PU接口的RS—485串行通信可以读人变频器除频率外的其他主要运行参数，如电流、功率和电压等。
这样由PLC、变频器、三相交流异步电动机、压力传感器（变送器）等组成的压力反馈闭环控制系统，能够自动地调节三相交流异步电动机的转速，使供气系统空气压力稳定在设定范围内，进行恒压控制。
二、控制系统的硬件选型
根据控制要求和控制规模的大小，这里选用三菱公司的FX系列小型PLC作为系统的主控制器，模拟量输入输出模块选用FXlN。—485BD，变频器选用三菱的FR—A700系列，触摸屏选用上海步科电气的eView系列MT510，压力传感器则选择TPTS03型压力传感器。
（一）系统的主控制器——FXlN—40MR。FXlN系列属于FX系列PLC中普及型的子系列，经过扩展适当的模拟量模块并使用PID指令，完全可以满足对中等规模空压站控制系统闭环模拟量的控制要求。根据系统的控制规模和对I/O点数的要求，系统的控制器选择FXlN—40MR，为继电器输出型，有24点开关量输入，16点开关量输出。
FXlN系列PLC在加装了通信扩展板FXlN—485—BD后，通过网线与变频器的PU接口相连后，可与之进行由PU接口引出的RS—485串行通信，读取变频器的监控参数，如实际频率、电流、功率和电压等。
（二）模拟量输入输出模块——FXON—3A。FXON—3A模拟量输入输出混合模块有两个输入通道（0～10V电压或4—20mA电流）和一个输出通道。输人通道接收模拟信号并将模拟信号转换成数字值，输出通道采用数字值并输出成对应比例的模拟信号。输入/输出通道选择的电压或电流形式由用户的接线方式决定。FXON—3A可以连接到FX2N＼FX2NC、FXl1N、FXIN等系列的可编程序控制器上。FXON—3A的最大分辨率为8位。FXON—3A在PLC扩展母线上占用8个I/O点。这8个I/O点可以分配给输入或输出。所有数据传输和参数设置都是使用PLC中的FROM/TO指令，通过FXON—3A的软件控制调节。PLC与FXON—3A之间的通信由光电耦合器进行保护。
FXON—3A的端子和外部接线如图1所示。
（三）变频器——FR—A700。变频器的基本原理和应用技术在第四章中已有介绍，读者可以参见前面的相关内容。根据空压站系统的压力负荷，选择的变频器是三菱FR—A700系列的A740，功率为110kW。
（四）触摸屏——MT510。在本控制系统中，采用MT510作为人机交互的界面，它具有界面美观、组态编程灵活、交互功能强等特点，便于与系统其他部分集成。
三、控制系统的硬件设计
（一）控制系统的硬件总体组成。空压站PLC控制系统的硬件总体组成框图如图2所示。FXON—3A模拟量模块的输入通道可读取压力、温度传感器的测量值，其输出通道输出0～10V电压信号作为变频器FR—A740的频率给定。变频器FR—A740的PU接口与加装了FXlN—485BD通信板的FXly4系列PLC可实现基于RS—485总线的串行通信，PLC便能够读人变频器的电流、功率和电压等运行参数。
图2 空压站PLC控制系统硬件总体组成框图
（二）系统的主电路和控制电路。空压站PLC控制系统的硬件设计主要包括主电路和控制电路的设计。
1.主电路。空压站PLC控制系统的主电路如图3所示。
2.控制电路。空压站控制系统PLC外部接线图和控制电路图（部分）分别如图4和图5所示。
四、PLC的程序设计
控制系统的程序主要包括空压机组逻辑控制程序、模拟量输入输出模块读写、PID调节运算程序和PLC与变频器串行通信程序等。
（一）空压机组逻辑控制程序的设计。在进行控制系统的程序设计时，除了应满足前面“系统的主要控制要求”中各机组启、停的逻辑控制外，在1、2号机组切换时还应满足下述的编程联锁等要求：
1.KAl、KA3不能同时接通；KAl、KA2不能同时接通；KA3、KA4不能同时接通。
2.当变频器运行时，KMl、KM2不允许动作。
3.只有当1号或2号机组启动信号及运行信号到达后变频器方可启动（KAll接通）。
4.1号机组运行时，禁止KM3操作；2号机组运行时，禁止KM4操作。KAl—KA4、KMl、KM2等电器元件在电路中的作用，可参见图3和图5。
下面只给出了1、2号机组变频启动控制部分的程序，如图6所示，其他机组的逻辑控制程序从略。
（二）模拟量输入输出模块读写。PLC基本单元是通过特殊功能模块读、写指令FROM、TO和模拟量输入输出模块FXON—3A中的缓冲存储器（BFM）交互数据的。FROM、TO指令的使用可参见第四章的介绍。FXON—3A缓冲存储器的分配见表l。
【作者简介】周正杰（1973- ），男，广西人，硕士，广西机电职业技术学院讲师，工程师，研究方向：电工技术，电力系统及自动化。
交流变频调速电梯系统设计和应用 篇12
随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用,人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高,继电器控制的弱点越来越明显。可编程序控制器(PLC)是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的,是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点,目前,电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制代替。同时,由于电机交流变频调速技术的发展,电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速[1]。因此,PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行业的一个热点。
2 设备选型
(1)变频器的选择
本文选择VS—616G5型变频器是安川电机公司面向世界推出的21世纪通用型变频器。这种变频器不仅考虑了V/f控制,而且还实现了矢量控制,通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制,很容易得到高起动转矩与较高的调速范围[2]。VS—616G5变频器的特点如下:
包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化;有丰富的内藏与选择功能;由于采用了最新式的硬件,因此,功能全、体积小;保护功能完善、维修性能好;通过LCD操作装置,可提高操作性能。
(2)可编程序控制器(PLC)的选择
电梯PLC控制系统不再使用继电器控制系统中模拟轿厢运动的机械选层器。电梯运行过程中,轿厢所处楼层位置如何检测,PLC软件如何根据给定输入信号及运行条件判断或计算楼层数,是电梯正常运行的首要问题,是正确定向和选层换速的必要前提[3]。
根据以上要求,可编程控制器必须具有高速计数器。又因为电梯是双向运行的,所以PLC还需具有可逆计数器。综合考虑后,本设计选择了日本OMRON公司生产的C系列P型机。
3 电梯控制系统设计
电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。图1为电梯PLC控制系统的基本结构图,主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等[4]。
系统控制核心为PLC主机,操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC,存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号,向拖动和门机控制系统发出控制信号。
3.1 信号控制系统设计
电梯信号控制基本由PLC软件实现。电梯信号控制系统如图2所示,输入到PLC的控制信号有运行方式选择(如自动、有司机、检修、消防运行方式等)、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码器光电脉冲、开关门及限位信号、门区和平层信号等。
3.2 速度给定曲线
为了满足舒适感提高运输效率及正确平层要求,电梯的速度给定曲线是一个关键环节。人们对于速度变化的敏感度主要是加速度的变化率,舒适感就意味着要平滑的加速和减速。
为了获得良好的舒适感,将电梯的起制动速度曲线设计成由两段抛物线(S曲线)及一段直线构成,而这一曲线形状的构成及改变,则是由加速度斜率及S曲线变化率决定的。加速斜率是以速度给定从0加速到1000转/分所需要的时间来定义的。其意义为加速度由0加速到1000转/秒所需要的时间。因此通过改变起动加速时间可获得不同的起动曲线斜率。增大加速时间值起动曲线变缓,反之,起动曲线变急。同理,增加S曲线变化率起动曲线弯曲部分变缓,反之,起动曲线弯曲部分变急。而S曲线变化率的变化,也可通过改变S曲线起始、终了加速时间来实现,本设计采用的616G5变频器就具有S曲线加速时间设定功能,故将加速时间和S曲线加速时间配合调整,即可获得理想的起动曲线。同理,制动曲线也可按此方法调整。理想的电梯速度给定曲线如图3所示,图中a为加速度,v为速度。
3.3 减速及平层控制
电梯的工作特点是频繁起制动,为了提高工作效率、改善舒适感,要求电梯能平滑减速至速度为零时,准确平层,即“无速停车抱闸”,不要出现爬行现象或低速抱闸,即直接停止,要做到这一点关键是准确发出减速信号,在接近层楼面时按距离精确的自动矫正速度给定曲线。本设计采用旋转编码器检测轿厢位置,只要电梯一运行,计数器就可以精确地确定走过的距离,达到与减速点相应的预制数时即可发出减速命令[5]。
不论哪种方式产生的减速命令,由于负载的变化、电网波动、钢丝绳打滑等,都会使减速过程不符合平层技术要求,为此一般在离层楼100mm～200mm处需设置一个平层矫正器,以确保平层的长期准确。
3.4 I/0点数的分配及机型的选择
本设计按七层的电梯为例,根据需要控制的开关、设备大约有52个输入点,34个输出点需进行控制,考虑10%～15%的裕量,故选择C6OP主机模块+C40P扩展单元,其I/O点数可达56/44个。
3.5 旋转编码器与PLC的连接
本系统采用相对计数方式进行位置测量。运行前通过编程方式将各信号,如换速点位置、平层点位置、制动点位置等所对应的脉冲数,分别存入相应的内存单元,在电梯运行过程中,通过旋转编码器检测、软件实时计算以下信号:电梯所在层楼位置、换速点位置、平层点位置,从而进行楼层计数、发出换速信号和平层信号。
如图4所示,脉冲信号输入到C60—P的0000端,0001端接硬件复位信号,用于当电梯运行至端站时高速计数器复位校正楼层计数及消除累计误差。当复位信号从ON转为OFF时,高速计数器从零开始计数。
3.6 系统结构框图
系统由轿厢、开关门机构、曳引机构、控制系统等组成,如图5所示。
4 应用实例
本文的设计方案于去年应用于吐哈的一栋5层办公大楼,根据PLC的I/O节点使用原则,应留出一定的I/O点以做扩展时使用。系统中实际需要输入点47点,输出点40点,因此我们选用西门子S7-300PLC,其中CPU的型号选为CPU315,输入模块的型号选为DI32x DC24V,总共需要两块,输出模块的型号选为DO32x DC24V/0.5A,总共也需要两块。PLC通过向安川VS—616G5变频器发出电梯上行输出和电梯下行输出信号,从而控制曳引电动机的转动方向,决定电梯的上/下行运动;PLC通过向安川616G5变频器发出电梯高速运行和电梯低速运行信号,从而间接控制曳引电动机的转动速度,决定电梯的高速/低速运动。电动机通过脉冲发生器(编码器)和PG卡将速度信号及时反馈给安川616G5变频器,从而形成速度闭环控制。经过一年的运行,该电梯未出现运行故障,使用人员对电梯的反映良好,具有稳定可靠的性能。
5 结语
本设计满足电梯控制的基本要求。利用通用变频器和PLC实现了对电梯的控制,通过合理的设备选型、参数设置和硬件设计,提高了电梯运行的可靠性,改善了电梯运行的舒适感,并节约了电能。
参考文献
[1]黄立培.变频器应用技术及电动机调速[M].北京:人民邮电出版社,1997:3～8
[2]吴忠智.变频器应用手册[M].北京:机械工业出版社,1995:1～5
[3]张福恩.交流调速电梯原理设计及安装维修[M].北京:机械工业出版社,1993:59～62
[4]陈一才.大楼自动化系统设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1994:43～52
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