交流变频拖动控制系统

交流变频拖动控制系统（共7篇）

交流变频拖动控制系统 篇1

一、基于PLC的交流变频拖动控制系统及其构成

1. 工艺过程与工艺要求

本文所介绍的基于PLC的交流变频拖动控制系统是将腈纶水洗牵伸机作为其主要的控制对象, 在该系统的运行过程中, 丝束 (位于原丝盛丝桶之中) 通过导丝辊, 从而进入水洗槽之中进行水洗以及牵伸之后, 经上油辊、叠丝辊、蒸汽箱以及卷取机等进行上油与卷曲等操作, 之后再由冷却输送带以及摆丝机等, 将卷曲后的丝束均匀地平铺于水洗牵伸机的盛丝桶之内。为满足生产需求, 要求该系统要具有较高的同步性 (尤其是卷曲机与主传动牵伸机的配合同步性要非常高) , 且转速精度应保持在-0.1%-0.1%之间, 急停制动时间<2s。此外, 要求牵伸机中罗拉电机、卷取机、上油电机、输送电机以及牵伸电机等各电机的转矩与速度等参数控制精确。

2. 系统的构成

该基于PLC的交流变频拖动控制系统主要由三部分组成:第一, 调速部分。主要由交流变频电机以及变频器构成, 根据PLC传输速度控制曲线, 实现变频器对电动机运行的自动调整。第二, 自控部分。流量传感器、执行机构、各类开关以及压力、温度等是自控部分的主要组成部分。该部分的主要作用在于检测模拟量数据、实现过程控制、输入或输出全机开关量, 从而自动控制腈纶水洗牵伸机。第三, 人机界面。该部分的主要功能是设定并显示腈纶水洗牵伸机的各项过程工艺参数, 实现PLC与人际界面之间的通讯、对话。

二、基于PLC的交流变频控制系统在腈纶水洗牵伸机上的应用

1. 系统设计方案分析

(1) PLC设计。该系统采用的PLC为S7-300, CPU315-2DP为其中央处理单元, 系统的主要优势在于采用模块化设计, 速度快、可靠性高, 便于扩展, 且组态灵活。中央处理单元用两个接口, 分别为DP/MPI组合接口与PROFIBUS DP接口, 两个接口皆可组态成PROFIBUS从站或者PROFIBUS主站。并通过PROFIBUS现场总线, 实现中央控制单元与多台变频器之间的轻松对话。此外, 该系统还可通过其自控部分中的执行机构、各类开关、流量传感器以及拉力、温度等, 自动控制腈纶水洗牵伸机。

(2) 变频器设计。该系统的牵伸、上油、罗拉、卷曲以及冷却传输等各环节的变频器, 选用运用直接转矩控制技术的ACS600高性能变频器, 其编程能力灵活、保护功能完整以及转矩控制与速度控制特性良好。在该系统的交流传动中, 可运用ACS600变频器的直接转矩控制功能, 直接控制交流电机的核心变量, 并在无速度反馈的条件下, 从零速开始, 精确控制电机转矩与速度, 此外, 采用此变频器设计, 还可实现对开环动态速度的控制精度与对闭环磁通矢量控制精度相一致, 从而轻松实现在上油、牵伸、卷曲以及冷却输送等环节中的速度调节要求以及转矩控制要求。

(3) 电动机与触摸屏设计。该系统主要运用YPBF系列通用的三相异步电动机, 从而实现与变频器之间的最佳匹配, 其变频范围在2HZ-100HZ之间, 额定电压设置为380V, 其外壳的绝缘等级为F级, 防护等级为IP54, 低速转矩相当平滑, 且无爬行现象产生, 能够适应较为恶劣的场合, 可长期在低频场合下运行, 能有效克服水洗牵伸机台腐蚀性大、潮湿的安装环境。触摸屏则通过中央处理单元的DP/MPI组合接口实现与可编程序控制器之间的通讯、对话。运用触摸屏输入系统的各项工艺参数, 并在PLC之中对其进行计算, 最后将对工艺参数的计算结果传输到各控制模块与变频器之中, 实现对电机转矩、速度、流量、压力以及温度等的图形或文本显示, 或设备的启动、停止, 最终实现对腈纶水洗牵伸机的自动控制。

2. 系统控制实现

该系统由触摸屏设定工艺参数, 并通过自控部分输入温度、流量、开关量等检测现场数据, 并通过PLC开展工艺计算, 之后通过执行机构以及变频器等自动控制腈纶水洗牵伸机的运行过程。同时, 该系统手动操作以及自动操作功能皆可实现。例如, 可手动操作实现单台设备的启动与停止控制;也可通过现场操作台的启动设备实施联动启停控制。此外, 通过优化变频器所运用的直接转矩控制技术的运行精度, 设定其上升时间及PLC总体指令等实现启动与运行同步。

为满足生产工艺要求, 系统的急停制动时间须控制在2秒之内, 牵伸机的罗拉电机、卷曲电机以及主电机等的变频器在驱动时均带有制动电阻, 且电机本身具有机械抱闸, 在系统发出急停需求的情况下, 主要通过电机的机械抱闸、制动电阻以及变频器等实现设备的急停。同时, 当电机在第二象限进行工作时, 通过制动电阻, 还能释放电机产生的多余能量, 从而防止在系统制动的情况下, 变频器因过高的中间回路电压而发生故障, 有效提高了系统的抗干扰能力与可靠性。

传统的工业控制系统主要是由继电器控制回路构成, 无法适应现场恶劣的环境条件, 在运行中的稳定性不高, 时常发生工作异常, 不能适应工艺生产的需求。而运用基于PLC的交流变频拖动控制系统, 并通过对现场总线自动控制技术、触摸屏、变频器等的改造, 将其运用于腈纶水洗牵伸机之中, 可有效提高系统的抗干扰能力、可靠性、自动控制精度。

参考文献

[1]张炜炜.基于PLC技术的群控电梯主从站设计[D].南京理工大学, 2012.

[2]丁斌.腈纶纺丝生产线工艺与改造后的电气拖动系统[J].安徽化工, 2009, (05) :41-43.

[3]陈禄辉.基于嵌入式的变频调速起重机拖动控制系统的应用研究[D].暨南大学, 2012.

[4]张敏聪.并条牵伸过程建模及控制研究[D].上海交通大学, 2010.

[5]何伟.交流变频调速技术及其发展[J].考试周刊, 2011, (45) :167-168.

交流变频拖动控制系统 篇2

变频调速系统可选方案很多, 图1所示为一种高速、超高速电梯变频调速电梯拖动控制系统的原理框图。整流器采用晶阐管可逆PWM控制方式, 起到了把负载端产生的再生功率送回电源的作用。对于中、低速电梯, 其系统的整流器部分使用的是二极管, 而变频器部分使用晶闸管, 整流器的整流效果不如使用晶闸管, 可能产生转矩波动, 使电动机电流波形不太接近正弦波, 会产生电动机噪声。而且从电梯的电动机侧看, 包括绳索在内的机械系统具有5~ 10Hz的固有振荡频率, 若电动机产生的转矩被动与该固有频率一致, 就会产生谐振, 影响乘坐的舒适性。

图1所示系统采用了转速反馈, 抑制了转矩渡动;同时有电流反馈、电压反馈, 提高了控制精度;位置反馈, 适应电梯位置判断的需要。对于中、低速电梯, 变频方式与通常的电子电压控制相比较, 耗电量减少1/2以上, 且平均功率因数显著改善, 电源设备容量也下降了1/2以上。对于高速、超高速电梯, 就节能来说, 由于电劫机效率提高, 功率因数改善, 所以, 输入电流减少, 整流器损耗相应减少, 与通常的晶闸管直流供电方式相比, 可预期有5%~10%的节能改善。由于平均功率因数提高, 电梯的电源设备容量可能减少20%~30%。

2常用电梯专用变频器

电梯专用变频嚣是按电梯控制系统的要求生产的专用矢量控制型变频器, 可以驱动异步电动机和永磁同步电动机, 具有结构紧凑、安装方便的特点, 可满足不同的电梯用户对各种电梯控制系统不同的功能需求。变频器是一种很常见的电气设备, 而电梯专用变频器则是一种专门用于电梯控制的电气设备。电梯专用变频器对电梯的控制是S形曲线, 即起动和停止的加速度都比较缓和, 而中间过程, 加速度快, 这种性能主要是为乘坐舒适, 节能也是一个方面。

在电梯业中, 仅在杂梯、自动扶梯、自动人行道还大量采用非变频技术, 其他电梯产品几乎都采用了VVVF变频技术。在业内一般讨论的电梯“变频系统”有两大类型:一类是电梯专用变频系统, 大型企业基本采用分立元器件组装, 即在控制柜的一定空间内相对务立地安装功率模块、大电容、驱动用控制印制电路板, 使其与整个控制系统融为一体;另一类是通用变频器系统, 个别大型企业和多数的中小企业采用, 这种变频器是一个完全独立的装置, 可以向专门的变频器厂商采购。

常用电梯专用变频器有以下几种:日本安川公司生产的VS676-VCI系列变频器, 是一种电梯专用变频器, 其主电路采用ICBT为开关器件, 最高调制频率达12. 08k Hz。控制上采用磁通闭环、转速闭环、磁场定向矢量控制。为使矢量控制系统能达到直流调速系统同样的动态性能, 转子磁通在动态过程中必须确保真正恒定。系统中采用了实际转子磁通的定向控制, 即磁通闭环控制。Astar系列电梯专用变频器, 采用高眭能闭环矢量控制技术, 适用于电梯、升降机、提升机等位能性负载驱动。采用32位DSP +32位ARM+CPLD硬件控制电路, 高效地完成电梯电动机实时控制算法。采用了智能功率模块 (IPM) 硬件设计配以先进的控制技术, 使变频器的工作更加稳定可靠。优化的矢量控制技术, 输出谐波少, 电压输出能力强。可方便地获得电动机在位能性负载下四象限运行的连续控制。优化的PID调节功能, 以及针对电梯特殊情况所做的各种特殊设计使控制精度更高, 操作更方便, 电梯运行更加平稳。标准的RS-485和CAN总线接口, 丰富的编码器接口, 多功能的输入、输出接口, 使变频驱动更加简单方便。具有多种保护模式, 整机可靠性高, 使电梯运行更加安全。艾默生TD3100系列电梯专用变频器, 采用DSP+MCU结构和先进模块化设计, 适用功率等级在7 5 - 30k W范围、最高速度为4m/s、最高楼层为50层的电梯驱动场合。增加了平层的调整参数, 通过该参数可精确修正因为平层插板长度引起的平层误差, 提高了平层准确度;其在运行中完全根据目的楼层的距离, 自动选择电梯的最高运行速度, 既安全舒适, 又提高了电梯的运行效率;此外, 可按控制器等实际系统配置选择两种距离控制方式, 实现了调试的智能化。

KEB F5电梯专用变频器, 是德国科比公司于2004年向中国用户推出的新一代电梯专用变频器, 适用于控制同步电动机有齿或无齿曳引机, 其优良特性如下: (1) 全新设计的硬件结构, 体积小, 过载能力强。 (2) 全新设计的软件, 采用先进的前绩控制技术, 控制精度高, 响应快, 无需称重补偿装置, 即可实现对无齿轮同步曳引机电梯实现精准的控制。 (3) 简单友好的用户界面, 只用36个参数就能完成电梯的调试和监测。 (4) 引进用户编程面板概念, 可按用户的要求设计个性化的参数界面。 (5) 具有示渡器仿真功能, 可连接在计算机上用软件显示和记录电梯的速度、电流、力矩等各种数值曲线, 方便调试。 (6) 先进的停电应急运行功能, 只用普通的UPS电源就可实现断电紧急运行, 无需停电应急装置;成本低, 且安全可靠。 (7) 可适配多种控制总线和编码器。 (8) 先进的开发平台, 配合高速总线技术, 可实现全数字控制的电梯直接停靠。

摘要：以一种高速、超高速电梯变频调速电梯拖动控制系统为例, 阐述了变频调速电梯拖动控制系统, 分析了常用电梯专用变频器的应用。

关键词：变频调速电梯,拖动控制,电梯,变频器

参考文献

[1]林雪岩, 付兴武.基于DSP控制的变频技术在电梯设备上的应用[J].国内外机电一体化技术, 2005, 5.

[2]王东宽.Smart ComⅡ系统与变压变频技术在电梯改造上的应用[J].中国电梯, 2004, 10.

交流变频拖动控制系统 篇3

桥式起重机是工矿企业中应用十分广泛的一种起重机械，桥式起重机，使用频繁，环境恶劣，高温、金属粉尘过多。桥式起重机电力拖动系统多采用绕线式交流异步电机，转子回路内串入多段外接电阻调速，采用凸轮控制器、继电器、接触器控制。这种控制系统主要缺点是：（1）桥式起重机工作环境恶劣，工作任务重，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。（2）继电———接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高。（3）转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。（4）由于现场环境中的金属粉尘、有害气体对电动机集电环、继电器的腐蚀与短路，再加上继电器、接触器控制系统切换频繁，起动时，冲击电流大，因此触头烧损、电刷冒火、电动机烧损故障时有发生，故障率高。（5）系统抱闸是在运动状态下进行的，对制动器损害很大，闸皮磨损严重而引起的安全隐患。

随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，电气传动和自动控制领域也日新月异。其中，具有代表性的交流变频装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机拖动系统中的应用提供了有利条件。

2 系统硬件构成

PLC控制的桥式起重机变频调速系统框图如图1所示

桥式起重机大车、小车、主钩，副钩电动机都需独立运行，大车为两台电动机同时拖动，所以整个系统有5台电动机，4台变频器传动，并由4台PLC分别加以控制。

(1）可编程控制器：完成系统逻辑控制部分。控制电动机的正、反转、调速等控制信号进入PLC, PLC经处理后，向变频器发出起停、调速等信号，使电动机工作，是系统的核心。

(2）变频器：为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的调速。

(3）制动电阻：起重机放下重物时，由于重力加速度的原因电动机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路里的能量消耗掉，使直流电压保持在允许范围内。制动电阻就是用来消耗这部分能量的。

桥式起重机大车、小车、副钩、主钩电动机工作由各自的PLC控制，大车、小车、副钩、主钩电动机都运行在电动状态，控制过程基本相似，变频器与PLC之间控制关系在硬件组成以及软件的实现基本相同，而主钩电动机运行状态处于电动、倒拉反接或再生制动状态，变频器与PLC之间控制关系在硬件组成以及软件的实现稍有区别。

3 系统软件设计

要实现对变频器的控制，必须对PLC进行编程，通过程序实现PLC与变频器信息交换的控制。编程的重要依据是系统的工作过程。

3.1 桥式起重机小车电动机的工作过程

在驾驶室门及横梁栏杆门关好后，位置开关SQa、SQb、SQc闭合，紧急开关SB2等符合要求的情况下，速度选择开关置于零位，按下起动按钮SB1，接触器KM通电吸合，三相电源接通。

当速度选择开关置于正转速度1时，将三相交流电和电动机接通，1档速度起动，速度选择开关置于正转速度2时，2档速度运行，一般桥式起重机正反向均有5档速度，其余与此类似。

速度选择开关置于零位或由于停电，电动机停止运行。为防止因停电、变频器跳闸等使拖动负载快速下降出现危险，仍设置有机械制动装置。

当发生紧急情况时，可立即拉开紧急开关SB2，一方面机械制动将所有电动机制动，另一方面将变频器紧急停机控制端EMS接通，变频器将使电动机迅速停车。当电动机过载时，可使热继电器的触点FR接通变频器的外接保护控制端，使变频器停止工作。

位置开关SQ1和SQ2装在小车两头。当小车行走到终端时，两端各有挡块，撞上位置开关，切断小车电路，小车电动机停车并制动变频器因发生故障而跳闸后，当故障已被排除、可以重新起动时，按下复位按钮SB，接通复位控制端RST，使变频器恢复到运行状态。

3.2 控制小车电动机的变频器输入控制端的安排

一般桥式起重机有五档速度，所以3个外接开关K3、K4、K5来控制速度信号，达到调节速度的目的（实际可达8档速度），外接开关状态与速度的对应关系如下表所示。用户可自由设定与每档速度对应的频率大小。

3.3 梯形图

小车电动机的梯形图程序如图2所示。

结语

桥式起重机的启动、制动、加速、减速等过程更加平稳快速，定位更加准确，减少了负载波动，安全性大幅提高。由于电动机启动电流限制得较小，频繁启动和停止时电动机热耗减少，寿命延长。降低了对电网的冲击。节约能源，变频调速的启动、制动、加速、减速等过程中，电机运行电流小。节能可达30%左右。在生产工况相同的情况下电耗和维修费用比改制前节能20%左右。

通过技术改造，不仅提高了桥式起重设备安全运行时间，也使工作劳动维修强度维修成本大幅降低，因此，变频调速技术在桥式起重机上的应用是提高工作效益、降低能耗保障工作安全的选择。

参考文献

浅谈空气压缩机的变频拖动 篇4

据不完全统计, 在我国电能的9%～10%是被空压机所消耗的[1]。在矿山企业运行的空压机大多为活塞式、螺杆式, 少量为离心式。空压机连续运转, 属于耗电量较大的设备之一。而空压机主要通过控制供气管道或容器内的压力值控制排气量。为满足用气量要求, 在实际供气网络中往往有多台空压机共同组建供气站, 每1台空压机输出端接1台储气罐, 并安装有安全阀。储气罐内气体必须保持一定压力 (额定0.8 MPa) 。 当空压机排气量正好满足生产用气量时, 储气压力保持不变, 如能维持这种状态当然最佳, 但实际上用气量是随时变化的, 而且设计冗余量较大, 所以空压机排气量要大于用气量 (负载) 。为了保证供气系统的安全, 现在通常采用下列方法进行压力控制 (简称传统控制) 。

(1) 停—转调节法。

此种调节的基本做法就是在系统排气压力达到某一设定压力时, 利用安装在储气罐上的压力继电器, 通过电气控制使空压机停下来, 当排气压力降低到一定压力时又启动起来 (即ON/OFF控制) 。间隔时间取决于储气罐及有关管道的容积大小和允许的排气压力波动范围。采用该调节方法时, 要求机组配置有较大容量的储气罐, 否则电动机的启动或停止过于频繁, 不但对电网造成冲击, 还会使电动机绕组过热。

(2) 吸气节流调节法。

通过在空压机的吸气管上加装吸气节流阀, 利用对吸气口径的调节, 理论上可以进行连续无级地调节压缩机的流量。

(3) 用机械方式进行自动卸载和装载控制法。

此法是利用储气罐安全阀设定压力整定值, 实现超值自动释放压力, 反之由不断运行的空压机充气。

以上几种恒压调控方式都不同程度存在能量损耗严重的问题。为了从根本上解决空压机恒压控制且节能的问题, 最有效的途径就是采用空压机 (电动机) 调速控制, 即变频拖动技术。

2 空压机采用变频拖动的必要性

空压机运行特点:①机械特性具有恒转矩性质, 故电动机的轴功率P与转速N呈正比;②大多处于长时间连续运行状态, 但负载大小常有变动, 为连续变动负载;③若为活塞式压缩机, 其飞轮力矩大, 故要求有较大的启动转矩;④启动次数少, 对升、降速时间无要求;⑤大多有自动卸载与装载装置, 在自动卸载或装载时, 负载将突变。基于上述特点, 所选择的变频器必须有相匹配的性能, 如目前较为适合的矢量技术变频拖动。变频拖动控制可以实现软启动和平滑调速。主要根据供气系统压力控制电动机转速, 通过变频器及有关辅助设施进行恒加速变频调速启动和恒减速变频调速。

变频调速是通过改变电动机输入电源的频率来调节电机转速的, 因此调速范围宽, 调频范围在0～400 Hz, 频率调节精度达0.01 Hz, 可以满足空压机的恒加减速和无级调速的要求。

3 变频拖动系统的恒压控制

空压机变频拖动系统能够实现恒压控制, 该系统主要由电源、变频器、压力变送器、PID调节器等组成 (图1) 。

在实现恒压控制方面, 空压机变频拖动系统具有下述优点:

(1) 空压机功率较大, 运转时间较长, 所以属于耗电较多的负载, 对其采用变频恒压控制, 较传统控制可节电20%左右。

(2) 压力恒定, 管路损耗变小;压力稳定, 管路泄漏减少。

(3) 不必频繁卸载和加载, 延长了压缩机的机械寿命。

(4) 空压机实现软启动, 减少了因启动导致的较大的冲击电流。

(5) 压力可调, 可依据负载需要调节系统压力。

(6) 高速电动机 (2p极时) 与空压机的联结不需要减速机和胶带传动 (减少了投资成本) , 从而可以降低机械能量的损耗。

(7) 当需要精确的压力控制时, 采用变频器调速就可以实现。采用变频器控制的空压机, 压缩气体压力可保持在0.02 MPa范围内, 与传统控制的加载和卸载 (ON/OFF) 控制相比, 可以节省大约 2%的能量。传统的控制压力误差在0.05 MPa左右, 精度较低。

(8) 负载平均压力低时, 使用变频器调速可以降低设备的漏气和空气耗用功率, 如在0.7 MPa时可以降低2%左右。变频调速器与传统控制的空压机耗能功率对比如图2所示。从图2中可以看出, 较大的范围内, 两者的耗用功率和容积流量基本上呈正比变化, 而且在低速时变频器调速的节能效果会高于高速工况时。

(9) 空压机排气量由电动机转速控制, 气缸内气片、阀座、弹簧不频繁开关, 避免了高温、高压气体急剧冲击, 减少维修工作量, 延长了空压机的寿命。

4 变频拖动应用分析

在矿山企业, 空压机多机应用很常见, 传统的控制压力或出气量的方法是将多台空压机全部并联运行, 并通过机械加载和卸载来调节, 最终达到压力或出气量的控制要求。显然, 所有的空压机都是在全速运行, 耗电严重且控制频繁, 尤其是根据负载需求在增开1台空压机供气量太多、减少1台又太少的情况下。在供气系统内选择1台空压机进行变频拖动, 是改变以上运行损耗的必然途径。在改造空压机变频拖动应用中, 只要配合原来传感器就可以构成恒压或恒温的循环控制系统, 不必更换电动机。尤其是多台压缩机并联运转情况下, 则选择其中1台加变频拖动即可, 改造费用较低, 适应很广的负载变化范围, 改造之后节能效果良好。

5 应注意问题

在变频拖动空压机使用维护管理中, 应该注意以下几个问题:①当空压机长期满负载运行时, 采用变频拖动不具有优势, 反而增加了耗电因素, 这主要是由于变频器本身耗电;②当转速下降过多时, 就会造成出气的脉动, 形成压力波动;当低转速时, 还需考虑配置的空压机是哪种润滑方式, 是单独油泵 (强迫润滑) 还是飞溅润滑。如果是飞溅润滑, 其低速时由于润滑不佳将造成缸体发热、加速磨损。③当频率降到5～10 Hz时, 由于交流异步电动机长时间在低频状态下运行, 很容易造成发热而烧毁。所以低频极限不能超过5 Hz, 变频器频率不能过低, 不能因盲目节电而不顾设备运行的相关要求, 必须注意要在保证设备安全运行的前提下设置最低频率, 如35 Hz[2]左右考虑机械设备安全润滑, 5 Hz[3]考虑电动机安全运行。

参考文献

[1]李方园.变频器行业应用实践[M].北京:中国电力出版社, 2008.

[2]顾永辉, 林英.煤矿固定设备电力拖动[M].北京:煤炭工业出版社, 2009.

交流变频拖动控制系统 篇5

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展, 高压大功率变频调速装置不断地成熟起来, 原来一直难于解决的高压问题, 近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。在冶金、化工、电力、市政供水和采矿等行业广泛应用的泵类负载, 占整个用电设备能耗的40%左右, 电费在自来水厂甚至占制水成本的50%。这是因为:一方面, 设备在设计时, 通常都留有一定的余量;另一方面, 由于工况的变化, 需要泵机输出不同的流量。随着市场经济的发展和自动化, 智能化程度的提高, 采用高压变频器对泵类负载进行速度控制, 不但对改进工艺、提高产品质量有好处, 又是节能和设备经济运行的要求, 是可持续发展的必然趋势。对泵类负载进行调速控制的好处甚多。从应用实例看, 大多已取得了较好的效果 (有的节能高达30%~40%) , 大幅度降低了自来水厂的制水成本, 提高了自动化程度, 且有利于泵机和管网的降压运行, 减少了渗漏、爆管, 可延长设备使用寿命。

低压变频器已经取得企业界的认可, 高压变频器市场正在启动, 前景十分好。市场需求迅速增加。目前研制的用于风机水泵高压变频器已有多台正在正常运转, 使用的是单元串联多电平电压源型变频器, 适用于风机水泵, 但不能用于传送带驱动、矿石粉碎机、轧机、挤压机、窑传动等重载启动的电机[1,2]。为了克服这种变频器不能用于重载启动电机的缺陷, 本文主要探讨了拖动电机用高压变频器相关技术问题。

1 方案选择

主要技术指标是:

10 000V, 360kW, 额定电流为26A, 负载为窑传动, 启动电流为150A。生产的用于风机、水泵电机的高压变频器用的是功率单元串联方案, 效果很好, 仍然选这种方案。其理由是:

1) 输出电平数多, 因此输出波形特别好, 能适合普通异步电动机, 且不必降额使用;2) 所需IGBT数量大。但对耐压要求不高, 功率器件不存在均压问题;3) 输入整流电路的脉冲数大, 对电网污染小, 功率因数高;4) 功率单元数量大, 这是个缺点, 但结构完全一样, 可以互换, 这对生产、调试、留备用件等都来了很大方便;5) 技术已经掌握, 已有成功经验, 可靠性有保证。

2 技术重点

重载启动电机的启动电流在低压启动时是正常运行电流的6倍~10倍, 如果用正常的方法制作, 虽可正常启动, 但正常运行时设备会有很大的余量, 是很大的浪费。

我们采用的是串并转换技术, 在启动时短时用四管并联.等电机开始转动, 立即切换为双管并联, 直到一定转速, 转为全串联, 完成启动。

3 系统原理

功率单元串并联结构, 如图1所示, 以每相12单元为例, 图中只画出一相。图中1-12为功率单元, S1-S6为切换开关单元, 其中S1-S3为单刀双掷单元, S4-S6为单刀单掷单元。

3.1 电路结构

1) 功率单元

线电压10 000V, 相电压5 773V, 每相由12个单元串联, 每个单元的的输出为481V (有效值) 。图1中1-12模块仍使用原来的设计。

2) 功率单元主电路

功率单元主电路结构是典型的三相输入单相输出电路。

切换开关s4-s6的主电路中, 其中可控硅为开关元件, 可调电阻为大功率低阻值在线可调电阻模块, 用于在多管并联时调节各管的电流值, 使各管的电流值尽可能一致。图1中在功率单元3、6、9、12的输出端附有高精度电流检测传感器, 检测到的电流值隔离后送到协调控制模块, 通过其中的高度单片机计算出电阻误差值, 快速平滑地调节各电阻模块, 达到均流的目的, 据测量各功率单元电流的误差可控制在15%以内。

切换开关S2-S3的主电路是两只双向可控硅一端相联的结构。S1的主电路中还有一只可调电阻模块。

3.2 控制系统

1) 堆波技术采用功率单元串联实现高压变频器, 控制方式一般有两种:

(1) 堆波方; (2) 载波移相技术。堆波方法控制实现较简单, 波形质量也比较好, 功率器件开关次数少, 开关损耗小, 但它存在两个缺点:串联的各单元承担的功率不一致;变压器各付边绕组承担的功率不一致。载波移相技术可以得到良好的输出波形。它克服了堆渡方法的两个缺点, 但功率器件开关次数较堆波方法多, 开关损耗比较大。

我们采用第一种方式, 在主控制器上实现了各功率单元的选通信号定期轮换, 串联的各单元承担的平均功率相等, 隔离变压器的各付边绕组承担的平均功率也都相等, 各个单元的结构与控制电路也都完全相同。这样即不增加损耗, 叉克服了堆渡方式固有的缺点;

2) 检测到的开关信号隔离后传到电流同步模块, 这四个模块通过光纤通讯, 相互协调, 使四模块的开通和关断时间误差控制在200ns以下, 尽量使四模块同时开通和关断, 达到同步的目的:这里关键是电流脉冲的上升和下降沿的检测精度, 以及解决好单片机的抗干扰问题;

3) 控制信号的传输。为了系统的可靠性, 防止大电压和大电流跳变对控制信号的干扰, 控制信号采用光纤传输。各单元的控制信号是多通道并行传输, 减少信号的中间处理环节, 效果很好;

4) 启动完成后, 可调电阻模块、协调控制模块、电流同步控制模块及三个电流检测传感器在上位机的控制下退出工作。每相只留一个电流传感器工作, 用于对电机工作状态的检测控制。

4 结论

1) 原理正确, 结构合理;

2) 电流同步模块单片机软件运行良好, 功能基本齐全。电路设计合理, 满足了电流同步的要求;

3) 可调电阻模块电路设计巧妙, 能及时调节阻值且调节平滑, 很好地达到了均流的目的。

参考文献

[1]张选正, 倪芳国产3～10kV中高压变频器主电路现状及改进措施[J].电机与控制应用, 2011, 38 (6) .

交流变频拖动控制系统 篇6

关键词：钻井装备,交流变频,变频控制,故障分析

0 引言

电动钻机交流变频控制系统在石油钻井领域有着广泛的应用, 主要用于控制和调节三相交流异步电机的转速, 其主要特点是性能稳定、组合功能丰富、高性能的矢量控制技术、低速高转矩输出、良好的动态特性、超强的过载能力等。目前, 其应用的钻机类型主要有转盘单独交流变频驱动和绞车、转盘、泥浆泵交流变频驱动两种。在实际使用过程中, 有一些常见的故障, 下面对这些故障进行解析。

1 变频柜元器件老化爆裂

故障经过:2013年3月9日, 某40LDB钻井队正在2900米左右滑动钻进, 转盘处于使能状态, 司钻操作手轮转动转盘时, 发现无任何反应, 电工到VFD房检查, 有烧焦的气味, 立即断电起钻。技术人员到井后对变频柜进行了检查, 发现整流控制板、CUVC板、IGBT模块及IGBT触发板都有烧损的痕迹。原因分析, 经过检查, 是由于整流控制板上一个元器件爆裂, 导致其散热片脱落至电容组插槽处, 造成短路, 瞬间缺相, 造成IGBT炸裂, 同时造成触发板、CBP板、EB1板损坏。在修理的过程中, 由于检测手段缺乏, 只能频繁换件调试, 修理难度很大, 费用也比较高。该钻机已投产使用近10年, 从未做过预防性维修, 由于6SE70系列变频柜拆卸比较繁琐, 风险较高, 除尘保养也是停留在表面, 打开后积尘也比较严重。建议对使用超过5年以上的变频器及控制系统进行无故障预维修, 对元器件、电路板进行分类检测, 不合格的坚决予以更换。确定变频器倒换制度, 难点是需要专业的维修队伍及实验装置。

2 通讯故障

案例1, 某50LDB钻机原井场井架推移后, PLC状态无法实现对转盘的控制, 但是旁路控制正常, 无故障报警, 通讯板工作灯显示正常, 经过反复检查发现通讯总线在CPU处正负极性接反, 但可以确定的是, 厂家在设备配套时就已接反, 在正常工作一年后才暴露出来。案例2, 某50LDB钻机在原井场井架推移后, PLC状态和旁路状态下均无法控制转盘工作, 变频柜PMU显示F082通讯故障。故障排除方法, 将通讯线路上个DP插头终端电阻, 逐一打开, 确定故障点, 最后确定触摸屏通讯接口损坏。通讯故障在变频控制系统中比较常见, 主要有, 通讯线故障如短路、断路、接地等, 检查方法就是用万用表量通断, 相对比较简单。如果是CBP板、EB1板损坏, 由于没有检测设备, 现场需要有相应的配件, 通过更换电路板来确定故障点。通讯故障在安装后容易出现, 要求现场人员安装标准要高, 通讯线及其它控制线与动力线路分开, 布线合理, 连接牢靠, 专人安装调试。

3 变频柜线路内部连接故障

故障经过:某40LDB钻机在安装完成后调试转盘, 转盘使能后屡次停机, 无法正常使用, 无故障报警代码。变频柜有火花冒出。技术人员上井后首先对变频柜进行了检查, 发现充电电阻连接螺栓松动, 立即进行了紧固, 系统恢复正常。这个故障反映出现场工作人员在安装的过程中, 对已拆卸部件的紧固比较重视, 忽略了由于运输过程中剧烈的颠簸导致变频柜内一些元器件连接固定松动, 从而引起虚接、断路等, 引发系统故障, 更严重的会导致功率器件烧毁, 造成重大损失的情况。鉴于这种情况, 搬安期间, 对可见的司控房、VFD房等的线路及电路板连接固定要反复检查紧固, 降低此类事故的发生概率。

4 编码器故障

故障经过, 某70LDB钻机为了进行丛式井施工, 对绞车供电及控制线路进行了改造, 完成后在调试的过程中发现绞车电机转速无法达到设定的最高转速, 屡次对电机参数进行了优化没有效果。最后从编码器选型上进行了分析, 更换了绞车电机编码器, 转速恢复正常。电机编码器故障也是电控系统常见故障之一, 除了编码器选型的问题, 其它如编码器线路短路, 联轴器疲劳损坏或者打滑导致转速不同步等, 最严重就是DTI板损坏等, 这一类故障现象比较明显, 由于无法形成反馈控制, 会造成转速低、扭矩大等, PMU上显示故障代码F051, 处理方法是对变频器参数进行修改, 由闭环运行改为开环运行, 保障正常生产, 再逐步寻找问题。开环控制的缺点是无反馈控制, 实际转速与输入转速有差异, 但是差异很小不影响钻井参数的执行。

5 外部线路连接故障

故障经过:某40LDB钻机为满足施工水平井的需要, 对转盘电机进行改造, 将原来300k W电机改为400k W, 更换完毕后, 现场进行调试, 发现转盘无法驱动。技术人员经过检查, 很快发现故障原因是转盘电机接线箱连接线路不准确, 现场人员对线路工作原理不理解, 一味死搬硬套, 线路连接错误。同样的故障类型, 动力线路打铁、连接松动发热烧断等, 还有司控房12V电源模块损坏或性能下降等, 转速控制手轮使用时间太长疲劳损坏等, 解决或预防这些问题发生只有经常检查, 观察设备使用情况用万用表测量电压或钳形电流表测量电流等, 另外就是要有配件储备。

6 发电机电源故障

故障经过:2012年7月17日, 某50LDB钻井队在井深3754米时通井循环, 两台柴油机带节能发电机, 突然节能发电机输出电压升高到450V以上, 造成电控系统5块电源烧坏。这类故障属于发电机电压故障, 通过事后查看变频柜参数, 电压升高导致变频柜保护停机, 但是由于是瞬间作用, 开关没有保护跳闸, 导致大量电源模块和开关电源烧毁。通过这起故障提醒现场操作者要合理分配发电机功率, 操作平稳, 井深2000米以后使用电压更稳定的VOLVO发电机组。

综上所述, 电控系统出现的问题大多是设备变更后故障率较高, 比如, 搬家安装, 设备改造, 设备更换等, 这都是由于考虑不周全或工作过程中不仔细所致。遇到电控系统出现故障时, 首先不要怀疑硬件损坏, 更不能轻易将元器件拆下来检查, 因为毕竟现场检测手段不齐全, 误判和解决问题的方法不正确, 有可能会人为制造新的故障, 造成重大经济损失, 浪费解决问题的宝贵时间, 甚至会造成井下复杂。所以出现问题后要进行全面、系统的检查和分析, 逐步缩小问题的范围。要认真检查各种控制开关是否被人动过、是否有误操作, 要询问发现故障的当事人, 要检查故障代码及指示灯工作状态, 还要操作和运行记录, 综合各种信息, 由表及里, 由浅入深、冷静分析, 有的放矢。

参考文献

[1]邵亲华, 马林昌, 索文刚.电动钻机电控系统故障浅析[J].电气传动自动化, 2010 (04) .

[2]孟祥卿, 雷耿, 李连忠.电动钻机电气控制系统故障排除浅述[J].石油矿场机械, 2006 (S1) .

交流变频拖动控制系统 篇7

关键词：电机拖动,变频调速技术,实际应用

变频调速技术即利用电动机工作的转速和电源输入频率的关系, 调整改变电机工作时产生的电源频率从而使电机工作转速发生改变。在科技日益发展的今天, 变频调速技术已经出现在我们日常生活或工作的各个领域。另外, 变频调速技术也出现了很多种的控制形式, 主要分为智能控制方式和非智能控制方式, 在这两大类控制形式下, 又分为转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、神经网络控制、模糊控制等多种具体操作形式。其中, 矢量控制应用的范围很广, 甚至渗透到高性能、专业驱动领域中, 如我们所说的变频冰箱和空调就是矢量控制的典型实例。变频调速技术正日益融入我们的生活, 使我们的生活朝着一个新的方向前进。

一、电机拖动中变频调速技术的应用

一般来说电机拖动也包括很多方面, 例如直流电机、电机系统的运动方程以及直流电机的静态特点和动态特点再加上变压器等方面。而我们从控制类别方面来分析, 卸油泵电动机的变频调速系统就是转速开环, 而电源变频调速系统则是通过恒压频律比来进行控制的。在实际的操作当中我们如果想要完成对输出直流电压的控制, 其核心依据还是电压。

通过速度给定可以得到在整个电力系统中的控制信号, 即使在出现跳跃变化情况进行速度给定, 也能够控制调节逆变器的输出电压以及电流的规律变化。根据这种情况, 我们应当对给定积分器进行设定, 使用斜坡输出信号替代跳跃输入, 通过这种方式实现对电机的正转和反转的有效控制。在实际操作中我们可以发现, 整个电机拖动系统在运行的过程中可以利用正负电压来进行有效的划分速度给定和积分器的输出数值。由于正值信号电压主要是对变流器的输出电压和逆变器的输出频率进行控制, 所以在对变换器的绝对值设置方面比较接近。而在实践当中我们也可以发现, 变频器系统的调速范围相对较广, 同时也具有较好的调速平滑性, 这种特点对于电机在启动的时候的性能具有良好的改善作用, 在电机拖动当中也会起到很好的效果。

例如大庆油田电力拖动装置改良成变频调速技术。大庆油田作为大型油田, 产油量非常之大, 相应的, 也就需要大量电能带动各种机器运作。但又因为很多区域地质条件属于低渗透油田, 所以很快就被开采殆尽, 需要重新勘测采油地点, 这样, 耗电量大但用电效率低的状况时有发生, 增加了很多成本, 是对电力的巨大浪费。通过实践, 在大庆油田应用了变频调速技术。每年较原来能够节能50%以上。

二、变频调速技术应用的合理性分析

(一) 无功补偿原理的作用

无功补偿装置主要是为了提高供电效率, 改善供电环境而设置的。它运用了可以将两种负荷之间能量交换的原理, 对供电变压器以及输送线之间出现的损耗进行补偿。可以说无功耗补偿装置在供电系统中已经成为了不可替代的重要部分之一, 在电力系统中选择了合适的补偿装置就可以对电网功率因数进行极为显著的提高, 最大程度地减少网络损耗, 帮助电网质量产生一个质的飞跃。

在选择无功补偿装置进行使用的过程中, 一般来说会将分组投切的电容器以及电抗器进行使用, 同时也经常会用到跳线机以及静止无功补偿装置。此外, 我们也常将调压装置引用过来以满足无功平衡的要求, 保证符合电压质量标准。不仅如此, 还需要对变电站中的无功率调节能力进行考量, 根据实际情况将电压优化以及功率因数给进行广泛的应用, 在实际的操作过程中应当积极使用更为先进的技术, 例如电网无功管理系统软件等技术含量较高的内容, 通过这种方式推动电网质量得到更加全面而迅速的提升, 使得电网的运行更加安全可靠。

(二) 变频器负载标准

与变压器和电动机等运行相比, 半导体类型的发热时间较短, 在计算发热时间时通常采用分钟来计时, 一旦出现温度过高, 那么将会带来很大的机器运行问题, 这些都要求对电机变流的负载规定出严格的界限划分。

目前市场情况下主要包括几级形式, 第一级负载输出即是电流的完全输出, 这一级不会出现过载的情况。第二级可分层输出基本负载电流, 在一定时间里的负载可达一半。第三到第六级的过载时间远远超过前两级, 故目前一般是对前两级的销售。另外, 在对变频器的选择中, 还要正确把握机器的负载性和调速范围等情况。

三、变频器运行的可靠性分析

众所周知, 机器在工作过程中, 会随功率的大小产生相对应的热量。而通过实验调查发现, 变频器的工作运行也会受到温度的很大影响, 若功率较大, 就要采取降温措施来保证机器的正常运转, 一般采用在顶部安装换气扇的方法来达到排放热空气, 换来合理温度的空气, 以改善变频器内部的工作环境。而对于特殊情况就要有相应的措施来应对, 如在位于我国南部的地区, 夏季温度较高, 若想保持电机内部温度在50摄氏度以下, 一般的换气扇方法就并不适用, 如果安装更迅速的降温设备, 如空调, 虽然可以在短时间内起到降温效果, 但却会影响正常的通风, 再加时空调运作时的噪音, 可能还会对变频器的工作起到反作用。

因此, 我们要将散热系统做到科学合理:将排气通风管道安置在柜顶距离室外距离近的地方, 结合具体情况, 找到最合适的排放热气的通道。另外, 在对变频器的选择和定期维修上, 也要做到科学准确, 这样才能保证变频器的工作寿命和工作效率发挥到最大化。

结语

随着时代的发展和社会的进步, 社会生产与生活中的各个地方对电力的需求都在增加, 所以电力系统运行是否稳定安全对社会生活能否健康而长久的发展起到了至关重要的作用。面对这种情况, 我们必须不断地改善电力系统, 为社会生产生活中提供便利和保障。本次分析研究对电机拖动中变频调速技术的实践应用进行了分析, 认为将变频调速技术应用到电机拖动当中将会使电力系统更加安全稳定, 也更加高效。而在未来的电力系统更新当中, 我们也应该不断总结经验, 自我完善和提高, 使电力系统产生一个质的飞跃。

参考文献

[1]张永惠.我国高压变频调速技术的发展[J].中国企业自动化和信息化建设论坛暨中南六省区自动化学会学术年会专辑, 2004 (11) .