调速控制系统（共12篇）
调速控制系统 篇1
摘要：基于汽轮发电机机电液自动控制调速系统, 采用微处理器DPU为核心的, 具备CRT显示、控制操作、打印记录、系统试验等功能的独立完整的控制系统。机组的启停运行操作和监控、系统的自诊断信息等集中在操作员站的CRT画面上和键盘上, 通过键盘和CRT画面能完成所有控制操作, 及获得系统运行的各种信息。
关键词：液压调节系统,MACS-II,DEH
在火力发电过程中, 汽轮机的控制至关重要, 不仅在开车阶段要通过汽轮机的转速调发电机频率和同期, 在并网运行时更需通过控制汽轮机的驱动蒸汽量调节发电机的输出功率.中煤集团哈尔滨煤化工有限公司原汽轮机的调节保安系统是采用流量平衡原理设计的, 其调速器为脉冲泵式, 采用油压力反映转速。主汽阀之自动关闭器, 为手操开启。油动机滑阀为机械弹簧力平衡式。危急遮断器滑阀没有辅助安全油, 遮断电磁阀及手动打闸, 不控制危急遮断器滑阀。
1 DEH的组成
DEH控制系统由三大部分组成:电子控制柜硬件;控制系统软件;液力执行机构。和利时公司的DEH电子控制柜由MACS-II DCS系统中的一个现场控制站构成, 详述如下:
硬件组成:DEH是以微处理器DPU为核心的, 具备CRT显示、控制操作、打印记录、系统试验等功能的独立完整的控制系统。机组的启停运行操作和监控、系统的自诊断信息等集中在操作员站的CRT画面上和键盘上, 通过键盘和CRT画面能完成所有控制操作, 及获得系统运行的各种信息。
DEH电子控制柜由现场控制站、冗余服务器、操作员站、工程师站、通讯网络、打印机、继电器盘、操作回路和硬接线手操盘等组成。
软件组成:DEH控制装置的控制功能, 主要由软件来完成。
控制系统软件:DEH采用MACS-II系统的Windows NT作为功能码进行系统组态的软件平台, 主控单元采用QNX软件。
多任务实时控制软件:QNX软件固化在现场控制站的主控单元上, 可以完成信号转换与处理, 控制运算, 通信, 自诊断, 自动切换等功能。
I/O板级软件:固化在输入/输出 (I/O) 功能模板中, 一般仅完成信号处理、与主控单元通信等较低层次的处理功能。
2 控制回路及控制功能
DEH控制系统的控制回路及其功能, 不仅仅局限于液压转速调节系统的翻版, 而是考虑到电厂综合自动化对汽轮机调节的要求来进行设计的。此外, 由于采用了微机控制装置, 在设计思想上应尽量把对整个控制装置 (包括发讯器及执行机构) 的运行状态纳入到微机的监视范围中。基于这种考虑, 在MACS DEH中设计了如下的控制回路和控制功能, 参看图1电调系统简化方框图
2.1. 控制回路
控制回路包括:转速控制, 频率控制, 功率控制 (功控) , 调节阀门开度控制 (阀控) , 机前主汽压控制 (压控) , 汽压及真空保护控制, 防超速保护控制, 装置等。
1) 转速控制回路。转速控制回路中包括转速目标值给定, 转速变化率给定, 转速参考值给定, 转速的PI调节器, 转速测量及三取二逻辑与相应的逻辑回路, 本回路承担汽轮发电机组的转子转速控制任务。2) 功率控制回路。功率控制回路中包括目标功率值给定, 功率变化率给定, 功率参考值给定, 机组一次调频对功率参考值给定的修正, 最大功率限制及限制值给定, 主蒸汽压力变化率对功率参考值的修正, 电功率测量及二选大逻辑, 功率PI调节器, 一次调频限制及汽压修正功率给定的投切等。3) 阀门开度控制回路。阀门开度控制回路包括目标阀门开度值给定, 开度变化率给定, 开度参考值给定, 左右高压油动机开度测量及大选逻辑和开度PI调节器。4) 机前主汽压控制回路。机前主汽压控制回路包括机前主汽压给定, 主汽压测量及大选逻辑和压力PI调节器。5) 汽压及真空保护控制回路。包括汽压保护值设定PV及此设定值对实际汽压P减去一常量PV信号的跟踪, 即当汽压保护回路不投时PV始终等于P-PV。汽压保护PI调节器和汽压保护的投切回路。真空保护回路包括真空度测量, 函数变换和真空保护的投切回路。6) 防超速保护 (OPC) 控制回路。MACS DEH装置中共有三处设置了OPC保护功能, 第一处在功率放大器中, 第二处在DEH模件中, 第三处在I/O控制站主控模件中。
上述控制回路可以完成如下这些控制功能:
2.2. 系统控制功能
大范围转速闭环控制功能
自动升速控制。根据机组的四种温度状态:冷态 (t 120 c) , 温态 (120 c t 300 c) , 热态 (300 c t450 c) 和极热态 (t 450 c) , 对应设置了不同的四条升速曲线, 司机按下某一温度状态和升速“自动”按钮, 并给出启机指令 (按启机按钮) 后, 转速控制器将机组由0转/分自动提速到3000转/分, 其间, 到达暖机转速后的暖机 (如500转/分, 1000转/分) 指令, 暖机时间 (t1, t2) 设定, 暖机时间已到后的再升速和到达临界转速区 (nc) 后的冲临界加速率的切换都将自动进行, 无需司机干预, 直到机组升速到3000转/分。在自动升速过程中, 若要改变升速率, 可按相对应的按钮, 这时“自动”升速指令自动取消, 若仍要求自动, 则再按一次“自动”按钮, 使“自动”灯点亮, 这时机组按新设定的变化率升速, 其他自动功能不变。
半自动升速。转速控制回路中, 设置三档目标转速 (500转/分、1000转/分、3000转/分) 给定, 前两档为暖机转速, 后一档为额定转速。
司机设定了转速变化率和目标转速并按下“启机”按钮后, 转速控制回路将控制机组按此变化率自动升速到所预定的目标转速, 不作停留。若在低于此目标转速处要求恒速时可按“保持”按钮, “保持”按钮灯闪亮, 机组恒速暖机, 要求继续升速时, 再按一次“保持”钮, “保持”灯灭, 机组继续升速, 如是, 直到机组达到3000转/分。在临界转速区内仍自动按冲临界转速区的变化率升速, 这时按“保持”按钮无效。
超速试验。超速试验功能是用于检测液调保安控制系统中, 危急遮断器撞击子动作转速试验的。机组转速到达3000转/分后, 若需作撞击子动作转速试验, 可按下“超试”按钮和“确认”按扭, 按钮灯闪亮, 这时, 目标转速自动设定为3240转/分, 升速率自动选择为100转/分2, 并且闭锁103%nO与110%的OPC保护功能, 机组将自动升速到3240转/分后恒速, 之后, 司机可按“点动超速”按钮, 使机组继续升速, 3240转/分后的升速完全置于司机的手动操作之下, 在超速试验的升速过程中, 如果想取消本次超速试验, 可再按一次“超试”按钮, 按钮灯灭, 目标转速给定自动回到3000转/分。
发电机频率及同期控制功能。机组启动到3000转/分后, 进入定速暖机阶段, 定速暖机结束, 发电机的励磁机投入, 发电机立即有电压输出, 为了顺利并网, 此电压值, 频率和相位应与电网的一致, 其中的频率与相位是由汽轮机来调整的, 这种调整称之为同期, 同期调整有两种手段, 一种是由自动同期装置发出增、减频率的开关量信号, DEH系统中的频率给定器接受此信号来增、减机组的转速, 每收到一个脉冲, 机组增或减1转/分, 这种控制称为自动同期, 另一种是由司机观察同步表, 手动操作频率给定的增或减按钮, 从而改变发电机频率, 达到同期目的, 增或减按钮每按一次, 转速变化1转/分, 这种控制称为手动同期。
机前主蒸汽压力闭环控制功能。机前主汽压是指主汽门前的蒸汽压力。主蒸汽管道中的汽压, 取决于两个主要因素, 一是锅炉中蒸汽的单位时间的蒸发量, 一是流入汽轮机的主蒸汽流量 (取决于调节伐门开度) 。这两个量相等, 管道中的压力就稳定。
MACS DEH系统中, 设置了主汽压力闭环控制功能, 以适应锅炉故障时的机跟炉控制, 维持汽压稳定和机组的安全运行。由于锅炉的响应速度很慢。为了改善调节品质加快汽压的响应速度, 在汽压PI调节器前, 设置了汽压偏差的微分信号以增加动态放大倍数, 提高汽压动态变化的响应速度。
防超速保护控制功能。机组甩满负荷后的转速超调量是衡量调节系统器动态品质的一个十分重要的指标。MACS DEH系统对于防超速保护控制 (所谓OPC功能) 给予了十分的关注。
MACS DEH中, 设置了三重OPC保护。三层OPC保护控制中, 第二, 第三层具有智能判断功能, 第一层和第二层获得了甩负荷后的快速关闭油动机的控制。三层保护互补, 并且也具有冗余功能, 置0信号的来源也是多路的, 即使油开关跳闸信号未测到, 甩负荷后的其他反映也能使调节阀立刻关闭。
调速控制系统 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。
调速控制系统 篇3
[关键词] 交流调速PLC变频器
随着工业控制要求的不断发展，对电机速度控制的要求也越来越高，一般都需进行闭环控制。交流电机调速的方法很多，调压、串级、滑差、变频等方式都不同程度地应用于各种各样的工控领域。随着变频技术的发展，变频器越来越多地被应用于调速场合。本文介绍的这种使用变频器实现交流闭环调速的方法，具有系统软起动、可带负载起动、配置灵活、控制精度高、可靠、经济效益明显等优点， 正运行于许多工控领域中。
一、系统组成及原理
变频调速系统框图如图1所示。系统采用了PLC和变频器调节交流异步电机转速的方法。
本文采用全数字式的系统组成，整个系统由PLC(带高速计数模块)、三垦vm05变频器(具有RS一485通信功能)、交流电机及旋转编码器组成。其工作原理为：给定的速度与经由PLC高速计数模块反馈回来的实际速度相减产生速度误差，经PLC运算可得控制量，再由RS一485接口输出到变频器以驱动交流电机，从而达到调节电机转速的目的。由于PLC与变频器之间没有采用D／A进行转换，而是采用RS一485进行数字通信，有效地提高了系统的抗干扰能力。
由于本系统中选用的PLC为可编程控制器S7—20O(CPU226型)，不能进行浮点运算，因此通过PLC与上位机的通讯接口，将运算数值送入上位机中，由上位机完成神经网络的计算，计算结果再送到PLC中用于控制。
二、PLC和PC机、变频器实时通信的实现方法
S7—200系列PLC通信方式有三种:一种是点对点(PPI)方式，用于与西门子公司的PLC编程器或其他该公司人机接口产品的通信，其通信协议是不公开的;第二种为DP方式，这种方式使得PLC可通过Profibus的DP通信接口接入Profibus现场总线网络，从而扩大PLC的使用范围;第三种方式是自由口通信方式，由用户定义通信协议，实现PLC与外设的通信。本系统中采用自由口通信方式CPU226提供2个串口，其中一个端口(Port1)作为DP口，另一个端口(PortO)为自由口，自由口为标准RS一485口，PC／PPI电缆带有RS232／RS一485电平转换器，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和PC机互联。如图2所示，在上述通信方式下，由于只有用了二根线进行数据传送，无法实现硬件握手信号，因此PLC和PC的通信必须协调进行。在本系统中考虑到PLC长期连续工作在采集信号、控制状态下，而PC机仅作为监控，因此PC机定时发出命令，该命令也作为握手信号。PLC一旦收到命令，在对命令进行确认无误后，返回该命令作为应答，然后根据命令组织数据并存入指定的数据缓冲区，上传给PC机，或准备接受PC机下转的参数，存入指定存储区。为了验证数据的正确性，将所有发送的数据累加，并将结果与发送过来的累加和进行比较，若相等则发送成功;反之则放弃这批数据，并发出错误信息给对方，要求对方重发，以确保修改后的参数实时传给下位机。
变频器与PLC通信。随着生产工艺对设备自动化的要求越来越高，通信功能已经成为现代变频器一种“标准配置”。采用通信的好处主要有以下几点:简化了硬件;提高了信号的传输精度;维护工作量小;能与高层网络方便地交换信息,从而实现工厂的高度自动化。
整个系统中PLC和变频器、上位机均通过RS一485进行串行通讯。要实现PLC对变频器的通信控制，必须对PLC进行编程；通过程序实现PLC对变频器的各种运行控制和数据的采集。S7—200PLC有数种通信模式，其中一种叫Freeport模式(自由通讯口模式)，在该通信模式下，通信口完全由用户程序控制，通信协议也由用户设定。在Freeport模式下，PLC与变频器之间是主从关系，PLC始终处于主导地位，借助XMT与RCV命令分别来发送和接收数据。
三、设计中应该注意的问题
在变频调速系统的设计中应该注意以下几点：
1.变频器在启动时，给定电压应以一定的斜率由0逐步达到设定值，以实现软起动的功能，减小起动电流对电网的冲击，节约电能;但在启动阶段不能进行PID调节，以防出现震荡。
2.用PLC组成闭环自控系统，在实现自动调节的过程中，为防止PLC的扫描周期的影响，PLC运算应采用定时中断的方式， 定时中断的时间周期，可根据系统的调速指标和控制精度来设定，同时还需要考虑系统在加给定到系统运行输出的时间延迟。
3.变频器、PLC、接触器等可安装在一台控制柜内，可就地或远程控操作，方式简单灵活。若生产需要，本系统也可方便接入DCS或上位机，建立人机界面的监控系统等。
4.系统延伸范围广，在多台电机同步 多台电机跟踪等应用中， 只需将本系统方法稍加扩展即可实现。
5.电机在变频或工频供电方式下切换时，须保证各接触器闭合和断开顺序以及足够的延时，以防止电机绕组产生的感应电动势加载到变频器的输出逆变桥上，造成损坏。
6.在大负载情况下，为了减小变频器高次谐波的影响，可在变频器的一、二次侧加电抗器。
四、结束语
本文介绍了一种用PLC实现电动机变频调速的理论基础和实现方法。该变频闭环调速系统，结构简单，配置灵活，具有良好的软启动性能及带负载能力，其动态性和稳态性均能满足高性能要求的生产场合。不仅可以获得与工控机相当的控制精度，而且还可以获得更高的可靠性和更强的抗干扰能力，满足了高稳定性和快速性要求，值得在设计过程中大力推广应用。
参考文献:
[1]刘竟成:交流调速系统.上海:上海交大出版社，1998
[3]王也仿:可编程控制器应用技术.北京:机械工业出版社，2001
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.
关于水电站调速器的系统改造论文 篇5
关键词：水电站：调速器;电力系统;系统改造
中图分类号：TU238 文献标志码：A 文章编号：1674-8646(2014)02-0120-01随着社会的进步和科技的发展，目前为止，人类的生产与生活已经离不开电力资源，电力资源的社会地位已经开始体现。水电站作为电力系统的基础设施，其故障分析和处理直接影响着整个电力系统的供电质量，调速器是水电站保证各电力系统协调工作的电气设备，它的故障分析、处理和系统改造直接关系到水电站电气工作的正常运行。水电站调速器
1.1 水电站调速器的论述
水轮机调速器是水电厂直接控制水轮发电机的专有设备，用于控制水轮发电机组的开机、空载、并网、增减负荷、停机等各个环节，在机组并网前能保证机组频率在50Hz士0.2Hz内调节，并网后根据负荷设定值调整机组负荷和按预先设定的参数参与系统的一次调频。调速器作为水轮发电机组的核心，直接关系到水电站输出的电能质量和供电可靠性，要时刻进行调整、试验和检查，才能避免故障的发生，保证日后安全地运行。
1.2水电站调速器的特点
1.2.1操作力大
水轮发电机组属于重型机械设备，因此具有外形大、质量重的特点。当水轮机工作时，由于通过的水流量比较大，因此在控制进水门时就需要很大的操作力。
1.2.2影响因素多，动作过程复杂
调速器主要的作用是进行由水流、水轮发电机和电能用户组成的能量转换体系。引水管中的水体惯性较大，调速器控制过程中形成的水锤产生反调效应，使水轮机调速器系统稳定困难，控制复杂化，调节过程中各部分工作情况的变化，都会影响调节过程。由于影响调速器因素过多，所以造成运行过程复杂。
1.2.3 调速器具有多种功能
第一，动作及时。在负载发生变化后，调速器反应快，动作及时，使机组在短时间内重新获得稳定。第二，动作准确。调速器对导叶开度的控制要与负载的变化一致。第三，过程平稳。调节过程中机组转速会发生波动，波动的次数少、幅度小，使过程平稳。
1.3水电站调速器出现的问题
1.3.1调速器稳定性差，灵敏度低，抗干扰能力差
主要体现在检修、调试过程中使用对讲机时，容易出现杂音。系统油压操作力差，经常有漏油和主配发卡的现象。由于杂质进入调速器导致主配引导阀动作迟钝，使调速器频率调节不稳。电液转换器由永久磁钢、线圈、十字弹簧、控制套、阀塞、旋转电机等组成，同时又设有节流孔，节流孔常因被油污堵塞而引起抽动，导致机组有功加不上去。
1.3.2电气元件易老化，故障率高
电机经常因旋转而被烧坏，导叶由于回路故障而无法自动打开或关闭。由于导叶接力器反馈信号不稳定，还会使出现位移反馈用的钢圈尺发卡、甚至出现折断现象。调速器触摸屏经常发生屏幕显示乱码，不能正常显示数据的情况。调速器电柜电源发生直流系统接地时，无法正确判断接地点，电源开关跳闸将会导致机组事故，当电源消失时，停机电磁阀将无法正常工作，导致机组不能正常停机，使事故扩大。
1.3.3系统结构复杂，维护量大，可靠性差
主配压阀控制油路是明管连接，油路走向复杂，带有节流孔，在运行过程中易发生卡阻故障而引发机组事故。机械柜内明管多，泄漏严重，保压能力低。水电站调速器系统改造
2.1水电站调速器系统改造进程
调速器系统结构的不断变革，从早期的缓冲式系统结构发展到中间接力器式系统结构，再到电子调节式系统结构。电子调节式转速死区较小，其动态、静态性能较好，调节规律准确简单，维护检修方便，便于实现标准化。微机技术的应用，便于进行信息交互，实现调节规律和运行状态的查询，提高了水电厂的自动化水平。
2.2水电站调速器系统改造
现行的旧式小型水电站水轮机调速器多为机械液压型，为了保证运行调速器获得不间断压力油源，其压力设备的油泵须频繁启动。但其自动控制系统大多较简单，技术落后，保护也不全面、不可靠，给运行人员带来许多不便，也给机组运行带来很多不安全因素，因此对水电站调速器系统进行改造势在必行。为了解决水电站调速器容易出现的故障，应对电路进行低压启动保护、热继电器保护、油压过高保护和其他保护等，保证调速器系统的正常运行，防止造成事故，给生产和生活造成损失。当正常输入回路有故障，到了启动压值而没有启动时，油压下降到故障低压值，故障低压回路就会启动并发出信号。当油泵电动机回路电流过大时，热继电器将接通油泵，继电器切断油泵主回路双向晶闸管，发出信号，并启动备用泵。当油压上升到最高值而油泵仍在工作，油压设备的安全阀动作，并启动保护，切断工作泵电源。
2.3改造的效果
调速控制系统 篇6
【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。
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。
参考文献
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异步电机矢量控制调速系统设计 篇8
关键词：异步电机,矢量控制,模糊PI调节
1 变频调速发展现况
变频技术在现代社会中对于节约电力的使用、保护生态环境、改善工业生产的过程、增强生产的效率和拓宽产品的使用环境以及突破技术瓶颈, 产生技术的飞跃式发展有着至关重要的作用。20 世纪70 年代以后, 大规模集成电路有了快速的发展, 使用计算机作为上位机来控制系统的运行也登上了技术发展的舞台, 加之现代控制理论技术的广泛应用, 使得交流电力拖动系统的运行条件有了很大的拓宽。
使用矢量控制的方式, 可以加快变频器的动态响应速度, 做到频率和电压的随动性。同时, 矢量控制系统响应快, 调速范围广, 对转矩进行精确控制。在对转矩控制要求高的场合, 以其优越的控制性能受到用户的赞赏[1], 因此文章将采用矢量控制调速。
2 模糊自适应PI调节器
交流调速系统的根本还是归结于电机的速度控制, 目前的控制方式中, 大量采用的仍然是传统的PI控制。为了解决PI控制调节器过分依赖于被控对象参数的缺点, 在电机的速度控制中引入模糊控制理论。模糊控制具有不依赖于被控对象精确数学模型, 便于利用专家经验, 适应性、鲁棒性强等特点, 能够很好的克服交流调速系统中模型和环境参数的变化[2]。
2.1 模糊自适应PI调节器的工作原理
模糊自适应PI控制器系统由PI控制器和模糊推理系统两部分构成, PI控制器实现对系统的控制, 模糊推理系统以误差e和误差变化ec作为输入, 根据PI控制器的两个参数 ΔKp、ΔKi与偏差e和偏差的变化ec之间的模糊关系, 在运行时不断检测偏差e及偏差变化ec, 通过事先确定的关系, 利用模糊推理的方法, 在线修改PI控制器的两个参数, 实现自适应控制。
2.2 模糊自适应PI调节器的控制方法
模糊自适应PI调节器通过不断的检测偏差e和偏差变化ec, 对Kp和Ki进行调整, 从而使被控对象具有良好的动、静态性能。为了进一步提高系统的调速性能, 在常规PI调节器的基础上应用模糊控制原理构建了模糊自适应PI调节器。在这里选择PI控制器参数的增量 ΔKp、ΔKi作为模糊控制器的输出。
3 异步电动机矢量控制系统建模与仿真
为了尽可能的使仿真模型简化, 文章采用了电流和转速负反馈的控制方式。同时为了使仿真时间尽可能的短且达到一定精度, 选用了离散控制系统。
3.1 矢量控制器
模糊自适应PI速度调节器的参数整定为:
其中Kp' 和Ki' 为常规PI调节器的整定参数, Kp、Ki为模糊自适应PI调节器直接作用于被控对象的参数。
3.2 转速改变的仿真结果
分别采用常规PI速度调节器和模糊自适应PI速度调节器对异步电机矢量控制系统进行仿真比较, 下面给出了相应速度仿真曲线, 如图2。
仿真结果表明, 模糊自适应PI速度控制器增强了系统速度调节的自适应能力, 无论是在较高还是较低转速, 系统都具有超调量小, 响应速度快等优点。
3.3 转速和负载均改变的仿真结果
现实情况下电机往往有负载转矩, 而且负载转矩会发生突然变化。因此我们就需要考虑转速和负载都改变情况下的系统响应。这样依然使用上一小节的方法, 把原来系统中的负载输入也换成step模块。速度初始值为120, 在1.5 秒时增加为160rad/s。转矩初始为0, 在2.2 秒增加为200N*m。仿真结果如图3 所示。
4 结束语
文章将模糊自适应PI速度调节器引入异步电机矢量控制系统, 改善传统PI控制系统的响应速度和稳态精度。仿真结果表明, 模糊自适应PI速度调节器超调量小, 响应速度快, 大大的改善了系统的动静态性能, 增强了系统速度调节的自适应能力, 具有较高的实用价值。
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焊接转台调速系统改造 篇9
车间焊接转台使用近15年, 电气控制系统采用TDGC型单相调压器进行设备转速, 这种速度控制方式存在一些问题: (1) 转台低速运转时有明显卡顿现象, 严重影响产品焊接质量。 (2) 无法精确变速和显示转速, 使用不便。 (2) 调压器对使用者有较大安全隐患。为此, 对焊接转台调速系统进行改造。
2.改造实施
(1) 保留直流电机, 经过调研, 改用直流电机控制器——博山电机SK400B型直流电机控制稳压电源, 进行电机调速。SK400B型稳压电源采用脉宽调制技术, 电枢输出电压稳定度高, 电枢电压从零到额定值连续可调, 使得电机调速极为方便。电源工作频率高, 确保电机在低速下能稳定工作, 不出现爬行现象。
(2) 改造控制面板, 使其直观显示各个功能状态。SK400B型稳压电源内部装有正反转继电器, 可实现正反转切换功能, 配合组合开关使电枢输出电压分别接入不同电机, 实现快慢速两挡转换。增加急停开关, 保证操作安全。将DP3A型数显电压表接入调速电位器, 用转速仪标定后, 可实现转速数字化显示, 使操作更加直观。
调速控制系统 篇10
一、变频调速系统主要特点
1. 明显改善结构受力状态。
由于变频器具有软启动、软停止的功能, 所以起重机启动、制动相对平稳, 对起重机的传动机构、钢结构的冲击明显减小。经检测证实, 变频调速控制系统的应用可大大改善起重机结构的受力状态。
2. 调速范围宽, 性能好。
起重机专用的变频器一般具有很强的环境适应性, 由于变频器内部进行了模块化设计, 集成度高, 可靠性强。系统实现闭环控制, 具有很强的限速、防失速和力矩控制能力, 并具有优良的伺服响应特性, 对急速的负载波动有很强的适应性。操作者可根据作业要求, 随时修改各挡速度值, 也可选择操作电位器实现无级调速。
3. 结构简单、可靠性高、易维护。
变频调速控制系统采用独立的控制柜, 系统设计合理, 外观结构简单, 检修方便。尤其是起升系统用一套装置即可实现原两套起升控制装置的功能, 既减轻了小车的自重, 改善了钢结构的受力状况, 又增加了小车的维修空间, 便于日常保养和维护。系统还具有过流保护、过压保护、欠压保护、短路保护、接地保护等功能, 确保了控制、保护动作的准确性和可靠性。变频调速控制系统还具有自诊断功能, 通过同PLC的通信来实现故障实时显示及处理对策, 便于查找故障和维修。
4. 提高工作效率和减小机械磨损。
起重机起升系统可根据负荷大小自动切换实现空钩、副钩、主钩等多挡不同的工作速度, 减少了速度切换交替的辅助时间, 降低了司机劳动强度, 可大大提高起重机的作业效率。同时由于变频器采用软启动和软制动, 不仅减小了对钢结构的冲击, 还减轻了制动轮与刹车片间的磨损。
5. 提高了安全性。
起升机构实现了闭环矢量控制, 具备了零速转矩的功能, 即在起升机构制动器出现机械故障而失灵的情况下, 变频器可自动输出足够大的转矩 (大于150%) 不使负载下滑, 从而提高系统的安全性。
6. 超载报警。
(1) 90%额定载重量时, 发出断续的报警声, 显示重物质量值但正常工作。 (2) 105%额定载重量时, 发出连续的报警声, 2s后自动切断变频器输出, 显示重物质量值并停止工作。 (3) 120%额定载重量时, 发出连续的报警声, 立即自动切断变频器输出, 显示重物质量值同时停止工作。
7. 节能效果显著。
一般变频器具有自动节能操作模式, 同时能较大地提高系统功率因数和工作效率, 因此节电率可达20%左右。
二、控制方式及起升电机的选取
1. 起升系统采用矢量控制, 一台变频器控制一台起升变频电机, 其速度的自动切换由变频专用质量测控仪和可编程控制器来完成, 大、小车系统控制采用V/F控制, 各由一台变频器控制多台电机。所有限位保护触点均作为PLC的输入点, 经程序处理再进行保护。
2. 起升电机的选取应考虑具备较宽的调速范围, 采用变频电机代替普通的线绕式电机。变频电机在闭环控制条件下, 50Hz以下为恒转矩调速, 50~100 Hz为恒功率调速, 其绝缘结构具有对于变频器输出高载波频率电压的适应能力, 能够承受200%额定转矩的过载, 满足125%额定起重量的静载试验。
3. 选用可靠性高、编程简单、使用方便、功能完善的PLC代替原继电器、接触器控制方式, 与变频器相结合, 实现“机电一体化”。
由于变频器的干扰因素较多, 对PLC的参数采集要考虑干扰, 因此在配线和接线等操作时要注意抗干扰的措施, 输出线要采用钢管作屏蔽处理, 所有的控制线都采用屏蔽线, 而且要注意接地问题。同时在编制程序时, 要采取软件抗干扰措施。
三、变频调速对起重机整体的影响
1. 变频调速对起重机特性的影响。
起重机实际载荷具有多变性, 不仅在不同的循环中可能有不同的载荷, 即使吊同样的物件载荷也是随机变化的。载荷的变化与离地时的情况、加减速度、制动时间、风阻力等因素有关。 (1) 变频调速改变了载荷的离地速度, 做到零速起升, 降低起升机构的动应力系数;加减速为无级调速;增添电制动形式, 降低机械制动冲击力;降低制动器制动力矩及起重机自重。 (2) 变频器的应用可节省控制柜空间, 发挥PLC总线控制或遥控器操作的优势, 同时一套变频器可供不同时工作的多机使用, 可节省大量输电线及一次性投资。 (3) 高功率因数, 低启动电流。变频调速在满载运行时电机具有高达0.9以上的功率因数、下降过程不从电网提取能量或向电网反馈能量的特点, 降低了对前级变压器的配置要求, 节约能源及一次性投资。 (4) 变频调速的应用优化了起重机的工作性能, 提高了起重机整机寿命和机构的定位精度, 改善了劳动强度及人机关系。
2. 变频调速对结构件的影响。
变频调速降低了载荷离地时的速度及载荷离地瞬间产生的附加加速度;减少了载荷离地瞬间对起重机的动态冲击值及附加加速度引起的附加动应力载荷。变频调速能降低起升动载荷系数值, 从而可降低起重机动载载荷及起重机的自重。
3. 降低电机启动力矩。
欧洲机械搬运协会标准 (FEM) 对不同类型电机的启动转矩M有相应的规定:直接启动的鼠笼电机Mmin/MNmax≥1.6 (Mmin为电机最小启动转矩, MNmax为电机最大额定启动转矩) ;滑环电机Mmin/MNmax≥1.9;调压和变频类电机Mmin/MNmax≥1.4。变频调速对启动转矩的降低, 可进一步降低动载荷对机械结构及传动部件的强度要求。
4. 回转和行走机构。
变频调速的S特性可消除速度切换过程中的力矩冲击, 力矩可变及电制动特性的应用, 可消除反向切换过程中的齿间间隙造成的冲击力矩, 降低机械制动时的运行速度, 从而降低对制动力矩的要求, 减少制动冲击, 提高运行或回转机构部件的使用寿命。变频起重机行走机构的减速器、传动轴等传动部件的力矩选择可按传统机构的1/1.5选用。
四、结论
水电厂调速器系统故障处理 篇11
关键词：调速器 系统故障 故障分析
0 引言
某水电厂机组自调速其改造投产以来，设备运行情况良好，各项技术指标基本能满足要求。但调速器系统仍然发生几起故障，虽然未造成严重后果，对机组及电网系统还是造成了一定的影响。为了保证机组及系统的安全运行，本文对调速器系统故障进行了调查与分析，最后总结出原因与预防方法以杜绝类似故障重复发生，防患于未然。
1 故障发现
故障1：2008年4月20日，运行人员接调度令开某号机组，运行人员在中控室监控系统的上位机进行远方操作,某号机组启动后转速迅速上升,在极短的时间内转速≥140%,机组过速保护装置运作,该机组自动进行事故停机。但在停机过程中紧急停机第一次动作失败，再自动进行第二次紧急停机动作后导叶全开以上信号复归。在第三次紧急停机动作后导叶全关，机组转速＜95%，在经历三次紧急停机动作后，紧急停机成功执行，经检查未发现明显问题。故障2：2008年4月24日，运行人员在开同一台机组时发现，和4月20日故障相似，机组启动后转速迅速上升,在极短的时间内转速≥140%，运行人员迅速采取紧急停机动作、落进水口闸门动作和自动停机令动作。但第一次、第二次和第三次紧急停机动作全部无效，直至第四次紧急停机动作后导叶全开以上信号复归。在第五次紧急停机动作后导叶全关，机组转速＜95%，在经历五次紧急停机动作后，紧急停机才成功执行。
2 故障初步检验
针对以上现象在进水口闸门下落、导叶无水的情况下对该机组调速器故障进行检验：首先，利用机械手操机构进行多次导叶开闭试验，导叶均能正常动作；利用现地电手动按钮进行多次导叶开闭试验，导叶均能正常动作，且导叶主反馈显示正常，步进电机局部反馈电压正常；导叶开启状态下，多次利用紧急停机关闭导叶，动作正常；对两个反馈电位器相关电气回路的各接线端子进行检查正常。其次，用现地电手动方式将导叶开至30%开度，停止按钮操作，此时导叶自动开至100%开度。导叶停在100%开度时，步进电机始终在往关侧快速旋转，其传动轴及局部反馈装置均压在行程最下方。用现地电手动方式将导叶从100%开度往回关，在导叶关至70%开度时，停止按钮操作，此时导叶自动关至0。断开调速器电源，手动将导叶步进电机转盘向开启方向旋转一定角度，松手后恢复调速器电源。调速器电源恢复后，导叶突然由0开至100%开度。此时将紧急停机电磁阀推向停机侧，导叶未能正常关闭，且多次操作导叶均无反应。现地电手动将导叶关回，在关闭调节过程中发现调速器滤网后油压严重偏低，且操作过程油压波动较大。网前油压为2.0Mpa，停止操作时网后油压为0.9Mpa，操作过程压油最低值达到0.55Mpa。此次操作未出现导叶自动突然全关的现象。现地电手动将导叶关至0后，重新将导叶开启，在开启过程中滤网后油压波动较小一些，最低油压值为0.8Mpa。此次操作未发现过程中导叶突然全开的现象。再次，将调速器滤网人为堵塞，网后压力为0.8Mpa后进行试验：更换步进电机局部反馈电位器。模拟中控室自动开机流程，在导叶开启过程中将导叶主反馈断线，导叶开至启动开度（26%）后，因未检测到机频，短时内便关回至最小空载开度（10%）。将导叶主反馈恢复正常，模拟中控室自动开机流程，在导叶开启过程中将步进电机局部反馈电位器断线，导叶开至24%时维持开度并出现持续的抽动现象。将步进电机局部反馈电位器恢复正常，试验并检测紧急事故停机电磁阀，电磁阀工作正常，但导叶未动作。对调速器电液伺服阀、引导阀、辅助配压阀及主配系统进行解体检查处理，所有配合部件未发现明显异常。只有电液伺服阀阀芯与其配合部件有局部轻微卡涩。通过研磨处理后，电液伺服阀及引导阀的配合部件均能正常动作。对滤网及所有集成管道进行清洗和吹扫。调速器恢复后，在额定工作油压（2.0Mpa）条件下进行各项试验，均正常。最后，对调速器集油槽清洗检查，集油槽排油后，发现靠污油侧第一道插板滤网上布满了棉絮，集油槽底部排油口边上发现一块棉布，棉布由于在透平油中长时间浸泡已经腐烂。对比发现，集油槽中漂浮的棉絮与调速器滤网上堵塞的棉絮相同。
3 故障诊断结论
在整个故障分析试验过程中，导叶主反馈及步进电机局部反馈均动作正常。将两个反馈分别进行断线处理时，模拟自动开机过程出现的故障现象与本次机组故障时的现象不一致。因此排除反馈电位器故障因素。由于在调速器液压随动系统解体检查过程中未发现明显的异物卡涩和部件磨损卡涩，因此液压机构卡涩因素也可以排除。根据故障排除情况分析，故障是由于某号机调速器工作油压是在必须在高于1.4Mpa的范围内才可以进行工作，否则将低油压事故停机。而当超出正常工作油压范围时，就会有异常现象发生。但在实际运行中，某号机调速器控制极油压压力只有0.9Mpa，发生了滤网严重堵塞，但取自压油罐的动作低油压事故停机的油压又显示正常。根据实践和理论分析在滤网严重堵塞的结果下将产生以下现象:
3.1 自动情况下，自动开机螺纹针塞右旋转，将控制压力油（上腔）与活塞下腔导通，由于滤网堵塞严重，供油不足，活塞只能缓慢向上移动，带动引导阀向上运动，同时主配压阀活塞向上随动，导叶打开。开机过程中导叶开机顶点大于空载开度，接近空载时导叶回关，步进电机螺纹针塞左旋转，将活塞下腔与回油导通，滤油器向上腔供油，此时滤网堵塞严重活塞只能缓慢向下移动，这时回关迟缓，调速器控制主体PLC接收不到小反馈回调的信号，步进电机就会不停的向左旋转，此时导致压力油与回油导通，活塞不能随动，压力表显示为0，此时导叶开度大于空载开度，导致机组过速。
3.2 手动操作步进电机手轮时，如果不频繁操作，压力油勉强可以维持操作，故操作正常；如果频繁操作步进电机就会产生失油现象，供油不足导致步进电机紧急停机失败。紧急停机芯塞动作要克服复中弹簧约20公斤的力，在失油的情况下紧急停机无法动作。（注：紧急停机芯塞腔受压面积为直径1.9cm的圆，经换算使弹簧动作的最低稳定油压要求值为0.7Mpa。）
3.3 由于造成调速器失控的主要原因是滤网后失油，而贵厂所做滤网堵塞模拟试验无法与故障发生时的失油情况完全吻合，因此模拟滤网堵塞时导叶未出现相同的故障现象。
4 结论与建议
根据以上对该水电厂某号机组调速器的故障分析与排查我们可以确定调速器滤网堵塞严重是造成网后油压过低和调节过程中液压随动系统失油的根本原因，而网后油压过低和液压随动系统失油则直接导致调速器调节过程中失控，并致使机组过速。根据故障产生的原因本文建议生产管理人员在调速器运行过程中要注意以下方面：
4.1 注意设备维护 首先，调速器集油槽油化验不合格时，维护人员在收到化验单后2天内应完成滤油或换油工作；其次，在油化验正常的情况下，维护人员每年至少要对调速器集油槽进行一次滤油工作；第三，调速器滤网前后压差应作为维护人员日常设备巡检的重点项目之一。当压差超过0.2Mpa时，维护人员应通知运行人员切换滤网，并于当日对堵塞滤网进行清洗。由于静态时油压差可能不大，应该完善调速器滤网前后压差超标告警流程的设置工作，保证在线监视。要求实现当滤网前后压差超过0.2Mpa时，中控室监控画面应有告警信号。
4.2 坚持设备检修 首先，调速器滤网清洗工作纳入机组小修标准检修项目，必须严格执行。小修三级验收表中应对滤网的清洗情况予以详细说明。其次，机组大修过程中，清洗调速器集油槽时应避免使用容易脱毛的抹布，以免在油中留下不容易检测到的漂浮物。在充油前应进行认真检查，确保油槽中没有杂物遗留。
参考文献：
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调压调速系统的应用 篇12
关键词：调压调速,遥控行车,电机,机械特性,数字无触点
在现代工业企业中, 起重机已成为不可缺少的设备之一, 其作用日益重要, 是实现生产过程机械化和自动化、减轻繁重体力劳动、提高生产效率和实现安全生产的重要设备。本文通过重钢遥控行车现实改造为案例展开阐述。
1 项目实施原因
重钢脱硫区域31#50t/20t行车用于吊运脱硫渣锅和其他辅助作业, 工作非常频繁, 行车工作级别设计偏低与现场实际频繁作业的工况不符;该行车处于脱硫高温区域, 加之除尘效果又极差, 粉尘很大, 导致该行车清扫后又很快被粉尘覆盖, 接触器等设备经常由于粉尘原因而导致卡阻短路等现象, 继而造成整机故障频繁。73m转炉塔楼20#32t/5t行车主要用于吊运转炉烟罩、氧枪、副枪及其它设备, 该行车工作环境温度极高, 粉尘很大, 与当初设计工况相差很大, 因而导致该行车故障极高。
该两台行车的拖动系统采用交流绕线式异步电动机, 转子回路内串入多级外接电阻来分级调速, 采用遥控器、继电器、接触器控制, 这种调速方式实现简单, 但是存在诸多缺点。
1) 绕线型转子串电阻的调速机械特性软, 调速性能差;无法实现平稳的起动和制动;已经不能满足现代生产工艺的要求。
2) 串电阻调速是一种有级调速方式, 通过接触器的分合完成对转子串联电阻的切换, 从而调整电机的转速, 在进行电阻切换时会对电网及天车的机械部分带来不可避免的冲击。
3) 主回路中采用正反转接触器实现电机换向, 实际操作中操作者为了调整桥式起重机的工作状态, 频繁采用反接制动 ( 俗称打反车) , 切换电流大, 接触器和电机工作状态恶劣, 设备故障率高, 维护强度大, 维护成本高。
4) 起重机起动、调速时转子所串电阻为纯耗能元件, 浪费大量电能。另外, 由于调速电阻的限制, 调速范围窄, 起动转矩小, 延长了起动时间, 影响生产效率。
5) 系统抱闸是在运动状态下进行的, 对制动器损耗很大, 闸瓦磨损严重。在很多的生产现场需要起重机吊运的重物准确定位, 并且具有较高的生产效率, 但老式的转子串电阻调速系统很难同时满足准确的定位 (慢速) 和提高生产效率 (快速) 两方面的要求。操作者为了准确定位, 采用点动的办法是重物一点一点地移动, 这样就会对起重机的机械结构和电气设备带来有害冲击, 严重影响其使用寿命。
2 采取的措施、实施的技术改进
由于上述诸多缺点, 该两台行车已不能满足繁重生产的需要和现代生产工艺的要求, 对其电控系统的改造已迫在眉睫。
采用调速系统进行控制可提高起重机的使用性能。
1) 具有良好的低速、高速性能。低速可以实现物体的准确定位, 高速可满足提高生产率的要求, 妥善解决准确到位和高生产率的矛盾。
2) 同时具有良好的起动、制动特性, 抑制有害冲击。在重物上升方向加速时, 负载的加速转矩会对机械设备产生巨大冲击;下降减速停车时, 由于机械制动器参与减速停车, 因此也回产生过载冲击。这些有害的机械, 影响机械部位、起重机钢结构、起重机制动部件的寿命。另一方面, 当电机在加速和减速时, 会产生很大的电流。过大的电流将对电机等电器设备造成影响, 影响使用寿命。为了抑制有害冲击, 在重物加速上升时, 调速系统能够有效的控制加速度时间;在重物下降减速时, 调速装置能够按照设定的减速的进行电制动, 等待速度降到低速时才进行机械制动, 在机械制动完全闭合前, 保持电制动转矩。确保了制动平稳、防止重物下溜。
3) 减少或避免电动操作次数, 减少机械部件和电动机、电器元件的冲击, 提高电器元件的使用寿命。
点动操作对行车电气设备存有巨大影响, 点动操作是指将电机接通电源, 但不等待电机起动结束, 就切断电源。使电动机总是工作在启动状态, 而电机的起动电流将大于额定电流, 如果点动操作次数多, 电动机的温度上升很快, 极易损坏电机绕组。对于接触器、继电器而言, 点动次数就是开断次数, 接触器就是开断电机的起动电流, 这样接触器的触头磨损大大加快。所以点动操作无论对电机的绕组还是接触器、继电器触头盒线圈都十分不利。
此次改造主要针对其原有落后的控制方式, 将转子串电阻的有级调速改为定子调压无级调速。调速装置选用鞍山起重控制设备有限公司生产的定子调压调速系列产品数字无触点可控硅换向。由于新技术的应用, 原有的电气设备已不能满足新的要求, 所以需要将其更换;如电阻器, 电控柜等。利用原有电线电缆, 原则上不更换;若遇电缆老化严重等特殊情况, 则必须更换。将原有转子串电阻有级调速改为定子调压调速控制, 克服原有控制方式的缺点;提高可靠性, 减少设备的故障率, 减少维护成本和维护强度;提高生产率;节能降耗。
该两台车的此次电控系统改造主要包含以下几个方面。
2.1 改造范围
更换主、副起升电气控制柜更换主、副起升电阻器更换大、小车电气控制柜。
1) 更换电气控制柜。
(1) 更换主起升控制柜。
目的:将原有转子串电阻有级调速改为定子调压调速控制, 克服原有控制方式的缺点;同时控制柜加设散热风扇, 提高可靠性, 减少设备的故障率, 减少维护成本和维护强度;提高生产率;节能降耗。
(2) 更换副起升控制柜。目的:同上。
2) 更换电阻器。
电阻器由原铁烙铝更换为不锈钢电阻器。
3) 更换大小车电气控制柜。
目的:将柜体器件更新, 加设散热风扇。
4) 全车电线、电缆利旧, 若遇电缆老化严重等特殊情况, 则必须更换。
2.2 工作原理
1) 调压调速装置工作原理说明。
(1) 控制器工作前, 安全检测电路对三相电源进行检测, 如出现错相、缺相、严重相不平衡、供电电压过低或反馈线断路等, 控制器则不工作进行封锁保护。
(2) 控制器具有延时功能, 防止操作人员快速点动操作, 保证平稳的加速和减速, 防止对电机和减速机的冲击。在两个运行方向上均设四档速度, 10%、20%、30% 速度, 当选择四档100% 速度时, 电机沿斜坡加速到全速。
(3) 对起升机构, 有两个加速模块, 分别在50% 速度 (25Hz) , 75% 速度 (12.5Hz) 时接通, 以平稳加速到全速, 加速过程中切换时的峰值电流限制在满载电流的两倍以內。
(4) 当电机超载时, 加速模块立即释放, 防止电机严重超载。
2) 机械特性分析。
众所周知, 改变定子电压可以改变电机机械特性。电动机定子电压的改变, 可以通过在定子上串联反并联晶闸管并控制其导通角来实现, 利用晶闸管调节定子电压是可以实现三相绕线转子异步电机低速稳定运行, 但这种调速是开环调速。
开环调压调速, 特性硬度不够, 速度波动率很大。
而单独的改变转子电阻的人为机械特性调速平滑性又不好, 属有级调速, 不能长时间低速用行, 只能依靠电机与转子电阻消能。为了提高调速性能, 采用定子调压转子串电阻闭环调速系统, 反馈方式为转子平率反馈。当给定电压vg大于反馈电压Vf时, PID输出V0 增加, 晶闸管导通角增大, 电机定子电压升高, 电机加速。当给定电压vg小于反馈电压Vf时, PID输出V0 减小晶闸管导通角减小, 电机定子电压降低, 电机减速。当vg=Vf时, V0 不变, 晶闸管导通角不变, 电机定子电压不便, 电机稳定运行。
下图为闭环调压调速时电机的机械特性曲线图阴影部分为闭环调速区, 转子按三段电阻切除, 得到转子串电阻的特性;1 为反接制动特性 (全电阻) ;2 为重载起动和提升的闭环区的特性;3 为起升加速特性;4 为高速运行特性 (转子包含一段软化电阻) ;5 为电机自然特性。
闭环控制机械特性保证了启动力矩同时提高了调压调速机械特性的硬度。上升1、2、3 档工作在闭环状态, 此时转子电阻串在转子回路中, 见2 特性。第4 档为全压开环工作状态, 并在第3 档到第4 档的加速过程中切除两段电阻, 只剩一段常接软化电阻, 加速到特性4 的曲线和负载特性线的交点稳定运行, 此时电机高速运行。减速时, 电阻接入, 机械特性由4 变为2, 电机沿曲线2 运行, 系统重新进入闭环。
3 取得的成果
通过此次改造, 克服转子串电阻调速的缺点, 减少设备的故障率, 减少维护成本和维护强度, 提高生产率, 节能降耗。
1) 采用调压调速改造后, 实现平滑调速, 且效率极高, 与原有串电阻调速方式比较, 起动更平稳、定位更准确。
2) 系统中选用了鞍山起重控制设备有限公司生产的定子调压调速系列产品, 内部集成的抱闸逻辑控制, 提高了系统应用的稳定性和可靠性; 同时无极调速电阻使用数量减少, 无论故障点还是硬件消耗都大大减少。
3) 卷扬、制动、加速、减速等过程更平稳快速, 定位更准确, 节能效果明显。
4) 控制回路简单, 实现了软启、软停, 对齿轮、电机无冲击, 故障率低, 易于维护, 大大减少维护费用。
5) 提高了行车的可靠性和安全性, 延长了使用寿命。
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