自动控制变频调速系统（共12篇）
自动控制变频调速系统 篇1
1 前言
1.1 背景
随着社会经济的迅速发展,人们物质文化生活水平的提高,大批的高楼拔地而起,电梯已经成了人们生产、工作、生活中重要的运输设备。面对科技的发展,电梯的要求也是日新月异,特别是节能方面的要求。深圳出台电梯节能的有关规定,为了配合国家对电梯的节能要求,在2007年1月在欧特电梯公司,对电梯进行节能改造。2007年4月在广顺电梯有限公司,对某公司的旧电梯进行设备改建。由于某公司的旧厂房电梯使用时间过长,能耗较大,经常出现故障,可以说是难以维修,严重影响日常工作的使用。因此需要电梯改建。
1.2 原因分析
对旧电梯进行勘察、分析,发现旧电梯是双速电梯,采用电抗器进行调速,运行平层时有明显的震动,而且运行噪音过大,感觉电梯不是很安全。进入井道进行检查,发现里面的布线有点乱,甚至有些已经老化。造成原因是由于井道限位开关过多,如平层开关、加速开关、减速开关。由此,必须解决三个问题。
第一个问题:平层时的震动是由于电抗器的老化,而且本身的调速效果明显不够平稳和舒适造成的。解决方法:采用变频调速技术,使其加减速平稳舒适。
第二个问题:井道开关过多,有减速开关、加速开关平层开关。解决方法:采用一个光电平层开关,用脉冲控制加、减速。
第三个问题:采用电抗器调速的电梯能耗过多、噪音过大。解决方法:采用变频调速提高能源的使用效率。
2 电气设计分析
根据解决问题的思路,开始进行电梯的改建。改建地点在该公司的新厂房。采用PLC控制变频调速控制电梯。PLC选用FX2N-64M,变频器用VS-616G5通用变频器。
2.1 井道线路的简化
电梯的位置检测装置是用来采样轿厢的运动位置并将它反馈给电梯PLC的。选用光电开关和旋转编码器共同工作来进行平层、加速、减速控制。光电开关主要由发光二极管和光敏元件组成,在没有受到外界隔光干扰时一直接通。采用光电开关作为信号装置,需要在轿厢上安装1个光电开关,在每层的平层位置安装隔光板,用于扫描平层位置信号:电梯上行时,每当遇到经过隔光板信号时,楼层数加1;电梯下行时,每当遇到下换速信号时,楼层数减1。
旋转编码器,又叫增量式编码器,实际上是一个脉冲发生装置。内部结构是在其圆盘的边缘上开有相同间距的缝隙,圆盘两侧分别安装红外发光器件和光敏元件。使用时将其与曳引电机同轴连接,当其随电机旋转时,每转过一个缝隙,就产生一个电脉冲,将这些脉冲送入PLC控制器的高速脉冲输入端对其进行计数,就可以得到电梯运行的距离信号。这种方法的优点是测量准确、无磨损,测量信号便于计算机处理。利用增量编码器不仅可以测量电梯的速度和距离,还可以测出电梯运行的方向和曳引机的转速。
2.2 整改电路设计
该公司要求实现四层电梯的控制,选用FX2N-64M型可编程序控制器,端口地址分配如表1所示。
2.2.1 双速电梯变频改造
将原来的双速电梯主电路改成变频梯,将其电抗器调速控制方法改成变频器调速控制方法。
采用变频器多段速的3段速控制方式和616G5原有的加、减速S曲线控制,实现电梯在运行加速、减速时平滑,并利用其零速信号和平层的位置开关同时使用,实现电梯零速平层。详见电梯PLC程序运行方式。采用变频调速,改变原来的平层震动现象,达到启动、加速、减速平稳的目的,实现零速平层。
由于电梯是启动频繁的设备,用变频调速可以减少电梯的加、减速时的冲击性,达到减少运行过程中的噪音的目的,并且用变频调速能有效的提高电能的使用效率,实现节能的效果。
2.2.2 电梯的井道改造,实现运行脉冲的计算
为了减少井道的布线,方便维修和保养。配合光电开关,实现电梯的脉冲控制加、减速和平层控制,本文采用12V旋转编码器,它与主电动机同轴相连,编码器产生的脉冲直接输入PLC的高速脉冲计数输入端X2,在PLC中通过对此脉冲的计数,可以用程序计算出电梯走过的距离及当前的速度,从而完成调速系统的位置和速度反馈。接口示意图如图1所示。
2.2.3 电梯正常运行控制程序设计
电梯控制程序设计。简单说明,改造后电梯的平层和加减速工作方式。电梯PLC控制程序此处不再赘述。
2.2.4 目标登记和上下行登记信号处理
目标登记和上下行登记信号,如图2所示。
(1)目标登记与解除
1)目标层1层登记:按下1楼站外上行召唤1SZA,1SZA↑→X032↑→Y015↑接通点亮。在关好门登记M20↑→M21↑目标一层登记。
按下桥内一层选择按钮1NLA,1NLA↑→X024↑→Y011↑接通点亮→M21↑目标一层登记。
2)各选择平层后解除登记(如1层登记解除):一层平层信号M600↑→M70↑延时后,解除一层登记。
(2)上下行登记
1)上行登记M4:桥厅在1层时,2、3、4层目标可以上行登记;桥厅在2层时,3、4层目标可以上行登记,桥厅在3层时,4层目标可以上行登记。
2)下行登记M5:桥厅在4层时,1、2、3层目标可以下行登记;桥厅在3层时,1、2层目标可以上行登记,桥厅在2层时,1层目标可以上行登记。
2.2.5 电梯召唤的实现
以桥厅在一楼时,3楼下行外召唤为例。
(1)3楼厅外乘员按下下行召唤按钮时,3XZA↑→X036↑→Y021↑→3XZD点亮
Y021↑→M20↑→M23↑3层目标登记↑M4↑上行登记
(2)M4↑→Y030↑→Y032↑慢行→Y033↑中速→Y34↑快速
1)变频器内给出运行答应信号,X020↑→Y000和Y007↑→ZC↑→制动器线圈ZXQ得电松闸。
2)变频器内给出运行速度信号指令,电机YD得电起动、加速、满速向3楼运行。
(3)电梯到达3楼的上行换速点开始减速运行:电梯由1楼向3楼运行过程中,光电开关离开每层楼的遮光板时,光电开关GDK↑→X005↓→M418↑→M200动作一个上沿信号→INC D200执行上行计数,并将结果经转移传送、解码后控制对应的软辅助继电器M600-M603动作,实现对电梯的运行控制。当位于轿顶的光电开关离开位于井道的2楼遮光板时,C237开始计算2楼至3楼的脉冲数,SUB指令根据2楼到3楼的学习脉冲减去设定值,并将其存入D310。当C237累积计数与D310相等时,M602↑→M7↑→Y034↓→Y033↓→电梯按变频器曲线指令进行减速运行。而且当M600↑时,电梯位置显示3字。
(4)电梯在3楼零速平层停靠开门:经对变频器和PLC相关参数的反复调整和整定,当电梯在3楼平层时,变频器的输出也恰好为零,控制系统处于待起动状态。
2.2.6 换速、平层、停车及楼层显示
利用编码器输出端将脉冲信号引入PLC的高速计数输入端,构成位置反馈和速度反馈。高速计数器累加的脉冲数反映电梯的位置。高速计数器的值不断地与各信号点对应的脉冲数进行比较,由此判断电梯的运行距离,换速点,平层点和制动停车点等信号。电梯在运行过程中,通过位置信号检测,软件实时计算以下位置信号:电梯所在楼层位置,曲线各个换速点的位置,门区信号和平层位置信号等。由此省去原来每层在井道中设置的大量上述信号检测装置,大大减少井道检测元件和信号连接,降低成本,使系统更容易维护。
脉冲计数的编程方法上采用相对计数方式,每次从平层点开始计数到下一平层点,然后高速计数器复位。每一层均从零开始计数,楼层数存放在另一个计数器。当计数累计到设定值时,高速计数器复位。同时根据运行方向楼层计数器加1或减1,表示己经运行了一层楼距离。
3 结束语
2007年4月对旧电梯进行勘察,并对其存在的问题提交设计方案。2007年5月开始对电梯井道进行建造。2007年6月进行电梯的安装和调试。2007年7月相关部门进行验收,签定保修合约,并投入使用。改建后,投入使用,整机性能良好,以前存在的三个问题都能够解决。一是平层很平稳、没有震动,舒适感良好。运行的噪音明显小于旧的双速电梯,可以说是静音运行。二是使用一个光电开关后,每个平层位只需要装一个隔光板使井道的布线明显减少,方便检修与电梯的日常维护。三是节能效果明显,因为电梯是启动比较频繁的设备,根据使用情况和日常维修保养登记情况来看,一年至少省去5000多元的电费达到了节能的要求。
参考文献
[1]芮静康.电梯的电气控制技术.北京:中国建筑工业出版社,2005.16-18.
[2]李秧耕.电梯的基本原理及安装维修全书.北京:机械工业出版社,2003.
[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.
[4]钟肇新,范建东.可编程序控制器原理及应用.广州:华南理工大学出版社,2002.
[5]郭宗仁等.可编程序控制器及其通讯网络技术.北京:邮电出版社,1999.
[6]袁任光.集散型控制系统应用技术与实例[M.]北京:机械工业出版社,2003.
[7]吴忠智.变频器应用手册[2.]北京:机械工业出版社,1995.
[8]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.
自动控制变频调速系统 篇2
PLC系统属于一种计算机应用技术，其特点在于具有一个独立的存储器结构，系统程序存储器中所存放的内容便是系统软件。用户程序中存储器所应该存放的内容同样是应用软件，而此种结构的存储器能够提供较大的存储空间[3]。另外，此系统设计过程中能够依据实际需求完整保存相关设备中的历史数据，保存下来的资料能为后期检查故障等工作提供可靠依据。
2.2有助于强化电气设备产品的智能化
电气自动化控制系统应用PLC技术与变频器的主要作用是提升电气设备的反应速度以及整体运行效率，同时也有助于提升电气设备的智能化水平。具体体现在PLC技术由系统软件完成对整个系统的控制，以确保整个工作流程能严格遵循一定的程序进行。PLC技术中CPU对系统中的数据进行分析与处理，同时对整个系统的运行情况做出评估，实时、可靠地传输数据。变频器起到的作用是在整个系统运行过程中，提供实际需求的电源电压，调节与控制各环节的电压，以确保系统稳定运行。
3PLC在控制系统中的具体应用
3.1在顺序控制系统中的应用
PLC技术被作为一种顺序控制器应用，这是当前社会大多数企业在应用PLC时的一个统一观点。PLC技术在此种模式下的电气工程自动化控制中应用，呈现出三个方面的具体应用。第一，远程控制和监督电气工程自动化系统，以此来确保电气工程工作人员的安全，同时也减少了人力资源的应用;第二，在电气工程自动化系统中进行现场传感，以确保电气工程自动化的控制水平;第三，对电气工程自动化系统的主站层给予局部控制。
3.2在开关量控制中的应用
PLC应用初级阶段，仅能合理地应用在开关量的逻辑控制中，后期在相关技术的进一步完善下，PLC技术得到了更为广泛的应用，在开关量控制的水平以及应用价值上也有显著提升。PLC应用实际上是将定义的虚拟机电器转变为机械继电气器，即忽略了虚拟继电气的反应时间，体现了PLC在开关量方面的应用价值。例如，PLC在断路器控制中的应用，传统电路器利用继电器实现控制，其问题是反应速度较慢，而PLC技术的应用有效提升了反应速度与灵敏度。
3.3在闭环控制中的应用
应用在闭环控制中的主要作用是测量转速，同时合理控制调节器，具体是应用转速测量、电子调节、电液执行实现闭环控制。具体的控制方法是在打开动力泵后，PLC细致地分析动力泵运行时间，同时选择一个最为适宜的主用泵与备用泵，在后期实际操作过程中仅需要将开关挡转变为手动挡即可，便能有效提高运行效率，同时也进一步体现了系统的可持续性。PLC与传统的控制技术相互融合方式能互补两者的不足之处，从而极大地提升了电力系统控制效率以及质量。
3.4在数控系统中的应用
数控系统较为复杂，不只存在直线型，同时还包括连续型与点位型。在生产过程中，点位型数控系统多应用在孔洞机床中，原因是全方位与灵活性。系统控制功能主要有单板机模式与全功能型两种数控装置，在系统控制功能中使用PLC能够确保系统功能的完善性。在数控系统中全功能型数控装置的功能性更为完善，但需要承担的成本也相对较高，与单板机模式相比，全功能型装置的应用存在一定的局限性。
4结语
全文分析了PLC和变频器在电气工程自动化控制系统中的具体应用，其应用推动了系统的自动化发展进程。PLC技术在电气工程自动化系统中的应用主要包括数控系统、闭环控制、开关量等方面，而变频器设备主要应用在电源电压的调控方面，以确保系统运行稳定性。
参考文献
[1]章仰莹.电气自动化设备中PLC控制系统的应用[J].电子技术与软件工程，，2(13)：135.
[2]赖添华.论PLC在电气自动化控制中的应用[J].企业技术开发，，35(7)：94-96.
[3]么坤.PLC技术在电气设备自动化控制中的应用[J].山东工业技术，2016，6(6)：20.
自动控制变频调速系统 篇3
【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。
自动控制变频调速系统 篇4
关键词：PLC控制,变频调速,应用
我国的高层建筑在工程的建筑中日益增多, 住户对于电梯的需求越来越强烈, 并且人们的要求也在不断的提升, 从原有的安全性问题过渡到智能化的要求等等, 我们对电梯的发展而言, 我们可以认定这一点, 无论何时都在与电子信息化技术相连接。电梯技术在发展初期, 我国在电梯技术方面采用的是继电器进行控制, 但是随着电子信息化计算机技术的不断发展, 原有的继电器在电梯的控制中并不适应, 所以采用了可编程逻辑控制器 (ProgrammableLogicController, PLC) 控制系统, PLC控制系统在二十世纪电梯的应用中不断的发展起来。可编程逻辑控制器控制系统是根据有顺序的逻辑的控制, 根据需求而发展起来的, PLC控制交流变频调速控制系统表现出可靠性高、操作容易和编程简单等特点, 它也是为工业环境的应用专门设计的一种采用数字运算操作的电子装置。PLC控制交流变频调速控制系统已经是我国现代电梯中的一个热点。目前为止, 我国的电梯控制系统的机构装置还很简单, 外部的线路简化, 故障自动检测和报警系统还在发展。
一、可编程逻辑控制器 (PLC) 交流变频调速控制系统的设想
PLC控制交流变频调速控制系统整体的设计是以可编程逻辑控制器为主要核心部分的, 可编程序的控制器的主机和操作盘、呼梯盘、井道以及安全的保护信号连接后, 将可编程序的控制器所需要的数据输入到存储器中进行运算使用, 之后通过接口输出, 向各个指层器的指示灯发出信号指示, 可以根据信号, 电梯就开始进行开门和关门的控制和运作。PLC控制交流变频调速控制整个控制系统的设计采用的是全数字的调速变频器, 由于电梯的需求和其他的设备需求有所不同, 除了安全性能之外, 还有就是舒适度的配置, 所以在电梯的设计中调速系统是最为关键的。此外, 现当代社会要求节能, 在电梯系统的用电量方面要有所控制, 电梯所消耗的用电量和交流变频调速系统有着密切的关系。PLC控制交流变频调速控制这种变频器具有磁通矢量控制的功能, 适合电梯交流变频调速的安全性和舒适性的性质。
二、PLC控制交流变频调速控制系统在电梯中的特点
1. 灵活性
使用可编程逻辑控制器的灵活性:PLC的编程的语言有功能图表、梯形图形和语句的说明等等类型, 不同的编程系统的方法可以综合的运用到编程中来, 可以有效的开拓PLC控制交流变频调速控制系统在电梯中的应用领域, 使之操作更为方便、便捷。
宽领域的灵活性:PLC控制交流变频调速控制系统可以适用在不同的规模中, 可以根据控制的方位和适用的规模进行具体的容量上的拓展, 使它的应用更加的灵活与多样。
2. 操作简单
操作简单方便:在通常的状况下, PLC控制交流变频调速控制系统使用编程是对系统程序的执行更改和输入进行的。在操作的编程器上可以把输入的信息全部显示出来, 假设编程序的控制器是大中型的, 这样编程器就了可以在CPT的显示屏上运用。
编程上的简单方便:在编程序的控制器中有很多程序的存在, 编程的专业人员可以根据自己的不同喜好选择出不同的编程语言。对于电气自动化技术的专业人员来说, 由于电气的原理设计图和梯形设计图在某种程度上几乎是一样的, 所以, 他们很容易就会掌握。对于编程的人员来说, 给他们最大帮助的编程语言是布尔助记符。
3. 安全可靠性
PLC控制交流变频调速控制系统是一套系统完整的控制装置, 他有着普通电子计算机没有的特性。在计算机的编程方面简单明了, 和具有较强的硬件设施。PLC控制交流变频调速控制系统可以方便于工业各个生产项目的控制和操作。
PLC控制交流变频调速控制系统内部有一套安全可靠的可行性策划方案, 比如, 有必要断电的保护措施、信息的保护和恢复信息的行为、故障的自行诊断等, 这些都是为了保证高效的完成交流变频调速系统的策划。
为了加强PLC控制交流变频调速控制系统的硬件设施, 制定出一套能够提高安全保障的策划方案, 例如, 为了达到降低电梯的维修采用安全、可靠有保障的元件。
三、PLC控制交流变频调速控制系统中各模块的
1. 硬件模块
电梯的运行都是双向运行的, 可上可下, 对于PLC的选择上必须是带有可逆性的计数器, 而且PLC应该是带有高数可逆性的计算器, 在电梯的运用领域中, 通常是精确在0.001s的时间上来计算。总体考虑, 日本的OMRON公司生产出来的C系列的P型机器是这个设计上的最好的选择, 这款机器的体积小, 操作简单, 容易掌握。在硬件的设施方面上, 我们要针对设施的52个输入点和34个输出点进行连接, 来防备其它用途的扩展。
2. 软件模块
在整个PLC控制交流变频调速控制的系统中, 标准的软件包应用是关键基本的环节, 我们以2STEP7为例, 这种标准的软件包可以允许结构化用户的程序, 我们将这些程序分解, 并且很容易的被理解, 这样在标准的程序编程的过程中就会非常的准确。
在PLC交流变频调速的整个系统中, 可将软件模块分为调用操作系统与用户程序的接口组织块。软件标准自带系统中的系统功能块和系统功能, 这两种的功能模块经过测试集合在CPU的功能程序库作为操作系统的一个重要的组成那个部分, 并不在整个程序中占用过多的空间, 具有一定的储蓄能力, 而且还需要一个背景的数据模块, 将这个模块作为整个程序的一部分安到CPU上。
四、PLC控制交流变频调速控制系统在电梯中的运用分析
PLC控制交流变频调速控制系统应用于电梯中, 而电梯中的信号控制全都是有软件模块实现的, 在整个输出的信号中可以分为两个部分是控制和警示, 在类别上主要是在运行方式上的选择、实现运行中的控制和安全保护的信息等。
本篇文章的设计中采用的是通用的编程方式, 可以对抽象的电路进行描述, 不用考虑特定情况下的制造工艺, 通过采用Altera公司QuartusII软件的综合逻辑的工具将设计自动转变为任何一种制造的工艺图。假如需要移动到新的系统, 就必须根据新的工艺来对电路的程序进行优化, 即可以生成新的工艺门级网表。
在整个的PLC控制交流变频调速控制系统的工作方式:phase_ctrl上用于比较输入的信号fin和输出的信号fout作为输出误差信号, loop_filter模块作为消减相位误差信号中出现的高频分量;clk_ctrl模块作为提升相位控制的精准度, 降低相位抖动;m_div模块作为输出信号来进行分频。例如有2分频、4分频8分频和16分频等等。
这种设计时除m的计数器, 用来对clk_ctrl模块的输出信号在系统中进行的分频, 由于f=clk/2m=fc, 通过改变N值得方式获取不同的中心频率fc, 与此同时得到了输出的信号f。分频器原理的实现主要是利用对计数器进行的计算, 从而达到分频进行翻转分频的目的, 2m分频器主要是对时钟信号进行的分频。
在电梯的运行过程中, 变频的处理程序最简单的方法是:
五、总结
电梯设计中采用PLC控制交流变频调速控制系统和是否符合了人体力学的原理有着一定的关系, 是住户搭载电梯时不会感觉到不适的地方发生, 所以在电梯的设计过程中, 最为关键的部分是对这个系统中变频调速的设计上, 在现今的电梯设计上, 最大的不足之处就是电梯中的信号不顺畅。因为信号迟缓, 使得电梯状态出现了问题, 耽误了过多的时间。针对我国的在电梯的行业, 可以将可编程逻辑控制器应用在电梯的逻辑控制上, 通过合理有效的设计和选择来使得电梯变频调速控制达到理想中的效果。
参考文献
[1]刘国华.PLC控制交流变频调速控制系统在电梯中的应用[J].制造业自动化.201 (106)
自动控制变频调速系统 篇5
随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如水泵），在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。本文介绍的变频控制恒压供水系统，是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中，根据尽量保留原有设备的原则设计的，该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效的节省了资金。
1、系统介绍
变频恒压供水系统原理，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及3台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。
通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电
机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。
同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（即钟控功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID控制器和时间控制器实现）。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。、工作原理
2.1 运行方式该系统有手动和自动两种运行方式： ⑴.手动运行
按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-3#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。⑵.自动运行
合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。
若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。
变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。
3、电路图
NL1L2L3QSFU1FU2FU3U1V1W1U2V2W2U3V3W3QSKM0U1V1W19变5频器34U2V2W2KM2KM1KM3KM5PLC传感器KM4KM6FR1FR2FR3M13～M23～M33～
4、制电路图
5、原理图
6、控制流程图
7、结语
自动控制变频调速系统 篇6
关键词 拖动控制；嵌入式；变频变压调速；旋转编码器
中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)051-0158-02
目前桥式起重机广泛采用的控制系统以继电器为逻辑控制元件，采用继电器—接触器进行控制。这种控制系统通过绕线转子异步电动机转子回路中串联电阻的方法进行起动和调速，带来的机械冲击严重，容易造成金属结构损伤，电气元件频繁损坏，机械制动磨损严重，设备经常故障大修，且保护性能差，能源损耗大，影响起重机的工作效率和作业安全。而以PLC为核心的控制系统，其端口数量少，通信能力弱，且功能有限，譬如没有模拟量输出的功能，无法实现对起重机的精确控制。
本文在采用变频拖动技术的基础上，提出以基于ARM7TDMI-S内核的嵌入式微处理器LPC2378作为桥式起重机控制系统的CPU，摆脱桥式起重机旧式控制系统的不稳定性和功能局限性，提高了起重机的自动化和智能化程度，简化了系统结构，减少了硬件开销，提高了起重机的运行与安全性能。变频技术的采用则实现了起重机的无级调速，起制动平稳，制动器磨损小，并具有电机发热量小、节能高效、噪声等污染小的优点。
1 系统总体设计
本文设计的桥式起重机控制系统的核心部件是安装在其控制柜内的以微处理器LPC2378作为核心的嵌入式主控制器和4台安川G7系列变频器，它们与桥式起重机各运行机构的电机构成了一个闭环控制系统。桥式起重机的主钩、副钩、大车、小车电机都需要独立运行，其中主钩、副钩、小车电机分别由3台变频器单独控制，大车两台电机共用1台变频器控制。本设计采用嵌入式微处理器LPC2378代替原来的继电器-接触器控制方式，完成系统逻辑控制部分的功能，电机的正反转、调速等控制信号进入LPC2378，经其处理后向变频器发出起停、调速等信号，控制电机的工作。控制系统结构如图1所示。
桥式起重机的主控制器主要完成各运行机构动作指令的登记与执行、各运行机构速度控制、安全保护装置检查、故障检测与处理等功能。主控制器通过CAN串行总线通信的方式与各运行机构变频器、主/副钩起升重量限制器实现信息与数据的实时、有效交换。主控制器采集到控制盒或者司机操纵室发送的主/副钩升降、大车行走以及小车行走等动作请求后，按照程序制定的控制策略，经过逻辑与算术运算做出控制决策，向变频器和电动机、制动器发出相关的速度指令与控制指令，实现桥式起重机主、副钩升降运行和大、小车行走运行的控制。同时主控制器还根据主/副钩起升高度限位器、主/副钩下降限位器、大车行程限位器、小车行程限位器、急停和门联锁开关、变频器反馈的运行状态、接触器反馈的动作状态、以及起升重量限制器反馈的称重信号等信息判断当前桥式起重机各运行机构的位置、安全和故障状态。
本文设计的主、副钩电机采用高性能的变频专用电机，代替原绕线转子异步电机，并且配置变频器，装设有旋转编码器，采用带PG卡速度反馈的闭环控制方式，通过旋转编码器对主、副钩的运行速度和运行方向进行监控，可实现对其运行的精确控制，并能实现超速保护和防逆转保护功能。大、小车的拖动采用普通的笼型异步电动机代替原绕线转子异步电动机，采用开环控制
方式。
2 嵌入式主控制器的设计
2.1 主控制器硬件设计方案
桥式起重机主控制器的硬件整体设计方案如图2所示。
本文设计的变频拖动桥式起重机嵌入式主控制器，根据其硬件功能可划分为如下五个模块。
1）微处理器模块：嵌入式微处理器是桥式起重机主控制器的CPU，本文采用恩智浦公司以ARM7TDMI-S为内核的32位RISC芯片LPC2378。该芯片具有强大的运算处理能力以及丰富的片上硬件资源，可简化主控制器的硬件结构，降低软件设计的复杂性，并提高主控制器的稳定性和可靠性。
2）输入模块：桥式起重机主控制器的输入主要包括各个行程限位器状态输入、主/副钩起升重量限制器检测输入、急停开关输入、司机操纵室和桥架通道的门联锁开关输入、变频器运行状态输入、接触器动作状态输入、速度检测脉冲输入。
3）输出模块：DA模拟量输出是指负载补偿模拟量输出。负载补偿输出用于电机启动时的转矩补偿，作用是防止桥式起重机的主、副钩启动起升时发生反转，避免因为“溜钩”而导致的安全事故。主控制器向变频器输出多段速数字量，实现对各运行机构的速度控制。主控制器输出的变频器控制信号与接触器控制输出信号均是继电器输出信号，用于实现对变频器的控制和制动器松、抱闸的操作。
4）通信模块：主要是指CAN通信电路，它是桥式起重机主控制器与其它控制器，如各运行机构变频器控制器、主/副钩起升重量限制器控制器等的通信接口电路。
5）人机交互模块：本文设计的人机交互模块主要用来操作桥式起重机的运行，并实时获取桥式起重机的载荷状态和警报信号，其由控制按钮电路、液晶显示接口电路和声光报警器电路
组成。
2.2 主控制器软件设计方案
本文设计的桥式起重机主控制器软件，其结构分为三个层次，分别为：底层硬件驱动层、中间接口层、应用层。本文采用模块化的软件设计方法编写各个程序函数，方便软件的调试和
维护。
底层作为硬件驱动层，其各模块的函数主要作用是实现对嵌入式微处理器LPC2378片上硬件资源的配置，并完成基本的操作。中间层是介于应用层和底层硬件驱动层之间的接口层，其主要实现桥式起重机基本配置参数的保存和读写、获取和处理桥式起重机主控制器的各种输入、实现桥式起重机各运行机构的速度控制、实现CAN通信协议等。本文采用了防抖动的软件设计方式，并应用在对输入信号的读取，有助于提高系统的软件抗干扰能力，使本文的程序更适应用于桥式起重机的工作环境。应用层的软件设计主要是控制程序设计。控制程序实现对桥式起重机各运行机构的运行控制，针对主/副钩、大车和小车不同的工作性能和安全保护要求，设计了相对应的程序模块。
3 速度控制策略的设计
本文的桥式起重机主控制器对桥式起重机各运行机构的速度控制是一种间接控制的过程。主控制器通过控制变频器，再经变频器对电机的运转速度和运转方向进行控制。这就从根本上改变了目前桥式起重机中广泛采用的以绕线转子异步电动机转子回路中串联电阻的方法进行调速控制的方式，利用嵌入式主控制器强大的逻辑处理能力和变频器优异的调速性能，使桥式起重机各运行机构电机的调速和起、制动更加平稳，减少运行中的机械冲击以及制动磨损。
主控制器向变频器输出多段速数字量来实现对电机的速度控制，其运行速度曲线完全由变频器产生，这既可充分利用变频器的强大功能，又可减少对主控制器资源的占用，并可通过预设速度参数的方式使起重机各运行机构的工作速度更符合工业现场的应用需要。在多段速数字量控制方式下，桥式起重机主控制器控制变频器的速度指令是变频器3个速度控制端子的二进制组合，每一个组合代表了一种速度。变频器的3个速度控制端子信号来自主控制器的3个继电器输出端口。除了零速，桥式起重机各运行机构最多可有7段自小到大的运行速度选择。
本文设计的桥式起重机主、副钩升降速度控制采用7段速度，即当起重机的主钩或副钩运行时，最多有7条速度曲线可供选择。在起重机主、副钩运行前，主控制器将根据主、副钩的升降行程和换速距离选择7段速度中某一段速度运行。其中，换速距离需要对应7段速度中的每一段速度，根据变频器端设定的时间曲线参数经过计算后得出，并需在主控制器上进行设定。而主、副钩的升降行程h行程可由如下的计算方法确定：
当主、副钩启动上升的运行，其上升行程h行程由公式（1）算得。当主、副钩启动下降的运行，其下降行程h行程由公式（2）算得。其中H额定是主、副钩的额定起升高度，其定义为主、副钩起升高度限位器与下降限位器之间的垂直距离，亦即实际可供主、副钩升降运行的最大行程，它为程序中预设定的参数；h则是主、副钩当前所处位置与其下降限位器之间的垂直距离，可由程序算法对主、副钩电机自下降限位器进行起升运行至主副、钩当前所处位置产生的速度脉冲计数得出。算法中对脉冲的计数采取“上升则加、下降则减”的规则进行。
h行程=H额定-h （1）
h行程=h （2）
根据主、副钩的升降行程和换速距离选择某一段速度运行，例如当升降行程和换速距离较大的时候就选择7段速度中较高的速度运行，这样的速度控制策略，可使得主、副钩的起动加速和制动减速更加平滑，并能选择更合适的速度运行至预定位置，实现平稳而高效的调速控制。
4 结论
随着社会经济的不断发展和科学技术的飞速进步，生产应用上对桥式起重机的工作性能、安全保障和低耗节能等方面的要求越来越高，桥式起重机的控制技术正朝着自动化、智能化和网络化等方向发展。本文设计的嵌入式桥式起重机变频拖动控制系统，尤其适合于对起重机的运行性能和控制精度有较高要求的工业应用。
参考文献
[1]王福绵.起重机械技术检验[M].北京:学苑出版社,2000.
[2]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京:机械工业出版社,2000.
[3]杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京:清华大学出版社,2003.
变频调速典型控制系统(二) 篇7
节能调速主要用于风机、泵、压缩机等通用机械的传动。它们原本不调速,交流电动机直接接电网,恒速工作。在工厂设计时电动机及机械设备容量按最大可能的压力和流量选取,并为今后发展预留适当余量,工作时通常不需要这么大,只好借助阀门或挡板来把它们调到需要值,浪费了大量能量。改用调速传动后,可以把阀门或挡板开到最大,通过降低电动机转速来调节压力或流量,把阀门或挡板浪费的能量省下,从而实现节能。改用调速传动后,节能效果取决于电动机的负荷率,负荷率越低,节能效果越好,据统计平均节能1/3,效果显著,因此被广泛推广应用。
这类传动的负载转矩与转速平方成比例,功率与转速3次方成比例,当转速降到1/2时,负载转矩只有1/4,功率仅剩1/8,所以它对调速范围的要求一般≤2。这类传动原本不调速,流量和压力调节过程较慢,负载也比较平稳,因此它对调速的精度和响应的时间也没什么特殊要求,只要能调速就行。针对这不高的调速要求,通常采用V/f控制的标量控制系统,对于大功率传动,为改善启动性能,有时也用无转速传感器的高性能调速系统(在大功率变频器中,增加少许控制的复杂性已不影响设备成本)。
虽然这类传动对调速性能要求不高,但它对生产的连续性要求较高,需要一些特殊控制环节,分述于后。
2.1 “旁路变频器”
由于这类传动原本是不调速的,而它对生产的连续性要求又较高,所以希望在变频器故障时旁路变频器,让电动机直接接电网,转速回到额定转速,仍用阀门或挡板调节压力和流量,维持生产。“旁路变频器”主电路示于图1。
图1中K1和K2是交流接触器。变频器正常工作时K1闭合、K2分断,电动机接变频器,按调速模式工作。在需要“旁路变频器时”,先分断K1,隔离电动机与变频器,延时toff时间后K2闭合,电动机接电网,加速至额定转速后按恒速模式工作。在K1断开至K2闭合之间设置一段完全断电时间toff的原因是等待电动机消磁。电动机断电后,定子电流虽然为零,可磁链不能马上消失,因为在磁链减弱过程中,转子绕组会感生电流阻碍磁链减小,需经3倍转子时间常数Tr后才能使它降到零。在消磁过程中,由于旋转磁场还存在,在定子绕组中仍感生电压,若在这个感生电压与电网电压反相时合上开关K2,会造成大的定子电流冲击。为避免这冲击,要求toff >3Tr。异步电动机的toff和Tr可以从样本和铭牌数据估算得出:
式中:Lr,Rr分别为转子全电感和转子电阻(测量值);UN,IN,I0分别为定子额定线电压、电流和空载电流(有效值);fN,sN分别为额定频率和额定转差率。
下面给出几个经验数据供参考:电动机功率(kW) 10 … 50 … 500,toff (s) 0.7 … 1.6 … 3.6。
2.2越过暂时失电功能和最高直流母线电压Ud.max控制
在出现电网短时失电故障时,为保持生产的连续性,希望电压型逆变器不停止工作,通过降低电动机转速,把部分动能回馈至它的直流贮能电容,维持一个较低的直流母线电压,使控制电路继续工作(逆变器控制电源来自贮能电容电压),待电网电压恢复后电动机重新加速到原转速,这功能被称之为越过暂时失电(ride-through),又称动能缓冲。
越过暂时失电(动能缓冲)功能用Ud.min控制实现,框图示于图2a,Ud.min控制波形示于图2b。Ud.min控制的核心是Ud.min调节器1AUdR,它的输入是逆变器直流母线电压Ud与其最小值设定U*d.min之差,输出是高性能调速系统转矩环ATL的附加转矩输入ΔT*1。正常工作时Ud >U*d.min,1AUdR本应输出正值,但由于调节器正限幅=0,所以ΔT*1=0,对调速系统工作无影响,电动机工作在电动状态,转矩T>0。在t=t1时,电网开始失电,Ud开始下降。在t ≥t2后,Ud 略小于U*d.min,1AUdR退出正限幅,ΔT*1<0,Ud.min控制开始工作,把转矩T从正值拉到负值,电动机从电动状态转入再生状态,电动机和被拖动机械的部分动能回馈至直流贮能电容,维持Ud ≈U*d.min不变,使逆变器控制系统能继续工作。在t=t3时电网恢复,来自电网中的能量使Ud升高,Ud >U*d.min,1AUdR又正限幅,ΔT*1=0,Ud.min控制退出工作,逆变器恢复正常,转速回升至给定值。图2b中TRT是失电跨越时间。如果调速系统是V/f控制系统,则1AUdR的输出是V/f曲线发生器的附加频率输入Δf*1,在1AUdR工作期间,减小逆变器输出的电压和频率,使电动机工作于再生状态,维持Ud ≈U*d.min。如果没有Ud.min控制环节,在电网失电后,Ud将下降至Ud.off,逆变器停止工作,电动机自由停车,如图2b中Ud波形之虚线所示。
在电动机减速时,电机和负载的动能将回馈至直流母线,使其电压Ud升高。如果减速较快及电机和负载转动惯量大(例如风机传动),送到直流母线的能量不能全部被吸收或馈回电网,则
Ud将升至过压保护动作值,导致停机。为保持生产的连续性,许多现场希望避免这种非事故停机发生,为此引入最高直流母线电压Ud.max控制环节,示于图3。Ud.max控制的核心是Ud.max调节器2AUdR,它的输入是逆变器直流母线电压Ud与其最大值设定U*d.max之差,输出是高性能调速系统转矩环ATL的附加转矩输入ΔT*2。正常工作时Ud<U*d.max,2AUdR本应输出负值,但由于调节器负限幅=0,所以ΔT*2=0,对调速系统工作无影响。在Ud 升至略大于U*d.max后,2AUdR退出负限幅,ΔT*2>0,Ud.max控制开始工作。电动机减速时,转矩为负值,加入Δ T*2后,减速转矩值下降,回馈至直流母线的能量减小,维持Ud ≈U*d.max,从而避免过压保护动作导致的非事故停机发生。如果调速系统是V/f控制系统,则2AUdR的输出是V/f曲线发生器的附加频率输入Δf*2,在2AUdR工作期间,减小逆变器输出电压和频率的下降速率,使电动机工作于再生状态,减小回馈至直流母线的能量,维持Ud≈U*d.min。
2.3转速跟踪启动
转速跟踪启动功能用于启动正在旋转中的电动机。泵和风机传动有时会遇到在变频器投入工作前电动机已在旋转的情况,例如:启动前在风道或管道中存在压力,推动电动机旋转;大型风机的机械惯量大,自由停车时间很长,在电动机尚未停止前又需要恢复工作;“旁路变频器”后,变频器故障排除,希望恢复调速工作模式等。电动机在这种情况下接至变频器,如果变频器的输出频率与电动机转速不匹配,转差率大,将导致电流冲击。要解决这问题,需根据转速来设置变频器的初始频率,而泵和风机传动通常都无转速传感器,因此希望变频器能自动检测电动机的实际转速,据此设置初始频率,这就是转速跟踪启动。
自动检测转速任务通过频率搜索实现,其工作原理是:在逆变器输出频率与转速相匹配时(fs=np/60,p为电动机极对数),电动机功率最小。频率搜索框图见图4,图4中SFS是搜索频率给定,输出一个从1.0(对应于50 Hz)逐渐降至0的频率给定信号f*(t),经V/f曲线发生器得到定子频率和电压给定fs*和us*,为防止搜索过程中电流太大,令(5%～20%)us*作为PWM发生器的电压输入。在搜索过程中检测逆变器直流输入电流或用电动机电压、电流瞬时值计算功率,当它们小于某门槛值时便停止搜索,并把这频率值设置为逆变器初始频率。从最高工作频率开始搜索的原因是,在频率高于转速对应值时转差率为正,电动机工作于电动状态,不必担心再生功率使直流母线电压升高问题。如果正方向搜索没找到所需频率,则需从反方向最高频率开始反向搜索。
注意,为防止搜索过程中过电流,要求原V/f控制系统中的电流限制环节有效工作。
2.4效率优化控制
对于泵和风机传动,随转速降低,负载转矩按平方减小,低速时电动机工作于负载转矩非常小的工况,这时若仍维持额定磁链,铁损大,效率低。如果随转速降低,适当减小电动机磁链,能降低铁损,提高效率,电动机噪声小。
减小磁链后,铁损减少,铜损增加,磁链减弱多少合适,有个优化问题。从损耗分析知,若磁链与转速成比例,能取得效率优化结果为
Ψ=n (2)
式中:Ψ,n为磁链和转速相对值。
由于定子电压相对值us≈Ψn,所以
us≈n2 (3)
当转速从额定转速(n=1.0)降至半速(n=0.5)时,磁链也应从额定(Ψ=1.0)减弱至一半(Ψ=0.5),定子电压从额定(us=1.0)减至1/4(us=0.25)。
效率优化控制的实现方法:对于高性能调速系统,按式(2)设置磁链给定值(图5a);对于V/f控制调速系统,按式(3),把V/f曲线从线性改为二次曲线(图5b)。
注意:节能调速的调速范围一般≤2,即nmin≥0.5,图5中n*(或f*)≤0.5段不用;效率优化控制只用于负载较平稳,变化慢的场合。
2.5工艺闭环控制
某些节能调速传动要求工艺闭环控制,例如:挤压机传动要求压力闭环控制;泵传动要求液位闭环控制;风机传动要求风量闭环控制等,为此在许多通用变频器中都设有供自由选用的工艺控制功能块,示于图6。
工艺控制功能块的核心是工艺调节器TCR,它是1个PID调节器,其输入是工艺设定量和工艺反馈量。工艺设定量可人为设定或来自上级数字控制器,一般是数字量。反馈量来自工艺参数传感器,例如压力计、液位计、流量计等,一般是4～20 mA的模拟量或数字量。TCR的输出是附加转速给定Δn*,它与转速主设定n*相加后,送至调速系统转速给定输入端。
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.
变频调速典型控制系统(三) 篇8
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
[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,电气自动化[M].北京:中国电力出版社,2009.
[3]马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统[M].北京:机械工业出版社,2010.
[4]马小亮.大功率交-交变频调速及矢量控制技术[M].第3版.北京:机械工业出版社,2003.
[5]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].第3版.北京:机械工业出版社,2003.
[6]马小亮.驱动弹性负载的调速传动[J].电气传动,2008,38(7):3-7.
变频调速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
参考文献
[1]杜书有.我国变频技术的发展与应用[J].矿山机械,2007,4(35):119-121.
[2]皇金锋.变频调速的控制方式[J].电气时代,2007,1:124-126.
[3]郝鹏飞.变频转到系统的现状及发展趋势[J].仪表自控,2007,6(26):75-78.
[4]陈伯时,陈敏逊.交流调速系统[M].北京:机械工业出版社,1998.
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
自动控制变频调速系统 篇11
关键词：3000吨浮吊 起重机 变频器
0 引 言
海工浮吊吊机由于在海上施工的特殊环境对调速性能有很高要求，传统的起重机调速方法如绕线转子异步电动机转子串电阻调速、晶闸管定子调压调速和串级调速等由于绕线转子异步电动机有集电环和电刷，它们要求定期维护，由集电环和电刷引起的故障较为常见，再加上大量继电器、接触器的使用，致使现场维护量较大，调速系统的故障率较高。 而3000吨浮吊吊机所采用的交流变频控制系统不仅为交流异步电动机驱动的吊机实现了大范围、高质量地调速，而且由于控制线路简单，保护监测功能完善，在运行可靠性和方便维护的角度上较传统的交流调速系统有较大的提高。
1 3 000吨吊机变频器
本吊机采用Rockwell PowerFlex700S交直交变频器，先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率、电压均可控制的交流，又称间接式变频器。如图1所示，该变频器由主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成。
电网侧面的变流器是整流器，它的作用是把三相交流整流成直流。
负载侧面的变流器为逆变器。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。
由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为 1 。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件电容器或电抗器来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。
制动单元会把多余再生功率消耗掉，以免直流回路电压的上升超过限值。
控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成，其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。本吊机的变频器用PLC控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。
2 3000吨吊机优越的性能
3000吨吊机具有大的启动转矩、超过150%的额定转矩，若考虑超载实验等因素，在起动加速过程中可提供200%的额定转矩。起升机构在将重物吊离或接触地面瞬间负载变化剧烈，变频器能对这种冲击性负载进行平滑控制。运行平稳，起、制动平缓，运行中加、减速时整机振动和冲击小，安全性高，并且延长了起重机机械部分的寿命。
电机调速范围宽，负载变化时转速不会随之变化，可实现海工作业时的精确控制定位要求，比如在有风浪的情况下将平台精确定位安放到导管架上这样的施工。而且变频器实时监测电机的运行速度，当电机速度大于设定的最高允许速度或速度偏差值时，变频器发出故障报警并立即停止输出，机械制动器动作，使起重机处于安全状态，不会出现溜钩等危险状态。
由于采用编码器进行闭环控制，可以做到零转速满转矩输出的悬停控制。因此电机和大绞车的刹车打开之前，不会产生过大的电流，停车时也可以到零速时再关闭电机和大绞车的刹车，避免对机械的冲击。并且由于具有悬停功能，在频繁起停时，可以不关闭机械刹车，提高了工作效率。所以3000吨吊机的变幅、主钩、辅钩、小钩由电气制动完成，机械制动器在电动及绞车停转时动作，这样的话使变频器输出转矩与机械制动器的制动转矩平滑切换，所以机械制动器的制动片寿命大为延长，维护保养费用下降。
当变频器传动的起升机构向下运行或急减速时，异步电动机将处于再生发电状态，其能量要向电源侧回馈。逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。Rockwell Power Flex 700S变频系统在中间直流回路设置制动单元和电阻，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉，避免直流回路电容电压升到保护极限值后变频器过压跳闸。
同时，吊机变频器具有强大的驱动执行软件DriveExcutive，方便工作人员通过人机界面对系统进行现场监控和功能修改。如图2所示，我们可以通过修改30和31号参数来改变主钩驱动电机正反转的最高转速、通过修改32和33号参数来改变主钩驱动电机的加减速时间，这在海上施工中非常重要，比如在天气恶劣的情况下需要精准对位，我们可以在允许的范围内通过修改这4个参数来提高电机的反应速度，但是这样对系统的冲击会比较大，而当海况较好或者不需要精准对位时，我们可以再将这4个参数恢复正常值以保护设备。如图3所示，我们可以在辅钩吊重时建立关键几个参数的趋势图，观察电机的转速、电流、直流母排的电压是否有异常，便于工程人员及时发现和解决问题。
图 2 主钩驱动电机主要参数
图 3 辅钩驱动电机吊重时主要参数趋势图
3 结论
3 000吨浮吊吊机的变频调速系统由电位器作为输入给定，通过变频调频调速电控设备、重量传感器、限位开关、电磁阀等配合使用来控制起重机交流变频异步电动机起、制动、可逆运转与调节。采用交流变频调速和可编程控制技术，提高运行效率，改善超负荷作业，消除起制动冲击，减少电气维护，降低电能消耗同时还具有过电流、过电压、欠电压和输入缺相保护，以及变频器超温、超载、超速、制动单元过热、I/O故障保护、电动机故障保护等功能，保证了吊机在海上施工时安全平稳的运行。
参考文献
[1] 张三豹.变频器在起重机中的应用[J]. 起重运输机械， 2001.
[2] Allen Bradley. Power Flex700S High Performance AC Drive[M]. Rockwell Automation，2007.
[3] 王卫锋.罗克韦尔自动化变频器应用[M].Rockwell Automation， 2008.
[4] 姚锡禄.变频器控制技术与应用[M].福建科学技术出版社， 2005.
恒压供水变频调速控制系统设计 篇12
1 方案设计
供水系统的控制方案主要有3种,即恒速泵供水、高位储水供水和气压罐供水[4,5,6],其中,恒速泵供水是利用速度不变的水泵实时提供输水动力,当达到用水需求时,需要关闭水泵,当再次用水时,需要再次开启水泵,频繁开启、关闭水泵,耗电量较大,影响局部电压稳定,故此种供水系统应用较少。高位储水则是扩大或延长水泵的工作时间,利用恒速水泵不断向储水池供水,利用储水池实现用水备存,同时,减小水泵的开启、关闭频率,然而,高位储水泵需要建设较大的高位储水装置,占用空间大,造价成本高,在实际工程中应用较少。气压罐供水与高位储水供水的控制原理相同,区别在于,水泵的动力通过气压泵储存在气罐中。
本文设计的供水系统拟采用变频控制原理,同时利用水压传感器测试供水管路的压力信号,利用PID进行水压与电动机频率之间的信号变化,利用可编程控制器实时调整电动机的作业频率。通过改变电动机作业频率,实现水泵转速随水压变化而调节,达到节约电能、电动机连续作业、动力与供水动态调整的目的。
2 恒压供水变频调速控制系统的构成
2.1 系统构成
基于变频器进行恒压供水的控制系统构成如图1所示,供水的动力元件主要包括水泵1、水泵2和水泵3,其中,水泵3起到辅助供水作用;水泵的作业调节元件为变频器,供水系统的信号采集及调控元件为PID控制器,供水系统的逻辑换算元件为可编程控制器,此外,在本系统设计中,用上位机作为监控器,用远传压力表作为供水系统末端的压力采集元件。
2.2 系统工作原理
压力传感器分布在供水系统末端的管网中,当供水系统水源不足时,管网中的压力随之减小,压力传感器检测到的电压信号减弱,并将电压信号传递到PID控制中,控制器将接收到的电信号传递到可编程控制器,经过逻辑运算后得到反馈信号,将反馈的电信号传递给水泵的变频器,通过变频器调节水泵的转速,改善供水系统的动力状态,使供水系统处于供水工况,随着供水启动,供水系统压力逐渐升高,升高的压力信号实时被压力传感器采集,整套供水系统处于动态平衡调节中。
3 恒压供水变频调速控制系统的设计
3.1 变频调速选型
变频器是一种电压频率变换器,即将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电,以供给电动机运转的电源装置。它在变频调速恒压供水系统中起着非常重要作用,是水泵电机调速的执行者。
变频调速原理如公式1所示,当电机的转差率和磁极对数固定时,通过改变电源频率,实现电机转速的调整。
其中,n表示电机转速;f表示电源频率;s表示电机转差率;p表示电机磁极对数。
变频器的选用,需要综合考虑输入侧额定值、输出侧额定值、额定输出容量等。变频器容量的选择,一般根据负载性质及大小。变频器的控制方式主要有恒转矩负载、恒功率负载、二次方律负载3种。本系统设计中,综合考虑异步电动机的额定电流及变频器容量,选择西门子Micro Master430型变频器,co-trust S7-200系列中的CPU224,其输入频率为47Hz~63Hz,输出频率未0Hz~650Hz,功率因数为0.98,变频器效率为96%~98%,防护等级为IP20。
3.2 可编程控制器选型
可编程控制器(PLC)是恒压供水变频调速控制系统的核心部件,PLC容量是指I/O点数的数量,点数太多容易提高部件成本,点数太少导致余量不足,通常综合考虑被控对象的输入信号和输出信号的总点数,余量按照10%~15%的空间预留。本系统设计中,1路压力模拟量输入,1路电压模拟量输出,故选用TD200系列西门子变频器。
3.3 压力传感器
本系统设计中,供水系统的压力信号采集需通过压力传感器,故选择了YTZ-150型电位器式远传压力表,该电阻远传压力表适用于测量对铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。电阻远传压力表,可把被测值以电量值传至远离测量点的二次仪表上,以实现集中检测和远距离控制。此外,本仪表能就地指示压力,以便于现场工艺检查。起止电阻值为3Ω~20Ω,满度电阻值为340Ω~400Ω,工作电压≤6V。
3.4 电路图设计
根据恒压供水的使用要求和变频器、可编程控制器的工作原理,设计本系统的电路图,如图2所示。图中,M1,M2,M3为3台水泵电机,KM为相应电机的接触器,FR为相应电机的热继电保护器,QF为空气开关。从图2中可以清晰看到,3台电机的控制原理相同,均由接触器和热继电保护器控制,实现小电流控制大电流,提高电机的使用安全性。变频器改变三台电机的供电频率,实现电机转速的自动调节,通过电动机转速的无极调节,实现供水系统水压的动态稳定,达到恒压供水目的。在此电路图中,当供电系统无需调速控制时,可直接对3台电机进行调节。
4 结论
本文对恒压供水系统进行了关键部件选型和控制系统电路原理图设计,恒压供水变频调速系统的核心部件是变频器和远传压力表,恒压供水系统中变频器选用西门子Micro Master430型,远传压力表为YTZ-150型,电路原理图设计实现了1个变频器控制3台水泵,通过远传压力表和变频器实现了恒压供水。该控制系统结构简单,成本较低,安全性能较好,比较适应当前供水系统的电气化改造现状。
参考文献
[1]郑伟.基于PLC的变频恒压供水系统在洗煤厂的应用[J].机械管理开发,2016(7).
[2]姜宏.浅谈恒压供水系统[J].科技创新与应用,2016(22).
[3]金昊.无级变频调速在恒压供水系统中的应用[J].电脑知识与技术,2016(15).
[4]梁庆燊.试论水厂PLC变频恒压供水技术的应用[J].中国高新技术企业,2016(5).
[5]杨扬.PLC变频调速恒压供水在供水系统中的实践[J].科技与创新,2016(3):104-105.
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