DZ244电机多速段运行的变频控制
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装订线电机多速段运行的变频控制目录第一章 绪 论1第二章 变频调速技术42.1变频调速技术基础知识42.2变频调速技术的发展概况42.2.2变频调速技术国内现状52.3交流变频调速技术的创新与发展62.3.1变频调速未来的发展方向62.3.2交流调速与直流调速的比较72.3.3变频调速系统的优点7第三章 变频器基础知识93.1变频器的基本原理93.2变频器的未来发展方向10第四章 变频调速控制系统124.1变频器的类型124.2变频控制方式124.2.1开环控制与闭环控制134.2.2各种控制方案比较134.2.3变频器的外部接口电路154.3变频器的外部接线图16第五章 变频调速系统参数设置与调试235.1变频器安装235.1.1变频器工作的物理环境235.1.2变频器工作的电气环境235.1.3变频器的接地235.2变频器的参数设定24第六章 检测电器和电路266.1传感器266.1.1传感器系统的原则266.1.2传感器的分类266.1.3传感器的应用286.2接近开关296.2.1接近开关的分类296.2.2接近开关的功能306.3接近开关的选型和检测316.3.1接近开关的选型316.3.2接近开关技术指标检测31结 论32致 谢33参考文献34第一章 绪 论目前变频器正向着PWM型变频器和多重化技术方向发展,交-交变频器在低速大容量系统中的应用有着明显上升的趋势。在各种变频器中,电压型PWM方式的交-直-交变频器发展最快。从20世纪70年代末80年代初开始,由于电力电子器件的飞速发展,变频技术的不断完善,使得变频器性能得到大幅度提升,同时交流电动机的控制技术也在逐步提高,由于这些因素,促使现代交流调速达到了很高的水平。随着新型电力电子器件的不断涌现,变频技术也获得了飞速发展。就中、小容量交流电机控制而言,采用全控器件的全数字控制PWM变频器已经实现了通用化。全数字控制方式的软件功能不但考虑到通用变频器自身的内在性能,而且还融入了大量的使用经验和技术技巧,使得通用变频器的可靠性、可使用性、可维修性得以充实。由于通用变频器具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便且便于同其他设备接口连接等一系列优点,所以应用十分广泛,社会效益非常显著。对于可调速的电力拖动系统,工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。它们最大的不同之出主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的机械向器整流子。2O世纪70年代后,大规模集成电路和计算机控制技术的发民以及现代控制理论的应用,使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中,变频调速具有绝对优势,并且它的调速性能与可靠性不断完善,价格不断降低,特别是变频调速节电效果明显,而且易于实现过程自动化,深受工业行业的青睐。为了构成系统,变频器必须具有以下功能: (1)全区域自动转矩补偿功能。由于电动机转子绕组中阻抗的作用,当采用Vf控制方式时,在电动机的低速区域将出现转矩不足的情况。因此,为了在电动机进行低速运行时对其输出转矩进行补偿,在变频器中采取了在低频区域提高 Vf值的方法。这种方法称为变频器的转矩补偿功能或转矩增强功能。 所谓全区域全自动转矩补偿功能指的是变频器在电动机的加速、减速和定常运行的所有区域中可以根据负载情况自动调节Vf值,对电动机的输出转矩进行必要的补偿。(2)防失速功能。变频器的防失速功能包括加速过程中的防失速功能、恒速运行过程中的防失速功能和减速过程中的防失速功能三种。加速过程中的防失速功能和恒速运行过程中的防失速功能的基本作用是:当由于电动机加速过快或负载过大等原因出现过电流现象时,变频器将自动降低变频器的输出频率,以避免变频器因为电动机过电流而出现保护电路动作和停止工作的情况。 对于电压型变频器来说,由于在电动机的减速过程中回馈能量将使变频器直流中间电路的电压上升,并有可能出现因保护电路动作带来的变频器停止工作的情况,减速过程中防失速功能的基本作用是:在电压保护电路未动作之前暂时停止降低变频器的输出频率或减少输出频率的降低速率,从而达到防止失速的目的。 对于具有上述防失速功能的变频器来说,因为即使在变频器的加速或减速时间设置过短的场合也不会出现过电流,失速或者变频器跳闸的现象,所以可以充分保证变频器的驱动能力的发挥。 (3)过转矩限定运行。过转矩限定运行功能的作用是对机械设备进行保护和保证运行的连续性。利用该功能可以对电动机的输出转矩极限值进行设定,使得当电动机的输出转矩达到该设定时时变频器停止工作并给出报警信号。 (4)无传感器简易速度控制功能。无传感器简易速度控制功能的作用是为了提高通用变频器的速度控制精度。当选用该功能时,变频器将通过检测电动机电流而得到负载转矩,并根拒负载转矩进行必要的转差补偿,从而得到提高速度控制精度的目的。利用该功能通常可以使速度变动率得到1315的改善。在利用该功能时,为了能够正确地进行转差补偿,必须将电动机的空载电流和额定转差等参数事先输入变频器。因此,必须对每一台电动机分别进行设定。 (5)带励磁释放型制动器电动机的运行。带励磁释放型制动器电动机的运行功能的作用是为了使变频器能够对带励磁释放制动器的电动机进行可靠驱动和调速控制。对于起重机、自动仓库等负载来说,为了达到防止滑落和进行稳定可靠的停止的目的,需要使用带励磁释放制动器的电动机。为了与这种电动机进行有效的配合,变频器中采取了在低频区提高输出电压的同时设定一个防止电动机长时间流过饱和电流的区域的措施,以保证在使用这种电动机时制动器能够被可靠释放。 (6)减少机械振动,降低冲击的功能。减少机械振动,降低冲击的功能主要用于机床、传送带和起重机等,其作用是为了达到减少机械振动、减低冲击、保护机械设备和提高产品质量的目的。 这些功能包括对Vf和转矩补偿值进行调节,选择S型加减速模式;选择停止方式,对载频进行调节,对电动机参数设定值进行调节,设定跳越频率等。(7)运行状态检测显示。运行状态检测显示功能主要用于检测变频器的工作状态,根据工作状态设定机械运行的互锁,对机械进行保护并使操作者及时了解变频器的工作状态。 (8)出现异常后的再起动功能。变频器的这项功能的作用是,当变频器检测到某些系统异常时将进行自我诊断和再试,并在这些异常消失后自动进行复位操作和起动,重新进入运行状态。具有这项功能的变频器在系统发生某些轻微异常时无需使系统本身停止工作,所以可以达到增加系统可靠性和提高系统运行效率的目的。由于在进行自我诊断的过程中变频器处于停止输出的状态,在此过程中电动机的转速将会有一定程度的降低。对于这种速度降低,变频器将通过自己的自寻速功能对电动机的实际转速进行检测后输出相应的频率,直至电动机恢复原有速度。通常用户可以根据需要设定10以内的再试次数。 (9)3线顺序控制。3线顺序控制功能主要用于构成简单的顺序控制,可以通过自动复位型按键开关进行起停和正反转操作。(10)通过外部信号对变频器进行起停控制。变频器通常都还具有通过外部信号强制性地使变频器停止工作的功能。这类功能包括; 1)外部基极遮断信号接点。通过外部基极遮断信号接点的外部信号可以强制性地关断变频器逆变电路的基极(门极)信号,使变频器停止工作。在这种情况下,电动机将自由减速停止。 2)外部异常停止信号接点。当被驱动的机械设备出现异常时,也可以利用外部异常停止信号接点的外部信号强制性地使变频器停止工作。在这种情况下可以将电动机的停止模式选为控制频率减速停止模式或自由减速停止模式。第二章 变频调速技术2.1变频调速技术基础知识大规模集成电路和计算机控制技术的发展,以及现代控制理论的应用,为变频调速技术的发展创造了有利条件,促进了各种类型的交流调速系统的飞速发展。下面简要介绍了变频调速技术的发展概况,分析比较了国内外变频调速技术的现状,并对其发展方向进行了展望。电气传动是工业控制领域中的一个重要内容,它利用电动机将电能转变为机械能,从而满足工农业生产及日常生活中的各种需求。目前,变频调速技术已成为节能、改善工艺流程、提高产品质量和改善环境、推动技术进步的有效措施。变频调速以其优异的调速和起制动性能,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,其重要性日益得到世界各国的重视。在世界能源紧缺的今天,开展变频调速技术的研究,推广其应用,有着非常重大的现实意义和巨大的经济效益及社会效益。 变频调速具有调速范围大、调速平滑、准确性及相对稳定性高(尤其是低速特性较硬,具有一定的扰动能力)等优点。它可根据负载要求实现恒转矩或功率调速,能量利用率高,节能效果明显,但变频调速设备一次性投资较大,技术复杂,对于安装、运行、操作与维护也有较高的要求。变频调速大大改善了笼型异步电动机的调速性能,具有很好的发展与应用前景。2.2变频调速技术的发展概况2.2.1变频调速技术国外现状 1)市场有大量需求随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺,变频器越来越广泛地应用在冶金、机械、石油、化工、纺织、造纸、食品等各个行业以及风机、水泵等节能场合,并取得了显著的经济效益。y ePG9S&O9w5|2)功率器件发展迅速变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。近年来,高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT 以及智能模块IPM (Intelligent Power Module) 等器件的生产以及并联、串联技术应用的发展,使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。 在大功率交交变频(循环变流器) 调速技术方面,法国阿尔斯通已能提供单机容量达30 000 kW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面,意大利ABB 公司提供了单机容量为60 000 kW 的设备用于抽水蓄能电站;在中功率变频调速技术方面, 德国西门子公司Simovert A 电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10耀2 600 kVA 和Simovert P GTO PWM 变频调速设备单机容量为100 耀900 kVA,其控制系统已实现全数字化,用于电力机车、风机、水泵传动;在小功率变频调速技术方面,日本富士BJT 变频器最大单机容量可达700 kVA ,IGBT变频器已形成系列产品,其控制系统也已实现全数字化。IPM 投入应用比IGBT 约晚2年, 由于IPM 包含了IGBT 芯片及外围j eP6D+r| e&|(c/的驱动和保护电路,有的甚至还把光耦也集成于一体,是一种更为适用的集成型功率器件。目前,在模块额定电流10耀600 A 范围内,通用变频器均有采用IPM 的趋向。IPM 除了在工业变频器中被大量采用之外,经济型的IPM 在近年内也开始在一些民用品,如家用空调变频器、冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。IPM 也在向更高的水平发展,日本三菱电机最近开发的专用智能模块ASIPM 将不需要外接光耦,通过内部自举电路可单电源供电,并采用了低电感的封装技术,在实现系统小型化,专用化,高性能,低成本方面又推进了一步。!wW5P03)控制理论和微电子技术的支持在现代自动化控制领域中,以现代控制论为基础,融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论为高性能变频调速提供了理论基础;16 位、32 位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展,则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。2.2.2变频调速技术国内现状我国电气传动产业始于1954 年。当时,在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司,即现在的天津电气传动设计研究所的前身。现在,我国有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。随着改革开放,经济高速发展,形成了一个巨大的市场,它既对国内企业,也对外国公司敞开。很多最先进的产品从发达国家进口,在我国运行良好,满足了我国生产和生活需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品,国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口和合资企业的先进设备,自己开发应用软件,能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统,在变频调速技术的应用和研究上取得了很大的成绩。 但应看到,由于国内自行开发、生产产品的能力弱,对国外公司的依赖仍很严重。目前,国内生产的主要产品的状况如下:s um(bua/dM 1)晶闸管变流器和可关断器件(DJT、IGBT、VDMOS)斩波器供电的直流调速设备这类设备的市场很大,随着交流调速的发展,该市场虽在缩减,但由于我国旧设备改造任务重,以及它在几百至一千多kW范围内价格比交流调速设备价格低得多,所以短期内仍有较大市场,国产设备能满足需要,部分出口。自行开发的控制器多为模拟控制,近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。2)IGBT 或BJT PWM 逆变器供电的交流变频调速设备这类设备总容量占的比例不大,但台数多,增长快,应用范围从单机扩展到全生产线,从简单的V/f 控制到高性能的矢量控制。o%p Bw 3)负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的变频调速设备这类产品在抽水蓄能电站的机组起动,大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国内只有少数科研单位有能力制造,目前容量最大做到12 MW。功率装置国内配套,自行开发的控制装置只有模拟式的,数字装置需进口,自己开发应用软件。4g/yiYq 4)交交变频器供电的变频调速设备这类产品在轧机和矿井卷扬机传动方面有很大需求,台数不多,功率大。主要靠进口,国内只有少数科研单位有能力制造。目前最大容量做到7 000耀8 000 kW。功率部分国产,数字控制装置进口,包括开发应用软件。2.3交流变频调速技术的创新与发展ytTp3y:2.3.1变频调速未来的发展方向交流变频调速是强、弱电混合,机电一体的综合技术,既要处理巨大电能的转换,又要处理信息的收集变换和传输。因此它的共性技术必定是分为功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题,后者要解决硬、软件开发问题。各种高性能变频控制都是国内外研究的热点,其未来主要的发展方向是:O: Ae)S4R 1)实现变频器的人工智能化对于交流电机这样多变量、强耦合的参数非线性时变的复杂被控对象,要获得良好的控制性能较为困难。由于神经网络具有很强的信息处理能力,能通过自身学习来解决复杂系统的控制问题,故目前已成为非线性系统建模的重要技术。近年来,国外神经网络在变频调速系统控制中获得了应用,已成为当前神经网络理论及应用的研究热点。r | cp_&y EM 2)实现全数字控制化全数字控制使硬件简化,柔性的控制算法使控制灵活、可靠,易实现复杂的控制规律,便于故障诊断和监视。0Ws-z2_0RE v 3)实现变频器的通信网络化和技术规格标准化当前,国外先进的变频器都配有总线适配器模块(如modbus, feidbus, interbus等)作为选件,外部总线可以双绞线和适配器连接,变频器则作为系统的智能终端。进一步可形成集散式(DCS)变频控制系统和现场总线(FCS)变频控制系统。变频器的技术规格已统一成国际性标准,可根据用户的需要实现灵活的配置。B9WaZPZG 4)实现变频器的特大容量化随着电力电子技术的不断进步,控制容量将进一步增大,使交流电机比直流电机的优势更加明显。5)实现变频器硬件的集成化为了使变频装置体积更小巧,新型变频器要求功率和控制单元具有高集成度。利用不断发展的大规模集成电路工艺,把自动控制系统中控制电路集成化为若干个专用IC芯片(ASIC ),使整个系统的构成更小型、可靠,从而构成强弱电一体的智能化电机。 6)实现变频器的高频化提高变频器开关频率是抑制谐波、提高系统性能的关键之一。但开关频率提高,会增加器件自身的开关损耗,影响变频器的效率和可靠性,使其调制频率受到限制。目前在高频变换器中采用较多的器件是MOSFET,IGBT和IPM。各国正在利用新一代高频电力电子器件,如静电感应晶闸管(SITH ),以及IGCT 和IECT,研发新一代高频的电控装置。 7)实现软开关化软开关技术是目前国内外电力电子技术领域中的研究方向之一。传统的变换器中的开关器件工作在硬开关状态,硬开关妨碍了变换器工作频率和容量的提高,还存在容性开通问题引起过热损坏,在感性关断时易造成瞬时短路。近年来,软开关技术被引进变频控制中并己逐渐推向实用。软开关技术可以减小甚至完全消除变换器中开关器件在开关过程中的损耗,使缓冲吸收电路成为多余,提高了开关器件的工作频率,减小了开关器件的散热体积,提高了变频器工作的可靠性和效率。X)x/I5Psm; 8)实现变频器的“绿色环保”化实现变频器的“绿色环保”化也就是开发清洁电能的变频器。所谓清洁电能变频器是指变频器的功率因数为1,电网侧和负载侧的谐波分量很少。研究环保型整流器,使其不产生谐波,且实现功率双向流动是国内外目前研究的热点问题。2.3.2交流调速与直流调速的比较在过去,直流调速一直优于交流调速,因为直流系统具有较为优良的静、动态性能指标。对一些调速性能要求较高的场合大都采用直流调速。因此,很长的一个历史时期,调速传动领域基本被直流电动机调速系统所垄断。直流电动机虽有调速性能较好的优越性,但也有一些固有的难于克服的缺点,主要是机械式换向器带来的弊端,其缺点是:1、维修工作量大,事故率高2、电容、电压、电流和转速均受到换向条件的制约,因此难于提高。由于交流电动机具有一些固有的优点:1、电量、电压、电流和转速上限不像直流电动机那样受限制;2、结构简单、造价低;3、坚固耐用,事故率低,易维护。但其最大的缺点是调速困难。随着交流调速技术上的突破,变频器的性能得到改善,交流调速系统已经与直流调速系统相匹敌,甚至超过了直流调速系统。在一部交流电动机的诸多调速方法中,变频调速的性能最好,调速范围大,静态稳定性好,运行效率高。采用通用变频器对笼统异步电动机进行调速控制,由于使用方便、可靠性高,并且经济效益显著,得到了大量的推广。2.3.3变频调速系统的优点为了保持在调速时电机的最大转矩不变,必须维持电机的磁通量恒定,因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率的同时还要调整电压,故称变压变频调速,简称VVVF。变频调速的优点是传统的交、直流调速无法比拟的,并已开始逐步取代直流调速和其他交流调速。它在调速范围、调速精度、动态响应、过载能力、低频转距、功率因数、运行效率、维护要求以及通信功能,智能控制等许多方面远远超出其他的调速方法,并以体积小、重量轻、工艺先进、通用性强、保护功能完善可靠性高、操作简便、节能显著等特点,在冶金、矿山、石化、电力、机械、建材、轻工等行业得以广泛应用。例如采用变频器实现的恒压变量供水控制系统,可提高供水质量,节能显著,并且起动平稳,可以消除起停时的水锤效应,使泵和管网的使用寿命延长。变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术,已经渗透到所有经济领域的技术部门中。应积极应用变频调速技术来改造传统产业,节约能源及提高产品质量,以获得较好的经济效益和社会效益;要大力发展变频调速技术,必须把我国变频调速技术提高到一个新的水平,缩小与世界先进水平的差距,提高自主开发能力,满足国民经济重点工程建设和市场的需求;并规范我国变频调速技术方面的标准,提高产品可靠性及工艺水平,实现规模化、标准化生产。第三章 变频器基础知识当今变频器产业得到飞速发展,变频器产品的产业化规模日趋壮大。交流变频器自20世纪60年代左右问世,到20世纪80年代在主要工业化国家已广泛使用,而从20世纪90年代以来,随着人们节能环保意识的加强,变频器的应用越来越普及。 3.1变频器的基本原理 交-直-交变频器的工作原理是把工频交流电通过整流器变成平滑直流,然后利用半导体器件组成的三相逆变器,将直流电变成可变电压和可变频率的交流电,由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制方法,使输出波形近似于正弦波,用于驱动异步电机,实现无级调速。利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速,基本保持异步电机固有特性转差率小的特点,具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点。变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是电感。通用变频器的主要功能:(1)基本功能1)基本频率。通常指输入工频交流的频率。2)自动加、减速控制。按照机械惯量、负载特性自动确定加、减速时间。这一功能通常用于大惯性负载。3)加、减速时间。由加、减速时间的选择决定系统的快速性,如果选择较短的加、减速时间,就会提高生产效率。但是,如果加速时间选择的太短,则会引起过电流;如果减速时间选择的太短,则会使频率下降得太快,电机容易进入制动状态(电机转速大于定子频率对应的同步转速,转差率变为负值),可能会引起过电压。4)加、减速方式。可选择线性加、减速方式和S形加、减速方式。(2)特殊功能低频定子电压补偿功能,通常成为电机的转矩提升。跳频功能,由变频器为交流电机供电时,系统可能发生振荡。发生振荡的原因是:电气频率与机械频率发生共振或是由纯电气引起的。通常振荡是发生在某些频率范围内的,为了避免发生振荡,可采用跳频功能。瞬时停电再启动功能,由于电机由很大的惯性,在停电的数秒时间内,电机的转速可能还在期望值的范围内。这样,变频器可以在恢复供电后继续给电机按正常运行供电,而不需要将电机停止后再重新启动。3.2变频器的未来发展方向变频器是运动控制系统中的功率变换器,当今的运动控制系统是包含了多种学科的技术,总的发展趋势是驱动的交流化,功率变化器的高频化,控制的数字化、智能化和网络化。因变频器能够提供可控的高性能变压变频的交流电,故在交流传动领域得到了广泛的应用。随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展,变频器的性能价格比越来越高,体积也越来越小,变频器的可靠性也仍然在不断提高,以实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化及无公害化。衡量一台变频器性能优劣的标准是:变频器的输出交流电压的谐波对负载的影响、变频器对电网的谐波污染和输入功率因数以及变频器本身的能量损耗(即效率)。76U1_B变频调速的优点是传统的交、直流调速无法比拟的,并已开始逐步取代直流调速和其他交流调速。它在调速范围、调速精度、动态响应、过载能力、低频转短、功率因数、运行效率、维护要求以及通信功能,智能控制等许多方面远远超出其他的调速方法,并以体积小、重量轻、工艺先进、通用性强、保护功能完善可靠性高、操作简便、节能显著等特点,在冶金、矿山、石化、电力、机械、建材、轻工等行业得以广泛应用。例如采用变频器实现的恒压变量供水控制系统,可提高供水质量,节能显著,并且起动平稳,可以消除起停时的水锤效应,使泵和管网的使用寿命延长。变频技术的发展趋势(1) 电力电子器件的高频化:理论分析和实验证明,电气产品体积与重量的缩小,与供电频率的平方根成反比。也就是说,如果能把50Hz工频大幅提高,使用这样频率的控制设备的体积、重量就能大大缩小。节材、节电更显著,设备系统的性能也可以大为改善。(2) 硬件结构模块化:就像智能化功率模块IPM,将开关元件,保护电路等一起整合到一个功率模块中。即把一台整机器更新有硬块都以芯片形式整合于一个模块之中,并从传统的元器件间的引线相连中摆脱出来,以进一步的消除谐波等寄生号数或电应力,缩小整机体积和提高系统可靠性,同时这样的模块还可以与接续线路作非常灵活的二次设计,使设备的适用性进一步扩大。(3) 控制软件数字化:过去的电力电子技术完全建立于模拟电路之上。随着现代数字信号处理技术的日益成熟,用微机处理数字信号实施控制的优越性得以更多地显示出来: 免去了模拟信号在传递中的畸变和信号干扰之扰; 便于植和客错技术与自诊断技术; 便于对设备进行遥感测试与遥控调试。(4) 产品设计与运行的无污染:这里的无污染有两层意思:显著的节电效果而间接的无污染,因为节电可使总发电量的减少而减少排放,必然减少对大气的污染;减少对电力电网产生的直接污染。如高次谐波电流向电网的注入导致总功率因数下降,或对器件造成更大的电应力等等。这是未来的电力电子技术发展中必须消除的。电力电子技术的发展具有普遍的适用性,对各个领域也都有极强的渗透性。变频技术进一步发展所带来的新产品,在社会的各个行业都有极广阔的应用前景。在不断推广应用变频技术产品(如变频器)的过程中,又会刺激变频技术的不断完善和提高,使之真正达到高效率和高品质。二十一世纪已经到来,中国的变频技术研究与应用将在世界工控界及机电一体化领域占有更加重要的地位。第四章 变频调速控制系统变频器的控制系统是在变频器独立环节(或部件)的基础上,应用先进的控制策略,使变频器能正确、高效、节能运行的系统。将各部件连接起来,并实施最简单的压频控制的系统被称为变频器的开环控制系统,他们可在绝大多数不同类别负载下运行,被称为通用变频器。对于特殊负载或是在精度、运行条件等方面有特殊或苛刻要求的场合,就必须用到反馈理论或其它控制策略。例如,增加电流或速度反馈矢量控制、自适应控制等。这类控制系统被称为变频器的闭环控制系统。4.1变频器的类型变频器选用时一定要做详细的技术经济分析论证,对于那些负荷较高且非变工况运行的设备不宜用变频器。变频器具有较多的品牌和种类,价格相差也很大,要根据工艺环节的具体要求选择性价比相对较高的品牌和种类,为此必须了解变频器的技术特性和分类。(1) 按控制方式不同可分为通用型和工程型。通用型变频器一般采用给定闭环控制方式,动态响应速度相对较慢,在电机高速运转时也可满足设备恒功率的运行特性,但在低速时难以满足恒功率要求。工程型变频器在其内部通过检测设有自动补偿、自动控制的环节,在设备低速运行时也可保持较好的特性,实现闭环控制。(2) 按安装型式不同可分为四种,可根据受控电机功率及现场安装条件选用合适类型。第一种是固定式,功率多在37kw以下。第二种是书本型,功率从0.237kw,占用空间相对较小,安装时可紧密排列。第三种是装机、装柜型,功率为45200kw,需要附加电路及整体固定壳体,体积较为庞大,占用空间相对较大。第四种为柜型,控制功率为451500kw,除具备装机、装柜型特点外,占用空间更大。(3) 从调速范围及精度而言,FC(频率控制)变频器的调速范围为:1:25;VC(矢量控制)变频器的调速范围为:1:1001:1000;SC(伺服控制)变频器的调速范围为:1:40001:1000,要根据系统的负载特性做出相应选择。变频器选型时,应兼顾上述各点要求,根据生产现场的情况正确选择合适的形式。变频器类型的选用药根据生产机械的负载特性、调速范围、静态速度精度、启动转矩的要求,决定选用哪种控制方式的变频器。4.2变频控制方式变频器的控制系统是在变频器独立环节(或部件)的基础上,应用先进的控制策略,使变频器能正确、高效、节能运行的系统。将各部件连接起来,并实施最简单的压频控制的系统被称为变频器的开环控制系统,他们可在绝大多数不同类别负载下运行,被称为通用变频器。对于特殊负载或是在精度、运行条件等方面有特殊或苛刻要求的场合,就必须用到反馈理论或其它控制策略。例如,增加电流或速度反馈矢量控制、自适应控制等。这类控制系统被称为变频器的闭环控制系统。为了保持在调速时电机的最大转矩不变,必须维持电机的磁通量恒定,因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率的同时还要调整电压,故称变压变频调速,简称VVVF。4.2.1开环控制与闭环控制给所使用的电机装置设速度检出器(PG),将实际转速反馈给控制装置进行控制的,成为“闭环”,不用PG运转的就叫做“开环”.通用变频器多为开环方式,也有的机种利用选件可进行PG反馈。开环控制和闭环控制相比,反应速度通常更快,也比较稳定,主要的缺点是存在稳态误差,由于转矩控制在转速调节环之内,它的稳态误差会被转速调节环纠正而不影响稳态转速精度,因此我们只考虑它的动态影响。转矩控制的固定误差相当于再向前传递通道中引入了一个误差系数,这个系数可以被转速调节器的增益修正,因此可以认为小的误差对系统动态性能没有什么影响。转矩控制的延迟、波动、干扰以及非线性因素等则会影响到系统的动态性能,闭环控制对于波动、干扰和非线性因素有较好的抑制作用,但调节控制本身会产生一定的延迟。通用变频器一般都具有PG反馈功能,若转速闭环后,精度有所提高。但速度精度的值取决于变频器性能和PG本身的精度和变频器输出频率的分辨率。矢量控制变频器的开环与闭环控制选择原则:有的矢量控制变频器有三种闭环控制供用户选择,它们是频率闭环控制、转速闭环控制和转矩闭环控制。表1闭环种类频率闭环控制速度闭环控制转矩闭环控制应用环境无反馈的矢量控制,用于动态指标要求高的场合,如移动、提升装置带反馈的矢量控制,用于低速时动态品质要求高及转速精度要求高的场合,如卷扬和定位传动带反馈的矢量控制,用于工艺要求转矩作为最外环的反馈值,如造纸机同步传动、卷取等对动态指标要求高的场合4.2.2各种控制方案比较根据生产工艺的要求,由于变频器的型式和电机种类的不同会出现多种多样的变频调速控制系统。下面介绍采用交直交变频器构成调速系统的几种控制方案。(1) 通用变频器开环控制的异步电机调速系统。变频调速系统可分为转速开环和转速闭环两大类。在不要求动态特性或电机经常处于恒速运行的传动系统中,可以采用转速开环方案,其结构简单,成本比较低,例如,风机、水泵等的运行通常采用这一方案。此外,在有一台变频器向多台电机供电的传动系统中,不可能使用测速反馈,也只能采用转速开环方案。如果系统稳态精度要求较高,并有快速加、减速的要求时,转速开环方案不能满足要求,必须采用转速闭环方案。 通用变频器开环控制的异步电机调速系统控制,该控制方案具有结构简单,可靠性高的特点。但是,由于是开环控制方式,其调速精度和动态响应特性并不是十分理想,尤其是在低速区域电压调整比较困难,不可能得到较大的调速范围和较高的调速精度。由于异步电机存在转差率,转速随负载力矩变化而变动,即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能,转速精度也难以达到0.5%,所以这种通用变频器异步电机开环调速系统一般是用于要求不高的调速场合。电压源变频器供电的转速开环变频调速系统在基频以下一般采用带低频电压补偿的恒压频比运行方式,因为在这种运行方式下电压和频率的关系非常简单,这样使控制系统得以简化。(2) 无速度传感器的矢量控制异步电机变频调速系统。该系统和通用变频器开环控制的异步电机调速系统的差别仅在于使用的变频器不同。由于使用无速度传感器矢量控制的变频器可以分别对异步电机的磁通和转矩电流进行检测、控制,能够自动改变电压和频率,使电机转速的指令值和检测实际值达到一致,从而实现矢量控制。虽然它是开环控制系统,但是大大提升了静态精度和动态品质。转速精度约等于0.5%,转速响应也较快。 如果生产工艺设备对调速精度要求不是很高,采用无传感器矢量控制的异步电机变频调速是非常合适的,可以达到控制结构简单,可靠性高的效果。(3) 带速度传感器矢量控制异步电机闭环变频调速系统。矢量控制异步电机闭环变频调速是一种理想的控制方式。它有以下优点:可以从零转速其运行速度控制,在低速运行时也能有较好的特性,因此调速范围很宽,可以达到100:1或1000:1。1) 可以对转矩实行精确控制。2) 系统的动态响应速度快。3) 电机的加速度特性好。带速度传感器矢量控制的异步电机闭环变频调速技术性能虽好,但是毕竟它需要在异步电机轴上安装速度传感器,对于异步电机而言,已经降低了其固有的结构坚固、可靠性高的特性。而在某些情况下,由于异步电机本身或环境的因素而无法安装速度传感器。同时,该方式多了反馈电路环节,也增加了整个系统发生故障的机率。因此,对于调速范围、转速精度和动态品质要求都特别高的生产工艺设备,才采用带速度传感器矢量控制的异步电机闭环变频调速系统。(4) 转速闭环转差频率控制的变频调速系统。转速开环变频调速系统可以满足一般平滑转速的要求,但静、动态性能都有限,要提高静、动态性能,首先要用转速反馈的闭环控制。该系统采用电流源变频器,使控制对象具有较好的动态响应,而且便于回馈制动,这是提高系统动态性能的基础。它和直流电机双闭环调速系统一样,外环是转速环,内环是电流环。转速闭环转差频率控制的交流变压变频调速系统基本上具备了直流电机双闭环控制系统的特点,是一个比较优越的控制策略,结构也不算复杂,有广泛的应用价值。但其动态性能还不能完全达到直流双闭环调速系统的水平,这是因为在分析转差频率控制规律时,是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的,所得到的“保持磁通恒定”的结论也只有在稳态情况下才成立,在动态中磁通不会恒定,这就会影响系统的实际动态性能。(5) 永磁同步电机开环控制的变频调速系统。该控制方案具有控制电路简单、可靠性高的特点。由于是同步电机,它的转速始终等于同步转速N0=60f/p,转速只取决于电机供电频率f,而与负载大小无关(除非负载力矩大于或等于失步转矩,同步电机会失步,转速迅速停止),永磁同步电机开环控制的变频调速系统得机械特性为硬特性,其曲线为一根平行于横轴的直线。如果采用高精度的变频器(数字设定频率精度可达0.01%),在开环控制下,同步电机的转速精度为0.01%。因为同步电机转速精度与变频器频率精度相一致(在开环控制方式时),所以特别适合多电机同步传动、静态转速精度要求较高的机械设备。至于同步电机变频调速系统的动态品质问题,若采用通用变频器U/f控制,响应速度较慢;若采用矢量控制变频器,响应速度就很快。在受到同样的扰动时,一个系统的转速变动越小,就说它的转速稳定程度高,或者说转速稳定性好。如果在受到外部扰动时,只需要很小的转速偏差就能够产生足够大的系统合转矩,使系统恢复到稳定交点处运行,那么就不容易出现很大的转速变动,系统的转速稳定性就很好。反过来,如果需要很大的转速偏差才能够产生足够大的系统合转矩,使系统恢复到稳定交点,那么就容易出现转矩变动,系统的转速稳定性就不好。在稳定运行点附近的电动机机械特性越硬,系统的转速稳定性就越好。虽然交流异步力矩发动机的机械特性很软,但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。如果采用PI调节器,照样可以做到无静差,改变给定信号U,则静特性平行地上下移动,达到无静差调速的目的。4.2.3变频器的外部接口电路通用变频器的外部接口的主要作用是使用户能够根据系统的不同需要进行各种功能组态与操作,并与其他电路一起构成自动控制系统。通用变频器的外部接口电路通常包括逻辑控制指令电路、频率指令输入输出电路、过程参数检测信号电路、通信接口电路和数字信号输入输出电路等。随着变频器技术的发展和变频器在各种领域中的广泛应用,人们开始将变频器作为控制系统中的一个部件而不是一个设备看待,并对其提出了更多的要求。因此,随着变频器的发展,其外部接口电路的功能也越来越丰富。 外部接口电路的主要作用就是为了使用户能够根据系统的不同需要对变频器进行各种操作,并和其它电路一起构成高性能的自动控制系统。 变频器的外部接口电路通常包括以下的硬件电路: (1)顺序控制指令输入电路 (2)频率指令输入电路 (3)监测信号输出电路 (4)数字信号输入输出电路 而变频器和外部信号的连接则需要通过相应的接点或接口进行。这些接点和接口主要有以下内容:(1)多功能输入端子和多功能输出接点。为了有效地利用有限的输入端子和输出接点,在变频器中采取了可以自由改变这些端子和接点功能的做法,以使变频器具有更多功能。 (2)多功能模拟输入输出信号接点。变频器的模拟输入信号主要包括:频率指令、频率指令的偏置值、频率指令的增益、直流制动的电流指令、过转矩检测值。模拟输出信号主要包括:输出电流检测、输出频率检测。 多功能模拟输入输出信号接点的作用就是使操作者可以将上述模拟输入信号输入变频器和利用模拟输出信号检测变频器的工作状态。 (3)数字输入输出接口。变频器的数字输入输出接口主要用于和数控机床以及PLC的配合使用。其中,数字输入接口的作用是使变频器可以根据数控机床或PLC给出的数字信号指令运行,而数字输出接口的作用则主要是通过脉冲计数器给出变频器的输出频率。 (4)计算机接口。变频器还具有RS232或RS485的计算机接口。这些接口的主要作用是和计算机或PLC进行通讯,并按照计算机或PLC的指令完成所需的动作。通常,各个变频器厂家都备有作为选件的各种接口电路卡。用户可以根据自己的需要选用所需选件来为变频器追加自己所需要的功能。4.3变频器的外部接线图我选用的是台达VFD-M系列的变频器,它的操作范围是0400HZ,所有的模拟输入设定信号为0+10V,420mA.最大的电压频率选择为10400HZ,最高输出电压选择设定范围为0.1255.0V,最低输出频率为0.120HZ。图4.1主回路端子标示说明:R/L1,S/L2,T/L3 主回路交流电源输入U/T1,V/T2,W/T3 连接至电机B1-B2 煞车电阻(选用)连接端子 接地用(避免高压突波冲击以及杂讯干扰)控制端子配线图:图4.2控制端子标示说明:表2数字操作器LC-M2E位于变频器中央位置,可分为两部分:显示区和按键控制区。显示区提供参数设定规划模式及显示不同的运转状态。按键控制区为使用者与变频器沟通介面。图4.3图4.4表3功能参数说明:表4表5表61.电机以减速煞车方式停止:交流电机驱动器根据P11或P13所设定的减速时间,以怠速的方式减速至最低输出频率(P08)后停止。2.电机以自由运转方式停止:交流电机驱动器立即停止输出,电机依负载惯性自由运转至停止。表7表8表9表10表11表12表13表14若此参数的设定值为0 (0秒),则代表此一阶段运转将被省略自动跳到下一个阶段运行。意即,虽然VFD-M系列提供七个段速的可程序运转,使用者仍可针对应用上的需要,缩减程序运行为五个阶段、三个阶段,动作的运行只要将不想运行的阶段时间设为0 (0秒)就可弹性应用自如。第五章 变频调速系统参数设置与调试5.1变频器安装5.1.1变频器工作的物理环境1)工作温度。变频器内部是大功率的电子元件,极易受到工作温度的影响,产品一般要求为055,但为了保证工作安全、可靠,使用时应考虑留有余地,最好控制在40以下。在控制箱中,变频器一般应安装在箱体上部,并严格遵守产品说明书中的安装要求,绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。 2)环境温度。温度太高且温度变化较大时,变频器内部易出现结露现象,其绝缘性能就会大大降低,甚至可能引发短路事故。必要时,必须在箱中增加干燥剂和加热器。 3)腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大,不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等,而且还会加速塑料器件的老化,降低绝缘性能,在这种情况下,应把控制箱制成封闭式结构,并进行换气。 4)振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时,会引起电气接触不良。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外,还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后,应对其进行检查和维护。 5.1.2变频器工作的电气环境1)防止电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频,周围产生了很多的干扰电磁波,这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此,柜内仪表和电子系统,应该选用金属外壳,屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地,除此之外,各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆,且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰,往往会使整个系统无法工作,导致控制单元失灵或损坏。 2)防止输入端过电压。变频器电源输入端往往有过电压保护,但是,如果输入端高电压作用时间长,会使变频器输入端损坏。因此,在实际运用中,要核实变频器的输入电压、单相还是三相和变频器使用额定电压。特别是电源电压极不稳定时要有稳压设备,否则会造成严重后果。 5.1.3变频器的接地变频器正确接地是提高控制系统灵敏度、抑制噪声能力的重要手段,变频器接地端子E(G)接地电阻越小越好,接地导线截面积应不小于2mm2,长度应控制在20m以内。变频器的接地必须与动力设备接地点分开,不能共地。信号输入线的屏蔽层,应接至E(G)上,其另一端绝不能接于地端,否则会引起信号变化波动,使系统振荡不止。变频器与控制柜之间应电气连通,如果实际安装有困难,可利用铜芯导线跨接。5.2变频器的参数设定变频器的参数设定在调试过程中是十分重要的。由于参数设定不当,不能满足生产的需要,导致起动、制动的失败,或工作时常跳闸,严重时会烧毁功率模块IGBT或整流桥等器件。变频器的品种不同,参数量亦不同。一般单一功能控制的变频器约5060个参数值,多功能控制的变频器有200个以上的参数。但不论参数多或少,在调试中是否要把全部的参数重新调正呢?不是的,大多数可不变动,只要按出厂值就可,只要把使用时原出厂值不合适的予以重新设定就可,例如外部端子操作、模拟量操作、基底频率、最高频率、上限频率、下限频率、启动时间、制动时间(及方式)、热电子保护、过流保护、载波频率、失速保护和过压保护等是必须要调正的。当运转不合适时,再调整其他参数。变频器需设定的参数很多,每个参数均有一定的选择范围,使用中常常遇到因个别参数设置不当,导致变频器不能正常工作的现象。为此在变频器参数设置前,应掌握所使用的变频器的技术性能和设置方法,因不同品牌的变频器其设置方法不同,即使是同一品牌,其设置方法也不尽相同。几个重要参数的设定1. V/f类型的选择V/f类型的选择包括最高频率、基本频率和转矩类型等。最高频率是变频器-电动机系统可以运行的最高频率。由于变频器自身的最高频率可能较高,当电动机容许的最高频率低于变频器的最高频率时,应按电动机及其负载的要求进行设定。基本频率是变频器对电动机进行恒功率控制和恒转矩控制的分界线,应按电动机的额定电定电压设定。转矩类型指的是负载是恒转矩负载还是变转矩负载。用户根据变频器使用说明书中的V/f类型图和负载的特点,选择其中的一种类型。我们根据电机的实际情况和实际要求,最高频率设定为83.4Hz,基本频率设定为工频50Hz。负载类型:50Hz以下为恒转矩负载,5083.4Hz为恒功率负载。2. 如何调整启动转矩调整启动转矩是为了改善变频器启动时的低速性能使电机输出的转矩能满足生产启动的要求。在异步电机变频调速系统中转矩的控制较复杂.在低频段由于电阻、漏电抗的影响不容忽略,若仍保持V/f为常数,则磁通将减小,进而减小了电机的输出转矩。为此,在低频段要对电压进行适当补偿以提升转矩。可是,漏阻抗的影响不仅与频率有关,还和电机电流的大小有关,准确补偿是很困难的。近年来国外开发了一些能自行补偿的变频器,但所需计算量大,硬件、软件都较复杂,因此一般变频器均由用户进行人工设定补偿。针对我们所使用的变频器,转矩提升量设定为1%5%之间比较合适。3. 如何设定加、减速时间电机的运行方程式:式中:Tt为电磁转矩;T1为负载转矩电机加速度dw/dt取决于加速转矩(TtT1),而变频器在启、制动过程中的频率变化率则由用户设定。若电机转动惯量J、电机负载变化按预先设定的频率变化率升速或减速时,有可能出现加速转矩不够,从而造成电机失速,即电机转速与变频器输出频率不协调,从而造成过电流或过电压。因此,需要根据电机转动惯量和负载合理设定加、减速时间,使变频器的频率变化率能与电机转速变化率相协调。检查此项设定是否合理的方法是按经验选定加、减速时间设定。若在启动过程中出现过流,则可适当延长加速时间;若在制动过程中出现过流,则适当延长减速时间;另一方面,加、减速时间不宜设定太长,时间太长将影响生产效率,特别是频繁启、制动时。我们将加速时间设定为15s减速时间设定为5s。4. 频率跨跳V/f控制的变频器驱动异步电机时,在某些频率段。电机的电流、转速会发生振荡,严重时系统无法运行,甚至在加速过程中出现过电流保护使得电机不能正常启动,在电机轻载或转动量较小时更为严重。因此变通变频器均备有频率跨跳功能,用户可以根据系统出现振荡的频率点,在V/f曲线上设置跨跳点及跨跳点宽度。当电机加速时可以自动跳过这些频率段,保证系统正常运行。5. 过负载率设置该设置用于变频器和电动机过负载保护。当变频器的输出电流大于过负载率设置值和电动机额定电流确定的OL设定值时,变频器则以反时限特性进行过负载保护(OL),过负载保护动作时变频器停止输出。6. 电机参数的输入变频器的参数输入项目中有一些是电机基本参数的输入,如电机的功率、额定电压、额定电流、额定转速、极数等。这些参数的输入非常重要,将直接影响变频器中一些保护功能的正常发挥,一定要根据电机的实际参数正确输入,以确保变频器的正常使用。第六章 检测电器和电路6.1传感器最广义地来说,传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Com
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