（电力电子与电力传动专业论文）abb变频器在抓斗式卸船机控制系统中的应用.pdf

北方工业大学硕士学何论文 a b s t r a c t g s ui so n et y p eo f i m p o r t a n te q u i p m e n t sf 0 rp o w e r p l a n t ss e ac o a lm m s p o r t a t i o n ni s a d 印t e dt 0d i f r e r e n t 帅e so f c o a l s ，w i t l lg r e a t e rp o w e ra n dl o w e rp c e ni su s e dw i d e l ya n d b e c o m e s a c o m m o n e q u i p m 饥t o n t l l e c o a l p o n m d r i m gs y s t e n l s d e s 咖o f g s u i s 州 呻o n 狮tp a nr ) rg s u sn m 玎j n g t 1 1 eg s u s “v es 姆锄m a i n l yc o n t a j n sh o i s t c 1 0 s e ，t r 0 1 1 e y g m t 巧h le 砌ys y s t 锄， w o u l l dr o t o rm o t o r sw e r eu s u a l l yl l s e d b u tt 1 1 e ya l w a y sb r o u g h t l l i g hs t a n i n gc l l r r e n t 锄l dl a r g e n o i s e ，w 1 1 i c ha f t e dt 1 1 el i f e t i i l l eo fg s u w i m 吐l ed e v e l o p m e n to f 丘朝u e n c yc o n v e n m e s q u i i t c l 一c a g er o t o rm o t o r sd 印e i l d a b i l 毋a 1 1 dp c eh a v em o r ee x c e l l e n c e ，m e ya r eu s e dm o r e 锄dm o r e t h es q u i r r e l - c a g er o t o rm o t o rh 鹊s i i i l p l e r 缸l m ed e s i g n ，l l i g h e rp m t e c t i o nc l a s s ，a n d 1 e s sm a i n t 锄a i l c ea n db 血g sm o r ee 伍c i e l l c y 砌s p a p e r t a l l ( s 擞 u t m e d e s i 鲥n g f o r d r i 询gs y s t 锄o f 蛔堍p o w e r p l 砌s g s u b a s e do nt 1 1 et a t h ec a b m e tw a sd e s i g n o dw i t ha b ba c s 8 0 0s t a n d a r dc o m p i m e n t s t h em a i l l d e s i 印啦s o 胁a r ei sa u t o c a d2 0 0 6 ，e 1 m 喊e r6 oi sm eb 撕cp 吻e c tp l a t f o i m d e s i 印e dt 0 p r 印a r e a n d r i v i i l gs y s t 锄、m c h m a l 【e m e a c s 8 0 0 弱m ec o r ec o m p o n 哪1 1 1 es y s t e r i l d “l e d 危a t u r e si n c l u d e ：m ei s um o ( 1 u l e c h a 哂n g 劬c t i o n s ，锄唧c ys t o p ，e l e c t r i c a ld i s c 0 恤e c t p r e v 训o no f u n e x p e c t e ds t a ：r tu p ，c o m m l i c a t i o nw i t l lp i c o rc o n l p u t e r 访ap r o f i b u sa n ds 0 0 n t h e 血v 啦s y s t 锄s a t i s 矽t l l ec u s t o m e ra 1 1 dm n sw e l li nt h ec o 甜p o f tf o r 蛔i i l gp o w e r p l m t 1 ( e yw o r d s ：a c s 8 0 0 ，g s u ( g 协s h i pu n l o a d e d r ) ， f r e q u e n c yc o n v e n e r ，e 1 e c t r i c a l d e s i 印 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得韭直王 些苤堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名_ 移以盔字日期：脚了月妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 量友王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权j e 友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：呻扔己 签字日期：渊年r 月垆日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：p 踔r 用。日 电话： 邮编： 北方工业人学硕士学位论文 l 绪论 1 1 抓斗式卸船机简介 1 1 1 结构特点 抓斗卸船机主要由抓斗小车、钢结构、大车运行机构、悬臂俯仰机构、钢丝绳导向 系统、移动式司机室、料斗及卸料设备、除尘系统、电气和控制设备等部分组成。以卸 煤为例，小车在主梁和悬臂架上运行，将抓斗送入船舱内抓取煤，然后将煤卸到料斗 内，通过给煤机、移动式带式输送机，卸到码头面带式输送机中，再转运至贮煤场。卸 船工作由司机在司机室内独立用手动、半自动方式操作。大小车行走机构、抓斗起升 开闭机构、悬臂架俯仰变幅机构、小车移动机构采用交流电机驱动，所有变频器放置在 电气房内。卸船机主结构件设计和制作在不能焊接的部位采用高强度螺栓联接。对需要 在现场拼接的大型结构，采用高强度螺栓联接，接触面采用喷丸处理，所有结构的联接 均不采用铆接形式。 抓斗支持( 起升或下降) 和开闭机构、小车( 牵引) 驱动机构由两套安装在机房的 差动齿轮减速机实现。在卸船机上，采用两台行星差动减速机组成四卷筒机构，其结构 紧凑，体积小，效率高。行星齿轮减速机具有较大的承载能力和过载能力。采用行星轮 实现功率分流，太阳轮浮动布置，使载荷均匀分配，有效地提高减速机的可靠性。两排 并列的四个卷筒，向海侧绕出起升和开闭绳，经头部改向滑轮，再经由小车架上的固定 滑轮组至四索抓一斗。起升开闭、小车牵引可单独或联合动作。为确保卸船机安全可 靠地工作，各机构均安装适当的安全保护和指示装置。主要机构中的减速箱有高可靠 性。大车行走机构无开式齿轮，采用全封闭式减速箱，以适应码头粉尘污染严重的情况 下作业。机房设置在后大梁上部，使整机工作与停机时轮压及稳定性良好。非工作时， 海侧主梁可仰起8 0 。，不妨碍船的靠岸和离港等作业。 北方_ t 业大学硕十学位论文 卸船机外型如图所示： 图1 1g s u 不意图 1 1 2 电气控制特点 起、制动控制：抓斗的升降、开闭为位势负载，因而抓斗在升降或开闭起动 时，首先要建立起足以克服负载力矩的电动力矩，再把抱闸松开，保证抓斗不会突然下 沉；在制动时，只有当机构的运行速度低于额定速度的2 时，制动器才能自动抱闸， 减少抱闸的磨损，实现平稳起制动。但当紧急停车或限位开关动作及电源发生故障时， 制动器立即抱闸，以确保安全。 抓斗开闭度控制：抓斗的全开度和全闭度可在联动台上方便地设置，并有相应的 指示灯。这样闭斗时，能在闭合前的适当位置自动减速，闭合后自动停止，实现软闭 斗；开斗时，在全开度前适当位置，能自动减速，在全开度时自动停车。由于开闭度可 方便地设置，对更换不同类型的抓斗也很方便。 抓取量( 下沉) 控制：抓斗在抓料时，起升机构具有自动下沉功能，保证抓斗既不 发牛倾倒，又可提高抓取量和整机生产率，抓取量在司机操作台上可以方便地调整。 2 北方t 业大学硕士学位论文 起升、开闭双机协同工作：闭斗上升时实现负载( 力矩) 均衡，开斗下降时实现速 度( 位置) 均衡，此外，还可实现闭斗下降负载均衡。 手动半自动卸料：起升、开闭、牵引小车运行通过p l c 可以手动操作或半自动操 作。在半自动运行时，抓斗抓满闭合提升到设定的起升高度便自动进入半自动运行，抓 斗自动升到卸料高度同时向陆侧料斗方向运行。若设定为静态卸料，则抓斗在料斗前自 动防摇，停在料斗上方中央位置后，自动打开抓斗卸料；若设定为动态卸料，抓斗在接 近料斗时，利用惯性摆动甩斗卸料，抓斗在料斗上方不停留，当抓斗在最大摆角位置时 即反向运行。静态或动态卸料完毕，抓斗自动向海侧运行并下降到前次记忆的空间位置 转入手动控制，也可通过操作小车主令开关提前转入手动控制，选择料点抓料。在半自 动循环的任何时刻，只要小车主令离开零位，即中断半自动运行，回到手动控制。 变幅机构自动运行方式及特点：变幅机构的操作有手动和自动方式，在自动方式， 以上升挂钩为例，司机只要按一下上升按钮，变幅机构即平稳加速到额定速度运行，过 了中间位置后，自动抬起安全钩，变幅机构继续上升到上减速位置，此时检测安全钩是 否已抬起，检测安全钩限位正常后变幅机构继续减速上升至上停位置停机，然后自动放 下安全钩，变幅机构再自动反向低速运行直至松绳。 卸船机管理系统：在变频器和控制侧配置故障诊断和数据管理系统。故障时能在司 机室和电气室的显示器上显示故障源的内容、时间以及排除方法指南等，并可打印记 录。卸船机管理系统能显示整机工作状况，抓斗运行轨迹，对抓斗起升、开闭、小车运 行、大车运行、悬臂俯仰等电机工作时间及卸料量进行统计与打印，以及预报警，方便 维护。 1 2 抓斗式卸船机对变频传动系统提出的要求 变频器应具有较大的启动转矩，通常超过1 5 0 9 6 的额定转矩，若考虑超载实验等因 素，至少应在起动加速过程中提供2 0 0 9 6 的额定转矩。 由于机械制动器的存在，为使变频器输出转矩与机械制动器的制动转矩平滑切换， 不产生溜钩现象，必须充分研讨变频器启动信号与机械制动器动作信号的控制时序。 当起升机构向下运行或平移机构急减速时，电动机将处于再生发电状态，其能量要 向电源侧回馈，必须根据不同的现场情况研讨如何处理这部分再生能量。 起升机构在抓斗吊重物离开或接触地面瞬间负载变化剧烈，变频器应能对这种冲击 性负载进行平滑控制。 3 一 北方工业大学硕士学位论文 1 3a b b 变频传动系统在抓斗式卸船机系统中的作用 1 3 1a b b 变频调速系统发展简介 采用变频的方法，作为交流异步机的供电电源，实现对电机的转速控制，达到节能 或改善工艺的目的，大约已有4 0 年的历史了。随着电力电子技术和微电子技术的发 展，变频器的理论和产品水平也在飞快的发展。从6 0 年代末到9 0 年代，变频器的控制 方法经历了几次大的发展变化。大概经历了三个阶段，每一个阶段，技术上都有一个突 破性的进展，推出一个更先进的控制原理。每一类都有很大的应用市场，延续至今，形 成三类控制原理并存的局面。 第一类是7 0 年代以恒压频比控制方式为理论基础的变频调速。它可以做成转速开 环变频调速方式，也可以做成转速闭环调速方式。转速开环变频调速系统在恒压频比控 制的基础上，为了改善电机的低速力矩特性，增加了变频器低频段的电压补偿的协调控 制，为了改善电机的速度特性的硬度，增加了转差补偿控制。虽然其结构简单，成本 较低，但调速系统静、动态性能不高。为了改善性能，继开环系统的基础上，软件里 加入了p i 型转速调节器，力图使转速无静差，改善稳态性能。在动态过程中，转 速调节器饱和，系统能以最大转矩t m 加减速，保证了在允许条件下的快速性、加减 速的平滑性，系统也容易稳定。然而这类基本型转差频率控制是从异步电机稳态等值 电路和稳态转矩公式出发的，”保持磁通恒定”的结论只在稳态情况下成立。电流调 节器只控制了定子电流的幅值，并未控制其相位，其动态性与理想的闭环控制指标 仍存在一定的差距。这类变频器常用于风机、水泵类节能型调速系统或对速度的动态指 标要求不高的简单机械传动上。 第二类矢量控制型变频器出现于8 0 年代它是基于“感应电机磁场定向控制原理”， 和矢量系的”坐标变换”原理，经过不断改进和完善，形成的一类高性能的矢量控制 变频调速系统。其基本思想是通过矢量变换和磁场定向，实现定子电流转矩分量与励 磁分量的解耦，得到类似直流电机的动态数学模型，然后模拟直流电机进行控制，获 得良好的静、动态性能。继而出现的转差型矢量控制，进一步简化系统结构，使之 进一步实用化。虽然理论上采用直接转子磁链定向最为理想，但是由于转子磁链直接检 测相当困难，只能利用转子磁链模型进行磁场定向，而电机运行状态的变化以及参数 的变化势必会影响转子磁链模型的精确性，进而影响系统的静、动态性能。为了使磁 场定向准确且对电机参数变化不敏感，可以通过参数辨识、参数自适应等方法，提高 系统的鲁棒性。 4 一 北方下业人学硕士学位论文 由于这类变频器采用了矢量控制技术，依靠计算机的快速数据处理能力，将一个连 续的电流量经过坐标变换分解成无数对离散的、空间上互相垂直的两个电流分量，按 照磁场和其正交的电流乘积就是转矩这一原理，将定子电流分解成建立磁场的励磁分 量和与磁场正交的产生转矩的转矩分量，然后分别进行各自的闭环控制，就象直流电 动机可以分别对励磁和电枢电流进行控制一样，从而使得普通的交流电动机得到如同 直流电动机的控制规律和动态性能。矢量控制变频器已广泛的应用到工业领域的各个行 业中了。 从控制角度看，矢量控制的变换机理需要用测速元件，以测量转子的瞬时状态来确 定转子磁链的位置。从应用角度看，要提高传动系统的控制精度，就需要精确测量转子 的转速，构成速度闭环控制。但速度传感器安装要求高，机械调试工作量大，由于 场地及空间的限制，有些装置不允许安装速度传感器，于是近些年，许多公司纷纷推 出无速度传感器的高性能交流调速系统。它正能弥补这些不足之处。无速度传感器的初 始方法是实时检测定子电压和电流，再依据电机模型对转速直接进行估算，用估算的 值作为内部速度反馈量，完成高精度的速度控制。因此提高转速估算精度是该系统的关 键。 a b b 公司在上世纪7 0 年代已有型号为“s a m i s t a r ”和“a c v 7 0 0 ”的矢量控制型变 频器系列，随着更先进的直接转矩控制d t c 型变频器问世，矢量控制型变频器曾淡出过 a b b 交流传动家族。为了补充交流传动在标准应用领域的需要，最近a b b 公司再次推出 更新了的矢量控制变频器系列一a c s 5 5 0 系列。该系列以更新的结构和更强大的功能服务 于小容量，要求高的传动市场。 第三类是采用目前最先进的变频控制理论d t c 构成的交流传动。d t c 变频器由a b b 公司于上世纪9 0 年代推出。它的控制思路简单明了，控制性能卓越，几乎达到了交流 异步电机调速的完美程度。很快深入到工业应用的各个领域。它摈弃了大量的矢量控制 中坐标系变换的计算，直接以电机的磁场和力矩为目标进行控制，系统原理简单明确。 理论和实践都证明了异步电动机接受了变频器馈入的s p l i m 电压后，在定子绕组 中得到的是连续的正弦电流，且三相正弦电流在三相定子绕组中会产生圆形的旋转磁 场，从而产生恒定的电磁转矩。反过来，如果用跟踪圆形旋转磁场的方法来控制定子 绕组输入端的脉宽调制电压，形成反馈、闭环控制，那么效果会比输入s p w m 电压更 好。这就是“电压空间矢量控制 思想，亦称“磁链跟踪控制”。d t c 控制着眼 于定子侧的磁链为被摔对象，极大的简化了矢量控制中的坐标变换计算。某一时刻的电 压空问矢量决定了该时刻的磁链空间矢量，每一个磁链空间矢量都要根据前一个矢量的 5 北方丁业人学硕士学位论文 位置单独计算，由此形成的p 1 】i m 输出，就时时刻刻反映着电机的实际力矩。因为数据从 采集到运算完输出，仅经过2 5 微妙，所以变频器的力矩可以快速的跟随负载的变化而 变化，始终保持转速为给定值。p 1 j l m 脉冲经过优化后在取控制逆变桥，进一步改善了速 度控制过程中的指标。精确的电机模型直接输出电机速度值，作为反馈量，使交流异步 机调速系统也具有象直流电动机一样的双闭环调节过程，使交流调速达到了目前的最高 控制水平。 1 3 2a b b 变频调速系统在抓斗式卸船机中的应用 抓斗式卸船机广泛的用于沿海沿江的港口码头，此类应用不仅要有精确的速度控制 特性，还要有极好的力矩控制特性。力矩控制的精确度和响应快慢是衡量电气传动技术 的重要指标。因为这一类纯位势负载的特性是被提升物一旦离开地面便没有了依托，物 体在悬空状态下的升降或停住完全靠电气传动进行控制，起安全保护作用的抱闸的开闭 必须精确控制，且传动必须能记忆提升力矩，以配合抱闸的开闭实现无跳变的速度控制 过程，避免溜车造成的损害。有与此类似要求的应用场合还有电梯，立体仓库的物料运 输机，高炉的卷扬机等设备。满足这类应用场合除要求电气设备的硬件有过硬的可靠性 外，还要有特殊的专用软件，专门适合这类负载的全部控制需要：提升过程中的速度力 矩控制要求，力矩记忆，抱闸控制，全程的速度力矩跟踪，校验，监视。岸侧机械的稳 定性监视和限制。在这类应用中，a b b 公司具有标准的产品系列和专用软件。其全新概 念产品a c s 8 0 0 系列变频器用于控制1 1 至2 8 0 0 k w 的交流电机，它具有高性能的调速指 标，可以使用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼式异步电动机，并且高效、节能， 维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统的交流调速系统有较大的改善。 a 陷电气传动系统的交流变频调速技术在工业界的广泛应用，为交流异步电动机驱 动的起重机大范围、高质量地调速提供了全新的方案。在世界各国的海港，集装箱和散 货码头，应用极其普遍。a b b 为提升系统提供的解决方案如下图所示， 一6 一 北方t 业大学硕士学位论文 a 加a 嫩8 0 0 室毵熬 驴 ； l 鞠； 嘲瑚嘲_ 啭 ；女 良一，潼超震统 匕麓黜譬岔 ， l张8 0 0 蔽懑 嘲i0 c 缆劲辘 j - 。，鲞i 鍪荔煮恩缀蘩餐爨。 a c s8 0 0 a c 魄劲荔 与d g s 8 d c 魏秘辫 1 4 本论文的主要工作和结构 二艺翻靛 a c 嘏动统 图1 2a b b 提升行业解决方案 本课题所做的是北京a b b 电气传动公司产品a c s 8 0 0 在振华港机( z p m c ) 项目( 乐 清) 中的应用。通过对各模块功能的了解，采用a b b 公司a c s 8 0 0 系列标准化传动模 块，设计其外围电气系统，以满足现场抓斗式卸船机的使用要求。 工作内容主要包括：对主要元器件进行选型：设计变频器的外围电路；解决在装配 与测试中出现的问题。本文核心旨在论述a c s 8 0 0 变频器电气回路的设计。 本文从结构上分为五章，第一章介绍了抓斗式卸船机的结构特点、电气控制特点以 及它在运行当中的一些特性，同时也简要地提出了变频器在抓斗式卸船机种所起的作 用。第二章介绍了实现电气设计所用到的软件环境。第四章介绍了a b b a c s 8 0 0 系列变 频器的几种特性。第五章详细论述了乐清电厂项目电气传动控制系统的设计。第五章介 绍了系统的主要参数的设置以及变频器的空载测试。 7 耘 ，似邈霪煞麟酱 北方l = 业大学硕十学位论文 2 设计软件简介 2 1a u t 0 c a d2 0 0 6 a u t o c a d 是由美国a u t o d e s k 公司于二十世纪八十年代初为微机上应用c a d 技术而 开发的绘图程序软件包，经过不断的完善，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。 a u t o c a d 具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的 多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用并在不断实践的过程中更好 地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。a u t o c a d 具有广泛的适应 性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行，并支持分辨率由3 2 0 2 0 0 到2 0 4 8 1 0 2 4 的各种图形显示设备4 0 多种，以及数字仪和鼠标器3 0 多种，绘图 仪和打印机数十种。 a u t o c a d 软件具有如下特点：具有完善的图形绘制功能、有强大的图形编辑功能。 可以采用多种方式进行二次开发或用户定制、可以进行多种图形格式的转换，具有较强 的数据交换能力、支持多种硬件设备、支持多种操作平台、具有通用性、易用性，适用 于各类用户。此外，从a u t o c a d 2 0 0 0 开始，该系统又增添了许多强大的功能，如 a u t o c a d 设计中心( a d c ) 、多文档设计环境( 如e ) 、i n t e r n e t 驱动、新的对象捕捉功 能、增强的标注功能以及局部打开和局部加载的功能，从而使a u t o c a d 系统更加完善。 2 2e 1 m a s t e r6 o 在设计中，主要的工程系统采用的是瑞典i d e s 公司的产品e l m a s t e r6 0 。本文主 要涉及到的工作基本上都是在此系统中完成。其主要的框架包括： e 1 h l a s t e rd e s i g n e 1 m a s t e rd e s i g n 是一种制图组件( c a d ) 的工具。这个程序基于全球领先的c a d 系统a u t o c a d 及部分行业标准编制而成。工程设计人员可以利用这个组件绘制和更新电 路图和结构图。并且可以用其生成完整的符号库。本程序可以自动更新文档列表和电路 图的互见条目。本程序可以独立运行，也可以连接服务器交互运行。使用者甚至可以通 过这个程序打印输出图纸，而无需打开文件。 e 】m a s t ，e ra d m jn js t r a t o r 8 北方工业大学硕士学位论文 e l m a s t e ra d r i l i n i s t r a t o r 是用于管理数据库的程序。本程序可以完成如注册新型 报表、删除项目、查找特定用户或项目的现有符号库、创建新的数据库标准、打印输出 之前对报表进行转换等。 e l m a s t e re x p l o r e r e l i t l a s t e re x p l o r e r 是e l i f l a s t e r 企业版的设计内核。您可以利用这个程序注册项 目，然后进行搜索，处理条目数据、文件及相互关联。e l i i i a s t e re x p l o r e r 可以对设备 列表中的文档和互见条目自动进行版本处理。这个程序可以链接e l m a s t e rd e s i g n 中的 制图环境，将数据装入面向对象的数据库中。 e l m a s t e ri n t e r c o n n e c t e l m a s t e ri n t e r c o n n e c t 可以连接e 1 m a s t e rd e s i g n 设计的电路图自动生成的表 单。本程序可与数据库交互运行。 e l m a s t e re x c h a n g e e l m a s t e re x c h a n g e 用于输出输入项目，真正实现利用基于数据库的工厂文档系统 为工厂对象输出、输入报表，图纸的各种数据。 一9 北方，t 业大学硕士学位论文 3a b ba c s 8 0 0 系列变频器特性简介 直接转矩控制技术控制交流电机关键的两个变量为磁通和转矩。a c s 8 0 0 变频器就 是采用直接转矩控制( d t c ) 技术，结合诸多先进的生产工艺所推出的新一代高性能变频 器。变频器测量的电动机电流和电压作为白适应电机模型的输入，该模型每隔2 5us 产 生一组精确的转矩和磁通实际值。电机转矩比较器将转矩实际值与转矩调节器的给定值 作比较，磁通比较器将磁通实际值与磁通给定调节器的给定值作比较。依靠来自这两个 比较器的输出，优化脉冲决定逆变器的最佳开关位置。 由于采用了先进的直接转矩控制( d t c ) 电机控制技术，a c s 8 0 0 变频器具有以下控制 特性： 3 1 电机自辨识运行 直接转矩控制完美的控制特性基于准确的电机模型，这个电机模型是在电机的辨识 运行过程中建立的。变频器起动过程中，电机运行约1 m i n ，控制电路此时监控电机运行 中的反应，并建立、优化电机的数学模型。若第一次起动，变频器将自动执行快速电机辨 识程序。此时，电机在零速运行几秒钟，以便建立电机模型。经过第一次起动的辨识运行 即可满足大多数应用场合的要求。 3 2 自动起动与掉电运行 a c s 8 0 0 变频器的自动起动特性超过了一般变频器的提升起动和积分起动的性能，因 为它可以在几毫秒内测出电机的状态，能在任何条件下迅速起动。如果在运行过程中，电 源突然被切断，a c s 8 0 0 变频器将利用正在工作的电机的动能继续维持运行。只要电机仍 然旋转并产生能量供给变频器，变频器就将继续运行。 3 3 零速满转矩运行 由a c s 8 0 0 变频器带动的电机在零速时能够获得电机的额定转矩，且不需要光码盘或 测速机的反馈。此特性在电梯、升降机、抓斗式卸船机和挤压机等应用中十分重要。若 长期工作在突然起停状态，还是有必要安装电机侧光码盘或测速机。 3 4 直流励磁 a c s 8 0 0 变频器的直流励磁功能可以在启动自仃自动给电机励磁。此特性保证有足够 的启动转矩，最高可达到2 0 0 9 6 的电机额定转矩。例如：通过调整预励磁时间，可以在机械 1 0 北方上业大学硕士学f 蘸论文 抱闸释放的时候就已经建立起转矩，以保持电机不会转动。这一点在起重机应用中显得 尤为重要。 3 5 直流抱闸 通过应用直流抱闸功能可以在零速时锁定转子。当速度给定值和电机速度都低于预 设的直流抱闸速度时，a c s 8 0 0 变频器停止带动电机，并给电机注入直流电压。当速度给 定值又一次超过直流抱闸速度时，a c s 8 0 0 变频器才重新开始正常工作。 3 6 磁通制动与磁通优化 a c s 8 0 0 变频器能通过提高电机的磁场来提供足够快的降速，增加电机磁通后，电机 在制动过程中产生的能量能够被转化为电机的发热能量。磁通制动也能应用于停止的电 机和从一个转速变换到另一个转速。a c s 8 0 0 变频器的磁通优化减少了能耗，并且减少了 传动在低于额定负载时的噪音。 3 7 精确速度控制 a c s 8 0 0 变频器的静态速度控制误差为o 1 5 的电机额定转速，基本上可以满足大 多数工业场合的应用要求。若要进一步提高电机调节精度，可以用脉冲编码器作为速度 反馈信号，这时静态速度控制误差通常可以达到o o l 的电机额定转速。a c s 8 0 0 变频 器还有其他一些优点，例如：性价比高，接口丰富，便于编程，能耗低等等。 由以上介绍可以看出，应用d t c 的a c s 8 0 0 具有一系列的优点，d t c 对交流传动调速 来说是目自酉最好的电机控制方法，它使交流传动的性能有了很大的提高，已经可以和直流 传动调速相媲美，加之交流电动机本身具备的特点如结构简单、便于维护、价格便宜 等。所以，交流调速有着广泛的应用前景。 北方工业大学硕+ 学位论文 4z p m c 乐清电厂项目抓斗式卸船机变频器电气控制系统设计 根据客户的要求，我们拟定了份技术协议，并通过了客户的审核，篇幅所限，这 罩通过附表的形式给出。整机设计思路即按本技术协议执行，以下论述整体设计工作。 4 1 变频器柜体防护等级的基本要求 变频器的工业现场一般灰尘大、温度高，在我国南方还有湿度大的问题。如线缆行 业还有金属粉尘，在陶瓷、印染等行业还有腐蚀性气体和粉尘，在煤矿等场合，还有防 爆的要求等等。因此每套变频器系统必须根据各自不同现场的情况做出相应的对策。本 项目应用场合为海岸港口，但由于变频器柜体是放在专门的机房内，工作环境较为良 好，所以可以按照i e c 标准进行设计。首先介绍一下i p 防护等级。 i p ) 【) ( 防尘防水等级 防尘等级( 第一个x 表示) 0 ：没有保护 1 ：防止大的固体侵入 2 ：防止中等大小的固体侵入 3 ：防止小固体进入侵入 4 ：防止物体大于1 姗的固体进入 5 ：防止有害的粉尘堆积 6 ：完全防止粉尘进入 防水等级( 第二个x 表示) o ：没有保护 1 ：水滴滴入到外壳无影响 2 ：当外壳倾斜到1 5 度时，水滴滴入到外壳无影响 3 ：水或雨水从6 0 度角落到外壳上无影响 4 ：液体由任何方向泼到外壳没有伤害影响 5 ：用水冲洗无任何伤害 6 ：可用于船舱内的环境 7 ：可于短时间内耐浸水( 1 m ) 8 ：于一定压力下长时间浸水 1 2 北方丁业大学硕士学位论文 按照技术协议的规定，本项目的i p 等级为i p 2 2 。即：可以防止中等大小的固体侵 入并且当外壳倾斜到1 5 度石，水滴对变频器正常工作无影响。在该标准下，控制柜整 体设计为密封形式，通过专门设计的进风口、出风口进行通风，控制柜顶部有防护顶盖 和防护顶盖出风口，控制柜正面门下方有进风口并且安装防尘网，底板有带有胶塞的进 出线孔。具体设计要求为： 变频器控制柜的风道要设计合理，排风通畅，避免在柜内形成涡流，防止在固定的 位置形成灰尘堆积。 变频器控制柜顶部出风口上面要安装防护顶盖，防止杂物直接落入：防护顶盖高度 要合理，不影响排风。防护顶盖的侧面出风口要安装防护网，防止絮状杂物直接落入。 如果采用变频器控制柜顶部侧面排风方式，出风口必须安装防护网。 一定要确保变频器控制柜项部的轴流风机旋转方向正确，向外抽风。如果风机安装 在变频器控制柜顶部的外部，必须确保防护顶盖与风机之间有足够的高度：如果风机安 装在变频器控制柜顶部的内部，安装所需螺钉必须采用止逆弹件，防止风机脱落造成柜 内元件和设备的损坏。建议在风机和柜体之间加装塑料或者橡胶减振垫圈，可以减小风 机震动造成的噪音。 变频器控制柜的前、后门和其他接缝处，要采用密封垫片或者密封胶进行一定的密 封处理，防止粉尘进入。 变频器控制柜底部、侧板的所有进风口、进线孔，一定要安装防尘网。阻隔絮状杂 物进入。防尘网应该设计为可拆卸式，以方便清理、维护。防尘网的网格要小，能够有 效阻挡细小絮状物。防尘网四周与变频器控制柜的结合处要处理严密。 针对港机项目的特殊性，a b b 变频器柜体内部的印制板、金属结构件均进行了防潮 湿霉变的特殊处理，例如印刷电路板必须采用喷涂处理，对于结构件采用镀镍或铬等处 理工艺。除此之外，为了满足该类项目海岸应用的特殊性，每个柜体中我们都配备了除 湿用的加热器。 1 3 北方t 业大学硕士学位论文 4 2 变频器柜体应对电磁干扰的基本措施 在多点传动的控制系统中，多采用微机或者p l c 进行控制，在系统设计过程中，变 频器对微机控制板的干扰问题应放在重要位置。由于变频器是大功率器件，在采用变频 器后，产生的传导和辐射干扰，往往导致控制系统工作异常，因此需要采取以下必要措 施。 良好的接地。降压变压器地线、变频器地线、变频器柜体外壳、电机底线等强电控 制系统的接地线必须通过接地汇流排可靠接地；对于某些干扰严重的场合，建议将传感 器、i o 接口屏蔽层与控制板的控制地相连。 对模拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电气屏蔽和隔离。在变频器组成的控制 系统运行过程中，建议尽量不采用模拟控制，特别是控制距离大于1 m ，跨变频器控制 柜安装的情况下。在该项目中，配备了型号为n d b u 一9 5 c 的带有防静电涂层的光纤分配 器。 在变频器输入侧添加电感和电容，构成l c l 滤波网络。 采用单独的变压器，变频器的电源线直接从变压器侧供电。 在采用外部开关量控制端子控制时，采用屏蔽电缆。 在采用外部通信控制端子控制时，采用双屏双绞线，并将变频器侧的屏蔽层接地， 即将屏蔽层与变频器柜体外壳连接。对于采用现场总线的高速控制系统，通信电缆采用 光纤以提高通讯可靠性。 采用集中整流，直流共母线供电方式。同时这也是减少柜体尺寸的良好途径。 根据用户的要求和我们所了解的现场实际情况，按以下方案进行综合设计： 按照电压等级本系统划分为传动部分和控制部分。传动部分主要由i s u ( i g b t 供电 单元) 、以及多个i n u ( 逆变单元) 组成。控制部分主要由a c u ( 辅助控制单元) i c u ( 进线控制单元) 、d c u ( 传动控制单元) 组成。 4 3 逆变器选型 本系统中包括5 个传动点，分别由不同容量的变频器进行控制。应用中用到了规格 为a c s 8 0 0 一r 7 i 和a c s 8 0 0 r 8 i 两种不同的模块。各模块内部功率元件均为i g b t 。其选 型参考范围为： r 7i ：5 5 16 0 k w 3 8 0 一6 9 0 v r 8i ：2 0 0 5 6 0 0 k w 3 8 0 一6 9 0 v 1 4 北方工业入学硕士学位论文 各传动点由其各自的控制单元来控制，并且由p l c 或上位机通过通讯器件进行协调 控制以达到应用目的。由于应用对象提升系统的四象限运行的特殊性，系统可以将 电机在发电运行状态下产生的电量回馈到电网中去，以达到节能的目的。在此运行状态 下，电路运行状态相反。 变频器容量的选型一般要满足表4 1 所列的要求。 表4 1 变频器容量选择 要求 算式 满足负载输出 旦变频器容量( 七蹦) 7 7 c o s 缈 满足电动机容量 k 怕吸，1 0 一3 变频器容量( 足删) 满足电动机电流 肼变频器额定电流( 彳) 式中：屹一负载要求的电动机轴输出，七黝： 7 额定输出电压v ： 1 额定输出电流a ： 7 7 一电机效率： 七一电流波形补偿系数： c o s 伊一电机的功率因素。 根据变频器输出功率和额定电流稍大于电机的功率和额定电流的原则来确定变频器 的参数与型号。需要注意的是，变频器的额定容量及参数是针对一定的海拔高度和环境 温度而标出的，一般指海拔l o o o l 以下，温度在4 0 或2 5 以下。若使用环境超出该 规定，则在确定变频器参数、型号时要考虑到环境造成的降容因素。 最后根据表1 选用的变频器如表4 2 所示： 1 5 北方工业大学硕士学位论文 表4 2 本项目选用的变频器模块 u n i t n 锄e 聊e h o l da c s 8 0 0 10 4 0 91o 5 c l o s ea c s 8 0 0 10 4 。0 9lo 5 t r o l l e y b o o ma c s 8 0 0 一10 4 一0 4 6 0 5 g a n t r y la c s 8 0 0 10 4 0l7 5 5 g a n t r y 2a c s 8 0 0 10 4 0 17 5 5 4 4 供电单元选型 l 、滤波器单元( l c l ) ： l c l 滤波器单元由两个规格为r 8 i 的滤波器模块组成。主要用来对电路输入端的高 频和中频信号进行过滤，同时也可以防止电路中的高频开关信号进入电网。就如同其名 称一样，该模块主要结构为电感和电容。电感用于平波，电容用于过滤高次谐波。 2 、i g b t 供电单元： i g b t 供电单元是整流部分的核心部件。其主要功能是将电网中的交流电转换为变 频器可用的中间直流环节。i g b t 元件的触发和关断由控制部分的r m i o 板进行控制。整 流部分按照逆变同时工作的最大功率来选择容量。本系统中整流部分采用的i g b t 整流 模块为a c s 8 0 0 一2 0 4 1 5 1 0 一5 。 i g b t 供电单元包括i g b t 供电模块，进线滤波器( l c l 滤波器) ，交流和直流熔断器及 其他可选设备。i g b t 供电模块将输入的三相交流电变为直流电向传动单元中间直流回 路供电。进而，中间直流回路向驱动电机的逆变器供电。中间直流回路可以接入多个逆 变器( 又称多传动) 。线路滤波器( l c l ) 用来抑制交流电压畸变和电流谐波。i g b t 供 电单元是一个四象限脉冲整流器，四象限脉冲整流器可以向中间直流回路供电，也可以 将中间直流回路的能量回馈回电网。一般情况下，四象限脉冲整流器将中问直流回路的 电压控制在输入线电压峰值以下。通过对一个参数进行设置，可以使中问直流电路的电 压更高，以减少电网电压扰动对传动装置的影响。 1 6 北方工业人学硕+ 学位论文 广1 i 交流熔断器l i _ j 圈巨囹匿 r 。 广。1 输入交流电压和电流波形 f l a j ，m e l 图4 1 供电单元原理图 一泖 八八 烈专烈“寸 鞭 【m s l 图4 2 供电单元输入波形 变压器输出端电压频谱如下图所示。图中，纵坐标对应每次谐波电压与基波电压的 比值。n 表示谐波次数。 1 7 北方下业大学硕十学位论文 l f 舭k 、一 6 ? 哟! ，2 ll ，4 l 豹l7 l ； ，0 ，l 1 ，0 j1 3 l l s 强 7 ， l i ：；， 图4 3 变压器输出电压频谱 系统中带有两个外形尺寸为r 8 i 模块的供电单元。 下面的单线图显示了供电单元和进线控制单元的概貌。 1 8 北方工业大学硕士学位论文 一芸 一 三舌， lf二 直流出线侧 图4 4 供电单元和进线控制单元单线图。 1 9 竹f 【_ l i _ n l-i卜口n七)口四旧u i1 ：i 寸【d 7 = 一t 1 0 ， 7 ；l ；强 = 一y i n s u 0 f 1 0 nl e v e | 63 k v ak k i ! u e 冀型! 7 2 7 3 隅! ! 旷 1 l3 i5 7 ni n 0 = 一s 5 7 、i 二i4 f6 8 4 4 - 一 0 1 5 1 彰钱 l 1 一l 2 l 。 量 一1 p l ：一l 3 f 7 t d 、 x 、 l 3 一l 1 ， 图4 52 3 0 v 控制电原理图 2 1 k 北方工业大学硕士学位论文 按照控制对象的不同，在该传动系统中将2 3 0 v 控制电做了如下分布。 图4 62 3 0 v 控制电分布图 变频器在与供电变压器连接后，互感器一t 2 立刻开始工作，电流表一p 2 得电并输出 信号( 此时为零) 。在客户将辅助开关一q 1 0 合上后，放置在a c u 柜体中的控制变压器一 t 1 0 开始工作并向变频器控制回路输出2 3 0 v 的交流电压，供大多数控制元件以及r 7 i 的风机使用。此时如果- f 5 闭合，电压表一p 5 将输出电压信号，该信号可以通过一s 5 来 进行相间的切换。 1，”u 。! 几， 。( j ，一 3，、， 八 、，夕7 5 7 - 八 、 ， 、；i一 、4 、 b 一 图4 7 主断路器咱1 示意图 2 2 北方工业大学硕士学位论文 如图，一q l 是型号为、e 3 s 2 0 0 0 ( 额定电流2 0 0 0 a ) 的空气断路器，是目前在低压强 电应用中的主流电气分断元件，通过对一q 1 的控制我们可以对整个交流进线侧的通断进 行控制。其具体的控制回路如下图所示 图4 8 主断路器q 1 控制回路图 其中一s 1 1 是为预留在门板上的操作元件，由它来间接实现对一q 1 的控制，其为施耐 德公司生产的低压电气开关元件，一s 1 1 有三种状态0 一l - s t a r t ，状态为o 时，触点1 2 和3 4 均为开，此时系统无动作，当_ s l l 状态拨至l 时，触点3 4 闭合，在系统为初始 状态的前提下，系统也无动作，但模块预充电接触器一k 2 的触点1 3 、1 4 两端已被预置 2 3 0 v 电压，并且此时预充电回路开始工作。当一s 1 l 的状态拨至s t a r t 时，触点1 2 和 3 4 均闭合，并给出一个脉冲电压，此时，一k 1 l ，一k 1 2 得电，一q l 启动，松手后- s 1 1 回 归l 状态，_ q l 通过自己的辅助触点4 3 、4 4 进行自锁，并开始工作。 因为一q 1 为功率元件，并且内部有储能电机，下方还放置有变压器，所以在i c u 柜 中，在顶盖上加装了两个2 3 0 v 的风机用于散热，以保证一q l 正常工作。 2 3 北方工业大学硕士学位论文 4 6 2 整流模块的预充电回路设计 变频器启动时，为了避免电压和电流突然变化对变频器内部的元器件造成损