安川H1000变频器在双电机同步控制中的技术方案研究.pdf

自动化仪表 第 37 卷第 12 期 2016 年 12 月 修改稿收到日期 2016 05 13 作者周永亮 1987 男 2010 年毕业于南京工程学院电气工程及 其自动化专业 获学士学位 助理工程师 主要从事电气设计方向的 研究 安川 H1000 变频器在双电机同步控制中的技术方案研究 Research on the Technical Scheme Based on Anchuan H1000 Inverter for Synchronous Control of Double Motors 周永亮 广州电缆厂有限公司 广东 广州 510000 摘 要 针对传统同步方法控制下双牵引电机同步运行所出现的问题 提出了频率相对值跟随的方法 通过设置前后牵引变频器的 正反向运行的增益 使用指令指定切换端口 使前牵引电机跟随后牵引电机 对比新的跟随速差法和传统的固定速差法 新的跟随控 制方法克服了开关过程中的不平滑和两牵引电机间电缆上张力突变的不足 在高 中 低速档中表现出良好的动态性能 该方法提高 了产品的质量 增强了系统的灵活性 提升了设备的生产效率 具有借鉴和推广意义 关键词 变频器 双电机 牵引 同步控制 动态性能 可靠性 张力 中图分类号 TH 3 TP275 文献标志码 A DOI 10 16086 j cnki issn 1000 0380 201612022 Abstract To solve the problems that appear in traditional synchronous control system for double traction motors the method of following up control with frequency relative value is put forward Through setting the gains of the forward and reverse running of the inverter for front and rear traction and applying instructions to specify the switching port to make the front traction motor follows the rear traction motor The new following up control method is compared with traditional control method the new method overcomes the deficiencies of unsmooth switching process and the mutation of the tension of the cable between two traction motors good dynamic performance is shown at high medium and low speed status This method improves the quality of products enhances the flexibility of system and improves the production efficiency of the equipment it has the reference and the promotion significance Keywords Inverter Double motors Traction Synchronous control Dynamic performance Reliability Tension 0 引言 安川 H1000 变频器是安川继 A 系 F 系 V 系之后 开发的又一款重载高性能矢量变频器产品 与 A1000 相比 H1000 拥有更高的效率和过负荷能力 相对 G7 F7 V7 而言 H1000 在控制方式上的性能更高 适 用范围更广 控制精度提升 机械性能更高 拥有种类 更多且更大的制动转矩 与以前及同类变频器相比 H1000 内置多种学习方式 无论是驱动感应电机或是 同步电机 都能充分发挥其驱动性能 H1000 作为安川系列的新产品 具有更多的多段 速选择端子 丰富的多功能输入端子和在多速度 多 电机的控制领域 能够实现智能启动 并更加灵活地实 现主从调速 控制转换 在复杂工业过程参数优化方 法 1 主从电机同步的应用中具有显著的优势 1 工程分析 双履带牵引在运行时 几乎不受放线盘动平衡 误差的影响 把放线和收线的冲击干扰因素排除在 两牵引之外 由于受到电机的转差率 带轮精度 带 厚精度等因素的影响 两台牵引输出的线速度会存 在差异 当前牵引线速度大于后牵引线速度时 线缆下挠 松垮 并逐渐累积 直至不能正常稳定运行 当后牵引 线速度大于前牵引时 线缆就会出现张力 张力越大 线缆就会崩得越紧 在张力过大时 本来正常运行的 前牵引被后牵引通过线缆拽动 会产生失速超压 甚至 出现保护停机 从控制方式上来看 前牵引釆用速度稳定控制方 式 为生产线提供了稳定的线速度 后牵引釆用力矩控 制方式 即限制电动机的运行电流 使后牵引电机运行 在弱励磁状态 2 3 当外负载大于电机输出力矩时 电机转速因被堵 转而下降 电流增大 直至满足电机设定电流为止 所 以在生产操作时 通过设定不同的限制电流值 便可以 产生不同的张力 78 安川 H1000 变频器在双电机同步控制中的技术方案研究 周永亮 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 37 No 12 December 2016 2 技术方案与实例 当生产中只需要使用一个牵引时 应以后牵引 为主牵引 传统的技术方案为 在电缆的生产中 电 缆挤塑机的牵引主机启动后 当主机正向运行时 在 后牵引电机的控制变频器上设置一个超前的速度 差 其值为 5 Hz 在 H1000 的多功能输入端口 以继 电器的动断触点作为前 后牵引速度差切入与撤消 的闸门 当选择倒车时 断电器的动断触点动作断 开 前 后牵引的速度差被撤消 4 从而实现前 后牵 引的等速运行 传统前后牵引同步控制流程图如图 1 所示 图 1 传统前后牵引同步控制流程图 Fig 1 Flowchart of the traditional front and rear traction synchronous control 在规格一定的电缆生产运行中 牵引完成了生产 工艺的同步性要求 但仍存在着以下两方面的主要 缺陷 后牵引电机变频器采用 5 Hz 的速度超前预置 值 此控制方案下 运行一段时间后会经常发生过电流 误报警动作 在启动开关的开合过程中 由于外接电机 继电器 等感性负载 会给变频器的电流检测回路带来冲击性 的浪涌电流 5 6 检测回路灵敏度因振荡电流的冲击 下降 使变频器产生过电流误保护动作 同时缩短了回 路中检测电感的寿命 对变频器检测回路建立了电路模型 并给出数值 计算分析 电流检测回路的电路模型如图 2 所示 图 2 电流检测回路的电流模型 Fig 2 Current model of the circuit detection loop 由基尔霍夫电压和电流定律得 7 8 L diL dt RC duC dt uC 1 iL ic C duC dt 2 式中 参数 L 50 H C 2 10 3F R 2 10 3 将这些参数代入式 1 式 2 并整理得 d2uC dt2 40 duC dt 107uC 0 d2iL dt2 40 diL dt 107iL 0 特征方程为 p2 40p 107 0 特征值为 p1 20 j 3 162 214 p2 20 j 3 162 214 所以 uC Kue 20tsin 3 162 214t u 3 iL Kie 20tsin 3 162 214t i 4 电容电压初始条件为 uC 0 u C 0 500 V duc dt 0 iL 0 C 0 2 10 3 0 将初始条件代入式 3 得 Kusin u 500 20Kue 20tsin 3 162 214t u 3 162 214Kue 20tcos 3 162 214t u t 0 0 所以 Kusin u 500 Kucos u 31 623 两式相除后 得 tan u 15 811 u 86 38 Ku 500 sin86 38 500 99 uc 500 99e 20tsin 3 162 214t 86 38 V 5 电感电流的初始条件为 88 安川 H1000 变频器在双电机同步控制中的技术方案研究 周永亮 自动化仪表 第 37 卷第 12 期 2016 年 12 月 iL 0 i L 0 0 diL dt 0 uL 0 L uc 0 L uC 0 L 将初始条件代入式 4 得 Kisin i 0 20Kie 20tsin 3 162 214t i 93 162 214Kie 20tcos 3 162 214t i t 0 500 50 10 6 所以 Kisin i 0 20Kisin i 3 162 214Kicos i 107 iL t 3 162 341e 20tsin 3 162 214t A 6 由此可知 流过电感的电流是振荡衰减的浪涌 电流 当电容初始储能释放到零后 即电容电压在过零 变负时 电感中的电流 iL可达到最大值 设对应的时 间和 电 流 分 别 为 tmax tLmax 将 uc tmax 0 代 入 式 5 则 500 99e 20tmaxsin 3 162 214t max 86 38 0 tmax 0 029 6 s 将 tmax 0 029 6 s 代入式 6 可得 iL max 3 162 314 e 20 0 029 6sin 3 162 214 0 029 6 1 745 999 A 随外部开关的开合 冲击电流使回路中的检测电 感寿命缩短 电感值降低 由 uL L diL dt 可知 短时间 内电感两端电压不变 电感值下降 会使电流的变化率 上升 电流达到峰值的时间会缩短 使检测电感的灵敏 度下降 保护电路将会执行过电流保护误动作 以下进一步利用 OrCAD 中的 PSpiceA D 仿真组 件进行电感电流波形的仿真 仿真的电流波形如图 3 所示 由图 3 可知 使用传统技术方案 变频器检测回路 的检测电感的灵敏度会随着使用时间的增加而下降 到后期会经常发生过电流误报警动作 电缆在降速生产时电缆中的张力会剧烈地上 升 在由大线转成小线或进行双牵引倒线时 都需降低 牵引速度 而降低牵引速度会引起电缆中张力的陡 升 很容易拉断电缆线 要找出产生缺陷的原因 就需 要仔细分析预置固定速度差与电缆中张力变化规律之 间的关系 电缆上的张力与前 后牵引的速差百分比有关 为 了在起步阶段使后牵引的速度比前牵引的速度快 在生 产运行中 后牵引电机变频器会设置一个固定的 5 Hz 超前频率 即后牵引电机始终比前牵引电机快 5 Hz 当 前牵引以50 Hz 运行时 后牵引就以55 Hz 的速度运行 此时电缆上的张力为 10 55 50 50 100 当前牵 引以 10 Hz 运行时 后牵引就以 15 Hz 运行 此时张力 上升为 50 15 10 10 100 当前牵引以 5 Hz 运 行时 后牵引就以 10 Hz 运行 此时张力上升为100 10 5 5 100 图 3 电感电流波形图 Fig 3 Waveform of inductive current 由上面三个状态可发现 在 5 Hz 的预置固定速度 差的控制下 当牵引速度降低时 电缆中张力会剧烈地 上升 由此解释了在此种控制方式下 电缆时常拉断 的原因 在由大线转成小线或进行双牵引倒线时 都需 降低牵引速度 而降低牵引速度会引起电缆中张力的 陡升 很容易拉断线 技术方案力求在现有设备 原料和工艺流程不变 的情况下 通过对过程操作参数的优化 提高产品的合 格率 降低过程的资源消耗 9 通过对安川变频器的多功能输入 输出端子和高 级设定代码的进一步探究发现 安川的某些多功能输 98 安川 H1000 变频器在双电机同步控制中的技术方案研究 周永亮 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 37 No 12 December 2016 入端子通过对应的通道口设定 可与对应的模拟量输 入端子相关联 在电机运行时 H1000 首选的模拟量 输入口为 A1口 在反转时可通过接通相应的多功能输 入端 使电压模拟量从输入口 A1切换到对应的模拟量 输入口 以本公司的精铁 120 双履带牵引电缆挤塑机为 例 方法如下 正转运行时 使前牵引跟随后牵引 控制 前后牵引的上限最大频率相对值 并以 6 由试验获 得 的稳定速度差实现零频率平滑起动 将后牵引变 频器的多功能端子 S2通过通道口设定为牵引反转输 入信号 并将此功能端子与多功能输入端子 S5短接 将 S5端子设定为多段速指令功能 并将模拟量端子 A1与 A2短接 反转时 S5接通 则变频器模拟量输入 从 A1口切换至 A2口 在两牵引反转运行时 调节 A2 口的增益 观察两变频器的运行频率 通过调节与观察 直至两变频器的输出频率相等 该精铁 120 挤塑机的 增益调为 94 7 即使得反转时两牵引由不等速切 换至等速 实现倒车时前 后牵引的等速运行 当加速运行时 后牵引的加速时间应小于前牵引 的加速时间 当减速运行时 后牵引的减速时间应大 于前牵引的减速时间 改进后前后牵引同步控制设计 流程图如图 4 所示 图 4 改进后前后牵引同步控制流程图 Dig 4 Flowchart of the improved front and rear traction synchronous control 3 改进前后的效果对比 在实际生产中 分别观察和记录了改进前后同步 控制下速度 频率的值 并计算对应的频率变化率 得 到表 1 表 2 从改造前后运行参数表中提取速度和张 力大小百分比 频率变化率 可得到频率变化率与生 产速度关系如图 5 所示 表 1 传统方案同步控制中的运行参数 Tab 1 The operating parameters of traditional synchronous control 速度 m min 前牵引频率 Hz 后牵引频率 Hz 频率变化率 0 860 595 61850 85 2 082 037 05247 29 2 913 778 81133 69 4 065 3010 33964 91 5 046 7611 8074 56 6 969 3514 3853 80 7 9910 8215 8546 49 11 0615 1620 1733 05 13 1217 6722 6828 35 17 7124 3529 3720 62 表 2 改进后同步控制中的运行参数 Tab 2 The operating parameters of the improved synchronous control scheme 速度 m min 前牵引频率 Hz 后牵引频率 Hz 频率变化率 15 6111 5612 195 45 18 6514 1614 955 58 19 6914 9415 825 68 21 3516 2117 125 61 24 7117 7218 735 70 25 5619 3820 485 68 26 9920 5231 675 60 31 7524 1525 525 67 35 6126 8728 455 88 图 5 频率变化率与生产速度关系图 Fig 5 Relationship between variable rate of frequency and the production speed 下转第 93 页 09 安川 H1000 变频器在双电机同步控制中的技术方案研究 周永亮 自动化仪表 第 37 卷第 12 期 2016 年 12 月 2 4 典型故障时间分布 对 2012 2014 年输电线路典型故障数据的月份 分布进行分析 分析各类典型故障类型的季节分布特 点 8 图 2 分别给出了雷害故障 异物故障和大风故 障的月份分布图 图 2 三种故障月份分布图 Fig 2 The monthly distribution of three kindsof fault 由图 2 a 可知 每年 5 8 月是雷害故障高发季 节 在一年中 33 的时间内集中了 90 的雷害故障 每年 9 月 至 次 年 4 月 是 雷 害 故 障 低 发 季 节 由 图 2 b 和图 2 c 可知 100 的异物影响故障和大风 故障均发生在每年 3 11 月 春 夏 秋季是异物影响 故障和大风故障的高发季节 且异物影响和大风故障导 致的线路故障在故障发生各月份分布较为均匀 冬季是 二者低发季节 因此 雷害故障 异物故障和大风故障监 控的重点时间分别为每年5 8 月 3 11 月 3 11 月 3 结束语 本文以线路故障数据为基础 对典型故障类型进 行了历史故障高发地域分析 发现发生过雷害故障的 线路 再次发生雷害故障的可能性更高 且单线路雷害 故障发生次数更高 通过对历史各年度单线路发生雷 害故障发生次数的统计 可预测以后年度各线路雷电 故障发生的概率 从而筛选出雷害故障的高发线路 为 制定线路技改大修投资计划 确定日常运维检修重点 提供数据支撑 参考文献 1 汪洋 梁明亮 张雷 等 2012 华北电网 500kV 线路故障分析与 思考 J 电力系统自动化 2013 21 44 49 2 梁志峰 2011 2013 年国家电网公司输电线路故障跳闸统计分 析 J 华东电力 2014 11 28 33 3 周雨田 赵洁 董飞飞 等 自然灾害造成电网故障的地域分布 评估研究 J 陕西电力 2013 10 7 10 4 彭向阳 詹清华 周华敏 广东电网同塔多回线路雷击跳闸影响 因素及故障分析 J 电网技术 2012 3 86 92 5 桂强 刘意川 张沛超 高压电网故障信息数据挖掘系统的研 究 J 继电器 2007 10 42 45 6 鲁慧民 冯博琴 基于数据挖掘的电网故障关联性分析与研 究 J 微电子学与计算机 2008 12 116 119 7 徐岩 张锐 卫波 应用数据融合的电