变频调速应用技术……第二讲 了解功能调变频(下)

电动机知识 变频调速应用技术 第二讲 了解功能调变频 下 2 4 拖动负载须有劲 2 4 1 电机特性应知晓 电动机的带负载能力主要体现在其机械特性上 所谓机械特 性 是在某一转速下 电动机所能产生的电磁转矩的大小 电动机在没有人为地改变其参数时的机械特性 称为自然机 械特性 异步电动机的自然机械特性及其能量图如图 2 23 所 示 由图可知 转速下降时 由于转差增大 转子绕组切割旋 转磁场的速度也增大 转子电流和电磁转矩也都随之增大 图 2 23 电动机的自然机械特性 自然机械特性的主要特征可由三个点来描述 1 理想空载点 电动机输出轴上的转矩为 0 称为理想空载 这时 电动机 的转速可以达到同步转速 旋转磁 场的转速 n0 所以 理想 空载点的坐标是 0 n0 2 起动点 电动机刚接通电源 但转速仍为 0 时称为起动点 这时的转 矩称为起动转矩 TS 也叫堵转转矩 因此 起动点的坐标是 TS 0 通常 异步电动机的起动转矩应大于额定转矩的 1 5 倍 TS 1 5TMN 3 临界点 异步电动机的机械特性有一个拐点 K 在这一点 电动机所 能产生的电磁转矩最大 称为临界转矩 用 TK 表示 K 点称 为临界点 与此对应的转速称为临界转速 nK 相应地 有临 界转差 nK 和临界转差率 sK 所以 临界点的坐标是 TK nK 临界转矩与额定转矩之比就是异步电动机的过载能力 通常 过载能力应大于 2 TK 2 0TMN 4 人工机械特性 电动机在人为地改变了某个参数后所得到的机械特性 称为 人工机械特性 就异步电动机而言 常见的有 Domain dnf 辅助 More d2gs2f 改变定子电压 异步电动机在改变定子电压后 其机械特性的特点如图 2 24 a 中之曲线 曲线 是自然机械特性 所示 图 2 24 异步电动机的人工机械特性 a 临界转矩减小为 TK b 临界转速 nK 不变 改变转子回路的电阻 这是绕线转子异步电动机的调速方法 当转子回路的电阻增 大后 其机械特性的特点如图 2 24 b 中之曲线 所示 a 临界转矩 TK 不变 b 临界转速下降为 nK 2 4 2 转矩补偿仔细瞧 1 补偿正好 在第一讲曾经提到 电动机在低频时的转矩可以通过提高调节 电压与频率的比值 U f 比 来提高 在变频器中 这种方法称 为 V F 控制法 这种功能称为转矩补偿功能 或转矩提升功 能 如图 2 25 假设在低频运行时负载较重 如图 2 25 a 所示 这 时 电动机的电流等于额定电流 IMN 定子电路中的阻抗压降 UX 与额定状态时相等 图 2 25 补偿正好时的磁通 UX UN 如果电压的补偿量 u 恰到好处 则可使反电动势与频率之 比与额定状态时相等 从而使铁心内的磁通量也等于额定值 X N 电动机的运行将十分正常 2 补偿过分 如果工作频率不变 电压的补偿量也不变 但负载减轻了 如 图 2 26 a 所示 图 2 26 补偿过分时的磁通 则 电动机的电流必将减小 IMX IMN 定子绕组的阻抗压降也同时减小 UX UN 其结果是 反电动势 EX 在外加电压 UX 中所占的比例增 大 反电动势与频率之比也增大 从而使铁心内的磁通量将超过额定值 X N 结果是 电动机的磁路饱和 励磁电流的波形发生畸变 其峰 值有可能超过电动机允许的上限值 使电动机发热甚至烧毁 3 补偿过分时的电流 转矩曲线 在电压和频率都不变的常规情况下 人们习惯于 负载越大 电流也越大 的规律 这是因 为作为传递能量的中间环节 磁通的变化极小的缘故 但在变频调速系统中 一个十分突出的问题 就是磁路系统 工况的不稳定 如第一讲中所分析的 改变频率时 电动机定 转子之间的能量关系容易失衡 磁路容易饱和 并使励磁电流 发生畸变的情形 具体分析如下 假设电动机在工作频率为 fX fN 时带动某变动负载 负载 的最大转矩接近于电动机的额定转矩 TL TMN 为了在频率 较低时也能带动负载 在 V F 控制方式下进行了转矩补偿 选定了 U f 比 kU kf 要讨论的问题是 当负载由空载逐渐增大的过程中 电流的变 化规律如何 电动机的工作频率 fX 不变 作为讨论的基础 我们假定 在所选的 U f 比下 电动机刚好能克服负载最重时 的阻转矩 就是说 在负载最重的情况下 电动机的定子电流 不超过额定值 这意味着 在负载最重的情况下 输入功率与 输出功率正好平衡 1 空载时的电动机电流 简单地说 空载时 即使不进行补偿 kU kf 电动机也能 带得动 因此 被提升了的 U f 比将使电动机处于 补偿过 分 的状态 其结果如前述 将引起磁路的深度饱和 励磁电流 I0 的波形 发生严重畸变 峰值很大 在定子电流 I1 中 I0 居主导地位 I1 的有效值因 I0 的增大而增大 达到接近或超过额定电流 IN 的程度 甚至有可能导致因过流而跳闸 如图 2 27 中之 A 点 图 2 27 补偿过分时的电流 转矩曲线 2 负载增大时电流的变化 负载增大时 转子电流 I2 及其磁动势 I2N2 或 I2 N1 也增 大 其去磁作用使励磁磁动势 I0N1 与磁通 1 减小 铁心的 饱和程度逐渐减轻 励磁电流的尖峰值迅速减小 故而 I1 反 而下降 如图 2 27 所示的 点以前的情形 3 负载较重时电流的变化 当转子电流 I2 及其磁动势 I2N2 或 I2 N1 增大到足以使铁 心脱离饱和状态 励磁电流 I0 的波形及其有效值恢复正常时 在定子电流 I1 中 代表负载大小的转子电流 I2 又居主导地位 这以后 随着负载和转子电流 I2 的增大 定子电流 I1 也随之 增大 如图 2 27 所示的 点以后的情形 4 I1 f TL 曲线的实际意义 许多负载在工作过程中 其阻转矩 TL 的大小是不断变化的 典型例子如塑料挤出机 不言而喻 当负载转矩变化时 电 流 I1 和电阻压降 Ur 也必随之变化 另一方面 在大多数情况下 U f 比一经设定之后是不能变 化的 通常 是以重载时也能带得动负载作为设定 U f 比的 依据的 显然 重载时电流 I1 和电阻压降 Ur 都大 需要的 补偿量 即 U f 比 也大 但这样一来 在负载较轻 I1 和电阻 压降 Ur 都较小时 必将引起 补偿过分 导致磁路饱和 就是说 在 U f 比已经设定的情况下 负载变化时 磁路的 饱和程度将随之变化 如上述 这将导致励磁电流的波形发生 畸变 其有效值也有较大幅度的变化 因此 在预置 U f 比 转矩提升 时 必须考虑图 2 27 所示的 曲线 具体地说 则 1 变动负载中 U f 比的设定 对于转矩变化较大的负载 在采用 V F 控制方式时 正确地 设定 U f 比是十分重要的 毫无疑问 人们首先关心的是 低 频时电动机能否带得动最重的负载 因而容易把 U f 比设定 得较大 然而 图 2 27 所示的曲线表明 如 U f 比过大 则 空载时容易跳闸 因此 调试时 U f 比宜由小逐渐加大 每加大一档 观察 能否带得动重负载 及至能带动时 还应反过来观察空载时会 不会跳闸 一直到在低频运行时 既能带得动重负载 又不会 空载跳闸时为止 2 二次方律负载的 U f 比设定 二次方律负载在低速时 负载的阻转矩甚小 如果变频器的 U f 比由于某种原因而设定得较大时 有可能因此而跳闸 因 此 应将 U f 比设定得尽量地小 以利于节能 5 准确预置 U f 比举例 1 风机 风机属于二次方律负载 在低转速 频率较低 运行时 负载的 阻转矩很小 即使不进行补偿 负载转矩也比电动机的有效转 矩小得多 针对这类负载 变频器专门设置了若干根 负补偿 线 kU kf 如图 2 28 b 中之曲线 曲线 是 kU kf 的 U f 线 所示 图 2 28 风机的 U f 比预置 2 带式输送机 带式输送机属于恒转矩负载 如图 2 29 a 所示的输送煤碳或 石料的传输带 在运行过程中 其负载轻重虽略有变化 但总 体上说 可以认为 负载的阻转矩是基本不变的 其机械特性 如图 2 29 b 所示 图 2 29 带式输送机的 U f 比预置 对于这类负载 必须考虑在低频时也能带动负载的问题 因 此 应该选择具有一定补偿量的 U f 线 如图 c 中之曲线 所示 3 离心浇铸机 离心浇铸机的机械特性如图 2 30 a 所示 低速时 铁水并不 灌入 机器处于空载状态 铁水在高速状态下灌入 机器开始 重载运行 重载时的调速范围并不广 工作频率约为 40 50Hz 图 2 30 离心浇铸机的 U f 比预置 因为电动机在 40 50Hz 范围内运行时 即使不进行转矩补 偿 有效转矩基本上等于额定转矩 而低速起动过程中 负载 处于空载状态 选择基本 U f 线即可 如图 b 中之曲线 所 示 2 4 3 转差补偿特性调 1 转差补偿的目的 由异步电动机的自然机械特性可知 当负载的阻转矩从轻载 TL TM 0 增大到额定值 TL TMN 的过程中 拖动系统的 转速是有所下降的 转差补偿的目的 是使拖动系统的转速基 本不变 nM2 n02 从而得到较硬的机械特性 2 转差补偿的方法 当负载增加 转速下降时 通过适当提高变频器的输出频率 使电动机因转差而降低了的转速得到补偿 例如 当负载转矩为 TLN TMN 时 通过预置 转差补偿 适当提高变频器的输出频率 使电动机的同步转速从 n02 上 升至 n02 而拖动系统的工作点则从 Q2 上升至 Q2 使拖 动系统的转速与原来给定的同步转速 n02 基本相等 由于用户的给定频率并未改变 因此 宏观地从转速给定的 角度看 电动机的机械特性变 硬 了 如图 2 31 b 所示 图 2 31 转差补偿原理及应用 3 转差补偿应用举例 风机在变频 50Hz 时的实际转速常常比工频运行时低一些 风量较小 究其原因 是因为变频器的逆变管在交替导通过程 中存在着死区 故 50Hz 时的输出电压低于 380V 其机械特性 如图 2 31 c 中之曲线 所示 曲线 是自然机械特性 所以 转速从工频运行时的 n1 降为 n2 如果要使变频 50Hz 时的转速和工频运行时相同 可适当预 置转差补偿功能 使电动机的机械特性如图 d 中之曲线 所 示 风机的转速将上升至 n1 2 4 4 矢量控制拇指翘 1 采用矢量控制方式的基本要领 实行矢量控制的基本途径 是进行磁场之间的等效变换 而 进行等效变换的前提是必须对变换前的磁场有足够的了解 因 此 应把电动机的有关参数输入给变频器 主要有 电动机的额定容量 额定电压 额定电流 额定频率 额定 转速 磁极数等 以及定子每相绕组的电阻和漏磁电感 转子 每相等效绕组的电阻和漏磁电感 定 转子绕组间的互感 空 载励磁电流等 目前 新系列的变频器都配置了 自测定功能 能够自动地 测定电动机的有关参数 具体方法如下 1 使电动机脱离负载 实在不能脱离时 须参照说明书的有 关规定 2 输入电动机的额定数据 3 使变频器处于 键盘操作 方式 4 将自测定功能预置为 自动 方式 5 按下 键 电动机将按照预置的升速时间升速至 一定转速 约为额定转速的一半 然后又按照预置的降速时间 逐渐降速并停止 当显示屏上显示 自测定结束 时 自测定 过程即告完成 约需 1 5min 左右 但也有的变频器在自测定 过程中 电动机是不转的 须注意阅读说明书 2 矢量控制方式的适用范围 变频器内 通常以配用电动机容量与变频器要求相吻合的 4 极电动机为基本模型进行计算的 由于受到内部微机容量的限 制 变频器对于灵活处理不同电动机参数的能力也就有限 主 要限制有 1 矢量控制只能用于一台变频器控制一台电动机的情况下 当一台变频器控制多台电动机时 矢量控制将无效 2 电动机容量和变频器要求的配用电动机容量之间 最多只 能相差一个档次 例如 变频器要求的配用电动机容量为 7 5kW 则配用电动机的最小容量为 5 5kW 对于 3 7kW 的电 动机 就不适用了 3 磁极数一般以 2 4 6 极为宜 极数较多时须查阅有关说 明书 不同变频器对极数的限制也不一样 4 特殊电动机不能使用矢量控制功能 如力矩电动机 深槽 电动机 双鼠笼电动机等 3 矢量控制的特点与应用 1 无反馈矢量控制 图 2 32 无反馈矢量控制的机械特性 无反馈矢量控制方式的主要优点是使用方便 用户不需要增 加任何附加器件 且机械特性较硬 能够满足大多数生产机械 的需要 主要缺点是调速范围和动态响应能力都略逊于有反馈 矢量控制方式 事实上 大多数恒转矩负载都可以选择无反馈矢量控制方式 它非但机械特性优于 V F 控制方式 且不会发生电动机磁路 饱和等问题 故调试方便 2 有反馈矢量控制 图 2 33 有反馈矢量控制的机械特性 有反馈矢量控制是各方面性能都比较优越的一种控制方式 但因为它是以有转速反馈为前提的 故必须安装转速测量装置 这对于普通电动机的变频改造来说 常常是比较麻烦的 因此 有反馈矢量控制方式主要用于如下场合 a 要求有较大调速范围者 例如兼有铣 磨功能的龙门刨床 b 对动态响应能力有较高要求者 例如某些精密机床 c 对运行安全有较高要求者 例如起重机械等 2 5 端子功能可设定 变频器具有十分丰富的控制功能 这些控制功能是通过变频 器的输入控制端和输出控制端与外部电路配合完成的 2 5 1 输入端子利遥控 外接输入控制端接受外部输入的各种控制信号 以便对变频 器的工作状态和输出频率进行控制 其控制电路如图 2 34 所 示 外部控制信号通常都是开关信号 变频器内部则由光电耦 合管来接受控制信号 图 2 34 变频器的外接输入端子 因为实际上同时使用的控制功能往往是不多的 所以 为了 节省变频器的体积 变频器可供联接的控制端子较少 通常不 到 15 个 其中 大部分控制端子的具体功能 须通过功能预 置来决定 因为通过外接端子进行控制 对于远距离控制来说 十分方便 故有的变频器把这些端子称为遥控端子 1 基本控制输入端 如正转 FWD 反转 REV 点动 JOG 复位 RST 等 基本 信号输入端在多数变频器中是单独设立的 其功能比较固定 如图 2 34 所示 2 可编程控制输入端 也称为多功能输入端 这些输入端的具体功能须通过功能预 置来确定 可预置的功能有 多档转速控制 多档升 降速时 间控制 升速 降速控制 可编程序控制等 如表 2 2 所示 表 2 2 外接可编程控制端的控制功能 3 输入端子编程举例 多档转速控制 在预置多档转速控制时 可以在可编程控制端子中任意选择 三个 或四个 端子 作为多档转速控制的输入端 进行预置时 应首先确定其组合顺序 例如 当把 L 63 功能预置为 1 时 则端子 X1 为最低位 当把 L 64 功能 预置为 2 时 则端子 X2 为中间位 当把 L 65 功能预置 为 3 时 则端子 X3 为最高位 图 2 35 多档转速控制 各档转速的档次按二进制规律由表 2 3 决定 每个档次的具 体工作频率则另行预置 如表 2 4 所示 表 2 3 各档转速的档次 要实现 7 档转速控制 需要预置的功能如表 2 4 所示 表 2 4 多档转速的功能预置 2 5 2 输出端子分三种 1 外接输出端子的安排 1 报警输出端 图 2 36 外接输出端子的安排 当变频器发生故障时 变频器将通过输出端子发出报警信号 如图 2 36 a 中之 TA TB TC 所示 报警时 TA TB 间的 动断触点断开 而 TA TC 间的动合触点闭合 报警信号通常都采取继电器输出 继电器接点可接至 AC250V 的电路中 最大电流大多为 1A 也有 2A 的 2 测量信号输出端 外接测量信号端有如图 2 36a 中之 和 所示 有的变 频器配置的测量信号端可多至 3 4 个 通常给出的测量内容是 FM 用于测量频率 AM 用于测量变 频器的输出电流 但通过功能预置 可以改变其测量内容 如可以测量变频器 的输出电压 负荷率等等 变频器通常可提供两种测量信号 a 模拟量测量信号 如 DC0 10V 10V 与预置的最高频率对应 等 b 数字量测量信号 可直接接至需要数字量的仪器或仪表 c 状态信号输出端 状态信号的内容主要有 运行 信号 频率到达 信号 频率检测 信号等 状态信号的输出电路大多是晶体管的集电极开路输出方式 用于直流低压电路中 如图 2 36a 所示 但也有用继电器输出 的 如图 b 所示 这里 就用户常常难以区分的 频率到达 和 频率检测 功能为例 说明如下 1 频率到达功能 如果某状态信号输出端被预置为 频率到达 时 则当变频 器的输出频率 fX 到达给定频率 fG 时 该端子有信号输出 用户并可以预置允许误差 f 如图 2 37 a 所示 2 频率检测功能 图 2 37 频率到达与频率检测 如果某状态信号输出端被预置为 频率检测 时 则当变频器 的输出频率 fX 到达并超过某一设定的频率 fset 时 该端子有 信号输出 当频率下降时 可以预置一个滞后频率 fh 则当 频率低于 fset fh 时 输出信号断开 如图 b 所示 2 报警输出端应用举例 报警输出端的实际使用例子如图 2 38 所示 报警时 动断触 点 TA TB 将主接触器的控制回路断开 使主接触器线圈断电 其主触点断开 使变频器脱离电源 同时 动合触点 TA TC 闭合 接通声光报警电路 进行声光报警 由于变频器断电后 报警信号将不可能维持 故在声光报警电路中增加一个中间继 电器 KA 当声光报警电路接通时 KA 的线圈得电 其触点 使 KA 自锁 从而在变频器断电后 可以继续进行声光报警 当工作人员闻讯赶到时 只需按下 SB 切断 KA 的自锁电路 声光报警便停止了 图 2 38 报警输出应用举例 3 测量输出端应用举例 今以由输出信号 DC0 10V 测量变频器的输出频率为例 说 明其使用方法 到市场上买一块量程为 0 10V 的直流电压表 取出 表面 将量程由原来的 0 10 修改为 0 50 假 设最高频率为 50Hz 同时 将电压标志 V 修改为频率标 志 Hz 则一块外接频率表就完成了 如图 2 39 所示 图 a 为将模拟量输出端 AM 预置为测量频率 图 b 为表面的修改 情形 如仪表显示 0Hz 与变频器本身的显示不符 可通过 模拟输出增益 功能进行校准 图 2 39 测量输出应用举例 2 6 过流过载要分清 2 6 1 过流 过载两分离 1 过载保护的对象与特点 1 过载保护 变频器的所谓过载 是指电动机过载 所以 过载保护的保 护对象是电动机 其基本特点是 变频器的输出电流超过了电 动机的额定电流 IMN 但并未超过变频器的额定电流 IN IN IX IMN 时 变频器需要对电动机进行过载保护 如图 2 40 右上方的 虚线框中所示 图 2 40 过载与过流 2 过载保护的特点 过载保护具有反时限的特点 即 轻微过载时 允许电动机继 续运行的时间可以长一些 严重过载时 必须及早进行保护 如图 2 41 a 所示 图 2 41 过载保护的反时限曲线 由于电动机在低频运行时 内部的散热效果变差 所以 过 载保护曲线与运行频率有关 在过载率相同的情况下 运行频 率越低 允许运行的时间越短 如图 b 所示 2 过流保护的对象与特点 1 过流保护 当变频器的输出电流超过了自身的额定电流 IX IN 或瞬间的冲击电流超过了变频器的过载能力 IX 1 5IN 时 变频器就需要进行过流保护了 如图 2 40 中左上方的虚 线框中所示 所以 过流保护的对象是保护变频器自身 2 过流保护的特点 由于过电流可能损坏变频器的器件 所以 对过电流的保护 措施便是立即跳闸 2 6 2 一般故障不停机 1 跳闸后的自动重合闸 变频器是全晶体管设备 在运行过程中 较容易因受到外界 的干扰而 故障跳闸 显然 这是一种误动作 如果拖动系 统动辄因变频器跳闸而停机 势必耽误生产 经过观察 人们发现一个规律 导致变频器误动作的干扰信号 不大可能是连续不变的 也不可能以连续脉冲的方式出现 为 此 变频器设置了跳闸后的重合闸功能 就是说 当受到外界 干扰而误动作跳闸时 变频器将可以自动地重新合闸 以不影 响生产 2 瞬时停电的自动重合闸 电源的瞬时停电 实际上也是一种误动作 但和跳闸后的重 合闸功能又有所区别 两者的区别如图 2 42 所示 主要区别 如下 图 2 42 跳闸重合闸与瞬时停电重合闸 1 误动作引起的跳闸 是变频器进行了错误的判断后的跳闸 行为 而瞬时停电后的跳闸是变频器在失去电源后导致的欠电压跳 闸 2 跳闸后的重合闸是主动行为 中间的间隔时间由用户自行 设定 通常时间较短 如图 2 42 a 所示 图中 tSP 是用户预 置的间隔时间 而瞬时停电后的重合闸是被动行为 重合闸动作要由再来电 的时间决定 间隔的时间通常较长 如图 b 所示 图中的 t0 是停电的时间 这个时间是用户无法控制的 电机用途应用 普通车床电气控制线路识读排查 变频器常见问题产生的原因分析及处理方 用于磁悬浮列车的长定子同步直线电动机 三相异步电动机的七种调速方式 实际转速相对于给定转速有偏差时怎么办 解析电动机振动的原因与危害 高频电机简介 工业机器人用电机驱动系统 艾默生 CT SP 系列变频器在矿井提升系统 变频器的故障排除 第 2 讲 变频器过流 交直交变频器在助燃风机控制系统中的应 电机结构简介 减速电机的相关知识 单相交流电动机 Y IP44 系列交流电机 安阳发电厂 300 MW 新机组试运行初期锅炉 电动机再起动技术 直线电动机驱动冲压机的研究与应用 水泵恒压供水变频节能改造 深圳妈湾发电总厂 3 锅炉 B 侧一次风机的 电动机 起重机液压推杆制动器的故障分析及排除 避雷器和阻容吸收器保护操作过电压的异 减少无功功率的消耗 提高负载的功率因 符合电动机绕组烘干工艺的优选方法 变频调速器常见故障诊断分析与维护措施 无刷直流电动机保护电路的研究 串并联调速 series parallel control 电动机在生产运行中的火灾危险及其预防 匿名 随着起重机的不断发展 传统控制技术难以满足起重机越 来越高的调速和控制要求 在电子技术飞速发展的今天 起重 机与电子技术的结合越来越紧密 如采用 PLC 取代继电器进 行逻辑控制 交流变频调速装置取代传统的电动机转子串电阻 的调速方式等 在选型对比基础上 本项目电动机调速装置采 用了先进的变频调速方案 变频器最终选型为 ABB 变频器 ACS800 电动机选用专用鼠笼变频电动机 在众多交流变频 调速装置中 ABB 变频器以其性能的稳定性 选件扩展功能 的丰富性 编程环境的灵活性 力矩特性的优良性和在不同场 合使用的适应性 使其在变频器高端市场中占有相当重要的地 位 ACC800 变频器是 ACS800 系列中具有提升机应用程序的 重要一员 它在全功率范围内统一使用了相同的控制技术 例如起动 向导 自定义编程 DTC 控制等 非常适合作为起重机主起 升变频器使用 本文结合南京梅山冶金发展有限公司设备分公 司所负责维修管理的宝钢集团梅钢冷轧厂 27 台桥式起重机变 频调速控制系统 详细介绍 ACC800 变频器在起重机主起升中 的应用 1DTC 控制技术 DTC 直接转矩控制 DirectTorqueControl 技术是 ACS800 变频器的核心技术 是交流传动系统的高性能控制方 法之一 它具有控制算法简单 易于数字化实现和鲁棒性强的 特点 其实质是利用空间矢量坐标的概念 在定子坐标系下建 立异步电动机空间矢量数学模型 通过测量三相定子电压和电 流 或中间直流电压 直接计算电动机转矩和磁链的实际值 并与给定转矩和磁链进行比较 开关逻辑单元根据磁链比较器 和转矩比较器的输出选择合适的逆变器电压矢量 开关状态 定子给定磁链和对应的电磁转矩的实际值 可以用定子电压和 电流测量值直接计算得到 在计算中 只需要一个电动机参 数 定子电阻 这一点和几乎需要全部电动机参数的直接 转子磁链定向控制 矢量控制 形成了鲜明对比 极大地减轻 了微处理器的计算负担 提高了运算速度 直接转矩控制结构较为简单 可以实现快速的转矩响应 不大于 5ms 2 防止溜钩控制 作为起重用变频系统 其控制重点之一是在电动机处于回 馈制动状态下系统的可靠性 回馈 是指电动机处于发电状态 时通过逆变桥向变频器中间直流回路注入电能 尤其需要引 起注意的是主起升机构的防止溜钩控制 溜钩是指在电磁制动 器抱住之前和松开之后的瞬间 极易发生重物由停止状态出现 下滑的现象 电磁制动器从通电到断电 或从断电到通电 需要的时间大约为 016s 视起重机型号和起重量大小而 定 变频器如过早停止输出 将容易出现溜钩 因此变频器 必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率 以免发生 过流 而跳闸的误动作 防止溜钩现象的方法是利用变频器零速全转矩功能和直流 制动励磁功能 零速全转矩功能 即变频器可以在速度为零的 状态下 保持电动机有足够大的转矩 从而保证起重设备在速 度为零时 电动机能够使重物在空中停止 直到电磁制动器将 轴抱住为止 以防止溜钩的发生 直流制动励磁功能 即变频 器在起动之前自动进行直流强励磁 使电动机有足够大的起动 转矩 维持重物在空中的停止状态 以保证电磁制动器在释放 过程中不会发生溜钩 3 系统硬件配置 梅钢冷轧桥式起重机上应用的 ACS800 变频器调速系统由 电控柜 大小车变频控制柜 起升变频控制柜 联动控制台等 组成 主起升采用 1 台 ACC800 变频器驱动 1 台起升专用电动 机 并在电动机轴尾安装 1 台速度编码器 做速度反馈用 该速度编码器用来提高低速状态下电动机模型的速度和转 矩计算精度 保证转矩验证 开闭闸等功能 主起升采用斩波 器加制动电阻实现制动功能 斩波器与制动电阻串联后接入变 频器整桥与逆变桥之间的直流回路中 并由变频器根据中间直 流回路电压高低控制斩波器接通与否 即控制制动电阻的投切 变频器配有 RPBA201 接口卡件 提供标准的 Profibus2DP 现场总线接口 用于与 PLC 通信控制 并接收 PLC 发来的开 停车命令和速度设定值等控制参数 4 起升变频器功能参数设置 ABB 变频器在出厂时 所有功能码都已设置 但是 起重机变频调速系统的要求与工厂设定值不尽相同 所以 ACC800 中一些重要的功能参数需要重新设定 1 起动数据 参数组 99 参数 99102 用于提升类传动 但不包括主 从总线通信 功能 CRANE 参数 99104 电动机控制模式 DTC 直 接转矩控制 参数 99105 99109 电动机常规铭牌参数 按照电动机的铭牌参数输入 2 数字输入 参数组 10 参数 10101 10113 数字输入接口预置参数 按照变频 器外围接口定义进行设置 限于篇幅 不再赘述 3 限幅 参数组 20 参数 20101 运行范围的最小速度 1000 r min 根据 实际电动机参数进行设定 参数 20102 运行范围的最大速 度 1000r min 根据实际电动机参数进行设定 参数 20103 最大输出电流 120 参数 20104 最大正输出转 矩 150 参数 20104 最大负输出转矩 150 参数 20106 直流过压控制器参数 OFF 本例中 ACC800 变频 器使用了动力制动方式 此参数设为 OFF 后 制动斩波器才 能投入运行 4 脉冲编码器 参数组 50 参数 50101 脉冲编码器每转脉冲数 1024 参数 50103 编码器故障 FAULT 如果监测到编码器故障或编 码器通信失败时 ACC800 变频器显示故障并停机 5 提升机 参数组 64 参数 64101 独立运行选择 FALSE 64103 高速值 1 98 64106 给定曲线形状 0 直线 参数 64110 控制类型选择 FBJOYSTICK 6 逻辑处理器 参 数组 65 参数 65101 电动机停止后是否保持电动机磁场选择 TRUE 在电动机停止后保持电动机磁场为 ON 参数 65102 ON 脉冲延时时间 5s 7 转矩验证 参数组 66 参数 66101 转矩验证选择 TRUE 转矩验证有效 要求有脉冲编码器 8 机械制动控制 参数组 67 参数 67106 相对零速值 3 参数 67109 起动转矩 选择器 AUTOTQMEM 自动转矩记忆 9 给定处理器 参数组 69 参数 69101 对应 100 给定设置电动机速度 980r min 根据实际电动机参数进行设定 参数 69102 正向 加速时间 3s 参数 69103 反向加速时间 3s 参数 69104 正向减速时间 3s 参数 69105 反向减速时间 3s 10 可选模块 参数组 98 参数 98101 脉冲编码器模块选择 RTAC2 SLOT2 脉 冲编码器模块类型为 RTAC 连接接口为传动控制单元的选件 插槽 2 参数 98102 通信模块选择 FIELDBUS 激活外 部串行通信并选择外部串行通信接口 5 试运行 变频调速系统的功能参数设定完后 就可进行系统试运行 应先在变频器操作盘上进行速度给定 手动起动变频器 让起 升电动机空载运转一段时间 并且这种试运行可以在 5 10 15 20 25 35 50Hz 等几个频率点进行 注意观察 电动机的运转方向是否正确 转速是否平稳 显示数据是否正 确 温升是否正常 加减速是否平滑等 单台变频器试运行正确后 再接入脉冲编码器模块进行 速度闭环调试 试运行起升机构变频调速系统 起升变频器手动运行无误后 就可接入 PLC 控制系统 进行整机联调 整机联调中 关键要注意观察变频器起动与停 止时 主起升机械制动器的开闭反应是否快速 钩头是否存在 溜钩现象等 其次还要注意观察钩头在下降过程中 制动单元和制动电 阻投运后 其温升是否正常 在重物下放过程中 重物的势能 会释放出来 此时电动机将工作在反向发电状态 在钩头下降 过程中 电动机通过逆变桥向变频器中间直流回路充电 当直 流回路的电压高于变频器系统设定值时 变频器控制斩波器接 通 进而使制动电阻投入工作 以消耗变频器中间直流回路多 余的电能 确保变频器中间直流回路电压稳定在一个特定电压 范围内 随着起重机的不断发展 传统控制技术难以满足起重机越 来越高的调速和控制要求 在电子技术飞速发展的今天 起重 机与电子技术的结合越来越紧密 如采用 PLC 取代继电器进 行逻辑控制 交流变频调速装置取代传统的电动机转子串电阻 的调速方式等 在选型对比基础上 本项目电动机调速装置采 用了先进的变频调速方案 变频器最终选型为 ABB 变频器 ACS800 电动机选用专用鼠笼变频电动机 在众多交流变频 调速装置中 ABB 变频器以其性能的稳定性 选件扩展功能 的丰富性 编程环境的灵活性 力矩特性的优良性和在不同场 合使用的适应性 使其在变频器高端市场中占有相当重要的地 位 ACC800 变频器是 ACS800 系列中具有提升机应用程序的 重要一员 它在全功率范围内统一使用了相同的控制技术 例如起动 向导 自定义编程 DTC 控制等 非常适合作为起重机主起 升变频器使用 本文结合南京梅山冶金发展有限公司设备分公 司所负责维修管理的宝钢集团梅钢冷轧厂 27 台桥式起重机变 频调速控制系统 详细介绍 ACC800 变频器在起重机主起升中 的应用 1DTC 控制技术 DTC 直接转矩控制 DirectTorqueControl 技术是 ACS800 变频器的核心技术 是交流传动系统的高性能控制方 法之一 它具有控制算法简单 易于数字化实现和鲁棒性强的 特点 其实质是利用空间矢量坐标的概念 在定子坐标系下建 立异步电动机空间矢量数学模型 通过测量三相定子电压和电 流 或中间直流电压 直接计算电动机转矩和磁链的实际值 并与给定转矩和磁链进行比较 开关逻辑单元根据磁链比较器 和转矩比较器的输出选择合适的逆变器电压矢量 开关状态 定子给定磁链和对应的电磁转矩的实际值 可以用定子电压和 电流测量值直接计算得到 在计算中 只需要一个电动机参 数 定子电阻 这一点和几乎需要全部电动机参数的直接 转子磁链定向控制 矢量控制 形成了鲜明对比 极大地减轻 了微处理器的计算负担 提高了运算速度 直接转矩控制结构较为简单 可以实现快速的转矩响应 不大于 5ms 2 防止溜钩控制 作为起重用变频系统 其控制重点之一是在电动机处于回 馈制动状态下系统的可靠性 回馈 是指电动机处于发电状态 时通过逆变桥向变频器中间直流回路注入电能 尤其需要引 起注意的是主起升机构的防止溜钩控制 溜钩是指在电磁制动 器抱住之前和松开之后的瞬间 极易发生重物由停止状态出现 下滑的现象 电磁制动器从通电到断电 或从断电到通电 需要的时间大约为 016s 视起重机型号和起重量大小而 定 变频器如过早停止输出 将容易出现溜钩 因此变频器 必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率 以免发生 过流 而跳闸的误动作 防止溜钩现象的方法是利用变频器零速全转矩功能和直流 制动励磁功能 零速全转矩功能 即变频器可以在速度为零的 状态下 保持电动机有足够大的转矩 从而保证起重设备在速 度为零时 电动机能够使重物在空中停止 直到电磁制动器将 轴抱住为止 以防止溜钩的发生 直流制动励磁功能 即变频 器在起动之前自动进行直流强励磁 使电动机有足够大的起动 转矩 维持重物在空中的停止状态 以保证电磁制动器在释放 过程中不会发生溜钩 3 系统硬件配置 梅钢冷轧桥式起重机上应用的 ACS800 变频器调速系统由 电控柜 大小车变频控制柜 起升变频控制柜 联动控制台等 组成 主起升采用 1 台 ACC800 变频器驱动 1 台起升专用电动 机 并在电动机轴尾安装 1 台速度编码器 做速度反馈用 该速度编码器用来提高低速状态下电动机模型的速度和转 矩计算精度 保证转矩验证 开闭闸等功能 主起升采用斩波 器加制动电阻实现制动功能 斩波器与制动电阻串联后接入变 频器整桥与逆变桥之间的直流回路中 并由变频器根据中间直 流回路电压高低控制斩波器接通与否 即控制制动电阻的投切 变频器配有 RPBA201 接口卡件 提供标准的 Profibus2DP 现场总线接口 用于与 PLC 通信控制 并接收 PLC 发来的开 停车命令和速度设定值等控制参数 4 起升变频器功能参数设置 ABB 变频器在出厂时 所有功能码都已设置 但是 起重机变频调速系统的要求与工厂设定值不尽相同 所以 ACC800 中一些重要的功能参数需要重新设定