高炉卷扬机PLC控制变频调速系统设计 精品.doc

高炉卷扬机PLC控制变频调速系统设计1 绪论1.1 高炉炼铁电气传动的概况1.1.1 高炉炼铁的冶炼原理 炼铁过程实质上是将铁从其自然形态矿石等含铁化合物中还原出来的过程。应用最多的是高炉炼铁。高炉冶炼用的原料主要由铁矿石、燃料(焦炭)和熔剂(石灰石)三部分组成。通常，冶炼1吨生铁需要1.5-2.0吨铁矿石，0.4-0.6吨焦炭，0.2-0.4吨熔剂，总计需要2-3吨原料。为了保证高炉生产的连续性，要求有足够数量的原料供应。因此，无论是生铁厂家还是钢厂采购原料的工作是尤其重要。高炉生产是连续进行的。一代高炉(从开炉到大修停炉为一代)能连续生产几年到十几年。生产时，从炉顶(一般炉顶是由料种与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶)不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂，从高炉下部的风口吹进热风(1000-1300摄氏度)，喷入油、煤或天然气等燃料。装入高炉中的铁矿石，主要是铁和氧的化合物。在高温下，焦炭中和喷吹物中的碳以及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，得到铁，这个过程叫做还原。铁矿石通过还原反应炼出生铁，铁水从出铁口放出。铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣，从出铁口和出渣口分别排出。煤气从炉顶导出，经除尘后，作为工业用煤气。现代化高炉还可以利用炉顶的高压，用导出的部分煤气发电。 高炉炼铁的特点:规模大，不论是世界其它国家还是中国，高炉的容积在不断扩大，如我国宝钢高炉是4063立方米，日产生铁超过10000吨，炉渣4000多吨，日耗焦4000多吨。目前国内单一性生铁厂家，高炉容积也以达到500左右立方米，但多数仍维持在100-300立方米之间，甚至仍存在100立方米以下的高耗能高污染的小高炉，其产品质量参差不齐，公布分散，不具有期规模性，更不能与国际上的钢铁厂相比。1. 1. 2 高炉卷扬机的基本结构和工作特点1. 高炉的上料设备 在冶金高炉炼铁生产线上，一般把按照品种、数量称量好的炉料从地面的贮矿槽运送到炉顶的生产机械称为高炉上料设备，它是高炉供料系统的重要设备。主要包括料车坑、料车斜桥、卷扬机或带式上料机。对于3000m，以下的高炉或使用热烧结矿的高炉，目前还是以斜拉桥式上料机为主。料车上料机主要由斜桥、料车、卷扬机三部分组成。2. 料车式上料机料车式上料机结构紧凑，占地面积小，对于中小高炉，有足够的上料能力，能实现自动控制，并且运转可靠。料车上料机的结构特点主要有两点：(1) 工作工程中，两个料车交替上料，当装满炉料的料车上升时，空料车下行，空车重量相当于一个平衡锤，平衡了重料车的车厢自重。这样，当上行或下行二个料车用一个卷扬机拖动时，不但节省了拖动电机功率，而且，电机运转时，总有一个重料车上行，没有空行程。从而，使得电动机总是处于电动状态运行，免去了电动机处于发电运行状态所带来的种种问题。 在斜桥顶端主轨道的两侧，装有上升的辅助导轨。料车的两对前后轮不同，后轮的边缘两侧设有内外两个端面。当料车行到斜桥顶端时，前轮继续沿主轨下降，后轮则靠外踏面被上升的辅助导轨抬起，这个料车以前轮为中心倾翻，将料倒入受料漏斗中。料车的运动由卷扬机通过钢绳(缆)传动。当卷扬机反转时，空料车依靠自重返回，另一个重料车上行。这套自卸料的动作，是完全依靠机械的方式完成的。4. 工作特点 根据料车运动的工作过程，其工作特点是：(1) 能够频繁起动、制动、停车、反向，转速平稳，过渡时间短;(2) 能按照一定的速度图运行;(3) 能够广泛地调速，调速范围一般为0.53.5m/s,目前料车最大线速度可达3.8m/s。(4) 系统可靠工作。在进入曲轨段及离开料坑时不能有冲击，确保终点位置准确停车。5. 对拖动系统的要求 料车在斜桥上的运动分为起动、加速、稳定运行、减速、倾翻和制动六个阶段，在整个过程中包括两次加速和两次减速。1.2 交流电动机的调速传动1.2.1 调速传动的运动方程调速传动系统中旋转运动时，其旋转运动方程为 （1.1）式中 T驱动转矩(Nm); Tz一负载转矩，即阻转矩(Nm); Jd/dt惯性转矩(Nm); 电动机的角速度(rad/s ); J折算到电动机轴上的总转动惯量(kg . m)，由式(1-2)表示 (1.2)式中G旋转部分的重量(N); D惯性体直径(m); 将式(1-1)中的角速度。(rad/s)变为速度n (r/min)表示 (1.3)将式(1.2 )和式(1.3)代入式(1.1)中，则有即 (1.4) 调速传动系统中旋转运动时，工作状态可由运动方程式(1.4)表示。当,，拖动系统处于静止或等速运动状态，电气传动系统处于稳定运转状态即稳定状态。当, ，传动系统处于加速状态，即处于过渡过程(也叫动态过程)。当, ，传动系统处于减速状态，即处于过渡过程。 由运动方程式可知，传动系统可能处于两种运转状态，即稳态和动态。当传动系统由一个稳定运转状态变化到另一个稳定运转状态时，需要一个变化过程，这个过程称为过渡过程。在过渡过程中的转速、转矩和电流都按一定的规律变化。1.2.2 调速传动中生产机械负载转矩特性生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小。不同的生产机械的转矩随转速变化规律不同，用负载转矩特性来表征，即生产机械的转速n与负载转矩T之间的关系T=f (n)。各种生产机械特性大致可归纳为以下3种类型。(1)恒转矩负载特性 所谓恒转矩负载是指生产机械的负载转矩的大小不随转速n变化，这种特性称为恒转矩负载特性。根据负载转矩的方向特点又分为反抗性和位能性负载两种。反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载的特点是负载转矩的大小不变，但负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转，当电动机的旋转方向改变时，负载转矩的方向也随之改变，始终是阻转矩。属于这类特性的生产机械有轧钢机和机床得平移机构等。图1.1 反抗性恒转矩负载特性图位能性恒转矩负载这种负载的特点是负载转矩由重力作用产生，不论生产机械运动的方向变化与否，负载转矩的大小和方向始终不变。例如起重设备提升重物时，负载转矩为阻转矩，其作用方向与电动机旋转方向相反，当下放重物时，负载转矩变为驱动转矩，其作用方向与电动机旋转方向相同，促使电动机旋转。图1.2 位能性恒转矩负载特性图(2) 恒功率负载特性 恒功率负载的方向特点是属于反抗性负载;大小特点是当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值。例如，一些机床切削加工，车床粗加工时，切削量大(切削阻力大)，用低速挡;精加工时，切削量小(切削量小)，用高速挡。因此，在不同转速下，负载转矩基本上与转速成反比，即T=K/n，因为转矩与转速的乘积是功率，所以功率是基本恒定的，即恒功率负载。图1.3 恒功率负载特性图(3) 通风机型负载特性图1.4 通风机负载特性图 通风机型负载的方向特点是属于反抗性负载; 大小特点是负载转矩的大小与转速n的平方成正比，即Tz=Kn (式中K比例常数)。常见的这类负载如风机、水泵、油泵等。 应该指出，以上3类是典型的负载特性，实际生产机械的负载特性常为几种类型负载的相近或综合。例如起重机提升重物时，电动机所受到的除位能性负载转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成的反抗性负载转矩，所以电动机轴上的负载转矩应是上述两个转矩之和。1.3 本的的研究背景及主要内容我国的钢铁生产工艺正向数字化的高新技术方向发展。作为整个钢铁生产中的重要环节，高炉炼铁工艺中高新技术的应用尤为重要。其技术指标如何，对整个钢铁工艺流程有着直接和显著的影响。其中又以高炉上料主卷扬系统为整个高炉的核心设备，负责原料的输送。对卷扬系统采用高新技术进行合理控制与优化便成为现代钢铁工艺中的一个重要课题。本的主要任务是对高炉上料主卷扬系统的组成结构和拖动系统的运行进行了详细分析，根据三相异步电动机的运行原理以及高炉上料系统的电气要求，深入研究无传感器矢量控制调速系统的特点，研究实现改善调速系统性能方法，降低矢量控制系统对电机参数的敏感程度。1、研究无传感器矢量控制系统的运行原理以及速度估算方法对无传感器矢量控制系统性能的影响。2、高炉上料系统利用现代计算机技术将PLC系统与变频器系统紧密结合在一起，实现PLC与变频器控制的统一，解决了因卷扬控制系统不稳定而造成的休风、停产问题。提高了卷扬上料系统的稳定性，降低了上料系统的故障率。实现优良的调速性能。2 控制系统原理分析2.1 异步电动机调速方法按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分:一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率;另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。 三相异步电动机转速公式为: （2.1）由式(2.1)可见，改变供电频率五、电动机的磁极对数P及转差率:均可达到改变转速的目的。因此，常见的交流调速方法有:降电压调速;转差离合器调速;转子串电阻调速;绕线电机串级调速或双馈电机调速;变极对数调速;变压变频调速等等。从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。1. 转差功率消耗型调速系统:这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第、三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的(恒转矩负载时)。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。2. 转差功率馈送型调速系统:在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。3. 转差功率不变型调速系统:在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第、两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速;但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高.和控制特性要求。2.2 异步电动机高动态性能矢量控制的变频调速2. 2. 1 矢量控制的概念 异步电动机的矢量控制是建立在动态数学模型的基础上的。直流电动机之所以动态性能好，是由于在采用补偿绕组的条件下，它的电枢反应磁动势对气隙磁通没有影响，而电磁转矩，不考虑磁路饱和，磁通正比于励磁电流。保持If恒定时，电磁转矩与电枢电流成正比。影响电磁转矩的控制量和是互相独立的，也可以说是自然解耦，的变化并不影响磁场，因此可以控制电枢电流的大小去控制电磁转矩。而的变化所遇到的仅是电枢漏感，所以响应速度很快，可以实现转矩的快速调节，获得理想的动态性能。 直流电动机的磁通和电枢电流可以独立进行控制，是一种典型的解耦控制。异步电动机的矢量控制就是仿照直流电动机的控制方式，把定子电流的磁场分量和转矩分量解耦开来，分别加以控制。这种解耦，实际上是把异步电动机的物理模型设法等效地变换成类似于直流电动机的模式。这种等效变换是借助于坐标变换来完成的。等效的原则是:在不同坐标系下电动机模型所产生的磁动势相等。 2. 2.2坐标变换及空间矢童 目前最常用的矢量控制方案，是按转子磁场定向的矢量控制。若保持 ,则电磁转矩与定子电流有功分量成正比。但可检测到的定子电流、和，所以必须经过变换才能在控制电路中按控制直流电动机的方式对异步电动机进行调节控制。 其中三相/两相变换器实现、到、之间的变换公式为 (2.2)其计算结果为 (2.3)同样两相/三相变换器实现，到、之间的变换公式为 (2.4)其计算结果为 (2.5)矢量回转器VR 1，实现、到之间的变换公式为 (2.6)其计算结果为 (2.7)矢量回转器VR2，实现、到之间的变换公式为 (2.8) 其计算结果为 (2.9) 式中 M轴与a轴的夹角，是转子磁链的空间相位，时间变量为 (2.10)系数是为约束基本功率不变而引入的系数。 本章分析了异步电动机的变频调速控制原理，着重分析了矢量控制的调速性能，矢量控制的原理实际上是对直流调速原理的模仿，有比较优良的调速性能。在实际生产值，料车卷扬机一般有三档速度，可以通过变频器的多段速度方式将不同的给定值通过参数预先设定在变频器内。这种方式的给定是有级变化的，精度高，不受干扰，转速变化过程也是无级地连续变化，仅稳定值是有级的。适合于稳定给定值不需要无级变化的情况。 此外，PLC以其可靠性高，灵活性强，使用方便的优越性使电气控制技术发生了根本性的根本的改变，因此提出了基于PLC控制的变频调速控制系统。3 控制系统设计3.1 高炉卷扬机施动系统要求3.1.1 料车的运动分析1. 料车的运动 料车在斜桥上得运动分为起动、加速、稳定运行、减速、倾翻和制动六个阶段，在整个过程中包括两次加速和两次减速。 料车提升一次所需要的时间与料车的运动速度和加速度有关，其变化曲线如图3.1所示。图3.1 料车速度和加速度图 时间内:料车起动，重料车开始上行，同时空料车开始自炉顶极限位置下行。此时，钢绳自卷筒退出的加速度不应超过料车的加速度，以免产生钢绳松弛现象。一般加速度取0.2 0.4 。 时间内：重料车上行并继续加速到最大速度，一般加速度取。0.40.8 。 时间内：料车以最大速度稳定运行。 时间内：重料车进入卸料曲轨段之前的(第一次)减速时间，加速度为4取一0.40.8 。 为重料车在卸料曲轨段等速行走时间，速度为4=lm/s左右。 为重料车第二次减速到停车时间，一般加速度为取0.40.8m/s。2. 300m高炉上料要求: 钢厂300m高炉的速度、加速度如图3-2所示，由图知，料车提升一次所需时间为： （3-1）=0.78 / 0.3=2.6s=(3.5一0.78)/ 0.6=4.54s=14.55s=(3.5一1.0/ 0.6=4.17s =6.16s (3-2)=1.0 / 0.6=1.67 t=33.69s图3.2 料车速度和加速度要求 对于300m高炉其料车卷扬机的技术参数为:料车载重量最大7.5t,料车自重2t,卷筒直径1200mm，减速机的传动比为,行程78m。3.1.2 卷扬机电动机运行状态分析 料车卷扬机是典型的摩擦性负载。如图3.3，料车在料坑段起动时，负载最大，以65计算，以50计算，当右料车满载从斜桥底部提升时，钢绳的拉力为: (3.3) 这时左料车空载从斜桥顶部下放，钢绳的拉力为: (3.4)卷筒的静力矩为: (3.5)图3.3 料车机械传动示意图折算到卷扬机电动机轴上的负载转矩: (3.6) (3.7) 当右料车带载上升时，电动机的电磁转矩要克服负载转矩才能提升，起动时还要克服一定的静摩擦力矩。电动机的电磁转矩的方向与旋转方向相同，故电动机处于电动状态，工作于第一象限。 当左料车带载上升时，电动机的电磁转矩仍要克服同样的负载转矩才能提升。电动机的电磁转矩的方向与旋转方向相同，只不过电动机旋转方向反了，所以电动机处于反向电动状态，工作于第三象限。3.1.3 主卷扬机变频器的选型 这样，由图3.2可知，共有三级速度和两种绝对值不同的加速度，上述速度和加速度的改变可根据料车运动的位置开关，由PLC控制变频器的多功能输入接点自动切换来实现。 变频器是构成主卷扬控制系统的一个主要部件。300m级高炉上料卷扬机的驱动电动机采用了6极55KW电动机。 高炉上料卷扬机的负载特点是重载起动，而且起动、制动和调速均相当频繁(每小时可达60次以上)，根据所装备的卷扬电动机和上述特性要求，我们选用三菱通用型矢量控制变频器，其型号FR-A740-SSK-CHT，完全可以满足高炉上料卷扬工艺过程对传动系统的要求。3.2 变频调速系统主电路设计 这里所说的主电路，是指以传递功率为主要任务的电气回路。在变频调速系统中，主电路大致可以分为三个基本部分:电源输入、输出到电动机电路、制动电路。3.2.1 输入输出电路主体功能设计1. 保护功能设计 变频器本身具备比较完善的保护功能，数字式控制的现代变频器尤其如此。在多数情况下变频器能够对自身及电动机实现有效的各种电气保护。在外部电路上的保护措施主要以后备短路保护和防止绝缘检测损坏变频器的隔离措施为主。 在主电路设置后备短路保护的目的有两个:一个是对于逆变器后段短路提供后备保护功能，以免逆变器的瞬间电流保护失效时事故扩大导致严重损失。在直流回路上滤波电容和逆变器之间，常常装设有快速熔断器，这个熔断器也具有对逆变器及以后部分的保护能力。另外一个目的是对逆变器前段包括直流母线部分以及整流器前段的短路提供保护，这部分电路发生短路时，变频器内没有切断短路电流的措施。可以用自动空气断路器或者快速熔断器实现。 因此，自动空气断路器和快速熔断器在作为后段的后备短路保护元件方面作用是差不多的，都不能有效保护逆变器，只能够在逆变器自身保护失效时防止故障扩大。两者的主要差别是短路发生在直流中间环节位置时，自动空气断路器不能对整流器实现有效保护，快速熔断器却有可能实现有效保护。 对于变频器结构，直流中间环节在变频器内部，在这个位置发生短路的概率很低，因此断路器保护和快速熔断器保护在实际效果上差别不大，由于采用自动空气断路器时主电路接线和故障的恢复操作都很简单，因此选择自动空气断路器作为短路保护元件。 作为电力电子设备，变频器不能用常规方式进行绝缘检测。当电动机或者输出电缆需要进行绝缘检测时，应断开变频器与输出电缆的连接。在变频器的输出侧设置一个隔离开关会使断开连接的操作比较方便。 输入输出侧的隔离开关、熔断器隔离开关或者负荷开关按照额定电流不小于变频器额定电流的1.2倍选择即可;自动空气断路器本体按照额定电流不小于变频器额定电流的1.1倍选择，其短路脱扣器(电磁脱扣器或者电子脱扣器)电流按照开关的额定电流的3倍以上整定即可，其过载脱扣器电流按照开关的额定电流;快速熔断器熔体建议按照变频器样本推荐型号规格选择。2. 电源控制及切换功能设计 电源控制指的是系统输入电路的开关控制方式和器件配置。变频器输入侧接通电源到运行指令发出，应该有一段时间间隔。如果在需要起动时刁合上输入电源，则实际起动动作会延后，系统动作反应速度降低。所以，在系统准备运行前变频器就应该供电，中途短时停车时，电源也不必切断，在较长时间不运行时，是否要切断电源则由使用者习惯决定，若重点考虑防潮因素，则以长期带电方式为好，若想延长风机使用寿命，则较长时间不运行时可切断电源。 采用自动空气断路器作为电源控制开关，偶尔需要切断电源时手动操作即可。电源控制器还有一个任务即承担紧急停车操作的任务。变频器正常工作时停车方式有不同的设置，一般总能满足运行需要。进行紧急停车操作，常常是变频器或者PLC等设备失控的情况，为保证系统一定能够停下来，以切断输入电源最保险。紧急停车操作时，自动空气断路器能够承担切断电源的任务，在断路器上应该装设有分励脱扣器或者失电压脱扣器来实现远程切断操作。分励脱扣器是正逻辑方式，分励线圈得电时产生脱扣动作，失电压脱扣器是反逻辑，线圈失电时产生脱扣动作。若系列故障断线，则失电压脱扣器会动作，因此切除电源动作有保证，一般作为首选，但若电源本身经常有间断现象，则失电压脱扣器会误动作，这时以采用分励脱扣器更合适。恢复合闸需要手动操作。 另外，电动机运行中被接触器切断供电时，电动机存储的电磁能量会在接触器的触头上产生电弧。电弧是强电场下空气被电离击穿产生的，因此，必然伴有过电压，这个讨一电压施加在逆变器的IGBT上可能造成击穿损坏，至少也对其使用寿命有不利影响。因此变频器运行时在输出侧用接触器切断电路使电动机停止运行的操作也是被禁止的。 在需要进行输出电路切换时，切换电路的设计及动作顺序要求很严格，一方面要保证任何一瞬间变频器输出侧不能与工频电源或者其他变频器并联导通，另一方面还要保证输出侧接触器切断电路时电路中已经没有负载电流流过。3.2.2 主电路杭干扰措施 变频调速系统本身既是一个很强的干扰源，同时变频器也是对干扰敏感的电子设备，因此，抗干扰措施的设计对于变频调速系统的设计是一个重要的课题。1. 干扰的类型及危害 变频调速系统的对外干扰主要在两个有足够功率流动的主电路产生，即变频器的输入电路、变频器到电动机的输出电路。 (1)输入电路的干扰 输入电路产生的干扰主要有两方面:冲击干扰和谐波干扰。 输入电路冲击干扰：为了提高系统的动态响应，总是希望系统有快速的转矩提升速度，这意味着变频器输出电流也有快速的变化率，高性能调速系统尤其明显。这个电流变化经过直流电路缓冲后也会反映到输入电路中去。输入电路是与电网相连的，冲击电流进入电网后，一方面会引起局部电网电压的瞬时波动，另一方面会在感性负载上产生浪涌电压，形成干扰。输入电路冲击干扰主要危害连接在同一局部电网上有较高输入阻抗的设备，例如，变频调速系统自身的控制电源等。 输入电路谐波干扰：按照谐波理论分析，凡是非正弦波形的周期性变化曲线都包含谐波成分，曲线形状与正弦曲线差别越明显，谐波成分越大。用二极管三相桥式整流器为直流电路充电时，由于二极管的反向截止作用，只有当三相交流电的瞬时值高于直流回路电压时，桥臂中才会有电流流过，因此，充电电流会成为断续的，在没有采取抗干扰措施时，输入电路各相电流都是断续的，与等效正弦波差别很大，因此，其中有比较大的谐波成分。电流断续现象使整流器件中电流的瞬时值明显比有效值大，增加了整流器件的负担。谐波进入电网，对电网造成谐波污染，主要危害同一局部电网上对于谐波干扰敏感的电子设备，同时，电流有谐波而电压却基本没有谐波，谐波频率与基本频率不同，因此谐波电流的相位不总是与基波电压的相位一致，有无功谐波电流存在，使得输入侧等效功率因数大大降低。(2)输出电路干扰 脉宽调制方式在输出电路上产生的锯齿波状电流载波，相当于在正弦交流电流波形上叠加了一个载波频率的正弦基波和它的一系列高次谐波。这是一种频率很高幅值却比较小的高频波。载波干扰有两个危害:一个是以输出电缆作为发射天线产生的无线干扰，会干扰周围环境中对无线干扰敏感的电子设备，也可能干扰连接在变频器模拟量端口上的检测元件，影响闭环调节的精度，严重时使调节控制无法进行。2. 电抗器的作用与选择 交流电抗器和直流电抗器都能够有效降低整流器件的电流瞬时值;都能够有效抑制冲击干扰;都能够有效抑制电网电压畸变对于变频器的干扰;都能够有效抑制变频器对于局部电网的谐波干扰，但交流电抗器的抑制能力优于直流电抗器;都能够改善电源侧功率因数使其接近于1，但直流电抗器的改善能力优于交流电抗器;都能够抑制电网三相不平衡的危机，但交流电抗器的抑制能力优于直流电抗器。 综上所述，两者的作用近似而略有差别，在实践中通常只采用其中一种电抗器接入输入电路。3.2.3 能耗制动电路设计 再生发电制动运行的制动电路设计有两个主要原则要遵守:系统自身是安全的，即制动部分不能对系统的其他部分构成伤害，这一点对制动电流加以限制;制动能力应该是足够的，能够满足运行需要，尤其是位能负载的情况，若制动能力不足，可能危害运行本身的安全。这一点又要求平均制动电流必须要满足制动功率的要求。 系统自身的安全和系统运行的安全，两者不可偏废，要树立合适的方式才是最安全的方式。1. 能耗制动电阻的选择 能耗制动就是利用电阻将从电动机送回的电能转换为热能消耗掉的制动方式。制动电阻连接在直流回路上，能量流动路径是:机械设备的机械能电动机发电电能逆变器直流回路制动电阻热能。 能耗制动的电路其中的制动电阻与主要由一只IGBT制动斩波器组成的制动单元串联连接，然后并联在直流回路上。制动单元的控制目标是让直流电压在允许范围内波动。 电动运行时，直流电压接近交流峰值大约540V。制动运行时，直流电压的最低值应该高于交流电峰值，例如，选择为620V左右，使整流二极管持续截止，保证不再有电网能量注入变频器;而直流电压的最高值，则不能超过IGBT的耐压水平，并且要留有一定余量，即应该明显低于该电压保护时的电压值，例如，直流过电压保护时的电压值，例如，直流过电压保护值为780V，制动时直流电压上限可选择为720V左右。 电阻上消耗的能量来自直流回路，它应该不小于最大制动需要时的再生发电能量，因此，在制动单元导通时，通过电阻的电流除来自逆变器外，另一部分则会来自电容器内电能的释放。电容器内电容的释放会导致直流电压降低，再生发电功率越低，它与电阻消耗功率的差值越大，直流电压下降越快，即下降斜率越大。当直流电压下降到制动运行时的电压的下限时，制动单元控制电路使斩波器件截止，电阻从直流回路切除。 再生发电能量流回直流回路时，是要通过逆变器的。既然电阻上的瞬间电流，一部分来自逆变器，一部分来自电容器，因此，通过逆变器的瞬间电流必然会小于等于它。若电阻上的瞬间电流不超过变频器的额定电流，那么对于变频器而言肯定是安全的。电阻上的瞬间直流电压处于变化上限时最大，那么按照欧姆定律有 (3.8) 式中 变频器的额定电流; 720运行制动时的直流电压上限; 按照式(3.8)计算制动电阻阻值，对于变频器而言肯定是安全的，那么它对于运行而言是否是安全的呢?也就是说，这样技术阻值，系统的最大制动功率是否是足够的呢? 当电阻上的电流与逆变器电流一样时，电阻电流全部来自逆变器，电容器既不会充电也不会放电，直流电压不会变化，制动斩波器也就持续保持导通，这就是按照式3-8选择电阻阻值时，最大制动功率的情况了，用欧姆定律可得此时电阻上消耗的制动功率: (3-9) 另一方面，我们来考察系统所需要的制动功率。位能负载运行是需要制动功率最大的情况，我们来分析其运行时的能量关系。 上升加速末期，转速己达高速，位能增加最快，负载功率最大;系统动能增加，有加速功率存在，这是电动运行功率最大的情况。这时变频器的输出电功率为: (3.10) 式中短时过载倍数; 将其乘以电动机和机械减速机构的效率，就得到电动运行时的最大有效机械功率，即位能负载功率和加速功率之和，有: (3.11) 下放减速初期时，转速己达高速，位能降低最快，负载功率绝对值最大;系统动能降低而有减速功率存在，这是制动运行时功率绝对值最大的情况。若令减速时系统的加速度绝对值与加速时一样，则制动时的最大有效机械功率应该与电动时的最大有效机械功率一样: (3.12) 这个制动机械功率还要损耗在机械加速机构、电动机和变频器上，剩下的才需要由制动电阻消耗掉。用逆变器、电动机和减速机构的效率来反映图3-8右边能量传送过程的三部分损耗，这样就得到送回到直流回路需要由制动电阻消耗掉的功率: (3.13) 式(3.13)计算出的是系统运行需要的最大制动电阻消耗功率。若以变频器过载倍数、电动机功率因数、逆变器效率、电动机效率、减速机效率分别为1.7, 0.8, 0.98, 0.94,0.95代入，计算结果得: (3.14) 它接近但小于式3-9的计算值，因此，式3-9得到的电阻消耗功率是足够的，也即按照式(3.8)选择制动电阻阻值，对变频器是安全的，对系统而言制动功率是足够的，因此，也是安全的。所以，式(3.8)可以作为制动电阻阻值的计算式。式(3.8)是按照变频器额定电流考虑的，而变频器本身允许有过载，因此，它已经考虑了安全系数。式(3.13)是针对位能负载计算的，称为制动能力全配置。 由于电阻产品有规格限制，完全按照计算值配备在实践中存在困难，应允许在一定范围内取值。在制动能力全配置时，按照式3-8计算阻值，实际选择电阻时取计算值的1 1.15倍应该都是能满足要求的。 现在需要带动的三相异步电动机额定功率55kW，额定电流为110A，功率大于7.5kW，所以制动单元外置。位能性负载恒转矩负载需要全配置制动能力，循环周期33.69s,按式(3.8)计算，得电阻阻值为6.5欧姆，可取范围6.57.5欧姆。循环时间短，可按照平均消耗功率选择电阻功率，取1/4电动机额定功率，大约需要14 kW。3. 2. 4 主电路设计方案 变频器产品说明书都提供了标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率的是定子电流参数，因此，直接按照变频器标称功率进行选择在实践中常常可能行不通。根据具体工作的情况，可以有以下几种不同的变频器规格选择方式。 1. 按照标称功率选择 2. 按照电动机额定功率选择 3. 按照电动机实际运行的电流选择 4. 按照转矩过载能力选择 对于多数的恒转矩负载可以按式3-15选择变频器 (3.15) 式中 变频器额定电流; 电动机额定电流; 电流裕量系数，一般可取1.05 1.15(一般情况下可取小值，在电动机持续负载率超过8096时则应该取大值，因为多数变频器的额定电流都是以持续负载率不超过80%来确定的;另外起动停止频繁的时候也应该考虑取大值);多数情况下按照式3-15计算的结果，变频器的功率与电动机功率都是匹配的不需要放大，因此，根据电动机容量及额定电流的要求选择变频器为FR-A740-SSK-CHT选用三菱变频器FR-A740系列变频器，选择变频器容量为55 kW。其额定值如表3.l所示。表3.1 变频器设定值型号FRA740KCHT 55KW输出电源适用电机容量（KW） FRA74055KCHT SLD 180(110%60s,120%3s(反时限特性)周围温度40C) LD 144(120%60s,150%3s(反时限特性)周围温度50C) 额定电流（A） ND 110(150%60s,200%3s(反时限特性)周围温度50C) HD 86(200%60s,250%3s(反时限特性)周围温度50C) 电压 3相380480V额定输入交流电压，频率 3相380480V 50Hz/60Hz交流电压允许波动范围 323528V 50Hz/60Hz允许频率波动范围 5%保护结构 冷却方式 开放型 强制风冷大约重量（kg） 37特点:1. 用磁通矢量控制技术。在无速度传感器的开环控制下，调速范围为1:120;采用速度传感器的闭环控制下，调速范围为1: 1000。低速旋转时转矩均匀。2. 用Soft-PWM原理和智能功率模块(IPM)，使变频器输出波形更好，噪声更低，抗干扰性能更强。综上所述，选择变频调速系统主电路外围设备如表3.2适用电机55KW适用变频器断路器选择输入侧电磁接触器交流电抗器直流电抗器制动电阻FR-A740-55K-CHT无熔丝断路器225AF 200A在AC-1级进行选择。电磁接触器的电器耐久性为50万次。使用电机驱动中的紧急停止时为25次FR-HALFR-HELFR-BU表3.2 外围设备的选择说明:1)在SSK以下输入侧噪声滤波器不使用。2)在输出侧请不要连接电力电容器、过电压吸收器和无线电噪声滤波器。3)为防止触电，电机和变频器必须良好接地。3.3 变频调速系统控制电路设计3.3.1 变频器的调速控制变频器控制端子包括四类必要的外部信号联系内容:模拟量的输入和输出以及开关量的输入和输出。开关量输入和模拟量输入的主要作用，是对变频调速系统的运行及调速实现外部控制。所谓运行控制指的是系统的起动、停止控制以及运行方向的控制，也就是工作人员或控制设备向调速系统发出指令的方式。变频调速系统的运行控制一般有三种类型的指令来源:在变频器的数字式人机界面上操作;在操作台等操作地点操作;或者由PLC一类控制设备进行自动控制。 由于生产工艺的要求，系统需要在不同的转速下运行，三菱变频器在基本功能下的多段速设定参数为Pr4