变频器在交流电机调速系统中的应用

2022-12-28

随着电力电子技术的发展, 交流电机的变频调速已逐步取代了传统的变极调速, 电磁调速和调压调速系统, 被广泛应用于矿产、钢铁、运输、纺织及空调家电等领域, 其控制性能及经济性能都已接近或超过直流电机调速系统。

一些在特殊环境下使用的缆绳卷扬机系统, 由于操作人员不能辅助系统运作, 甚至无法直接监控其运行状况, 因此, 卷扬机系统必须具备全自动功能。在实际缆绳长度较长时, 要满足自动化要求, 卷扬机系统必须包含用于释放、回收缆绳的传送履带装置、具备排线功能的存储绞盘和检测运行状况的传感器[1], 传送履带和存储绞盘由两台电机分别驱动。由于存储绞盘在释放和存储过程中, 缆绳在绞盘内层与外层的存储半径不同, 若存储绞盘采用恒定转速的方式运转时, 缆绳的线速度将随着存储层数的变化而变化, 因此必须控制传送履带和存储绞盘驱动电机的工作转速, 以避免缆绳受力过大或缆绳存储杂乱的情况, 保证系统的工作可靠性。为此我们提出了PLC与变频调速器构成的电机变频调速系统, 根据计数传感器给出的长度信息, 通过V/F控制方式调节存储绞盘驱动电机转速, 以保证传送履带和存储绞盘的同步运转。

1 变频器及交流电机的调速原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置, 主要由主电路和控制电路组成, 控制电路完成对主电路的控制, 主电路包括整流电路 (工频电源的交流电变换成直流电且对直流电进行平滑滤波) 和逆变电路 (直流电变换成各种频率的交流电) 两部分, 主电路大体上可分为电压型和电流型两类, 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, 其直流回路的滤波是电感。

变频调速的控制方式经历了V/F控制、转差频率控制、矢量控制的发展, 前者属于开环控制, 后两者属于闭环控制, 正在发展的调速方式是直接转矩控制。

(1) V/F控制。异步电机的转速与定子电源频率f和极对数有关, 改变f就可平滑地调节同步转速但f上升或下降可能会引起磁路饱和转矩不足现象。所以在改变f的同时。需调节定子电压。使气隙磁通维持不变、电机效率不下降, 这就是V/F控制V/F控制简单, 通用性优良, 但因是开环控制, 调速精度低、范围小, 只能用在调速精度和动态响应要求不高的场所, 如:

风机、泵机控制, 流水线上的工作台转动。

(2) 转差频率控制。由电机学基础知识可知, 异步电动机转矩M与气隙磁通Φ、转差频率f2的关系为M∝Φf2, 只要保持气隙磁通Φ一定, 控制转差频率就能控制电机转矩, 这就是转差频率利用速度检测器检出电机的转速, 然后以电机速度与转差频率的和给定逆变器的输出频率, 其控制精度和过电流的抑制等特性较V/F控制都有所提高, 但由于维持磁通Φ和转矩恒定的基本关系式是从稳态机械特性上推导出来的, 没有考虑电机电磁惯性的影响, 所在动态转矩仍没得到控制, 动态响应效果仍不理想。

(3) 矢量控制。矢量控制是在交流电动机上模拟直流电机控制转矩的规律, 将定了电流分解成相应于直流电机的电枢电流的量和励磁电流的量, 并分别进行任意控制矢量控制能够对转矩进行控制, 获得和直流电机一样的优良性能, 它适用于要求快速响应或对起动、制动有严格要求的场合。

(4) 直接转矩控制。直接转矩控制 (DTC) 的变频调速无需像矢量控制那样进行复杂的矢量变换运算, 直接由定子空间矢量分析三相电动机的数学模型, 并决定其控制量DTC能够用开环方式对转速和转矩进行控制, 它的PWM波形直接由转矩决定, 其控制性能比PWM磁通矢量控制方式更优越。

2 变频调速系统的设计

变频调速系统根据传送履带驱动电机的转速, 通过V/F控制方式来调节存储绞盘驱动电机转速, 以保证传送履带和存储绞盘的同步运转。卷扬机的基本组成示意图如图1所示。

释放缆绳时, 传送履带和存储绞盘作顺时针运转, 通过传送履带牵引缆绳向外释放;回收缆绳时, 传送履带和存储绞盘作逆时针运转, 通过传送履带牵引缆绳存储绞盘进行回收。在传送履带驱动轮上安装计数传感器, 计数传感器有多种可用方案[2], 这里采用磁钢-霍尔元件实现释放长度和方向的检测。

缆绳在绞盘上缠绕情况如图2所示, 当存储绞盘尺寸和缆绳外径一定时, 不同长度的缆绳在绞盘上缠绕的层数L是固定的, 因此可以根据缆绳长度推算出在绞盘上缠绕的直径DL。

存储绞盘和传送履带分别由电机1和电机2驱动, 存储绞盘和电机1的转速比为R1, 传送履带滚轮与电机2的转速比为R2。要想实现存储绞盘和传送履带的同步运行, 必须满足两者运转的线速度相等, 即:

式中, n1、n2分别为电机1和电机2的转速, d为传送履带滚轮直径。

由于运行过程中电机转速恒定的情况下, 传送履带的线速度是不变的, 因此可以根据电机2的转速和当前缆绳缠绕直径DL, 得到存储绞盘的同步转速, 进而通过变频器控制电机1的转速实现同步调速。

电机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的, 电机的转速和频率之间的关系为:

式中, n为电机转速 (r/min) ;f为电源频率 (Hz) ;p为电机磁极对数;

根据 (1) 、 (2) 式, 可以得到电机1的转速n1和缆绳长度x的关系:

一般电机的磁路已趋于饱和, 磁通Φ是不可能增大的, 因此电压值随f的变化而变, 因此, 变频调速器在改变频率的同时改变了电压, 保持了U/f比值恒为常数, 确保了电机在低速运转时的转矩特性, 同时保证了电机在低速运转时不会过流发热, 实现存储绞盘驱动电机的平滑调速[3], 调速系统构成如图3所示。

2.1 变频器控制电路硬件构成

P L C选用三菱公司的F X O N—2 4 M R为基本单元, 执行系统及用户软件, 是系统的核心。通讯适配器选用FXON—485ADP, 主要作用是配合PLC作为通讯主站使用, 完成变频调速器控制信号的远距离发送。变频器选用三菱公司通用经济型的F R—A044, 实现电机的启停控制及调速, 系统硬件结构如图4所示。

F R—C U 0 3对P L C通过F X O N—485ADP发送的信号进行转换, 以使变频器能识别符合RS—422/RS—485通讯规范的网络信号, 是变频器的网络接口。两台电机轴上分别安装编码器, 编码器测得的电机轴的脉冲信号送往PLC, 根据计数传感器推算出长度和缆绳缠绕直径信息以及对电机2变频器的频率信息, 通过计算给电机1变频器发送控制信息, 并和编码器返回的转速进行比较, 完成存储绞盘电机转速调整。

2.2 软件设计

考虑到使用的方便, 采用基于Windows操作系统的软件包FX—PCS/WIN—C, 可对FX全系列可编程控制器进行编程和控制。这种软件可以实现寄存器数据的传送、PLC存储器清除、串行口设置 (D8120) 、运行中程序更改、遥控运行或停止、PLC诊断、采样跟踪和端口设置等操作;可读取和显示可编程控制器中的程序, 实现文件的发送和接收;可监控和测试可编程控制器, 实现动态监视器、元件监控和显示监控数据的变化值 (16进制) 等功能;可以实现梯形图、指令表和顺序功能图 (SFC) 程序的相互切换显示, 同时显示多个功能窗口。要实现对各电机控制, 需要PLC与变频器之间进行正确通信, 这需要设定握手信号和数据传送格式。为了避免发送与接收的帧出错, 发送与接收采用相同的数据格式。数据格式设置为:9600bps, 奇校验, 8位数据位, l位停止位。

PLC通过F X O N—485ADP发出有关命令信息对变频器进行控制实现电机调速, 工作时, PLC首先控制电机2启动, 随后根据当前长度信息和电机2转速控制电机1启动, 计数传感器检测到缆绳由当前缠绕层变化到下一缠绕层时, 向PLC发送脉冲信号, PLC根据释放、回收情况和下一缠绕层直径信息, 对电机1变频器发出命令信息进行调速, 工作流程图如图5所示, 工作过程中同时只有一个变频器与PLC交换信息。

变频器与PLC之间的通信过程最多分5个阶段:PLC发出通讯请求;变频器处理等待;变频器做出应答;PLC处理等待;PLC做出应答。根据不同的通讯要求完成相应的过程, 如写变频器启停控制命令时完成3个过程;监视变频器运行频率时完成5个过程。不论是写数据还是读数据, 均有PLC发出请求, 变频器只是被动接受请求并做出应答。每个阶段的数据格式均有差别。

3 应用效果

文献[1]的缆绳卷扬机系统在释放时只运行传送履带驱动电机, 回收时只运行存储绞盘驱动电机, 运转时受绞盘惯性影响, 在起步和停车时存在缆绳张力过大和缆绳存储松圈现象。本系统应用在该卷扬机系统后, 系统正常运转, 根据安装在排线器上的张力传感器显示, 收、放过程中缆绳最大张力不超过170N, 能够有效解决原系统在起步和停车时缆绳张力过大和存储松圈现象。由于根据缆绳长度推算其在绞盘上的缠绕半径的推算精度受缠绕整齐性影响很大, 因此对缆绳缠绕的整齐性要求较高是采用这种方法控制的主要缺陷。

摘要：介绍了变频器及交流电机调速的基本原理, 提出了一种通过变频器对交流电机转速控制实现卷扬机自动收放系统中两台电机同步运转的方法。

关键词：变频器,卷扬机,PLC