變頻器02調(diào)速系統(tǒng)的設計.ppt

變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計,變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的應用范圍很廣，如軋鋼機、卷揚機、造紙機等，不同的控制對象有其具體的控制要求；對于動態(tài)、靜態(tài)指標要求比較高的控制系統(tǒng)，在變頻調(diào)速設計時要求經(jīng)常利用速度反饋、電流反饋、電壓反饋、張力反饋、位置反饋等，通過利用反饋組成一個控制策略優(yōu)良的自調(diào)系統(tǒng)來改善系統(tǒng)的性能。對于動態(tài)、靜態(tài)指標要求不高的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中也有電流反饋、位置反饋等。但是這些反饋一般都是開關量的，因此這些開關量通常用于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的保護。,在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，如果外環(huán)是轉速環(huán)，目前已經(jīng)具有較為成熟的控制方案。例如變頻器采用矢量控制，其轉速環(huán)的結構和直流調(diào)速系統(tǒng)是一樣的，可以建立與直流調(diào)速系統(tǒng)一樣的數(shù)學模型，而且控制系統(tǒng)并不復雜，采用PID控制就能夠取得較滿意的效果。但是如果外環(huán)不是轉速環(huán)，例如外環(huán)是位置環(huán)或張力環(huán)等，尤其是變頻器網(wǎng)絡系統(tǒng)，控制對象具有多變量、變參數(shù)、非線性、強耦合等特點，使得線性PID調(diào)節(jié)器常常不能勝任，,不能使系統(tǒng)在各種工況下都保持設計時的性能指標，也就是說系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性（系統(tǒng)在某種擾動下保持穩(wěn)定的能力）和品質(zhì)魯棒性（系統(tǒng)保持某一品質(zhì)指標的能力）不是很理想。為了解決常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的不足，人們開始把智能控制引入到變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中。智能控制可以不需要精確的數(shù)學模型，仿照人的智能，根據(jù)系統(tǒng)誤差及其變化率來決定控制器的輸出，并自動調(diào)整控制器。在電氣傳動系統(tǒng)中引入智能控制方法，可以克服電氣傳動對象的多變量、變參數(shù)、非線性等不利因素，以提高系統(tǒng)的魯棒性。,影響變頻調(diào)速控制系統(tǒng)性能的因素,變頻調(diào)速控制系統(tǒng)性能是否優(yōu)良，一般與下述因素有關：（1）同樣是一個開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，所選擇的通用變頻器型號不同，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的性能優(yōu)良程度也不一定相同。即使選擇相同的變頻器型號，變頻器的參數(shù)設置不同，其性能優(yōu)良程度也不會相同。（2）同樣是一個閉環(huán)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，所放置的反饋元件位置不同，系統(tǒng)的性能優(yōu)良程度相差十分明顯。即使反饋元件的放置位置相同，反饋元件的型號、質(zhì)量不同，由抑制定理可知，其性能優(yōu)良程度也不會相同。所以，反饋信號的真實程度及質(zhì)量決定著一個閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的成敗。,（3）調(diào)節(jié)器的控制算法、參數(shù)設置不同，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的性能優(yōu)良程度相差比較大。如果調(diào)節(jié)器的控制算法選擇不合適、參數(shù)設置不恰當，閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)有時還不如一個開環(huán)控制系統(tǒng)的性能好。因此，設計選擇一套控制算法合理、簡單、可靠、調(diào)試方便和控制精度高的調(diào)節(jié)器是用戶必須特別注意的問題。（4）兩個完全一樣的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，如果安裝環(huán)境不同，可能效果會完全不同。特別是輸出電纜布置不合理，不但影響變頻調(diào)速控制系統(tǒng)性能，還會損壞開關管和驅(qū)動電路。除變頻器優(yōu)良程度影響系統(tǒng)的性能外，電動機固有特性的硬度、安裝質(zhì)量也嚴重影響變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的性能。,異步電動機的選擇方法,電動機的選擇包括電動機類型、型式、額定轉速和額定功率的選擇，其中主要的是電動機額定功率的選擇。通常，選擇電動機的步驟如圖所示1電動機類型的選擇電動機類型選擇的基本原則是：在滿足工作機械對于拖動系統(tǒng)要求的前提下，所選電動機應盡可能結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉。因此，在選用電動機種類時，若工作機械對拖動系統(tǒng)無過高要求，應優(yōu)先考慮選用交流電動機。,2電壓等級及轉速的選擇交流電動機電壓等級的選擇應考慮運行場所供電電網(wǎng)的電壓等級。中等功率以下的交流電動機額定電壓一般為380V，大功率交流電動機的額定電壓多為3kV或6kV。電動機額定轉速的選擇是否恰當，關系到電動機的價格和運行效率，甚至關系到生產(chǎn)機械的生產(chǎn)率。對于經(jīng)常工作于起動、制動狀態(tài)下的電動機，應考慮額定轉速對起動、制動時間和起動、制動過程中能量損耗的影響?？梢宰C明，從縮短起動、制動時間和減小起動、制動過程中能量損耗的角度考慮，應選用GD2與額定轉速nN乘積最小的電動機。,3電動機類型的選擇,（1）開啟式。開啟式電動機的定子兩側和端蓋上開有很大的通風口，具有良好的散熱條件，但灰塵、水滴和鐵屑容易侵入電動機內(nèi)部，影響電動機的正常工作，它適用于干燥、清潔的工作環(huán)境。（2）防護式。防護式電動機的通風口在機殼下部，通風條件較好，且可以防止水滴、鐵屑等雜物從垂直方向小于45角落入電動機內(nèi)部，但不能防止塵土和潮氣侵入，僅適用于比較干燥、灰塵不多且無腐蝕性及爆炸性氣體的場所。（3）封閉式。封閉式電動機采用全封閉結構，又分為自冷式、強迫通風式和密閉式三種，前兩種類型的電動機適用于多塵土、潮濕和有腐蝕性氣體的場所，如紡織廠、碾米廠、水泥廠等。密閉式電動機則適用于在液體中工作的機械，如電動潛水泵、深井泵等。,（4）防爆式。防爆式電動機是在封閉式電動機基礎上制成的隔爆型，適用于有易燃、易爆氣體的場所，如油庫、煤氣站及礦井等。4電動機容量的選擇選擇電動機容量時應考慮如下幾點：電動機容量、起動轉矩必須大于負載所需要的功率和起動轉矩；電源電壓下降10%15%的情況下，轉矩仍能滿足起動或運行中的需要；從電動機溫升角度考慮，為了不降低電動機的壽命，溫升必須在絕緣所限制的范圍以內(nèi)；如果電動機每次在最低頻率時連續(xù)工作的時間不長，則可留用原有電動機，反之如果在最低頻率時連續(xù)運行的時間較長，則電動機的容量應提高一擋。,如果變頻器具有矢量控制功能，若有條件，最好選擇2p4的電機，因為多數(shù)矢量控制變頻器是以2p4的電機作為模型進行設計的。電動機工作頻率的范圍應包含負載對調(diào)速范圍的要求。由于某些通用變頻器低速運行特性不理想，所以最低頻率越高越好。,使用變頻器傳動時電動機的幾個問題,（1）低速時的散熱能力。標準籠型異步電動機的散熱能力，是按額定轉速且冷卻風扇與電動機同軸的條件下考慮冷卻風量的。當使用變頻器之后，在電機運行速度降低的情況下冷卻風量將自動變小，散熱能力隨之變差。由于電動機的溫升與冷卻風量之間成反比，所以在額定速度以下連續(xù)運行時，可采用設置恒速冷卻風扇的辦法改善低速運行條件下電動機的散熱能力。,（2）額定頻率運行時有溫升提高。由于變額器的三相輸出電壓波形是SPWM波形，因此不可避免地在異步電動機的定子電流中含有高次諧波，高次諧波增加了電動機的損耗，使電動機的效率和功率因數(shù)都變差。高次諧波損耗基本與負載大小無關，所以電動機溫升將會比變頻調(diào)速改造前有所提高。變頻器高次諧波分量越少，電動機的溫升也就越小。這也是檢驗變頻器性能是否優(yōu)良的重要標志之一。,大量的實踐表明，電動機在額定運轉狀態(tài)下（即電動機的電壓、頻率、輸出功率均為額定值），用變頻器供電與用工頻電網(wǎng)供電相比較，電動機電流增加10%，而溫升增加20%左右。選擇電動機時，應考慮這種情況，適當留有裕量，以防止溫升過高，影響電動機使用壽命。（3）電動機運行時出現(xiàn)噪聲增大。這是SPWM變頻器的載波頻率與電機鐵心的固有振蕩頻率發(fā)生諧振引起的電機鐵心振動而發(fā)出的噪聲。解決方法是重新設定載波頻率。,負載功率的計算實例,吊車、提升機等負荷作垂直移動時，所拖動負載即為重力負載，如圖所示,重力負載,機械設備所需的功率為：,式中，W為額定載荷重力加吊鉤重力再加鋼繩重力之和（N）；v為提升速度（m/s）；為機械效率,（kW）,0.75條件下所需提升功率和不同的提升力、提升速度之間的關系曲線。由該曲線可以查得，當v0.1m/s，W9800N時，所需電動機的容量為1.5kW。,0.75時提升所需的功率,2摩擦負載吊車的平移機械、軌道上移動的水平臺車等搬送機械，其負載與重力負載的不同之處在于負載的運動方向不同,摩擦負載,（水平運動）,（kW）,式中，W為負載重力（N）；v為負載移動速度（m/s）；為摩擦系數(shù)；為機械效率。,摩擦負載（斜面運動）,在這種情況下，所需的功率為：,（sincos）10-3（kW）,選定電機的注意事項,（1）速度控制上限。普通異步電動機的速度上限就是額定頻率所對應的額定速度。一般不要將額定頻率為50Hz的電動機超頻運行，否則，會引起帶負載能力下降、過電流，甚至機械性破壞。（2）中間速度。采用普通異步電動機變頻調(diào)速時，要考慮在連續(xù)可調(diào)速度區(qū)段（中間速度）內(nèi)運行時的機械共振問題。異步電動機所產(chǎn)生的脈動轉矩頻率一旦與固有振動頻率一致，則會發(fā)生共振，并產(chǎn)生強烈的振動和噪聲，最嚴重的情況下會引起軸系斷裂事故。,（3）速度控制的下限。采用普通異步電動機進行變頻調(diào)速時，考慮到電動機自身由于低速冷卻能力下降而確定的最低轉速與機械系統(tǒng)所允許的下限速度一起決定了最終的速度下限,對于風機，需根據(jù)其共振臨界風量確定最低轉速，當用泵進行流量控制時，因有凈揚程，所以需要控制泵的速度下限，避免出現(xiàn)低于某一速度時不能送水而發(fā)生倒流現(xiàn)象。,2預防浪涌電壓的危害由于通用變頻器的功率開關器件在工作時會產(chǎn)生浪涌電壓，當通用變頻器驅(qū)動異步電動機時，有時需要采取措施防止浪涌電壓對電動機絕緣的破壞。浪涌電壓在通用變頻器中顯著，由于功率開關器件IGBT的開關速度快，電壓脈沖的上升沿陡度du/dt非常大，這種快速上升的電壓脈沖和較高的開關頻率會在電動機內(nèi)部形成軸承電流，從而會逐漸損壞軸承。若通用變頻器與電動機之間的接線距離較長，通用變頻器的輸出電壓達到波峰值的時間比前行波達到電動機端子的時間短，在電動機端子部位，前行波相對于其反射波的波峰值為通用變頻器輸出波峰值的兩倍，如圖所示。,浪涌電壓的前行與反射,防止沖擊電壓的措施,（1）開環(huán)轉速控制。,對于風機、泵等平方減轉矩負載，不太要求快速響應，常常采用開環(huán)控制。此時，對于變頻器來說，頻率給定為輸入信號，變頻器向電動機輸出電壓Un和頻率fn。電動機依轉矩特性根據(jù)電壓Un、頻率fn產(chǎn)生轉矩Tn，與負載轉矩相一致，在轉速nn下穩(wěn)定運轉。此時，影響轉速精度的因素主要有負載轉矩的變化、輸出頻率的精度以及電源電壓的變動等。,（a）開環(huán)控制系統(tǒng)；（b）轉矩特性,（2）閉環(huán)轉速控制,造紙、泵類機械、機床等要求速度精度高的場合，需要裝設傳感器，以便檢測出電動機速度。在這些傳感器中，光電編碼器、分解器等能檢測出機械位置，可用于直線或旋轉位置的高精度控制。圖所示為PLG（由脈沖頻率測量速度的傳感器）和變頻器等組成的轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖中的虛線路徑表示通用變頻器的開環(huán)控制；調(diào)節(jié)器用來修正速度誤差，f/U變換構成反饋，可獲得良好的控制效果,閉環(huán)速度控制系統(tǒng),在轉速控制范圍內(nèi)如果存在著能引起大的扭轉諧振的轉速或其他危險轉速，就必須避免在這些轉速下連續(xù)運轉。前面所謂的扭轉諧振，是指電機轉矩的脈動分量與機械系統(tǒng)（含負載和電機）的固有頻率一致時，電機進入諧振狀態(tài)將超過額定轉矩的扭轉應力加在機械系統(tǒng)上的現(xiàn)象。機械系統(tǒng)有時在速度控制范圍內(nèi)存在大的扭轉諧振。所謂危險速度，是指旋轉系統(tǒng)軸彎曲的固有頻率與旋轉頻率一致時的轉速。通常，危險速度大于電動機的額定速度。但對于大容量的24極電機，危險速度有時小于額定速度。,變頻調(diào)速流量控制,（1）單臺水泵控制系統(tǒng)。圖中的流量給定可根據(jù)需要進行設置，反饋環(huán)節(jié)是流量計及流量-電量傳感轉換器，調(diào)節(jié)器將實現(xiàn)該量信號與給定流量信號進行動態(tài)比較，再決定變頻器的頻率指令，控制流量恒定或按要求改變。,（2）采用程序調(diào)節(jié)器的多臺水泵控制系統(tǒng),高精度控制的實現(xiàn)方法,對于一般的變頻器，要求精度多為0.5%。這一數(shù)值，對于開環(huán)控制的機型為頻率精度，對于閉環(huán)控制的機型則為速度精度。對于同步電機，只要頻率高就可以實現(xiàn)高精度的速度控制；而對于異步電動機，由于存在轉差，要獲得高精度的速度則必須采用閉環(huán)控制。圖所示為可實現(xiàn)高精度控制的速度閉環(huán)系統(tǒng)原理圖。,為了保證系統(tǒng)的高速度精度，應充分考慮抑制變頻器的下述幾種誤差：速度給定誤差、速度反饋誤差、速度控制器誤差以及定常偏差。第四種定常偏差是因負載轉矩等外界干擾的變化在速度上引起的誤差，此種誤差在速度調(diào)節(jié)器的低頻增益低時產(chǎn)生。通常，速度調(diào)節(jié)器含有積分電路，能確保高的低頻增益，所以這種偏差較易克服。前面已經(jīng)講過，造紙機要求長時間保持高控制精度。用以前的模擬控制變頻器，采用PLG和低漂移的控制回路，可以得到0.05%的高精度。要完全排除溫度漂移等周圍環(huán)境的影響，必須采用全數(shù)字控制變頻器。,變頻調(diào)速網(wǎng)絡控制系統(tǒng),1變頻器-計算機控制系統(tǒng)的連接方式以艾默生EV2000變頻器為例，變頻器-計算機控制系統(tǒng)按照通信方式的類型劃分主要有以下幾種方式。（1）變頻器RS-232接口與計算機的連接，如圖所示。,變頻器與計算機的連接方式一,（2）變頻器RS-485接口與計算機的連接,（3）變頻器通過MODEM與計算機的連接,變頻器-PLC控制系統(tǒng)的設計,（1）開關指令信號的輸入。變頻器的輸入信號包括對運行/停止、正轉/反轉、點動等運行狀態(tài)進行操作的開關型指令信號。變頻器通常利用繼電器接點或具有繼電器接點開關特性的元器件（如晶體管）與PLC相連，得到運行狀態(tài)或者獲取運行指令，如圖所示在使用繼電器接點時，常常因為接觸不良而帶來誤動作；使用晶體管進行連接時，則需考慮晶體管本身的電壓、電流容量等因素，從而保證系統(tǒng)的可靠性。,開關信號的連接,在設計變頻器的輸入信號電路時還應該注意，當輸入信號電路連接不當時，有時也會造成變頻器的誤動作。例如，當輸入信號電路采用繼電器等感性負載時，繼電器開閉產(chǎn)生的浪涌電流帶來的噪聲有可能引起變頻器的誤動作，應盡量避免。圖給出了相應的連接方法。,變頻器輸入信號的連接,當輸入開關信號進入變頻器時，有時會發(fā)生外部電源和變頻器控制電源（DC24V）之間的串擾。正確的連接是利用PLC電源，將外部晶體管的集電極經(jīng)過二極管接到PLC，數(shù)字輸入多采用變頻器面板上的鍵盤操作和串行接口來給定；模擬輸入則通過接線端子由外部給定，通常通過010V/5V的電壓信號或0（4）20mA的電流信號輸入。由于接口電路因輸入信號而異，因此必須根據(jù)變頻器的輸入阻抗選擇PLC的輸出模塊。,當變頻器和PLC的電壓信號范圍不同時，如變頻器的輸入信號為010V，而PLC的輸出電壓信號范圍為05V時，或PLC一側的輸出信號電壓范圍為010V，而變頻器的輸入電壓信號范圍為05V時，由于變頻器和晶體管的允許電壓、電流等因素的限制，需用串聯(lián)的方式接入限流電阻及分壓方式，以保證進行開閉時不超過PLC和變頻器相應的容量。此外，在連線時還應注意將布線分開，保證主電路一側的噪聲不傳到控制電路中。通常，變頻器也通過接線端子向外部輸出相應的監(jiān)測模擬信號。電信號的范圍通常為010V/5V及0/420mA。無論是哪種情況都應注意：PLC一側輸入阻抗的大小要保證電路中電壓和電流不超過電路的允許值，以保證系統(tǒng)的可靠性和減少誤差。,將變頻器與PLC相連接組成變頻PLC控制系統(tǒng)時應該注意以下幾點：,（1）對PLC本身應按規(guī)定的接線標準和接地條件進行接地，而且應注意避免和變頻器使用共同的接地線，且在接地時使二者盡可能分開，這一點一定要特別注意。（2）當電源條件不太好時，應在PLC的電源模塊及輸入/輸出模塊的電源線上接入噪聲濾波器和降低噪聲用的變壓器等。另外，若有必要，在變頻器一側也應采取相應的措施。（3）當把變頻器和PLC安裝于同一操作柜中時，應盡可能使與變頻器有關的電線和與PLC有關的電線分開。（4）通過使用屏蔽線和雙絞線達到抗噪聲干擾的目的。,變頻器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，就是通過現(xiàn)場總線控制、監(jiān)控變頻器的。在該系統(tǒng)中，通常使用專用的現(xiàn)場總線適配器，如圖所示。一般適配器是比較容易拆裝的模塊，能很方便地安裝在變頻器的內(nèi)部。,變頻器與PROFIBUS總線組成的控制系統(tǒng),根據(jù)現(xiàn)場設備到控制器的連接方式，現(xiàn)場總線的拓撲結構通常采用以下三種方式：線形、樹形和環(huán)形。PROFIBUS采用的是線形結構，用一根總干線從控制器連接到受控對象，總線電纜從主干電纜分支到現(xiàn)場設備處，控制器掃描所有I/O站上的輸入，必要時還可發(fā)送信息到輸出通道，實現(xiàn)多主式和對等式通信。1）SIMATICS7主站：作為DP主站，CPU位于控制中心。本系統(tǒng)選用CPU412-2DP模塊化PLC，它集成了PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線接口裝置，具有強大的處理能力（具有0.3ms處理1024語句的速度）。PLC程序在上位機STEP7中編制完成后下載到CPU412并存儲，CPU可自動運行該程序，根據(jù)程序內(nèi)容讀取總線上的所有I/O模塊的狀態(tài)字，控制相應設備。,2）從站（SlaveA、B）：從站A中選用SIEMENS公司MM420系列交流變頻器，6ES400-1PB00為與之配套的通信模塊。SIMOREGK6RA24為SIEMENS直流變流器，CB24為與之配套的通信處理器。當S7-300或S7-400作PROFIBUS-DP網(wǎng)的主站時，可分別帶這樣的從站（SLAVE）32個，如加中繼器，最多可達127個。這種交直流傳動產(chǎn)品可對電機進行開、閉環(huán)控制，通過通信模塊將從DP網(wǎng)中接受的數(shù)據(jù)存入雙向RAM中，雙向RAM中的每一個字都被編址，在變頻（流）器端的雙向RAM可通過被編址參數(shù)排序，向變頻（流）器寫入控制字、設置值或讀出實際值，診斷信息等參數(shù)。從站C中ET200M為分布式I/O，IM153為與之配套的PROFIBUS通信模塊。,（3）變頻器從站的建立及參數(shù)的設置。根據(jù)圖7-56所示結構，首先在上位機（IPC）中選擇STEP7V5.2編程軟件和MM420變頻器GSD文件，在STEP7編程軟件中組建Profibus-DP網(wǎng)PROFIBUS（1），并定義CPU412-2DP為主站：DPMasterSystem（1）。然后導入MM420系列變頻器GSD文件，此操作使STEP7能識別MM系列變頻器并聲明數(shù)據(jù)格式。此時，上位機的界面如圖所示。,導入GSD文件時的界面,導入變頻器GSD文件后，在從站選項中自動添加了MM4XX系列變頻器選項，此時再將變頻器從站添加到DPMasterSystem（1）上，通過DP模塊6ES6400-1PB00上的撥碼開關定義變頻器的DP地址為：4號站。上位機上出現(xiàn)的畫面如圖所示,系統(tǒng)自動分配通信數(shù)據(jù)地址為：512-515，也就是PIW512和PIW514PQW512和PQW514在PLC程序中就可以直接引用以上地址對變頻器進行操作以及監(jiān)視。變頻器在PROFIBUS總線中具體的數(shù)據(jù)格式如下所列。（1）控制字（16位），見表,控制字及其功能,狀態(tài)字及其功能,變頻器與DeviceNet總線組成的控制系統(tǒng),由于采用的是由DeviceNet網(wǎng)絡組成的現(xiàn)場總線網(wǎng)，因此底層設備的交流變頻器及軟啟動器要求也必須具備DeviceNet網(wǎng)絡通信協(xié)議，這樣的底層設備才能掛在DeviceNet現(xiàn)場總線上?；谶@種思路，交流變頻器的接入有兩種方式：一種是自身具備DeviceNet網(wǎng)絡通信功能；另一種可采用具備DeviceNet網(wǎng)絡通信功能I/O模塊來控制不具各DeviceNet網(wǎng)絡通信功能的交流變頻器，如圖所示。,AB公司的1305變頻器、1336PLUS變頻器、1336IMPACT變頻器通過1203-GK5通信模塊（對15HP，11kW以上的變頻器用變頻器內(nèi)置的1336-GM5）連到設備網(wǎng)絡，可在網(wǎng)絡上給出驅(qū)動狀態(tài)和診斷信息及通過顯式信息傳輸方式，提供靈活的控制能力DeviceNet網(wǎng)絡的硬件布線及軟件組態(tài)十分簡便，因此系統(tǒng)的安裝調(diào)試周期大大縮短。在進行DeviceNet網(wǎng)絡硬件安裝調(diào)試時應注意：（1）每個網(wǎng)段供電電源只能有一點接地。（2）網(wǎng)絡總線兩端應安裝正確的終端電阻（120），在系統(tǒng)不上電時，測得的網(wǎng)絡CAN-H和CAN-L之間的電阻值應為5070。圖所示為羅克韋爾PowerFlex40變頻器的DeviceNet總線配置圖實例。,PowerFlex40變頻器的DeviceNet總線配置圖,