变频调速装置控制管理（精选七篇）
变频调速装置控制管理 篇1
三相交流异步电动机在机械、泵类、传送带、空调和鼓风机等设备中应用非常广泛, 为了使设备运行稳定, 要解决的一个突出问题是进行无极调速, 特别是在自动控制系统中, 电机调速问题表现得更为突出。因此, 研究和解决电动机的无极调速装置技术是电类和自动控制的专业技术人员必须引起高度重视的重要技术课题。计算机的应用特别是单片微型计算机应用技术的推广使用以及高稳定度高可靠性的电力电子器件的发展, 电机的调速问题相应得到了很好的解决, 在电机调速装置中普遍推广“变频变压法”即“VVVF”法, 应用单片机控制专用集成电路芯片和电力电子器件组成的电机变频调速装置实现电机无极调速可以降低成本、提高系统工作稳定性。笔者通过探索与实践, 利用MCS-51单片机对三相交流异步电动变频调速装置进行控制可以达到调速要求。
1 单片机在电机变频调速装置中的工作原理
1.1 电机调速的工作原理
根据电机学理论, 三相交流异步电机转速可以用下式表示:, 从公式可知, 只要改变磁极对数p, 电源频率f和转差率s便可以调节转速n。但是p和s在电机结构上做很大改变很不方便, 应用范围小, 最理想的办法是调节交流电源频率f, 这就是所谓的变频调速, 通过改变f的大小, 调节转速n具有高效率、宽范围、高精度的性能, 故变频调速是交流异步电动机的一种非常合理又理想的调速方法。但在电机在转动过程中, 产生反电动势, 因此, 若仅仅改变电源频率调节转速将严重影响电机的机械特性, 为了保证调节频率达到调节转速的目的, 根据电机机械特性可知还必须调节电源电压U, 因此, 若频率从一个频率f调到另外一个频率fx, 则电压U也要调到Ux, 而且必须满足:, 由此可知, 电机调速时, 调频的同时必须调压, 这就是“变频变压法”。如何实现变频的同时又变压呢?我们首先想到的是PWM脉冲波, 其波形如图1所示。
图中t1为脉宽, t2为脉冲之间间隔时间, T2为脉冲周期, 若调节脉冲占空比则可调节输出的平均电压, 若调节脉冲周期T2则可调节频率, 可在变频的同时实现变压。
但是这种脉冲波中含有很多谐波成份, 不是正弦波, 不能作为电机的交流电源进行调速。因此我们必须把这些脉冲矩形波变成渐变的脉冲波, 其变化符合正弦变化规律, 称这种脉冲波为正弦脉宽调制波即SPWM波。
1.2 产生SPWM波的过程
由上述分析可知, 如果要实现电机变频调速, 首先必须产生SPWM波。根据电子技术理论, 产生SPWM波的方法是:用一组等腰三角形与一个正弦波进行比较, 由两波交点的时刻所形成的波可以得到SPWM波, 波形形成过程如图2所示。SPWM调制波是等幅而不等宽的脉冲列, 其调制的基本特点是在正弦波半个周期内, 两边的脉冲窄, 两边的脉冲宽, 各个脉冲之间等距。
图中等腰三角形为载波, 正弦波为调制波, 正弦波的幅值和频率可控可调, 从而电机的转速可控可调。
1.3 应用单片机产生SPWM波
等腰三角形载波频率、正弦调制波的频率与幅值是决定SPWM波的三个基本参数, 电机就是靠这些参数实现调速。由于这些参数的变化计算量很大, 变化速度也非常快, 以往都是采用分立元件构成SPWM波发生器, 这种电路结构复杂, 调试困难, 无法完成达到预期效果。
单片机技术具有很强的计算功能和速度, 但是由于等腰三角波与正弦波比较时表格坐标的制定和计算工作量大, 仅有单片机产生SPWM波速度较慢, 不够理想。近年来, 数字化专用SPWM集成芯片的应用越来越广泛, 功能越来越强大, 如SA868、SA4828、HEF4752等各种型号的SPWM波形集成发生器芯片。其中, SA4828与单片机连接方便, 可产生相位互差120°的SPWM波形, 电路结构简单, 软件控制也很方便, 所以在设计变频调速装置中选择SA4828产生SPWM波是最理想的方案。
1.4 SA4828芯片简介
SA4828芯片是英国MITEL公司生产制造的高精度三相可编程SPWM集成电路芯片, 调制波形频率采有16为精度、变频调速、分辨率可以达到0.05转/分。相输出波形的幅值可单独控制, 可接三相不平衡负载, 实现三相闭环控制。该芯片可以与各种类型的单片机控制器连接, 并采用了抑制谐波技术, 选择这种芯片作SPWM波形发生器是比较理想的方案。
2 单片机控制电机变频调速装置的方案
单片机控制电机变频调速装置分为开环和闭环控制两种方案。现以恒压自动供水系统为例, 其原理框图如图3 所示。
该系统把工频50HZ的三相电源变为0~400HZ的三相频率可控的交流电源控制水泵电机转速。逆变部分采用IGBT-IBM智能功率模块, 该模块具有自动过压过流和短路保护, 并自带驱动电路, 变频电流检测采用霍尔电流传感器, 闭环控制原理是由水压传感器采集水管水压, 经ADD7705模数转换器将水压和检测电流转换成数字量输入给单片机系统, 由单片机系统控制SA4828与IGBT-IBM调节水泵电机转速, 维持水压恒定, 实现水压与电机转速的闭环控制。
3 单片机变频调速装置的程序设计
由单片机最小应用系统控制可编程芯片SA4828产生SPWM波, 因此程序要对SA4828芯片进行初始化设计, 因该芯片可在中断情况下工作, 我们在程序设计时采用中断方式的模式。中断方式是采用定时中断, 因为频率较低, 周期较长, 定时器T0初值超过了十六位, 还要用到定时器T0的溢出中断, 因此本程序要用到两个中断服务程序, 程序设计为三个部分。
3.1 主程序
主程序的任务主要是初始化的设计, 即对定时器T0和SA4828同时进行有关参数初始化预置, 流程图如图4所示。
3.2 中断服务调速子程序
本变频调速装置是采用闭环控制模式, 在设计中断调速服务程序时, 分为三个子程序来编制: (1) AD7705模数转换子程序; (2) 采样值与标准值进行比较, 将差值转换成调制频率与电压幅值子程序; (3) 控制程序子程序。程序处理思路:首先将检测采样值经AD7705转换成数字量后存入RAM固定单元, 然后用该单元中的值与RAM中固定单元中的标准值进行比较, 将得到的差值经处理后转换成调制频率值和电压幅值存入RAM中的某固定单元, 通过数据总线AD0-AD7传送给SA4828控制寄存器R0-R2。然后输出SPWM调速波, 实现水压与调速的转速的闭环控制。
3.3 通用子程序的设计
在系统程序设计中涉及到了乘法和除法子程序, 此两种程序可调用通用子程序, 然后根据实用调速子程序中的部分参数进行改编。程序设计时要合理分配RAM中的地址, 要注意标准值的预置。
4 结语
电机实行变频调速, 可像直流电机那样实行无极调速, 这将扩大交流电机的应用范围, 降低各类电机应用设备的成产成本, 节约能源, 像各类电梯原大都是使用昂贵的、体积庞大的直流电机, 现改为使用变频调速装置的交流电机, 这样比原成本降低了许多, 安装维修方便。
基于单片机控制的电机调速装置, 提高和扩大了变频调速装置的应用效果和范围。只要我们合理设计硬件控制方案, 优化程序, 则使单片机控制的变频调速装置得到更普遍更深层次的应用, 将变频调速技术更广泛的应用到机电设备和自动化设备中, 将会产生更好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]蔡振江.单片机原理及应用[M].机械工业出版社, 2011, 8.
[2]王水平.控制与驱动器使用指南及应用电路[M].西安电子科技大学出版社, 2009, 8.
变频调速装置控制管理 篇2
重庆江口水电站装机 3×100 MW,位于重庆市武隆县江口镇，是芙蓉江梯级开发的最后一级电站。江口水电站原调速器油压装置为 YZ-2.5-4 型，额定压力4 MPa,回油箱容积 4 m3,重量 6 吨，介质为空气及汽轮机油，压油箱容积类别为Ⅱ、容积 2.5 m3,设计温度50 ℃，设计压力 4.6 MPa,最高工作压力 4 MPa,耐压试验压力为 5.8 MPa.改造前油压装置控制系统弊端及常见故障
江口水电站原油压装置控制系统，经过近7 年的运行，存在以下弊端和常见故障 :油压装置为单一PLC 控制，若 PLC 故障，自动系统即瘫痪，且其运行后期 PLC 经常死机;控制系统无法显示补气阀是否动作，无法电动和手动补气;检修期间，若断开油压装置系统电源，漏油泵将不能启动，常常造成漏油泵油箱油满溢出;主控制室监控系统无法监视油压装置控制系统动作情况。改造后的油压装置控制系统
3.1 控制系统控制对象及检测元件
控制对象 :压油泵2台，漏油泵1台，卸载阀组2套，压力油罐自动补气阀组 1 套。
检测元件 :压力油罐压力（模拟量 1 路）、压力油罐油位（模拟量 1 路）、压力油罐压力开关（4 对）、回油箱油位报警开关（开关量 2 对）、漏油箱油位（模拟量 1 路）。
3.2 控制系统主要功能
控制系统的主要功能有以下几点。（1）实现对各压油泵的自动启停及补气阀的自动补气，维持压油罐压力和油位在正常的工作范围内。当漏油箱油位到达起泵、停泵条件时自动启动、停止漏油泵。（2）实时监测压力油罐、回油箱、漏油箱油位。油位异常时，发出报警信号。（3）实时监控被控设备运行情况，并实现报警功能。（4）实时监测控制系统自身运行情况，并实现报警及切换功能。
3.3 控制系统的配置及特点
针对原系统单一PLC故障即导致系统瘫痪的问题，改造后的调速器油压装置现地 LCU 控制装置配置两套独立而又互为备用的 Premium PLC,其中央处理器集成以太网接口;每套 PLC 配置控制压油装置所需的输入 / 输出模块;配置一套xian地人机交换平台，采用带以太网接口的触摸屏;还配置有一套 8 端口的工业级交换机。PLC 的以太网通讯模块、带以太网接口的触摸屏与 8 端口的交换机连接，通过 8 端口的交换机再与全厂的以太网连接至后台监控计算机，如图 1 所示。
控制屏设置 2 台压油泵、2 台卸载阀组、1 台漏油泵和 1 台补气阀组的“自动 / 切除 / 手动”运行方式切换开关。设置为“自动”时，系统按自动控制流程进行控制。“手动”方式独立于 PLC 控制回路，当 PLC失电或故障时，现地将操作开关切至“手动”以实现各被控设备的启停。控制屏还设置电源指示灯、事故低油压指示灯、各被控设备运行 / 故障指示灯。各信号均由通讯上传至计算机监控系统，有效解决了无法在控制室监视油压装置运行情况的问题。
系统运行状态、参数、故障信息等均可通过触摸屏显示，并可通过触摸屏对泵启停参数、油压及油位报警参数、传感器参数进行实时设置。台压油泵采用 ATS48 系列软启动器启动方式，以减少电动机启动时对电网的冲击，减少对某些敏感电子元件的干扰，减少电动机对拖动机械负载泵的冲击，延长泵的使用寿命。
各电动机控制回路电源即动力电源、PLC 电源、I/O 电源、开出回路电源等相互独立，实现了压油装置检修断开压油泵电源后，PLC 能正常工作，漏油泵能正常运行。各电源回路均设置电源监视指示灯，方便监视，并通过电源监视继电器将供电情况引入 PLC.压力油罐油压和油位信号、漏油箱油位信号（4 ~ 20 mA）分别通过一入二出信号隔离器进入两套PLC 的 AI 通道;全部开关量输入信号同时进入两套PLC 的开关量输入（DI）通道。
每套 PLC 控制输出经“X 套 PLC 主用”闭锁，即只有主用 PLC 才输出控制实际设备，油泵控制动作逻辑如图 2 所示。程序优先使用模拟量进行启停泵控制。
当程序判断为压力传感器故障且压力开关正常后，使用压力开关进行启停泵控制。当需要启泵时，经泵轮换逻辑判断，以确定需要启动哪台泵打油。启泵后，当达到停泵条件或泵不正常或卸载阀故障，均会停泵，可以看出，当两套 PLC 均故障时，不会启动压油泵打油。两套 PLC 的主备切换原理是利用心跳线来判断主 PLC 是否还能正常工作。硬件接线上，A 套心跳开出连接至 B 套心跳开入，B 套心跳开出连接至 A 套心跳开入。%S5 为 PLC 系统位，它是由一个内部定时器调控该位的状态变化，时基为 100 ms,该位对于 PLC循环而言是异步的。一旦主 PLC 不能正常工作，而备用 PLC 可以正常工作，则备用 PLC 变为主 PLC,原主PLC 变为备用 PLC;当备用套 PLC 也不能正常工作时，主 PLC 继续运行，不做切换处理，此时给出相应的报警信号，切换原理如图 3 所示。针对原系统补气阀组问题，新系统将补气阀组全开、全关位置信号扩展后送至两套 PLC 及点亮控制屏补气阀位置指示灯，以方便地监视补气阀组位置，在对控制回路进行更改后，可在油压装置控制屏上进行电、手动补气。结束语
中压变频控制装置在电泵井上的应用 篇3
沈阳油田是全国最大的高凝油生产基地,主力区块为高凝低渗潜山油藏。投产初期采取电泵井投产方式较多,根据原油物性、地层压力和现有生产参数建立的函数关系,对电泵井生产参数进行了优化设计。目前,沈阳采油厂电泵井开井58口,平均泵挂在2 280 m以上,日均液量在3 150 t,日均油量在680 t,平均系统效率16.67%,单井日均耗电1 250 kWh,吨液百米耗电0.99 kWh。
2 电泵采油系统存在的问题
电泵采油系统井口流程图如图1所示,当电泵井初期投产时,油嘴保温套内不加装油嘴,普通配电柜只能控制离心电泵在工频50Hz工况下运行。油井生产一段时间后,部分油井由于含水上升速度快或由于配注跟不上等因素需要控制油井产液量以达到稳油控水或防止抽空气蚀的目的,必须在油嘴保温套内加装合适的油嘴来实现。加装油嘴后使离心电泵处于憋压状态下生产,控制不好会对电缆或电泵机组产生伤害。同时会在油嘴前后产生压差,相当一部分电能会在油嘴的节流作用下白白地消耗掉。
3 电泵采油系统节电潜力分析
离心电泵工频定速运行时,为了保证井口进站压力及流量,同时保证电动机不过载,只能靠改变井口油嘴尺寸来调节泵的运行。电泵经油嘴调节后,在小流量、高扬程(与原工况相对比)的工况下运行,油嘴前后压差增大,单耗增高。如图2所示,假设离心电泵原来在工况点B运行时,井口不装油嘴状态,产液量为QB,扬程为HB,如果想减少产液量,下降为QA,电泵在没有安装任何调整装置的情况下,只能通过加装油嘴调节使产液量保持在QA,那么就有QA(HA-HB)的功损失在油嘴上,这样浪费了大量电能,而且经常更换油嘴操作使电缆故障增多,寿命缩短[1]。
利用变频器调速,使离心泵电机驱动泵在可变速情况下工作,要使得泵的特性曲线与系统在任何流量条件下的需要相匹配,流量与电动机转速成正比,产生的压差与速度的平方成正比,因此可得一组特性曲线,如图3所示[2]。无级变频调速后可得到AB～CD无数条水泵特性曲线,管路特性曲线与ABDC形成的阴影带任何一个交点,都可作为工况点与产液量变化相适应,在较小的扬程下达到P、Q、R、S点所对应的流量,而且只损失很少的能量,其节能效果相当可观。
4 中压变频装置的应用效果
2008—2009年在沈阳油田应用中压电泵变频装置13套,具有较大的节能潜力。利用原电泵配电线路,将原配电柜更换为变频柜,变频调速装置采用一拖一方式,控制离心电泵电动机,通过电泵小组及时采集动液面、井口回压、电泵卡片、产量等相关资料进行详细分析,人工调节电泵电动机转速,达到稳油控水的目的。该设备主电路采用三电平结构,采用低压功率器件实现中压逆变,可靠性高,输出波形好,对电网侧的电压波动有良好的稳压作用,启动电压可以补偿。具备工作模态、电流保护功能,可以有效避免流量过低时水泵发生气蚀现象,同时变频装置具有的软启动及软停车功能,又可避免“水锤”现象发生,确保机泵的安全运行。
辽河油田节能监测中心对沈阳油田的电泵变频装置进行了安装前后的节能效果测试,由测试数据可以看出:油井平均有功节电率为26.04%,平均无功节电率为88.02%,平均综合节电率为27.04%,达到节能指标要求,单井平均年节电量为12.38×104kWh,见表1。
直接经济效益:13台增注变频系统年可节约电量161×104kWh。
间接经济效益:在工频50Hz电网直接启动时,对电网和电动机的机械冲击较大,声响很大,变频软启动损耗很小,则每年的启动节能也是很可观的。当采用变频调速时,50 Hz满载时功率因数接近l,工作电流比电动机额定电流值要低许多,这是由于变频装置的内滤波电容具有改善功率因数的作用,可以为电网节约容量。采用变频调速后,启动缓慢及转速的降低,可以避免因通过油嘴控制使泵过多偏离额定工作区而引起的振动,相应地延长了许多零部件如密封、轴承的寿命,特别是减轻了启动机械转矩对电动机的机械损伤,有效地延长了离心泵电动机的使用寿命,减少了作业费用和检修维护开支,节约大量成本。
5 结束语
通过在沈阳油田电泵井采油系统应用变频装置,取得了良好的节能效果和可观的经济效益,电泵井采油应用变频调速装置是实现注水系统节电的有效技术途径。它将油嘴节流工况调节方式改为通过离心电泵电动机转速改变工况的调节方式,具有调节方便的特点。由于井口阀门全开,有效地避免了加装油嘴后产生的节流损失。该项技术还减少了机组的机械冲击,降低了运行中的磨损和噪音,延长了电泵井的检泵周期,增加了整个机组的使用寿命,对降低油田生产运行成本意义重大。
摘要：油田开发中后期,地层压力下降,注水见效差,地层注采矛盾凸显,大部分油井已不适合电泵方式生产。对于剩余的少部分采用电泵方式生产的油井,根据现场生产情况要适时控制油井生产参数,以稳定地层流压,控制含水上升速度,提高采收率。对于这部分油井,利用中压变频技术进行即时调参,减少了因更换油嘴等操作启停电泵,既能够保护电泵电缆及机组、延长使用寿命,又达到了节能降耗的目的。
关键词：高凝低渗,电泵,中压变频,控制参数,节能降耗
参考文献
[1]蒋能纪,蒲微,李新国.变频技术在油田稳压注水中的改造及应用[J].石油工业计算机应用,2007(9).
矿用架线式电机车变频控制装置探析 篇4
煤矿井下原一直采用直流架线电机车, 此电机车结构复杂、造价昂贵、耐潮性差、故障率高, 直流传动电动机调速系统是原始的电阻压降调速, 采用触头式电阻调速, 电机车维修量大, 带电阻运行电能浪费高。直流架线电机车变频调速器采用先进的DTC变频调速技术, 能使相鼠笼交流电动机达到和超过直流电机的起动转矩, 最大可达额定值的300%, 满足电机车在低速时的最大起动牵引力, 使电机车强劲有力[1]。
1 当今矿用架线式电机车面临的问题[2]
当前在非煤矿山井下, 矿用电机车通过矿车钢轨和驱动轮间的摩擦产生动力对矿车进行牵引, 在电机车工作中, 凭借直流电机拖动牵引能力。在输送成本时, 生产任务与输送量间的关系是直接性的, 电机车轮轨与电力牵引设备间的摩擦系数决定了直流电机拖动牵引能力。而引起矿井关键性输送装置直流架线电机车安全性差、平滑性差及故障率高的原因是:a) 固有非煤矿井下电机车通过钢轨和车轮间的摩擦性对矿车进行牵引, 因为驱动属于轮和轨间的作业, 比较长的工作时间会导致轨道和轨轮疲劳, 造成驱动轮箍过热, 进而使工作过程中疲劳磨损形成。非煤矿井下的恶劣环境仅仅可使电机车驱动轨轮和输送轨道间的摩擦系数维持在大约0.12, 在矿井潮湿环境中工作, 只可以实现0.07摩擦系数。太低的轨、轮摩擦系数在工作过程中对环境比较敏感, 导致固有电机车输送牵引能力难以有效地体现在生产中, 进而造成电机车输送能力的制动安全问题;b) 因为矿山环境比较特殊, 特别是在矿井下, 工作环境恶劣, 电网会产生比较大的波动电压, 离变电站远的位置电压过低, 不稳定的铁轨连接处、不平整的铁轨铺设、高低不一的架线线路等增大了回馈线电阻, 导致固有技术斩波调速设备难以和复杂化的运行环境相符合。因此, 根据以上重点问题需完善电机车轮轨接触设备与牵引设备。
2 变频调速方法
2.1 交直
交变频的调速方法[3]
将1套逆变设备设计在所有电机车上, 把由架空电网上得到的直流电逆变成能调节频率的三相交流电, 直流电动机可借助三相异步交流电动机来代替, 电机车对电源频率进行改变, 进而实施调速。
2.2 安装和应用变频调速
一共6个接线端子的调速器外出线, 先对调速器进行固定, 把调速器换向手柄与调速手柄打至零位, 然后将机车上手动开关合上, 进行调速及通电, 当面板上亮起准备灯时进行工作, 转动换向手柄到工作方向, 这时就会亮起工作灯, 首先将机车手动机械闸松开, 然后对调速手柄进行缓缓转动。在机车出现超载、电机缺相、电机短路, 及调速器和架线直流电压出现故障的过程中, 报警灯就会亮起, 调速器便停止, 可按动复位按钮进行复位。
3 组成的硬件部分
由于交—交变频调速系统要求比较复杂的控制性功能, 系统有比较强的实时性, 所以通常控制电路的主要控制元件是单片机, 具有保护系统、显示性能、检测系统、调节动态、选择方向、判断功能等一系列作用[4]。
4 变频调速电机车工作原理
对于全速度控制型调速电机车, 电机根据调制频率进行工作, 工作中电机一般不具备惯性, 其最大优势为:由调速手柄控制车速, 在工作过程中一般不使用手制动抱闸, 存在比较小的闸瓦磨损;能设置最高车速限制, 防止司机开飞车而导致事故。
5 矿用架线式电机车变频控制装置的应用[5]
5.1 牵引电机的稳定性
由于直流牵引电机转子线圈过流及绝缘降低等一系列原因会导致转子线圈烧坏, 而更换易损件需要比较大的维修费用。三相异步变频调速电动机具有比较高的稳定性能, 鼠笼转子不具备线圈与换向铜头, 有着比较好的密闭性, 不容易由于潮湿等使绝缘性下降而导致毁坏, 不需要消耗碳刷, 维修工作量比较小, 也很少出现故障, 工作费用比较少。
5.2 控制器维护
在断、通操作时, 拉弧烧损会出现在控制器接触组的触头截片, 要求定期更换或进行打磨, 这需要比较多的维护工作。由电位器及干簧管组合成的变频调速控制器换向调速, 不具备相应触点, 因而不需经常性地进行维护[6]。
5.3 调速性能
借助牵引电动机的串并联与增减并列电阻来实现架线式直流牵引电阻调速电机车的调速, 有级分档调速的凸轮控制器凭借手制动和电制动进行减速停车。伴随负载改变, 直流牵引电机转速出现改变, 在下坡工作过程中会导致飞车出轨故障, 司机瞬间加速能毁坏牵引电动机及调速器。无级调速的交流牵引变频调速具备均匀性调速, 根据既定频率大小进行减速及增速的牵引电动机最低能实现不到0.1 Hz的频率。变频调速器的频率是5 s的提升时间, 即使司机在零速启动后瞬间加速, 机车依旧可在5 s之后实现最高速度。
5.4 机车传动的维修
针对机械传动系统而言, 有着一定冲击力的直流电阻调速电机车会毁坏齿轮, 频繁应用手制动会加速闸瓦磨损, 这要求定期更换齿轮。牵引电机及有关配件具备比较高的启动电阻故障率, 需经常性实施维修。交流牵引变频调速电机车使频率变换速度得以改变, 大约在5 s内慢慢提升, 对于传动系统来讲, 会产生比较小的冲击。在减速停车和正常工作时不使用手制动, 基本不会磨损闸瓦, 交流异步电动机很少出现故障, 因而很少需要维护, 且不需要使用启动电阻。
6 结语
交流电动机变频技术目前已十分成熟、日趋完善, 变频调速用于交流异步电动机调速, 其性能胜过以往任何一种交流调速方式, 目前已成为电动机调速的最新潮流。特别是在绞车、提升机、通风机、胶带输送机等矿用大功率高压设备中应用范围越来越广泛。对于那些耗电量大的煤矿设备来说, 变频技术的应用更有价值。特别是在生产环境相对恶劣的煤矿井下生产现场, 应用变频技术产生效益更加明显, 虽然初次投资较大, 但是一般1 a~2 a的节电效益足以回收成本, 同时也能有效改善生产环境, 减轻操作者劳动强度。因此, 更多、更好地推广这一技术的应用是当务之急。
摘要：叙述了当今矿用架线式电机车面临的问题, 具体介绍了变频调速方法、组成的硬件部分和变频调速电机车工作原理, 重点论述矿用架线式电机车变频控制装置的应用, 以期能对矿山企业提高产能、降低能耗和技术改进有所帮助。
关键词：架线式,电机车,变频控制
参考文献
[1]杨昕, 赵良鹏, 毕海泉.变频调速技术在防爆蓄电池电机车上的应用[J].煤矿机电, 2011 (1) :100-101.
[2]俞晓阳, 任修勇.交流变频调速技术在窄轨架线式工矿电机车中的应用及必要性[J].电工文摘, 2009 (3) :62-63.
[3]杨霞.变频调速系统在矿用蓄电池电机车的应用研究[J].煤矿机电, 2008 (3) :82-85.
[4]蔡兴国.交流变频技术在架线电机车上的应用[J].煤炭技术, 2008 (4) :42-43.
[5]李振璧, 石晓艳.基于DSP控制的蓄电池电机车直流斩波调速系统[J].煤矿机电, 2007 (2) :45-46.
变频调速装置控制管理 篇5
关键词：直流调速,现场总线,端子,参数
0 引言
西门子直流调速装置6RA70是20世纪90年代初推出的6RA24升级版,具有单台装置输出容量更大、供电电压等级更多样、通信能力更强的特点,且工艺软件S00提供了更丰富的自由功能块,工艺板、通信板与新一代的SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制交流调速产品通用,因此在直流传动系统的升级改造中得到广泛应用。早期的直流调速装置6RA70一般采用端子控制方式,但随着计算机控制技术的发展,Profibus现场总线技术的日趋成熟,直流调速装置6RA70目前更多地采用了Profibus现场总线技术。
1 端子控制方式
1.1 硬件设计
在控制要求比较高、逻辑关系复杂、涉及模拟量的输入输出时,一般采用PLC对直流调速装置6RA70进行端子控制,其原理如图1所示。直流调速装置6RA70自带的CUD1板提供4个数字量输入、2个数字量输出、3个模拟量输入和3个模拟量输出。由于端子数量有限,因此在不能满足控制要求时,需要增加选件——端子扩展板CUD2、EB1或EB2。如果选用端子扩展板EB1或EB2,那么需要增设ADB适配板,否则无法安装EB1或EB2。
1.2 软件设计
软件设计包括PLC程序设计、直流调速装置6RA70参数设置。根据工艺要求设计PLC程序,以控制直流调速装置6RA70输入信号,接收、处理输出信号。直流调速装置6RA70运行的关键和难点是参数设置,主要包括输入、输出端子的定义、控制流程。如图2所示,控制流程主要包括给定处理环节、速度调节器、电流调节器、触发单元。直流调速装置6RA70驱动的直流电机的电枢回路电阻P110、电感P110和电流调节器、速度调节器的PI参数(P155、P156、P225、P226)可通过优化运行来精确获得;不具备优化运行条件时,则只能通过粗略估算、测量计算和根据后期运行状况不断手动调整来获得,其精确度差。
1.3 紧急运行模式
PLC控制下的直流调速装置6RA70,当PLC或线路发生故障时,将停止运行。在某些要求较高的情况下,如果在短时间内不能排除故障恢复运行,那么将造成严重的设备和质量事故。因此,在端子控制方式下,设计了紧急运行模式。图1中,将转换开关S10置于“内控”位置,S11置于“内控确认”位置,继电器8J、9J分别得电吸合,直流调速装置6RA70的#42、#37、#38端子分别接通,完成控制参数切换、合闸、运行使能;将方向选择开关10XK置于内控正(反)向位置,将驱动直流电机正(反)转运行;旋转内控给定电位器1W,可以任意改变电机运行速度。
2 Profibus现场总线控制方式
2.1 硬件配置
直流调速装置6RA70采用Profibus现场总线控制时,必须配置具有Profibus通信功能的PLC。如图3所示,PLC的CPU模板选用西门子CPU 315-2DP(型号为6ES7 315-2AG10-0AB0),直流调速装置6RA70则需要在电子板箱总线适配器LBA(选件K11)上增加适配板ADB(选件K01)和通信板CBP2(选件G94)。CPU模板的DP接口通过Profibus电缆和通信板CBP2连接远程从站6RA70。
2.2 数据交换
PLC是通信主站,直流调速装置6RA70是从站。PLC通过Profibus现场总线把合闸、运行允许、正/反转(Main Control Word1 K3001)、外控给定(Speed Ref K3002)等下传给直流调速装置6RA70。直流调速装置6RA70则通过Profibus现场总线把故障(Status Word1K32)、实际速度(Speed Fedback K287)、运行电流(Output Voltage K291)、输出电压(Output Current K116)等上传给PLC,其数据交换见表1。
2.3 通信参数设计
为了实现PLC与直流调速装置6RA70之间的Profibus现场总线通信,必须对直流调速装置6RA70进行通信参数设计,表2是关键参数设置清单。
2.4 PLC程序设计
在PLC内进行直流调速装置6RA70的硬件组态,如图3所示。在程序设计上,采用模块化编程,新建一个带有背景数据块DB的功能块FB,背景数据块DB存贮与直流调速装置6RA70有关的控制字、状态字、外部输入/输出信号。功能块FB调用系统功能块SFC14和SFC15,实现PLC与直流调速装置6RA70的数据交换。功能FC调用功能块FB时赋值形参,实现直流调速装置6RA70的控制和状态信息的读取。这种模块化的编程具有通用性、灵活性,当Profibus现场总线连接多个任务不同的直流调速装置6RA70时,分别调用同一功能块FB,大幅简化了程序的设计[1]。
3 控制方式切换
针对不同的控制对象和任务,直流调速装置6RA70有4组功能数据组FDS和2组BDS数据组可供选择。Profibus现场总线控制方式作为首选,定义为第1组FDS1和BDS1数据组负责;端子控制方式作为备选,定义为第2组FDS2和BDS2数据组负责。两种控制方式切换实际上就是第1、2数据组之间的转换。如图1所示,定义直流调速装置6RA70的#42端子输入状态(连接量B0022)作为参数组切换源,参数化控制字2的Bit16、Bit30,P676=22、P690=22。通过实际运行,验证了直流调速装置6RA70可以在不停机情况下自动切换Profibus现场总线与端子控制方式,提高了直流传动系统的可靠性。
3.1 直流调速装置6RA70控制切换
正常情况下,直流调速装置6RA70采用Profibus现场总线控制方式。当发生Profibus电缆中断、总线插头脱开或PLC主站故障等情况时,直流调速装置6RA70仍然维持故障前的运行状态并立刻发出报警信息。此时直流调速装置6RA70的只读参数r958=K9806≠0。如图4所示,选用直流调速装置6RA70提供的自由功能块(选件S00)中的连接器/开关量连接器转换1和3输入或门,实现报警信息的汇总判断后经过EB2板(选件G74)输出至6RA70的#42端子。如图1所示,直流调速装置6RA70#42端子输入状态由低电平“0”转换成高电平“1”,则控制字2的Bit16=Bit30=1,第2组参数为有效控制参数,系统自动在线切换至端子控制方式。
3.2 PLC控制切换
如图3所示,在PLC内编制组织块OB86(机架故障组织块),当从站直流调速装置6RA70故障时,PLC操作系统调用组织块OB86,避免PLC的CPU 315-2DP模板停机。同时,检测、记录分布式从站直流调速装置6 RA7 0地址并置位中间标志和数字量输出,触发直流调速装置6RA70的#42端子由低电平“0”转换成高电平“1”,系统在不停机的状态下自动切换至端子控制方式。一旦从站直流调速装置6RA70故障报警消除,则复位中间标志和数字量输出,#42端子由高电平“1”转换成低电平“0”,系统又自动切换至Profibus现场总线控制方式。
4 两种控制方式比较
端子控制方式比较简单、直观,查找故障相对容易。对于简单的单体设备无需采用PLC,通过继电逻辑控制即可实现。当采用PLC控制时,信号点对点连接,需要敷设较多的信号电缆、占用直流调速装置6RA70和PLC较多的输入输出端子和模板,增加了发生故障的概率。对于端子控制方式,任意关键信号发生故障将直接造成直流调速装置6RA70停机。Profibus现场总线控制方式则很好地克服了端子控制方式的上述缺点,即使Profibus现场总线出现故障,直流调速装置6RA70仍然可以继续运行并发出报警信息。但通信技术的隐蔽性导致Profibus现场总线发生故障尤其是一些软故障时,将难以在短时间内得到排除,因此,对于Profibus现场总线控制方式,设计合理、施工规范、调试全面尤其重要。
5 结束语
在实际使用中,应该根据直流传动系统的具体特点和要求,合理设计直流调速装置6RA70的控制方式。对于控制复杂、可靠性要求高的场合,应采用Profibus现场总线与端子控制方式相结合的方案,并设计在线自动切换,分析存在的干扰源,以便采取相应的抗干扰措施,提高Profibus现场总线工作的稳定性[2]。
参考文献
[1]廖常初.S7-300/S7-400PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2006
变频调速装置控制管理 篇6
传统的交流变频调速系统的变频调速控制是由脉宽调制波实现的,系统采用模拟控制,可靠性和控制精度都较低,本文设计的基于单片机控制的交流异步电动机调速装置,以单片机80C196MC为核心实现全数字控制,电路简单,便于调整,提高了系统的控制精度和可靠性,并且形成的波形也十分稳定。
1 装置的工作原理
基于单片机的交流变频调速系统从结构上主要分为执行部分和控制部分两部分。系统执行部分为三相交流异步电动机 ;控制部分包括单片机、整流模块、通讯接口、IPM逆变器、时钟电路、转速检测、光电耦合、故障检测等。
基于单片机的交流变频调速系统装置的工作原理为 :转速传感器采集到电机转速信号,并将其转换成矩形脉冲信号,然后经光电隔离进入单片机计数器得到电机的实际转速值,然后将此值和设定的转速进行比较,经控制器调节之后,单片机产生的PWM波经线性光耦进行电气隔离后作用于逆变模块IPM,从而实现电机的闭环变频调速。电压传感器和霍尔电流将检测到的逆变模块输出的三相电压和电流信号,经采样保持进入单片机完成A/D转换,然后由CPU进行处理。需要通过整流电路对380V电源进行全桥整流从而得到逆变模块工作时需要的直流电压信号。
基于80C196MC的变频调 速系统的原理框图如图1所示。本系统采用专用集成电 路芯片SM2001为控制核 心,逆变电路的功率器件选用智能功率模块PM50RSAl20,主要由主电路(整流电路和滤波电路)、控制电路、光耦驱动电路、逆变电路、过压保护电路、80C196MC控制电路和人机接口电路组成。
2 单片机实现 SPWM 波
系统的单片机选用Intel公司的单片机80C196MC,它是专门为三相电机变频调速系统设计的。它的晶振频率高达16M,数据和地址总线都是16位,数据存贮器空间和程序存贮库空间为64K字节,16位定时器2个,13路模拟输入通道,三相波形发生器(WFG)1个,片内还包含160字节的特殊功能寄存器组和512字节的RAM。
2.1 SPWM 波形
SPWM技术的基本原理就是比较三角波载波和正弦波得到一个脉冲序列,并且该序列的宽度变化根据正弦规律进行,以此驱动逆变器开关管完成开关转换。由于SPWM参数在计量过程中在的变化较大,变化速度也特别快,所以如果SPWN波发生器由分立元件构成,电路结构十分复杂,并且调试的难度比较大,效果不理想。单片机技术的计算功能十分强大,而且计算速度较快,但是由于三角波载波和正弦波计算时工作量较大,所以采用单一的单片机产生SPWN波的速度慢,需要对其进行改进。近年来,随着计算机数字化技术的发展,SPWM专用集成芯片逐渐受到关注,并且应用越来越广泛,其功能也十分强大,提高了运算的速度。本系统中采用的SPWM波集成芯片为SM2001。
2.2 SM2001 芯片简介
SM2001芯片是大规模的集成电路芯片,专为变频电机系统设计的,应用十分广泛,其应用范围包括变频洗衣机、变频空调及变频冰箱、各类不间断的逆变电源(UPS)及各种工业水泵、风机的变频驱动等。SM2001电路内部集成有三线串行接口、双波形正弦发生器、PWM波形发生器、死区时间、窄脉冲控制电路幅度因子乘法器、启动电路和保护电路等,其封装采用DIP18塑封。
芯片SM2001的PWM输出端口有6个,其采样方法基于双边沿规则产生6路PWM输出波形,分别驱动V、U、W三相桥式功率开关,每相的信号输出由2路TTL电平兼容的管脚实现。该信号通常是通过外部的光耦等隔离器件实现桥式电路的驱动,2个信号分别对某相的上半桥臂和下半桥臂进行驱动。在PWM合成正弦波时,涉及的参数较多,需要对多个参数如三相正弦波的幅度和频率、PWM波的频率等进行确定。在设置芯片SM2001的控制程序时,这些参数的实时调节都可以通过一个高速串行口实现。
3 单片机变频调速装置的程序设计
本系统的 最小系统 控制板采 用SM2001芯片产生SPWM波,因此程序要对SM2001芯片进行初始化设计,由于在中断的情况下,芯片也能正常工作,所以我们在设计程序时可以采用中断方式模式。由于周期较长,频率较低,所以中断方式采用定时中断,定时器T0初值大于十六位,还要用到定时器T0的溢出中断,因此本程序要用到两个中断服务程序,程序设计为三个部分。
3.1 主程序
主程序的任务主要是初始化的设计,即对定时器T0和SM2001同时进行有关参数初始化预置。
3.2 中断服务调速子程序
控制模式由闭环控制和开环控制两种,本装置采用的控制模式为闭环控制,在设计中断调速服务程序时,分为三个子程序来编制 :TLV2548A/D转换器模数转换子程序 ;控制程序子程序 ;采样值与标准值对比,并将二者的差值转换成调制频率与电压幅值子程序。程序处理思路 :采样值经过TLV2548模数转换成数字信号存贮在RAM固定单元,然后用存贮值和RAM中的标准值进行对比,将得到的差值进行处理,然后将其转换成调制频率值和电压幅值存入RAM中的某固定单元,通过数据总线AD0-AD7传送给SM2001控制寄存器R0-R2。然后输出SPWM调速波,实现电动机调速的转速的闭环控制。
3.3通用子程序的设计在系统程序设计中涉及到了乘法和除法子程序,此两种程序可调用通用子程序,然后根据实用调速子程序中的部分参数进行改编。程序设计时要合理分配RAM中的地址,要注意标准值的预置。
4 结束语
本文中对硬件部分和软件部分进行了简单的设计,需要在使用过程中加强后期维护,一旦发现问题及时进行解决。变频调速技术在机电设备和自动化设备中的应用,将会产生更好的社会和经济效益。
摘要：为了降低交流异步电动机调速装置的成本和提高其工作的可靠性,本文设计了基于单片机控制的交流异步电动机调速装置。本系统的单片机采用专门为三相电机变频调速系统设计的80C196MC,以单片机控制电路专用集成芯片SM2001生成SPWM波,并对系统的硬件系统和软件系统进行了设计,设计的系统比较稳定,切实可行。
变频调速装置控制管理 篇7
潮州供水枢纽西溪电站位于韩江下游西溪溪口处, 装机容量2×14MW, 为灯泡贯流式水轮发电机组, 额定转速78·95r/min, 额定水头5·74m。电站调速器采用法国Alstom原装进口的NEYRPIC1500型双调节微机调速器, 每台机组配有2台调速器油泵, 油泵采用间歇启动、轮换启动、互为备用的工作方式。在机组正常运行时, 由不间断运行的主用油泵供油, 使高位轮毂油箱油位控制在溢流面与正常油位之间;若主用油泵故障, 启动备用油泵不间断运行, 使高位轮毂油箱油位控制在正常油位与偏低液位之间;若油泵均正常而由于其它故障的原因, 高位轮毂油箱油位低于偏低液位, 启动备用油泵, 并保持2台油泵同时工作, 直至油位达到正常油位才停备用油泵, 且主用油泵继续运行。
2011年5月6日枢纽电站西溪1机组调速器油泵发生故障, 事故导致机组出现异常停机。监控记录显示, 西溪1G机组停机前正并网发电, 设备工作正常;调速器油泵2油泵作为主泵在工作状态, 1油泵为备用。11:18:40, 西溪1G调速器压力油罐油位开关DD位信号动作 (西溪:1G油压装置备用泵启动信号动作) ;11:28:55, 西溪1G调速器压力油罐油位过低信号启动, 机组保护动作, 机械事故停机。
2原因分析
正常情况下, 主用油泵故障停止运行时, 备用油泵会立即启动, 保证压力油罐油位正常, 满足安全稳定运行需要。但在监控系统简报信息中只查到2号油泵 (主用) 停泵信号和油压装置备用油泵启泵信号, 实际上1号油泵 (备泵) 并未启动, 造成压力油罐油位一直降低, 最终导致机组机械事故停机。
结合分析推断, 油压装置油泵控制程序可能存在缺陷导致主泵故障时备泵未能正常启动。
油泵进行主备切换的条件为三条:①有主油泵置工信号且无故障信号;②主油泵出现故障 (信号点为I1.5、I1.6) ;③当主油泵运行次数 (C20、C10为主油泵运行次数) 达到8次。三个条件为或的关系, 只要满足其中一条即将备泵切换为主泵, 如下图2所示。
查阅油压装置PLC控制程序图纸和现场监控简报信息, 分析停机原因为调速器2号油泵 (主泵) 因故障停止运行, 2号油泵故障信号 (I1.6) 未能发出, 而PLC程序设计将备用油泵置为主用泵且启动的条件之一是能检测到原主用油泵故障信号。因此, 压力油罐油位因主泵停止运行逐渐降低至DD位时 (备用泵启动油位) , 油泵PLC控制程序因不满足启备用泵启动条件而未执行备用泵启动程序。
同时, 在目前接线方式下, I1.5、I1.6动作也不可靠。油泵故障信号 (I1.5、I1.6) 接线如图3, 当开关 (Q1或Q2) 在某种故障断开后, 此时FR1动作, 由于1L1、1L2、1L3失电, 致使KR1或KR2 (继电器) 无法可靠动作。从而程序中油泵故障信号 (I1.5、I1.6) KR1或KR2的触点无法可靠动作。因此在其他二个条件未满足的情况下, 因某种原因 (如过载、短路等) 出现油泵故障时, PLC中 (I1.5、I1.6) 未能正常动作反映油泵故障, 油泵主备切换条件也不满足。
综上分析, 导致本次事故停机的原因为:油压装置油泵PLC控制程序存在设计缺陷, 未充分考虑各种异常情况。
3处理措施
油泵运行次数 (C20、C10) 的信号来源于接触器的开关量, 当主泵由运行到停止时计数器 (C20或C10) 增加一次。为能准确反映主油泵故障信息, 将油泵主从切换程序图中主从切换条件之一的运行次数 (C20、C10) 由原来的8次更改为1次。主油泵运行次数 (C20、C10) 由原来的8次更改为1次后, 只要主油泵出现1次“运行到停止” (含故障因素) , 均可实现主备油泵自动切换。
4结语
通过对调速器油压装置plc控制程序进行修改, 增加了备用泵启动条件, 实现主从切换的各种异常情况考虑的更全面, 实现了调速器系统安全稳定运行, 提高了机组运行的安全性、稳定性。
