陳祥龍 劉澤錚
【摘 要】本文分析了掣止力檢測裝置的現(xiàn)狀及存在的不足, 概述了變頻器及變頻技術(shù)。通過介紹掣止力檢測裝置設(shè)備組成及工作原理,重點分析了利用變頻器、采用變頻調(diào)速技術(shù)在掣止力檢測裝置中的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】變頻器;掣止力;變頻調(diào)速
1.掣止力檢測裝置現(xiàn)狀及存在的不足
現(xiàn)有掣止力檢測裝置傳動機(jī)構(gòu)由繞線式異步電動機(jī)驅(qū)動,在常規(guī)傳動控制中,采用轉(zhuǎn)子串接電阻的調(diào)速方式。但由于工作環(huán)境差,粉塵和有害氣體對電機(jī)的集電環(huán)、電刷和接觸器腐蝕性大,加上沖擊電流偏大,容易造成電動機(jī)觸頭燒損、電刷冒火、電動機(jī)及轉(zhuǎn)子所串電阻燒損和斷裂等,影響現(xiàn)場生產(chǎn)和安全,維修量和產(chǎn)生的維修費用也很高。且該調(diào)速方式機(jī)械特性較差 ,調(diào)速不夠平滑,所串電阻發(fā)熱浪費能量。綜上所述,常規(guī)調(diào)速方式存在的主要缺點有:
(1)拖動電動機(jī)容量大,起動時電流對電網(wǎng)沖擊大,電能浪費嚴(yán)重。
(2)機(jī)械沖擊較大,機(jī)械設(shè)備使用壽命縮短,設(shè)備運行可靠性較低。
(3)電動機(jī)一直在額定轉(zhuǎn)矩下工作,而每次負(fù)載是變化的,因此容易造成比較大的電能浪費。
(4)由于繞線式電機(jī)調(diào)速是通過電氣驅(qū)動系統(tǒng)中的主要控制元件——交流接觸器來接入和斷開電動機(jī)轉(zhuǎn)子上串接電阻的,切換十分頻繁,在電流較大的狀態(tài)下,容易燒壞觸頭;同時因工作環(huán)境惡劣,轉(zhuǎn)子回路串接的電阻因灰塵、設(shè)備振動等原因經(jīng)常燒壞、斷裂。
(5)在加速驅(qū)動負(fù)載的瞬間,電動機(jī)有時會受力不均勻 ,易過載,驅(qū)動裝置損壞。
(6)由于負(fù)載較大,電器元件和電動機(jī)處于大電流工作狀態(tài),降低了電器元件和電動機(jī)的使用壽命。
針對上述技術(shù)存在的不足,用變頻器技術(shù)取代繼電器—接觸器控制。交流電動機(jī)調(diào)速采用變頻調(diào)速方式,從而實現(xiàn)掣止力檢測裝置控制性能的飛躍。
2.變頻器及變頻技術(shù)
變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源,以實現(xiàn)電機(jī)的變速運行的設(shè)備,其中控制電路完成對主電路的控制,整流電路將交流電變換成直流電,直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波,逆變電路將直流電再逆成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說,有時還需要一個進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。
變頻器的分類方法有多種,按照主電路工作方式分類,可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器;按照開關(guān)方式分類,可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器;按照工作原理分類,可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等;按照用途分類,可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。
變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)60年代以后,電力電子器件經(jīng)歷了SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管)、MGT(MOS控制晶體管)、MCT(MOS控制晶閘管)、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)的發(fā)展過程,器件的更新促進(jìn)了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀(jì)70年代開始,脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM-VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代,作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣,并得出諸多優(yōu)化模式,其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀(jì)80年代后半期開始,美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家的VVVF變頻器已投入市場并獲得了廣泛應(yīng)用。
3.設(shè)備組成及工作原理
3.1設(shè)備組成
掣止力檢測裝置由基座、中心導(dǎo)向桿、推力桿、儲能彈簧、變頻調(diào)速系統(tǒng)、減速機(jī)構(gòu)、執(zhí)行電機(jī)等組成。
3.2工作原理
伺服系統(tǒng)通過減速機(jī)構(gòu)減速后,將運動和能量傳遞到儲能彈簧,經(jīng)儲能彈簧儲能后由推力桿向被測物體施加壓力,同時壓力傳感器實時采集壓力信號。在檢測過程中,壓力傳感器實時采集壓力信號,該壓力信號通過下位機(jī)TMS320F2812處理器內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后,數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī),上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,得到掣止力檢測結(jié)果,完成掣止力檢測任務(wù)。
4.變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計
4.1變頻器選型
在掣止力檢測裝置中,為了保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性, 變頻調(diào)速系統(tǒng)必須對被測物體有良好的控制性能。變頻器有四種控制方式:保持V/F恒定、保持輸出轉(zhuǎn)矩為常數(shù)(恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速)、保持輸出功率為常數(shù)(恒功率調(diào)速)及矢量控制, 其中矢量控制是基于電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流,具有與直流電動機(jī)相類似的控制性能。由于異步電動機(jī)只有定子繞組和外部電源相接,在定子繞組中流過定子電流,而轉(zhuǎn)子電流隱含在轉(zhuǎn)子繞組之中,因此定子電流包括兩個分量:勵磁電流分量和轉(zhuǎn)子電流分量。并且異步電動機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和定子電流并不成比例,定子電流大并不能保證電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大。但是,根據(jù)異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)方程式,它具有和直流電動機(jī)的動態(tài)方程式相同的形式,因而如果選擇矢量控制策略,異步電動機(jī)應(yīng)能得到和直流電動機(jī)相類似的控制性能,所以本設(shè)備采用的變頻器應(yīng)具有矢量控制功能。斯奈德公司生產(chǎn)的ATV302系列異步電機(jī)變頻器具有無傳感器的磁通矢量控制恒定轉(zhuǎn)矩功能。在同類產(chǎn)品中,它對異步電動機(jī)具有更好的控制性能,故本裝置采用該系列異步電機(jī)變頻器。根據(jù)所測掣止力大小及減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速比,本裝備采用功率為5.5千瓦的三相異步電機(jī)YBPT-132S-4作為執(zhí)行電機(jī),故選用ATV302HU55N4變頻器(最大功率可以到達(dá)7.5千瓦)作為電機(jī)調(diào)速變頻器。
4.2變頻器外部電路設(shè)計
采用斯奈德交流接觸器LC1-D1810(24V) 對變頻器電源及三相異步電機(jī)風(fēng)扇電源進(jìn)行接通和斷開控制。選取三相進(jìn)線電抗器HKSG2-0.8來限制變頻器三相進(jìn)電網(wǎng)兩側(cè)的電壓降。選取濾波器DL-10EBL作為變頻器的輸出濾波器。輸出濾波器不但能有效濾除變頻器輸出電流中的高次諧波,減小由高頻諧波引起的附加轉(zhuǎn)矩,降低電機(jī)溫升及電機(jī)運行噪音,而且能有效抑制變頻器的輸出側(cè)的浪涌電壓,保護(hù)電機(jī),提高變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)。TMS320F2812處理器對變頻器邏輯輸入口進(jìn)行控制,實現(xiàn)對三相異步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。詳細(xì)電路如圖1所示。
圖1 變頻器外部電路原理圖
4.3變頻器功能的設(shè)置
(1)變頻調(diào)速方式。
設(shè)置變頻器控制方式為無傳感器的磁通矢量控制恒定轉(zhuǎn)矩應(yīng)用模式;設(shè)置控制類型為2線控制,使用邏輯輸入口LI1、LI2作為工作方向轉(zhuǎn)換檢測控制, LI1為正向控制輸入口, LI2為反向控制輸入口;配置邏輯輸入口LI3、LI4及LI5作為預(yù)置速度輸入口,上位機(jī)通過下位機(jī)來控制預(yù)置速度輸入口的電平,實現(xiàn)對執(zhí)行電機(jī)的變頻調(diào)速控制。預(yù)置速度輸入組合如表1所示。
表1預(yù)置速度輸入組合表
(2)電機(jī)控制。
根據(jù)所選三相異步電機(jī)YBPT-132S-4各項指標(biāo)來設(shè)置變頻器相關(guān)參數(shù)。設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)頻率參數(shù)為50Hz;設(shè)置電機(jī)額定電壓參數(shù)為400V;設(shè)置電機(jī)額定速度為1500RPM;需特別注意的是:如果電機(jī)銘牌上不是額定速度,會標(biāo)出同步轉(zhuǎn)速和以Hz或百分比表示的轉(zhuǎn)差,按照下列公式計算額定速度:
●額定速度=同步轉(zhuǎn)速×(100-以百分比表示的轉(zhuǎn)差)÷100
●額定速度=同步轉(zhuǎn)速×(50-以Hz表示的轉(zhuǎn)差)÷50(50Hz電機(jī))
●額定速度=同步轉(zhuǎn)速×(60-以Hz表示的轉(zhuǎn)差)÷60(60Hz電機(jī))
(3)其他主要功能參數(shù)設(shè)置。
其他主要功能參數(shù)如表2所示設(shè)置:
表2主要功能參數(shù)表
5.結(jié)束語
掣止力檢測裝置變頻調(diào)速系統(tǒng)采用磁通矢量控制,穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、可靠性高,是一種理想的交流調(diào)速系統(tǒng)。掣止力檢測裝置變頻器驅(qū)動后,整機(jī)性能有較大提高,如檢測結(jié)果更加精確;效率高、操作靈活;推行平滑穩(wěn)定;電動機(jī)構(gòu)造簡單、可靠性高,極大地改善了維護(hù)性能;完善的保護(hù)功能減少了設(shè)備故障,提高了安全性能;變頻器可以減少起動時對電網(wǎng)的沖擊,提高了電網(wǎng)的用電質(zhì)量。
【參考文獻(xiàn)】
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