變頻器在掣止力檢測(cè)裝置中的應(yīng)用

陳祥龍　劉澤錚

【摘 要】本文分析了掣止力檢測(cè)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(guò)介紹掣止力檢測(cè)裝置設(shè)備組成及工作原理，重點(diǎn)分析了利用變頻器、采用變頻調(diào)速技術(shù)在掣止力檢測(cè)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(cè)裝置現(xiàn)狀及存在的不足

現(xiàn)有掣止力檢測(cè)裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由繞線式異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在常規(guī)傳動(dòng)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(duì)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(dòng)機(jī)觸頭燒損、電刷冒火、電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)子所串電阻燒損和斷裂等，影響現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和安全，維修量和產(chǎn)生的維修費(fèi)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(fèi)能量。綜上所述，常規(guī)調(diào)速方式存在的主要缺點(diǎn)有：

（1）拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)容量大，起動(dòng)時(shí)電流對(duì)電網(wǎng)沖擊大，電能浪費(fèi)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(yùn)行可靠性較低。

（3）電動(dòng)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(fèi)。

（4）由于繞線式電機(jī)調(diào)速是通過(guò)電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主要控制元件——交流接觸器來(lái)接入和斷開(kāi)電動(dòng)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(shí)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(dòng)等原因經(jīng)常燒壞、斷裂。

（5）在加速驅(qū)動(dòng)負(fù)載的瞬間，電動(dòng)機(jī)有時(shí)會(huì)受力不均勻 ，易過(guò)載，驅(qū)動(dòng)裝置損壞。

（6）由于負(fù)載較大，電器元件和電動(dòng)機(jī)處于大電流工作狀態(tài)，降低了電器元件和電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

針對(duì)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(dòng)機(jī)調(diào)速采用變頻調(diào)速方式，從而實(shí)現(xiàn)掣止力檢測(cè)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，其中控制電路完成對(duì)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(duì)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(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來(lái)說(shuō)，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。變頻調(diào)速是通過(guò)改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。

變頻器的分類(lèi)方法有多種，按照主電路工作方式分類(lèi)，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開(kāi)關(guān)方式分類(lèi)，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(lèi)，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(lèi)，可以分為通用變頻器、高性能專(zhuān)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(wú)級(jí)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(mén)極可關(guān)斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場(chǎng)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(guò)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(kāi)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(wèn)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(kāi)始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器已投入市場(chǎng)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(cè)裝置由基座、中心導(dǎo)向桿、推力桿、儲(chǔ)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(guò)減速機(jī)構(gòu)減速后，將運(yùn)動(dòng)和能量傳遞到儲(chǔ)能彈簧，經(jīng)儲(chǔ)能彈簧儲(chǔ)能后由推力桿向被測(cè)物體施加壓力，同時(shí)壓力傳感器實(shí)時(shí)采集壓力信號(hào)。在檢測(cè)過(guò)程中，壓力傳感器實(shí)時(shí)采集壓力信號(hào)，該壓力信號(hào)通過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到掣止力檢測(cè)結(jié)果，完成掣止力檢測(cè)任務(wù)。

4.變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1變頻器選型

在掣止力檢測(cè)裝置中，為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性， 變頻調(diào)速系統(tǒng)必須對(duì)被測(cè)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(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流，具有與直流電動(dòng)機(jī)相類(lèi)似的控制性能。由于異步電動(dòng)機(jī)只有定子繞組和外部電源相接，在定子繞組中流過(guò)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(gè)分量：勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)子電流分量。并且異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)方程式，它具有和直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(dòng)機(jī)應(yīng)能得到和直流電動(dòng)機(jī)相類(lèi)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(wú)傳感器的磁通矢量控制恒定轉(zhuǎn)矩功能。在同類(lèi)產(chǎn)品中，它對(duì)異步電動(dòng)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(cè)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(jì)

采用斯奈德交流接觸器LC1-D1810（24V） 對(duì)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(kāi)控制。選取三相進(jìn)線電抗器HKSG2-0.8來(lái)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(yùn)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(duì)變頻器邏輯輸入口進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)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(lèi)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(cè)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(guò)下位機(jī)來(lái)控制預(yù)置速度輸入口的電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàng)指標(biāo)來(lái)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(huì)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(jì)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(yǔ)

掣止力檢測(cè)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(cè)裝置變頻器驅(qū)動(dòng)后，整機(jī)性能有較大提高，如檢測(cè)結(jié)果更加精確；效率高、操作靈活；推行平滑穩(wěn)定；電動(dòng)機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)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(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了電網(wǎng)的用電質(zhì)量。

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