周永亮

(廣州電纜廠有限公司，廣東 廣州 510000)

安川H1000變頻器在雙電機(jī)同步控制中的技術(shù)方案研究

周永亮

(廣州電纜廠有限公司，廣東 廣州 510000)

針對(duì)傳統(tǒng)同步方法控制下雙牽引電機(jī)同步運(yùn)行所出現(xiàn)的問題，提出了頻率相對(duì)值跟隨的方法。通過設(shè)置前后牽引變頻器的正反向運(yùn)行的增益、使用指令指定切換端口，使前牽引電機(jī)跟隨后牽引電機(jī)。對(duì)比新的跟隨速差法和傳統(tǒng)的固定速差法，新的跟隨控制方法克服了開關(guān)過程中的不平滑和兩牽引電機(jī)間電纜上張力突變的不足，在高、中、低速檔中表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)性能。該方法提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性，提升了設(shè)備的生產(chǎn)效率，具有借鑒和推廣意義。

變頻器 雙電機(jī) 牽引 同步控制 動(dòng)態(tài)性能 可靠性 張力

0 引言

安川H1000變頻器是安川繼A系、F系、V系之后開發(fā)的又一款重載高性能矢量變頻器產(chǎn)品。與A1000相比，H1000擁有更高的效率和過負(fù)荷能力。相對(duì)G7、F7、V7而言，H1000在控制方式上的性能更高、適用范圍更廣、控制精度提升、機(jī)械性能更高，擁有種類更多且更大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。與以前及同類變頻器相比，H1000內(nèi)置多種學(xué)習(xí)方式，無論是驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)或是同步電機(jī)，都能充分發(fā)揮其驅(qū)動(dòng)性能。

H1000作為安川系列的新產(chǎn)品，具有更多的多段速選擇端子。豐富的多功能輸入端子和在多速度、多電機(jī)的控制領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)智能啟動(dòng)，并更加靈活地實(shí)現(xiàn)主從調(diào)速、控制轉(zhuǎn)換，在復(fù)雜工業(yè)過程參數(shù)優(yōu)化方法[1]、主從電機(jī)同步的應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

1 工程分析

雙履帶牽引在運(yùn)行時(shí)，幾乎不受放線盤動(dòng)平衡誤差的影響，把放線和收線的沖擊干擾因素排除在兩牽引之外。由于受到電機(jī)的轉(zhuǎn)差率、帶輪精度、帶厚精度等因素的影響，兩臺(tái)牽引輸出的線速度會(huì)存在差異。

當(dāng)前牽引線速度大于后牽引線速度時(shí)，線纜下?lián)纤煽澹⒅饾u累積，直至不能正常穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)后牽引線速度大于前牽引時(shí)，線纜就會(huì)出現(xiàn)張力，張力越大，線纜就會(huì)崩得越緊。在張力過大時(shí)，本來正常運(yùn)行的前牽引被后牽引通過線纜拽動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生失速超壓，甚至出現(xiàn)保護(hù)停機(jī)。

從控制方式上來看，前牽引釆用速度穩(wěn)定控制方式，為生產(chǎn)線提供了穩(wěn)定的線速度；后牽引釆用力矩控制方式，即限制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流，使后牽引電機(jī)運(yùn)行在弱勵(lì)磁狀態(tài)[2-3]。

當(dāng)外負(fù)載大于電機(jī)輸出力矩時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速因被堵轉(zhuǎn)而下降，電流增大，直至滿足電機(jī)設(shè)定電流為止。所以在生產(chǎn)操作時(shí)，通過設(shè)定不同的限制電流值，便可以產(chǎn)生不同的張力。

2 技術(shù)方案與實(shí)例

當(dāng)生產(chǎn)中只需要使用一個(gè)牽引時(shí)，應(yīng)以后牽引為主牽引。傳統(tǒng)的技術(shù)方案為：在電纜的生產(chǎn)中，電纜擠塑機(jī)的牽引主機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)主機(jī)正向運(yùn)行時(shí)，在后牽引電機(jī)的控制變頻器上設(shè)置一個(gè)超前的速度差，其值為5 Hz；在H1000的多功能輸入端口，以繼電器的動(dòng)斷觸點(diǎn)作為前、后牽引速度差切入與撤消的閘門；當(dāng)選擇倒車時(shí)，斷電器的動(dòng)斷觸點(diǎn)動(dòng)作斷開，前、后牽引的速度差被撤消[4]，從而實(shí)現(xiàn)前、后牽引的等速運(yùn)行。

傳統(tǒng)前后牽引同步控制流程圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)前后牽引同步控制流程圖

Fig.1 Flowchart of the traditional front and rear traction synchronous control

在規(guī)格一定的電纜生產(chǎn)運(yùn)行中，牽引完成了生產(chǎn)工藝的同步性要求，但仍存在著以下兩方面的主要缺陷。

①后牽引電機(jī)變頻器采用5 Hz的速度超前預(yù)置值，此控制方案下，運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)經(jīng)常發(fā)生過電流誤報(bào)警動(dòng)作。

在啟動(dòng)開關(guān)的開合過程中，由于外接電機(jī)、繼電器等感性負(fù)載，會(huì)給變頻器的電流檢測(cè)回路帶來沖擊性的浪涌電流[5-6]，檢測(cè)回路靈敏度因振蕩電流的沖擊下降，使變頻器產(chǎn)生過電流誤保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)縮短了回路中檢測(cè)電感的壽命。

對(duì)變頻器檢測(cè)回路建立了電路模型，并給出數(shù)值計(jì)算分析。電流檢測(cè)回路的電路模型如圖2所示。

圖2 電流檢測(cè)回路的電流模型

Fig.2 Current model of the circuit detection loop

由基爾霍夫電壓和電流定律得[7-8]：

(1)

(2)

式中：參數(shù)L=50 μH;C=2×10-3F;R=2×10-3Ω。

將這些參數(shù)代入式(1)、式(2)，并整理得：

特征方程為:

p2+40p+107=0

特征值為：

p1=-20+j 3 162.214

p2=-20-j 3 162.214

所以：

uC=Kue-20tsin(3 162.214t+θu)

(3)

iL=Kie-20tsin(3 162.214t+θi)

(4)

電容電壓初始條件為：

uC(0+)=uC(0-)=500 V

將初始條件代入式(3)，得:

Kusinθu=500×

[-20Kue-20tsin(3 162.214t+θu)+

3 162.214Kue-20tcos(3 162.214t+θu)]t=0=0

所以:

Kusinθu=500

Kucosθu=31.623

uc=500.99e-20tsin(3 162.214t+86.38°) V

(5)

電感電流的初始條件為：

iL(0+)=iL(0-)=0

將初始條件代入式(4)，得：

Kisinθi=0

[-20Kie-20tsin(3 162.214t+θi)+

93 162.214Kie-20tcos(3 162.214t+θi)]t=0

所以:

Kisinθi=0

-20Kisinθi+3 162.214Kicosθi=107

iL(t)=3 162.341e-20tsin(3 162.214t)A

(6)

由此可知，流過電感的電流是振蕩衰減的浪涌電流。

當(dāng)電容初始儲(chǔ)能釋放到零后，即電容電壓在過零變負(fù)時(shí)，電感中的電流iL可達(dá)到最大值。設(shè)對(duì)應(yīng)的時(shí)間和電流分別為tmax、tLmax，將uc(tmax)=0代入式(5)，則：

500.99e-20tmaxsin(3 162.214tmax+86.38°)=0

tmax=0.029 6 s

將tmax=0.029 6 s代入式(6)，可得:

iLmax=3 162.314 e-20×0.029 6sin(3 162.214× 0.029 6)=1 745.999 A

以下進(jìn)一步利用OrCAD中的PSpiceA/D仿真組件進(jìn)行電感電流波形的仿真，仿真的電流波形如圖3所示。

由圖3可知，使用傳統(tǒng)技術(shù)方案，變頻器檢測(cè)回路的檢測(cè)電感的靈敏度會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而下降，到后期會(huì)經(jīng)常發(fā)生過電流誤報(bào)警動(dòng)作。

②電纜在降速生產(chǎn)時(shí)電纜中的張力會(huì)劇烈地上升，在由大線轉(zhuǎn)成小線或進(jìn)行雙牽引倒線時(shí)，都需降低牽引速度。而降低牽引速度會(huì)引起電纜中張力的陡升，很容易拉斷電纜線。要找出產(chǎn)生缺陷的原因，就需要仔細(xì)分析預(yù)置固定速度差與電纜中張力變化規(guī)律之間的關(guān)系。

圖3 電感電流波形圖

Fig.3 Waveform of inductive current

由上面三個(gè)狀態(tài)可發(fā)現(xiàn)，在5 Hz的預(yù)置固定速度差的控制下，當(dāng)牽引速度降低時(shí)，電纜中張力會(huì)劇烈地上升。由此解釋了在此種控制方式下，電纜時(shí)常拉斷的原因：在由大線轉(zhuǎn)成小線或進(jìn)行雙牽引倒線時(shí)，都需降低牽引速度，而降低牽引速度會(huì)引起電纜中張力的陡升，很容易拉斷線。

技術(shù)方案力求在現(xiàn)有設(shè)備、原料和工藝流程不變的情況下，通過對(duì)過程操作參數(shù)的優(yōu)化，提高產(chǎn)品的合格率、降低過程的資源消耗[9]。

通過對(duì)安川變頻器的多功能輸入/輸出端子和高級(jí)設(shè)定代碼的進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)，安川的某些多功能輸入端子通過對(duì)應(yīng)的通道口設(shè)定，可與對(duì)應(yīng)的模擬量輸入端子相關(guān)聯(lián)。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，H1000首選的模擬量輸入口為A1口，在反轉(zhuǎn)時(shí)可通過接通相應(yīng)的多功能輸入端，使電壓模擬量從輸入口A1切換到對(duì)應(yīng)的模擬量輸入口。

以本公司的精鐵120雙履帶牽引電纜擠塑機(jī)為例，方法如下：正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，使前牽引跟隨后牽引，控制前后牽引的上限最大頻率相對(duì)值，并以6%(由試驗(yàn)獲得)的穩(wěn)定速度差實(shí)現(xiàn)零頻率平滑起動(dòng)；將后牽引變頻器的多功能端子S2通過通道口設(shè)定為牽引反轉(zhuǎn)輸入信號(hào)，并將此功能端子與多功能輸入端子S5短接；將S5端子設(shè)定為多段速指令功能，并將模擬量端子A1與A2短接。反轉(zhuǎn)時(shí)，S5接通，則變頻器模擬量輸入從A1口切換至A2口。在兩牽引反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)A2口的增益，觀察兩變頻器的運(yùn)行頻率，通過調(diào)節(jié)與觀察直至兩變頻器的輸出頻率相等(該精鐵120擠塑機(jī)的增益調(diào)為94.7%)，即使得反轉(zhuǎn)時(shí)兩牽引由不等速切換至等速，實(shí)現(xiàn)倒車時(shí)前、后牽引的等速運(yùn)行。

當(dāng)加速運(yùn)行時(shí)，后牽引的加速時(shí)間應(yīng)小于前牽引的加速時(shí)間； 當(dāng)減速運(yùn)行時(shí)，后牽引的減速時(shí)間應(yīng)大于前牽引的減速時(shí)間。改進(jìn)后前后牽引同步控制設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后前后牽引同步控制流程圖

Dig.4 Flowchart of the improved front and rear traction synchronous control

3 改進(jìn)前后的效果對(duì)比

在實(shí)際生產(chǎn)中，分別觀察和記錄了改進(jìn)前后同步控制下速度、頻率的值，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的頻率變化率，得到表1、表2。從改造前后運(yùn)行參數(shù)表中提取速度和張力大小百分比(頻率變化率)，可得到頻率變化率與生產(chǎn)速度關(guān)系如圖5所示。

表1 傳統(tǒng)方案同步控制中的運(yùn)行參數(shù)Tab.1 The operating parameters of traditional synchronous control

表2 改進(jìn)后同步控制中的運(yùn)行參數(shù)Tab.2 The operating parameters of the improved synchronous control scheme

圖5 頻率變化率與生產(chǎn)速度關(guān)系圖

Fig.5 Relationship between variable rate of frequency and the production speed從圖5可分析出因生產(chǎn)速度降低而在兩牽引間的電纜上產(chǎn)生的張力變化結(jié)果：傳統(tǒng)同步控制中，電纜中的張力隨著生產(chǎn)速度的降低呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，這種陡升的張力極易拉斷電纜；采用速度差跟隨同步控制，電纜中張力隨著生產(chǎn)速度的降低穩(wěn)定在6%附近，以穩(wěn)定的速度變化率，使前牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨后牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速，確保張力可控可調(diào)，不受速度的變化而變化，消除了降速時(shí)給電纜帶來的破壞性張力。

4 結(jié)束語

針對(duì)雙牽引電機(jī)的同步運(yùn)行出現(xiàn)的問題，結(jié)合變頻器H1000,提出了新的相對(duì)值跟隨控制的方案。分析與實(shí)測(cè)表明，該方法增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)定性與可靠性，滿足了企業(yè)關(guān)于控制設(shè)備成本、提升了設(shè)備生產(chǎn)效率的精細(xì)化管理要求。

[1] 伍鐵斌,龍文,朱紅求.復(fù)雜工業(yè)過程操作參數(shù)優(yōu)化研究進(jìn)展[J].自動(dòng)化儀表,2016,37(3):1-4.

[2] 牛維揚(yáng),李祖明.電機(jī)學(xué)[M].2版.北京:中國(guó)電力出版社,2005:158-161.

[3] 李發(fā)海,王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].4版.北京:清華大學(xué)出版社,2012:308-330.

[4] 周志敏,紀(jì)愛華.電動(dòng)機(jī)變頻節(jié)電380問[M].北京:中國(guó)電力出版社,2011:20-40.

[5] 李先允,姜寧秋.電力電子技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006:56-63.

[6] 陳洪亮,張峰,田社平.電路基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2007:286-300.

[7] 江輯光,劉秀成.電路原理[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2007:128-137.

[8] 譚陽紅.基于OrCAD16.3的電子電路分析與設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2011:5-80.

[9] 王劃一,楊西俠,林家恒,等.自動(dòng)控制原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009:5-13.

Research on the Technical Scheme Based on Anchuan H1000 Inverter for Synchronous Control of Double Motors

To solve the problems that appear in traditional synchronous control system for double traction motors, the method of following up control with frequency relative value is put forward. Through setting the gains of the forward and reverse running of the inverter for front and rear traction; and applying instructions to specify the switching port, to make the front traction motor follows the rear traction motor. The new following up control method is compared with traditional control method, the new method overcomes the deficiencies of unsmooth switching process and the mutation of the tension of the cable between two traction motors; good dynamic performance is shown at high, medium and low speed status. This method improves the quality of products, enhances the flexibility of system, and improves the production efficiency of the equipment; it has the reference and the promotion significance.

Inverter Double motors Traction Synchronous control Dynamic performance Reliability Tension

TH-3;TP275

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612022

修改稿收到日期：2016-05-13。

作者周永亮(1987—)，男，2010年畢業(yè)于南京工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，助理工程師; 主要從事電氣設(shè)計(jì)方向的研究。