变频器的工程应用实例.ppt

变频器的工程应用 刘美俊 西门子公司标准通用型变频器主要包括 MM4、 MM3系列变频器和电动机变频器一体 化装置三大类。其中， MM4系列变频器包括 MM440矢量型通用变频器、 MM430节能型通 用变频器、 MM420基本型通用变频器和 MM410紧凑型通用变频器四个系列，这也是 目前应用较为广泛的变频器。下面重点介绍 MM440变频器的操作方法及应用注意事项。 MM440变频器的电气安装 在变频器与电动机和电源线连接时必须注意 以下几点： 1）变频器必须接地。 2）在变频器与电源线连接或更换变频器的电 源线之前，应完成电源线的绝缘测试。 3）确信电动机与电源电压的匹配是正确的。 4）不允许把 MM440变频器连接到电压更高 的电源上。 MM440的开关量运行 MM440变频器有 6个数字输入端口，用户可根据需 要设置每个端口的功能。从 P0701 P0706为数字输入 1功能至数字输入 6功能，每一个数字输入功能设置参 数值范围均从 0 99，工厂默认值为 1，下面列出其中 几个参数值，并说明其含义。 （ 1）参数值为 1： ON接通正转， OFFl停车。 （ 2）参数值为 2： ON接通反转， OFFl停车。 （ 3）参数值为 3： OFF2（停车命令 2），按惯性自 由停车。 （ 4）参数值为 4： OFF3（停车命令 3），按斜坡函 数曲线快速降速 （ 5）参数值为 9：故障确认。 （ 6）参数值为 10：正向点动。 （ 7）参数值为 11：反向点动。 （ 8）参数值为 17：固定频率设定值。 （ 9）参数值为 25：直流注入制动。 MM440变频器数字输入控制端口开关量运行接线如图所示。 在图中 SBl SB4为带自锁按钮，分别控制数字输入 5 8端口。 端口 5设置为正转控制，其功能由 P0701的参数值设置。端口 6设为反转控制，其功能由 P0702的参数值设置。端口 7设为 正向点动控制，其功能由 P0703的参数值设置。端口 8设为反 向点动控制，其功能由 P0704的参数值设置。频率和时间各 参数在变频器的前操作面板上直接设置。 系统操作步骤如下： （ 1）连接好电路，检查线路正确后合上变频 器电源空气开关 Q。 （ 2）恢复变频器工厂默认值。按下 P键，变 频器开始复位到工厂默认值。 （ 3）设置电动机参数，然后设 P0010 0， 变频器当前处于准备状态，可正常运行。 （ 4）设置数字输入控制端口开关操作运行参 数， 1）电动机正向运行 。当按下按钮 SB1时，变频器数字输入端 口 5为“ ON”，电动机按 P1120所设置的 5s斜坡上升时间正向起 动，经 5s后稳定运行在 560r/min的转速上。此转速与 Pl040所设 置的 20Hz频率对应。松开按钮 SB1，数字输入端口 5为“ OFF”， 电动机按 P1121所设置的 5s斜坡下降时间停车，经 5s后电动机停 止运行。 2）电动机反向运行 。如果要使电动机反转，则按下按钮 SB2， 变频器数字输入端口“ 6”为“ ON”，电动机按 P1120所设置的 5s 斜坡上升时间反向起动，经 5s后反向运行在 560r/min的转速上。 此转速与 P1040所设置的 20Hz频率对应。松开带锁按钮 SB2， 数字输入端口 6为“ OFF”，电动机按 P1121所设置的 5s斜坡下降 时间停车，经 5s后电动机停止运行。 3）电动机正向点动运行 。当按下正向点动按钮 SB3时，变 频器数字输入端口 7为“ ON”，电动机按 P1060所设置的 5s点 动斜坡上升时间正向点动运行，经 5s后正向稳定运行在 280r/min的转速上。此转速与 P1058所设置的 10Hz频率对应。 当松开按钮 SB3时，数字输入端口 7为“ OFF”，电动机按 P1061所设置的 5s点动斜坡下降时间停车。 4）电动机反向点动运行 。当按下反向点动按钮 SB4时，变 频器数字输入端口 8为“ ON”，电动机按 P1060所设置的 5s点 动斜坡上升时间反向点动运行，经 5s后反向稳定运行在 280r/min的转速上，此转速与 P1058所设置的 10Hz频率对应。 当松开按钮 SB4时，数字输入端口 8为“ OFF”，电动机按 P1061所设置的 5s点动斜坡下降时间停车。 MM440模拟量运行 MM440变频器可以通过 6个数字输入端口对电动机进 行正反转运行、正反转点动运行方向控制，可通过基 本操作板 BOP或高级操作板 AOP来设置正反向转速的 大小；也可以由数字输入端口控制电动机的正反转方 向，由模拟输入端控制电动机转速的大小。 MM440变 频器为用户提供了两对模拟输入端口，即端口 3、 4和 端口 10、 11，如下图所示。 模拟信号操作时的接线 图中，通过设置 P0701的参数值，使数字输入 5端 口具有正转控制功能；通过设置 P0702的参数值， 使数字输入 6端口具有反转控制功能；模拟输入 3、 4端口外接电位器，通过 3端口输入大小可调的模拟 电压信号，控制电动机转速的大小，即由数字输入 端控制电动机转速的方向，由模拟输入端控制转速 的大小。 由图可知， MM440变频器的 1、 2输出端为转速调 节电位器 RP1提供 10V直流稳压电源。为了确保 交流调速系统的控制精度， MM440变频器通过 1、 2输出端为用户的给定单元提供了一个高精度的直 流稳压电源 操作步骤 （ 1）连接电路，检查接线正确后合上变频器电 源空气开关 Q。 （ 2）恢复变频器工厂默认值。按下 P键，变频 器开始复位到工厂默认值。 （ 3）设置电动机参数。设 P0010 0，变频器当 前处于准备状态，可正常运行。 （ 4）设置模拟信号操作控制参数。 1） 电动机正转 ：按下电动机正转按钮 SB1，数字输入端口 5 为“ ON”，电动机正转运行，转速由外接电位器 RP1来控制， 模拟电压信号从 0V 10V变化，对应变频器的频率从 0 50Hz变化，通过调节电位器 RP1改变 MM440变频器 3端口模拟 输入电压信号的大小，可平滑无级地调节电动机转速的大小。 当松开按钮 SB1时，电动机停止。通过 P1120和 P1121参数， 可设置斜坡上升时间和斜坡下降时间。 2） 电动机反转 ：当按下电动机反转按扭 SB2时，数字输入端 口 6为“ ON”，电动机反转运行，与电动机正转相同，反转转速 的大小仍由外接电位器 RP1来调节。当放开按钮 SB2时，电动 机停止。 例 1西门子 MM440变频器的 AOP面板仅能存储一 组参数。 处理方法：变频器选型手册中介绍 AOP面板中能存储 10组参数，但在用 AOP面板做第二台变频器参数的备份 时，显示“存储容量不足”。其解决办法如下： （ 1）在菜单中选择“语言”项。 （ 2）在“语言”项中选择一种不使用的语言。 （ 3）按 Fn A键选择删除，经提示后，按 P键确认。 这样， AOP面板就可以存储 10组参数。造成这种现象 的原因可能是设计时 AOP面板中的内存不够。 MM440的维护实例 例 2 MM440变频器调试过程中发现只有参数 P003和 P004 能被修改，其余参数都是只读，不能修改。 处理方法：这是由于用户在调试过程中修改了参数 P927（该 参数用于定义修改参数的接口）造成的。 其定义如下： Bit00： PROFIBUS/CB Bit01： BOP Bit02： BOP链路的 USS Bit03： COM链路的 USS 某位为“ 1”时，表示该位有效。 Bit01为“ 1”表示用户可通过 BOP修改参数。 变频器显示面板 7段显示结构图如图所示。 变频器显示面板 7段显示结构图 例 3怎样实现用编码器作为速度给定？ 处理方法：编码器装在与纱锭相连的测速轴上，作 为变频器 MM440的速度给定，如图所示。 用编码器作为速度给定，需要做以下参数设置： （ 1） P1300不能为 21或 23，即不能为闭环速度或 闭环转矩控制。 （ 2） P0400设为 1或 2，激活编码器对速度进行检 测，如表所示。 （ 3） P1070设定为 63。 编码器的连接 MM440变频器在料车卷扬调速系统中的应用 料车机械传动系统示意图 1交流电动机的选用 炼铁高炉主卷扬机变频调速拖动系统在选择交流异步 电动机时，需要考虑以下问题：应注意低频时有效转 矩必须满足的要求；电动机必须有足够大的起动转矩 来确保重载起动。针对本系统 100m3的高炉，选用 Y280S-8的三相交流感应电动机，其额定功率为 37kW， 额定电流为 78.2A，额定电压为 380V，额定转速为 740r/min，效率为 91%，功率因数为 0.79。 本系统选用西门子 MM440，额定功率 55kW，额定电流 110A的变频器。该变频器采用高性能的矢量控制技术， 具有超强的过载能力，能提供持续 3s的 200%过载能力， 同时提供低速高转矩输出和良好的动态特性。 （ 2）制动单元。 从上料卷扬运行速度曲线可以看出，料车在减速或定位 停车时，应选择相应的制动单元及制动电阻，使变频器直 流回路的泵升电压 UD保持在允许范围内。 可编程序控制器选用西门子 S7-300，这种型号的 PLC具 有通用性应用、高性能、模块化设计的性能特征，具备 紧凑设计模块。由于使用了 MMC存储数据和程序，系统 免维护。电源模块为 PS-307 2A，插入 1号槽。 CPU为 CPU315-2DP（保留 PROFIBUS-DP接口，为今后组成 网络作准备），型号 6ES7 315-1AF03-0AB0，插入 2号 槽。数字输入模块选 SM321 DI16 DC24V，型号 6ES7 321-1BH02-0AA0两块，一块插入 4号槽内，地址范围为 I0.0 I0.7及 I1.0 I1.7；另一块插入 5号槽内，地址范围 为 I4.0 I4.7及 I5.0 I5.7。数字输出模块选 SM322 DO16 DC24V/0.5A， 6ES7 322-1BH01-0AA0型一块， 插入 6号槽内，地址范围为 Q8.0 Q8.7及 Q9.0 Q9.7。 MM440参数设置表 参 数 号 设 置 值 说 明 P0100 0 功率以 kW表示，频率为 50Hz P0300 1 电动机类型选择（异步电动机） P0304 380 电动机额定电压（ V） P0305 78.2 电动机额定电流（ A） P0307 37 电动机额定功率（ kW） P0309 91 电动机额定效率（ %） P0310 50 电动机额定频率（ Hz） P0311 740 电动机额定转速（ r/min） P0700 2 命令源选择“由端子排输入” P0701 1 ON接通正转， OFF停止 P0702 2 ON接通反转， OFF停止 P0703 17 选择固定频率（ Hz） 参 数 号 设 置 值 说 明 P0704 17 选择固定频率（ Hz） P0705 17 选择固定频率（ Hz） P0731 52.3 变频器故障 P1000 3 选择固定频率设定值 P1001 50 设置固定频率 f1 50Hz P1002 20 设置固定频率 f2 20Hz P1004 6 设置固定频率 f3 6Hz P1080 0 电动机运行的最低频率（ Hz） P1082 50 电动机运行的最高频率（ Hz） P1120 3 斜坡上升时间（ s） P1121 3 斜坡下降时间（ s） P1300 20 变频器为无速度反馈的矢量控制 MM440 运 行 频 率 表 固 定 频 率 Q8.5对应 16端口 Q8.4对应 8端口 Q8.3对应 7端口 MM440 频率参 数 MM440频 率（ Hz） 高 f1 0 0 1 P1001 50 中 f2 0 1 0 P1002 20 低 f3 1 0 0 P1004 6 MM440在离心机调速系统中的应用 其工艺步骤分为三步： （ 1）慢速阶段 2 3min，使混凝土分布钢模内壁四周而 不塌落。 （ 2）中速阶段 0.5 1min，防止离心过程混凝土结构受到 破坏，这是从低速到高速的一个短时过渡阶段； （ 3）高速阶段 6 15min，将混凝土沿离心力方向挤向内 模壁四周，达到均匀密实成型，并排除多余水分。各阶段 的运行速度和运行时间视不同规格和型号的电杆而有所不 同，其运行速度图如图所示 根据第 3章变频器容量的选择方法进行计算，可选用 37kW，额定电流 75A的变频器。考虑到改进设计方案的 可行性、调速系统稳定性及性价比，采用西门子 MM440， 37kW，额定电流为 75A的通用变频器。该变频器采用高 性能矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态 特性，同时具备超强的过载能力，可以控制电机从静止 到平滑起动期间提供 3s， 200%的过载能力。 变频器的各项参数设置 参数号 参数值 说 明 P0100 0 欧洲 /北美设定选择 P0300 1 电机类型选择（异步电机） P0304 380 电机额定电压 P0305 69.9 电机额定电流 P0307 37 电机额定功率 P0308 0.87 电机额定功率因数 P0309 0.925 电机额定效率 P0310 50 电机额定频率 P0311 1480 电机额定转速 P0700 2 变频器通过数字量控制 P1000 23 变频器频率设定值来源于固定频率和模拟量叠加 P1080 0 电机运行的最小频率 P1082 45 电机运行的最大频率 P1120 5 斜坡上升时间 P1121 20 斜坡下降时间 P1060 5 点动斜坡上升时间 P1061 5 点动斜坡下降时间 P1300 20 变频器的运行方式为无速度反馈的矢量控制 P0701 16 Din1选择固定频率 1运行 参数号 参数值 说 明 P0702 16 Din2选择固定频率 2运行 P0703 16 Din3选择固定频率 3运行 P0705 1 Din5控制变频器的启 /停 P0706 10 Din6正向点动 P1001 20 固定频率 1， 20Hz P1002 30 固定频率 2， 30Hz P1003 40 固定频率 3， 40Hz P1058 10 正向点动频率， 10Hz P0731 52.3 变频器故障指示 P3900 3 快速调试 基于变频器与 PLC的恒压供水控制系统设计 将通往用户的用水水管中的压力变化经压力传感器采集给 变频器，再通过变频器与变频器中的设定值进行比较，根 据变频器内置的 PID功能进行数据处理，将数据处理的结 果以运行频率的形式进行输出。 当供水的压力低于设定压力，变频器就会将运行频率升高， 反之则降低，并且可以根据压力变化的快慢进行差分调节。 由于本系统采取了负反馈，当压力在上升到接近设定值时， 反馈值接近设定值，偏差减小， PID运算会自动减小执行 量，从而降低变频器输出频率的波动，进而稳定压力。 供水系统方案 系统主电路图 PLC接线图 FR-A540变频器参数设定表 参数号 设定值 设定范围 注 解 Pr.128 20 10.11.20.21 PID控制为 4端输入，起负作用 Pr.129 100 0.1 1000 PID比例常数设定为 100% Pr.130 0.5 0 3600s PID积分常数设定为 0.5s Pr.134 0.5 0.01 10s PID积分常数设定为 0.5s Pr.183 14 0 99.9999 RT端子功能设定为“ PID控制有效端” Pr.193 4 0199.9999 OL端子功能设置为“ Pr.50的频率检测（上限频率）” Pr.194 5 0199.9999 FU端子功能设置为“ Pr.42的频率检测（下限频率）” Pr.42 10 0 400Hz 下限标志频率为 10Hz Pr.50 49 0 400Hz 上限标志频率为 49Hz PLC程序流程 变频器在行车上的应用 行车和龙门吊车是目前工厂使用最多的起重设备，在行 车的使用过程中，经常出现驱动大车行走的 2台电动机在运 行中不同步，造成行车整个车体相对于轨道出现偏移，使 行车在行走中轮子挤压轨道，发出噪声，车体出现抖动， 严重时使轨道移位。为此，需要定时对行车轨道进行调整 和校正，以保证行车的安全运行。 行车大车在行走过程中出现车体偏转，其原因是大车左 右两边的轮子运行速度不一致，而两边轮子的速度分别取 决于各自的驱动电机速度和传动机构速比。由于制作工艺 的限制，很难使两边速度完全一致。为此要消除车体偏移， 较好的办法是在运行过程中及时调整电动机的速度来矫正 偏转，使两边轮子运行速度保持一致。 矫正行车偏转的方法有几种：行车两大车电机中，一台 采用交流绕线电动机来调速，另一台可采用直流电动机或 转子滑差电动机来调速，或者仍采用绕线电动机，但通过 串级调速来实现行车两边轮子的同步。在上述方法中，采 用直流电动机调速，系统需增设一台整流调压装置，且直 流电动机存在换向火花等问题，不宜采用；采用转子滑差 电动机调速，控制简单，但电机本身体积较大，行车上的 安装位置不够；采用串级调速时，系统需增设逆变变压器 和整流逆变装置，控制较复杂。在上述三种调速方法中， 还需用可编程控制器 (PLC)来实现继电器线路与调速装置 部分的逻辑连锁控制，整个系统线路复杂，投资费用高。 采用变频器来矫正行车电动机不同步，只需对原控制线路 稍作改动，投资费用低，安装、维修方便，且系统的可靠 性非常高。 行车构成示意图 行车两大车电动机仍采用原来的绕线式异步电动机， 其中电机 M2原控制方法不变，电机 M1在原控制线路的基 础上增设 1台变频器，实现对该电机的变频调速，来调整 行车的运行偏转。为测量行车运行过程中的偏转，分别在 行车车身左右两端靠近轨道处装设两个接近开关。在行车 前进过程中，如果右边轮子运行速度较慢，则车身偏转， 接近开关 KA1发出信号，说明此时电机 M1需提速；反之， 在前进过程中，当右边轮子运行速度较快时，车身偏移， 使接近开关 KA2发出信号，说明此时电机 M1需减速。 为实现上述功能，选用 ABB公司生产的 200V系列变频器， 型号为 ACS143-4K1-1， 变频器矫正行车电机不同步接线图 KM1、 KM2分别为大车前进、后退控制用接触器，其常开 触点用来控制变频器的起停和正反转， KA2、 KA1为左、 右端接近开关，变频器 D13、 D14接线端用于连接变频器 的速度给定信号，由接近开关控制。给定速度设置如表所 示。 当 KA1、 KA2都无信号输出时，说明行车运行正常，变频 器保持输出频率 50Hz不变。在行车前进过程中 (KM1为 ON)，当 KA1闭合时， D13=1、 D14=0，说明电机 M1速度 过慢，此时变频器输出频率增至 55Hz，电机 M1提速；反 之，当 KA2闭合时， D13=0、 D14=1，变频率输出频率为 45Hz，电机 M1减速。当 KA1、 KA2同时闭合时， D13=1、 D14=1，说明系统出现故障，变频器报警。当行车后退时， KA1、 KA2的闭合与 M1的增减速对应关系与前进时的对应 关系相反 D13 D14 输出 0 0 正常 50Hz 0 1 减速 45Hz 1 0 加速 55Hz 1 1 故障报警 在本控制线路中，通过变频器 D18、 D19运行 端控制中间继电器 KA5，实现与另一大车电动机 运行的连锁，防止出现一台电动机运行、另一台 电动机停止而造成大的故障。 依照本方法对大吨位行车的控制系统进行改进， 行车在运行过程中能根据位置检测信号，实现对 大车一台电机的实时变频调速，可以有效地克服 行车运行中的不同步现象。 实验证明，这种改造方法效果良好，可靠性高， 成本低，有较大推广价值。 线材卷绕机的变频调速 某钢铁公司连续线材轧制线由荒轧、飞剪、一中 间轧、二中间轧、精轧及卷线机等机组组成。其 中精轧部分分四条线，每条线有两台卷线机，轮 流将线材卷成盘卷。线材轧机的平面布置如图 1所 示。轧制原材料为 60mm 60mm、长 12m、单重 330kg的钢坯，产品为 6.5mm的线材。轧制线 上原来的主传动系统都是直流调速系统。精轧机 组出口的最高轧制速度为 29.8m/s。卷线机的作用 是把精轧机出来的成品线材卷成盘卷送出。卷线 机为钟罩式，其传动系统如图 2所示 线材轧机的平面布置图 卷线机的传动系统示意图 卷线机将精轧机组出来的线材，通过转动的钟罩，成 圈地按松卷方向放到滑板上卷成盘，再由推卷装置推 到运输机上。盘卷内径约 850mm，外径约 1150mm； 盘卷大小与卷线机转速有关。当精轧转速一定时，卷 绕机转速高，则盘卷直径小，反之则大。为保证盘卷 外观整齐和减少精轧与卷线机之间堆积钢材，要求卷 线机的转速能良好地跟随精轧机的转速变化。 卷线机的原拖动系统是由电子管，磁放大器，水银整 流器变流装置组成的直流调速系统，控制线路十分复 杂，同时，由于卷线机所处的环境温度高、振动大， 故系统故障率高，维修频繁。采用交流异步电动机变 频调速系统代替直流拖动系统，对原有系统进行技术 改造后，基本上解决了上述问题。 变频调速系统的器件选型 1 主电动机 选择主电动机容量，主要考虑以下因素： (1)原直流电动机由于长期工作在基速以上 (弱磁状态 )，所 采用的“调磁调速电动机”为了增加转矩，加大了电枢的 直径与长度，其尺寸比同容量的普通电动机大得多； (2)电动机安装的周围环境温度高，且无法外加通风冷却装 置； (3)交流电动机在基准频率以下工作时，其本身的散热功能 变差； (4)交流电动机的短时过载能力不如直流电动机； (5)卷线机调速范围大，对过载能力要求较高。 基于以上考虑，技改时将交流电动机容量加大为原直流电 动机的 2倍左右 考虑到变频器的性能价格比，采用日本富士公司 生产的 G9S系列变频器 ,根据系统的控制要求，设 计出系统的基本线路如图所示 变频器调速系统的主要特点有： (1)采用一台变频器控制一台电动机的工作方式， 即“一拖一”； (2)不需速度反馈装置； (3)保留原控制系统的操作方式、速度给定方式和 信号显示方式； (4)省去原控制系统的整流变压器，保留原系统的 直流平波电抗器作为变频器的直流电抗器，用来 改善功率因数； (5)不需外加制动单元。 变频器的参数预置及调试 1 最高频率、基本频率与上限频率的预置 卷线机的额定转速为 1500r/min，超速保护转速为 1650r/min。故基本频率预置为 50Hz，最高频率预置为 60Hz，上限频率预置为 55Hz。 2 频率增益的预置 为保证卷线机的转速准确跟随精轧机的转速，两者的给定 信号实际为同一信号。原直流调速系统的速度给定信号按 每伏 200r/min设计， 7.5V对应 1500r/min，给定信号为 0 8.5V。变频器的给定信号为 0 10V， 10V时对应 60Hz。当 给定信号为 7.5V时，对应的给定频率为 45Hz，对应的同步 转速为 1350r/min，达不到原系统的调速范围。故将频率增 益预置为 125%。 3 升速时间的预置 精轧直流调速系统起动时，转速从 0上升到 1500r/min的给定积分时间为 10s。原卷绕机直流 调速系统的给定积分时间为 8s。改为变频调速后， 经动态测试，升速时间预置为 5s为宜。 4 降速时间的预置 由于卷线机转动惯量大，如减速时间小于 20s，会 引起过电压跳闸。经多次调试，将降速时间预置 为 30s，不但满足了生产工艺的要求，同时不需选 用制动器件。 5 拖动转矩、制动转矩极限值的预置 通过多次调试，把拖动转矩限值预置为 150%、制动转矩限值预置为 30%较为合适。 6 转差补偿的预置 为提高系统的调速精度，本系统适当加入 了转差补偿。在调试过程中，转差补偿大 于 1Hz时，容易产生过电压跳闸。实际预置 为 0.8Hz，完全可以满足调速精度的要求。 7 输出频率信号的预置 由于卷线机并无速度反馈装置，为了使操作台有一个电动 机转速的指示，在操作台上设置了一块转速表。此转速表 实际上是 0 10V的直流电压表，接在变频器的输出信号端 “ FMA”与“ 11”之间。当变频器输出最高频率时， FMA端 输出 +10V。表上的刻度是和变频器控制的电动机的同步转 速成正比的。调试中，为使操作台转速表的显示值和变频 器显示的转速一致，将 FMA端输出的直流电压调整比预置 为 125%。 卷线机变频调速系统经调试投入运行后，系统性能稳定， 且完全能满足工艺控制要求，稳定性优于原来的直流调速 系统，基本上做到了无故障运行，维护工作大为减少。 变频器在铣床中的应用 某厂用于机械零件加工的龙门铣床调速系 统，原来采用三相半控桥不可逆直流拖动， 分工作台、左主轴和右主轴三个进给方向。 其电气控制系统由于运行时间太长，直流 调速插板已严重老化，同时，由于插板之 间原来的连接线较多，由导线虚接造成的 故障日渐增大，维修工作量不断加大，龙 门铣床的调速系统急待技术改造。 变频器的控制方式 龙门铣床技术改造的对象是进给机构，其工作台进给和左、 右主轴进给均属于恒转矩负载。原来的直流调速系统的调 速范围 D=50，改造后的变频系统要达到 50 1的调速比， 必须选用带有矢量控制功能的高性能通用变频器。 矢量控制变频器组成交流调速系统可以有两种方案，一是 使用速度传感器，检测出电机转速，再反馈给变频器；一 是使用无速度传感器的矢量控制变频器，其调速范围可达 到 100 1。无速度传感器矢量控制是通过转矩电流的变化 量的积分运算来推算电机的转速，有一定的推算误差。如 果要求进一步提高调速范围和精度，就必须选用带速度传 感器的矢量控制变频器。目前，市场上出售的带速度传感 器的矢量控制变频器，调速范围可达 1000 1 考虑到普通笼型电机安装速度传感器，不但增加 工艺难度，而且加大了技术成本，而无速度传感 器矢量控制变频器的主要技术指标。已基本能满 足技改的设计要求，所以初步决定选用日本春日 KVFZ4110型无速度传感器矢量控制变频器。该 型号变频器的几项主要技术指标如下： (1)调速范围。无速度传感器矢量控制调速范围为 100 1。 (2)起动转矩。 1Hz时 150%额定转矩； (3)频率精度。频率精度为最高频率的 0.1%。 变频器的容量计算及参数设定 1 变频器容量计算 在变频器容量计算前，要确定拖动负载的电机容量。由于 有原直流电机作参考依据，所以不必进行详细的转矩换算， 只需选择与原直流电机容量相对应的笼型电机容量。由于 工作台拖动电机容量均大于左、右主轴进给电机容量，所 以变频器容量的计算以工作台的电机为主要依据。 原工作台直流电机参数为： PN=10kW， nN=1000r/min。通 过查电机手册，与原直流电机数据对应的笼型电机数据为： 电机型号 Y160L- 6，额定功率 PN=11kW，转速 nN=970r/min，额定电流 IN=24.6A。 根据前面的分析，变频器连续运行时，其额定输出电流 IINV 应大于或等于电动机实际最大电流的 1.1倍。根据原来测试 的数据换算，工作台进给的最大负载转矩为 81Nm，换算 到 Y160L-6电机上的最大负载电流 Imax19A，这样，变频 器的额定输出电流应大于或等于 1.1 19=20.9A。查春日变 频器手册，选择 KVFZ4110型，其额定电流为 24A，能满足 上述要求。 此外，由于 KVFZ4110型变频器不带标准制动电阻，所以 还需要根据实际情况进行计算，选用合适的阻值和容量。 查春日变频器设计手册，制动电阻选 100%制动转矩时的标 准配置 62， 4kW。 常规设计的自冷式异步电动机，在额定工况及规定 的环境湿度范围内，是不会超过额定温升的，但在 变频调速系统中，情况有所不同。自冷式异步电动 机在 20Hz以下频率运行时，转子风叶的散热能力 变差，如果再在恒转矩负载条件下长期运行，势必 造成电机温升增加，使调速系统的特性变坏。所以， 当自冷式异步电动机在低频运行并拖动恒转矩负载 时，必须采取强制冷却措施，改善电机的散热能力。 变频器的功能参数设定 变频器在出厂时，所有的功能码一般都已设定为出 厂设定值。但是，龙门铣床调速系统有些功能要求， 与变频器的出厂设定不尽相同，这些功能参数需重 新设定，具体如下。 (1)控制模式选择 (功能码 F01)：设定为矢量控制方 式； (2)电机额定电压 (功能码 F03)： 380V； (3)电机额定电流 (功能码 F04)： 24.6A； (4)电机额定频率 (功能码 F05)： 50Hz； (5)电机额定转速 (功能码 F06)： 970r/min； (6)最高频率 (功能码 F08)： 50Hz；由于机床的进给机构属恒 转矩负载，所以电机只能在额定频率以下的恒转矩控制区使 用； (7)失速电平设置 (功能码 F46)： 150%；在矢量控制方式下， 该参数设置表示变频器输出最大电流的限幅值，为了获得大 的输出转矩，应将该参数设为较大值。 (8)过负荷报警水平 (功能码 F71)： 110%； (9)过负荷报警延迟时间 (功能码 F70)： 3s； (10)电源投入再启动 (功能码 F75)： OFF； (11)自动调谐 (功能码 F07)：在上述参数设定后，将 F07设定 为 RUN，等待约 5秒钟，变频器会自动测定电机内部参数， 以完成矢量运算与控制。如果自动测试中发生异常报警，须 参阅春日变频器产品说明书。 (12)加减速时间的设定：加减速时间可用第三章介绍的加减 速时间计算公式计算求得；若计算时有实际困难，也可采用 以下方法：先将加减速时间都设定为较大值，待变频器试运 行后，关掉失速电平功能，再逐步减小设定值，以使变频器 不发生报警的最后的值为最佳设定值。加减速时间设定完后， 失速电平功能恢复为 ON状态。 变频器的连接 技改设计中， PLC选用日本立石株式会社的 模块式 C200H产品，该型号 PLC的 CPU单 元为 CPU01-E，存储器选 4k容量 EEPROM， 型号为 ME431，两个输入单元均为 16点的 ID212，三个输出单元分别为 12点的 OC222， 8点的 OC221，独立接点 8点的 OC224。变 频器的接线原理图如图 由图可知，龙门铣床的工作台进给、左主轴进给 和右主轴进给，是通过控制变频器输出侧的接触 器来实现的。如果在变频器正常输出时切换输出 侧的接触器，将会在接触器触点断开的瞬间产生 很高的过电压，这样很容易损坏变频器中的逆变 器件。因此，切换变频器输出侧的接触器，一定 要等到所控制的电机完全停止以后才能进行。 试运行及 PLC调试 变频器系统功能参数设定完后，就可试运行。用 操作盘上的速度给定电位器设定 5Hz左右的低频 率，再按下正、反转按钮，观察电机转向是否正 确，电机运转是否平稳，加减速是否平滑。电机 空载运转几分钟后，如无异常情况，再依次选择 10、 20、 35、 50Hz等几个频率点试运行。试运行 正常以后，变频器调速系统即可投入正式运行。 在变频器最佳加减速时间确定后，要重新设定进 行变频器输出切换控制的 PLC程序中的定时器 TIM002和 TIM003的时间值。这两个时间设定值 相等，但必须略大于变频器的最佳减速时间。 顺便说明的是， PLC程序试运行前，应先将编程 器上的状态转换开关拨至监控位 (MONITOR)，在 监控状态下，可进行 PLC运行状态的监视、触点 的强制输出、定时器 /计数器的设定值或当前值的 变更等。 用通用变频器代替原来的直流调速系统，对龙门 铣床进行技术改造后，经过实际运行发现，该系 统不但调速的各顶性能指标达到了原直流系统的 调速水平，而且线路大大简化，日常维修量减少， 而且由于变频器和 PLC完善的故障诊断功能，使 系统的可靠性大幅度提高。 变频器在窑炉温度控制中的应用 在陶瓷工业生产中，窑炉是关键性的生产设备，陶瓷产品 质量的好坏，很大程度上取决于窑炉烧成的质量。传统的 窑炉采用继电器一接触器控制系统，存在控制温差大、烧 成周期长、能耗高、劳动条件差等缺点。某陶瓷厂对该厂 一座 3.7m3、 1750 高温自控燃油抽屉窑进行技术改造， 采用变频器、微机温控器和精密计量泵组成温度控制系统， 自动调节窑内工况，自动控制燃烧过剩空气系数，使窑内 燃烧始终处于最佳状态，减少了废气带走的热量，降低了 窑内温差，缩短了烧成时间，提高了产品质量，降低了油 耗，经 100多窑次烧成验证，该窑的温控系统设计合理， 节约能源达 5% 10%。 系统组成 1 变频器 本系统选用 FVR-G7S富士变频器。 FVR-G7S是 以 32位双 CPU为核心的交 -直 -交 (VVVF)型脉宽调 制变频调速器，其中一个 CPU用于计算高速转矩， 另一个用于数据处理。变频器配有参数设置面板， 可读写各种参数，显示屏可监视变频器的运行状 况，并能实现转矩限定、转差补偿控制、瞬间停 电故障后平衡恢复、加 /减速控制、错误诊断等多 项功能。 2 M900型微机温控器 该温控器采用 MCS 51系列单片微处理机 (8 位 )作为核心，采用 16位 A/D、 14位 D/A转换 器及相关电路作为输入、输出，具有自动稳 零、冷端补偿、高分辨率 PID算法、 16段温 度程序曲线、软件线性化等功能。 3 燃油计量泵 此泵是四缸窑用精密计量油泵，采用直列式 柱塞，把燃油从低压变成高压，然后按各缸 次序定量、均匀地送入烧嘴，喷入窑内燃烧。 油泵转速越高，供油量越大，反之则越小。 工作原理 从图可以看出，窑炉设前、后两个温度控制区， 每个温控区的一侧窑墙上安装两只烧嘴 (上、下排 列 )，而对面一侧安装热电偶，中间部分为火道， 两组烧嘴和热电偶交错排列。 每个温控区由热电偶将窑温变换成相应的热电势 信号 (测量值 )送入 M900微机温控器，与预先输入 温控器的产品烧成升温工艺曲线 (给定值 )进行比 较，得出偏差值，偏差值再经运算后，输出带有 连续 PID调节规律的 4 20mA DC电流。此电流经 屏蔽电缆输入到变频器的电流输入端 (C1端和 11 公共端 )。变频器的调速范围设定为： (1)当温控器输出为 4mA时，对应设定变频器输出为 5Hz(下 限频率 )，而变频电机转速为 96r/min(此时计量泵为最低转 速 )，供油量最小。 (2)当温控器输出为 20mA时，变频器输出为 50Hz(上限频率 )， 电机转速为 960r/min(此时计量泵为最高转速 )，供油量最大。 从而实现大范围的供油自动调节 (闭环控制 )。 当窑温在某一干扰作用下 (如窑门启闭或输入能量波动等 )降 低时，温控器经比较运算输出给变频器的信号电流增加，使 输出频率增大，电动机转速升高，由电动机带动的四缸计量 泵转速升高，喷向窑内的供油量增大，使窑温升高。所以系 统只经短暂的衰减振荡后，偏差即被消除，进入新的稳定状 态。只要温控器的 PID调节参数选择得当，就能达到较为理 想的调节效果。 微机温控器的主要功能参数设定值为：比例带 P为 120s，积分系数 I为 4s，微分系数 D为 1s。 变频器的主要功能参数设定值为：上、下限频率 分别为 50Hz和 5Hz；启动频率为 5Hz；电子热继 电器门限值 3 5A；加 /减速时间分别为 7s和 5s； 基准频率为 50Hz；电动机极数 6极。 由变频器、温控器和计量泵等组成的窑温自控系 统，结构简单，总成本仅为进口同类窑自控部分 的 1/3左右，运行过程中温度稳定，经实地测量： 窑内温差为 3 5 。该窑与传统倒焰窑相比， 单位能耗可节省约 50%，产品质量提高 10%，烧 成周期缩短近一半。对其他如辊道窑、隧道窑等 连续化工业窑炉的温控系统，也可用变频器进行 改造。