基于變頻器的拉絲機控制系統(tǒng)設(shè)計1(編輯修改稿)
2024-10-04 17:43 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 變頻技術(shù)的 核心技術(shù)之一。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生 正弦脈寬調(diào)制 SPWM 信號以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方 案，完成優(yōu)化的實時在線的 PWM 信號輸出。從 PWM 模式優(yōu)化中得到了諸多的優(yōu) 化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。由于 PWM 可以同時實現(xiàn)變頻變壓反 抑制諧波的特點，由此在交流傳動乃至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM 控制技術(shù)大致可以分為兩類，正弦 PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦 為目標(biāo)的各種 PWM 方案，多電平 PWM 也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化 PWM。正弦 SPWM 已 為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多電平 PWM 技術(shù)在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢,如 ABB ACS1000 系列和美國 ROBICON 公司的完美無諧波系列等；而優(yōu)化 PWM 所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變率（THD）最小，直流電壓利用率最高、效率最優(yōu)、轉(zhuǎn)矩脈動最小以及其它特 定優(yōu)化目標(biāo)[51]。在變頻器控制方式方面， V ≡ C （常數(shù)）的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制f方式，即標(biāo)量控制方式。標(biāo)量控制通常是通用變頻器的標(biāo)準(zhǔn)配置，其特點是計 算結(jié)構(gòu)簡單、易于編程控制、使用方便，早期普遍采用的控制方式，已在產(chǎn)業(yè) 的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著電機控制技術(shù)的發(fā)展，通過對交流電機的磁通 矢量進行解耦，然后模擬成直流電機的控制模式，逐漸發(fā)展出了更為高級的控 制方式如電壓空間矢量（SVPWM）控制方式、矢量控制（VC）方式、直接轉(zhuǎn)矩控 制方式（DTC）等，使用這些高級電機控制方式，使得變頻器控制交流電機不但 可以完成搞精度的速度控制，也可以完成高精度的轉(zhuǎn)矩控制，可以閉環(huán)也可開 環(huán)不帶速度編碼器來控制交流電機。隨著交流變頻技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，交流調(diào)速 系統(tǒng)已經(jīng)可以完全替換直流調(diào)速系統(tǒng)[11]。3．3．2 通用電壓型變頻器結(jié)構(gòu)現(xiàn)在的低功率低電壓段變頻器都是交直交變頻方式，先將進線交流電壓變 成平穩(wěn)的直流電壓，再將直流電壓通過 IGBT 變成可變電壓可變頻率的交流電 壓，該類型變頻器主回路結(jié)構(gòu)都基本一致，易于控制與維護，下圖所示為交直 交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖，同時也顯示了電壓由交流到直流再到交流的轉(zhuǎn)化過程 [12]。3．3．3 ABB 變頻器的選型與配置ABB 公司有著從低功率到高功率、低壓到高壓全系列多品種的變頻器，針 對金屬制品行業(yè)的工藝要求，選擇 ACS550 系列無傳感器電流矢量型變頻器。 該款變頻器廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域，在金屬制品領(lǐng)域也被客戶所廣泛接受， 大量使用在直進式拉絲機、水箱式拉絲機、捻股機、外繞機及收放線機等機型 上。該變頻器內(nèi)置有 C2 類 EMC 濾波器作為標(biāo)準(zhǔn)配置，IP21 的防護等級，具有 獨立的散熱通道，所有的電路板均為涂層板，可抗惡劣環(huán)境，標(biāo)準(zhǔn)配置 RS485 通信接口，具有 5 行顯示的中文界面操作液晶面板，易學(xué)易用調(diào)試方便，還配 有專用的調(diào)試監(jiān)控軟件 DriveWindow Light 可設(shè)置參數(shù)監(jiān)控曲線。 在變頻器的具體選型上，由于直進式拉絲機要求起動力矩大、運行精度高、 動態(tài)響應(yīng)性好、運行中有短時的高過載要求，所以，對于變頻器的選型，需要 在既定電機的功率和電流上按照變頻器選型表里的重載一欄選型，即要求所選 變頻器的重載輸出功率和重載額定輸出電流大于所選電機的額定功率和額定電 流。ABBACS550 變頻器的重載過載系數(shù)是每十分鐘允許一分鐘電流過載到 倍額定電流，每 60 秒允許 2 秒電流過載到 倍額定電流。具體選型表所示如下圖 35。其中以 ACS5500103A34 為例，01 代表壁掛式 IP21 防護等級，03A3 代表變頻器的輕載額定電流是 ，4 代表變頻器的輸入電壓等級是 380V 到 480V。針對所設(shè)計的電氣傳統(tǒng)系統(tǒng)，選擇的變頻器型號為：ACS55001087A4, 重載應(yīng)用帶 37KW 的電機，允許 10 分鐘內(nèi) 150％負載過載 1 分鐘,60 秒內(nèi) 180% 負載過載 2 秒。3．4 電機與電抗器的配置3．4．1 電機的配置 關(guān)于電機的選型比較簡單，由于是由變頻器控制，針對變頻器的輸出電壓 波形特點，需要選擇變頻專用的電機。由于變頻器輸出的波形并不是嚴(yán)格意義 上的正弦波形，而是高頻方波，而且在電機端子上有電壓疊加效應(yīng)，所以要求 所帶電機具有比普通電機更高的耐壓絕緣等級，同時由于是寬頻率運行范圍， 在低頻段電機發(fā)熱比較厲害，這也要求變頻電機比普通電機有更好的散熱效果3．4．2 電抗器的配置DC/AC現(xiàn)在通用的低壓變頻器普遍使用的是交直交電壓變頻模式，即首先將交流 電壓通過整流橋變成直流電壓，然后再對直流電壓進行變壓變頻以輸出不同電 壓不同頻率的三相交流電壓。在使用變頻器的過程中，由于整流環(huán)節(jié)的存在， 導(dǎo)致變頻器的使用會在電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生大量的諧波電流，導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)電路和 變壓器的發(fā)熱和損耗。低壓變頻器一般采用六脈波整流，其輸入主回路如下圖 36 所示[12]： ABB ACS550 系列變頻器全系列在低功率段內(nèi)置有直流電抗器，高功率段 內(nèi)置交流電抗器來減少電流諧波，但由于拉絲機設(shè)備會大批量使用變頻器，所 以在設(shè)計時通常業(yè)主和設(shè)備廠都會要求在每臺變頻器輸入側(cè)前再加裝交流電抗 器，第一是為了進一步限制電流諧波，第二也是為了更好地保護變頻器的整流 橋，因為進線的交流電抗器還可以減小輸入電壓尖峰毛刺，避免瞬時高電壓擊 穿整流橋。根據(jù)所選變頻器的額定功率、電壓和電流，選擇這個行業(yè)普遍應(yīng)用的上海 鷹峰電子科技公司所生產(chǎn)的變頻專用進線電抗器。3．5 張力臂位置傳感器的配置張力臂位置傳感器是反應(yīng)張力臂位置變化的現(xiàn)場傳感設(shè)備，該設(shè)備安裝于 張力臂支架下方，正常運行情況下張力臂應(yīng)該在其中間位置上下輕微地擺動。 安裝位置傳感器，通過調(diào)整使其當(dāng)張力臂處于中間位置時輸出 5V 電壓信號給 PLC 控制器的模擬電壓輸入點口。當(dāng)張力臂上下擺動時，在其量程范圍內(nèi)，位 置傳感器就輸出 0V 到 10V 的電壓信號以與張力臂位置的變化成線性比例關(guān)系 [14]。位置傳感器型號選擇為施耐德電感型接近傳感器 XS9C111A1L2，其主要的 參數(shù)工作電壓為 24V,工作區(qū)在 2――15mm，對應(yīng)的模擬電壓輸出范圍是 0―― 10V。詳細的規(guī)格參數(shù)如下圖表 3－10 所示[15]：圖 3－10：位置傳感器參數(shù)表3．6 現(xiàn)場人機界面的選型與配置人機界面（User Machine Interface,簡稱 HMI）是現(xiàn)場機械設(shè)備與用戶進行 信息交流的一種平臺，通過人機界面，可以了解現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)、信息或?qū)崟r 畫面，也可以通過人機界面向現(xiàn)場設(shè)備傳遞用戶的指令和要求。人機界面有許 多種類，主要有計算機監(jiān)控系統(tǒng)、觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)或按鈕指示燈監(jiān)控系統(tǒng)等。 以前對于機械設(shè)備而言主要是按鈕指示燈監(jiān)控系統(tǒng)來供操作者與設(shè)備交互信 息，現(xiàn)場觸摸憑監(jiān)控系統(tǒng)獲得的普遍的應(yīng)用，各種現(xiàn)場的較大的機械設(shè)備基本 都會使用觸摸屏來做人機界面交互信息，計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要用在中控室監(jiān)控 多個設(shè)備或整個工藝系統(tǒng)[17]。在直進式拉絲機的人機界面選型中，決定選擇簡單易用的觸摸屏來設(shè)計人 機界面。ABB 有著全系列的觸摸屏，可以直接通過通訊線與 AC500PLC 相連 接，非常方便易用。這里根據(jù)現(xiàn)場所需要交換的數(shù)據(jù)規(guī)模和顯示大小選擇 CP430T 觸摸屏，其基本的功能參數(shù)如下所列：? 觸摸屏 64K 色? 320 x 240 分辨率? 4MB 應(yīng)用內(nèi)存? 512 KB 內(nèi)存（數(shù)據(jù)和配方）? 菜單鍵 + 5 功能鍵? 小時背光燈壽命? 實時時鐘2 個通訊端口? 9 孔插頭 (RS232/485)? 25 孔插頭 (RS232/422/485)? IP65 防護等級（前面板）? USB 主站 (打印和備份)? USB 設(shè)備 (下載/上傳畫面)? 數(shù)據(jù)存儲: 緊湊型閃存卡 (備份)? 配方
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