【正文】 利用一臺變頻器對多臺電動機進行循環(huán)軟起動是一種危險的誘惑，因為大部分設(shè)計采用硬切換方式，稍有操作不當都會產(chǎn)生不良后果，甚至根本達。 由以上的分析可見，變頻器一般不允許在運行中進行負載切換操作。另外變頻器的逆變器部分與功率器件反并聯(lián)的快恢復(fù)二極管剛好組成了一個反向的三相整流橋，當電動機運行在發(fā)電狀態(tài)時，或者當變頻器輸出端直接接到電網(wǎng)時，則會通過這個整流橋使電流流向直流母線，使直流母線電壓“泵升”，威脅濾波電容器及功率開關(guān)器件的安全。 變頻器旁路與軟起動器旁路的分析比較 圖53軟起動器控制框圖 由圖53可見，軟起動器的功率器件—可控硅的輸入端也是接到電網(wǎng)的，所以當將電動機由軟起動器切換到電網(wǎng)運行時只是將可控硅短路而已，切換操作對可控硅絲毫沒有影響。鑒相器比較兩個信號的相位，輸出一個正比于兩個信號相位差的電壓信號ud(t)，經(jīng)濾波器濾波后作為變頻器的輔助頻率給定信號，用以控制變頻器輸出電壓的頻率和相位，達到跟蹤工頻電源頻率和相位的目的。同步切換控制系統(tǒng)以工頻電源的電壓相位信號相位信號取樣電路對工頻電源和變頻器輸出電壓實行取樣、隔離和整形處理。用一臺變頻器分時軟起動3臺異步電動機，每一臺電動機軟起動以后，切換到工頻電網(wǎng)定速運行。鎖相環(huán)路主要由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蒎器（VCO，這里即為變頻器）三個基本部分組成，其構(gòu)成如圖51所示。 鎖相控制 圖51 鎖相環(huán)路的基本組成鎖相控制就是利用鎖相環(huán)路（PLL）通過讓變頻電源的頻率和相位自動跟蹤工頻電源的頻率和相位，達到“鎖定”狀態(tài)，從而為同步切換創(chuàng)造條件。為了盡量減小切換過程中對變頻器的沖擊作用，在鎖定狀態(tài)變頻器合閘之前，應(yīng)稍稍調(diào)低變頻器輸出電壓的幅值，以免合閘時造成對變頻器過大的沖擊電流。為了使變頻器能全身而退，應(yīng)該逐漸減小變頻器的負荷，可以稍稍降低變頻器的輸出電壓幅值，然后封鎖變頻器的輸出，再進行切換操作。由于進行了同步操作，變頻器的輸出參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)保持一致，在接入電網(wǎng)時對變頻器和電動機都不會有什么影響。ABB公司的ACS1000型變頻器就有跟蹤起動功能 同步切換（軟切換） 同步切換就是在不停電的情況下，利用鎖相環(huán)技術(shù)，使變頻器輸出電壓的頻率、幅值和相位均保持與電網(wǎng)電壓一致，然后可進行變頻器與電網(wǎng)之間的相互平穩(wěn)切換[27]。2）、由電網(wǎng)向變頻器切換 到目前為止，還沒有人敢在變頻器運行中將電動機由電網(wǎng)向變頻器切換，因為由以上的分析可知，這無疑是對變頻器作一次破壞性的試驗，過大的沖擊電流將使變頻器跳閘或損壞。為了減小硬切換時引起的沖擊電流，當變頻器的輸出頻率已經(jīng)達到50HZ時，在變頻器及電動機參數(shù)許可的范圍內(nèi)，繼續(xù)加速到55HZ左右時，再將電動機從變頻器切出，電動機進行自由停車運行，同時轉(zhuǎn)子電流逐漸衰減，經(jīng)過1~2秒鐘，轉(zhuǎn)子電流基本已衰減為零，且轉(zhuǎn)速也已下降到額定轉(zhuǎn)速附近時，將電動機投入電網(wǎng)運行，將會有較小的沖擊電流。因此應(yīng)當選擇一個最為合適的時間重合閘，才能使切換引起的沖擊電流最小，倒并否非要等轉(zhuǎn)子完全停止后再合閘，因為此時的電流即為全壓靜止起動電流。轉(zhuǎn)子電流衰減的時間視電動機容量的大小及其所帶負荷的大小而異，一般為1~3秒。時，將會產(chǎn)生比起動電流還要大的沖擊電流，會影響到電網(wǎng)及電動機的壽命。感應(yīng)電勢的頻率和相位是隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化而變化的。另外，為了避免變頻器因為突然甩負荷而使功率器件因承受過大的電流電壓沖擊而損壞，在將電動機從變頻器切離之前，應(yīng)先封鎖變頻器的輸出。如果開關(guān)的速度快，加上你的運氣好的話，也許不會出現(xiàn)過大的沖擊電流，電動機在承受較小的電流和轉(zhuǎn)矩沖擊后正常全速運行。冷切換是最安全、最簡單的切換方式，但它只能用于可以間斷工作的負載；對于需連續(xù)工作的負載，只能采用熱切換的方式，詳見下面的討論。硬切換：電動機在切換時要瞬時停電，因而難免會產(chǎn)生沖擊。 變頻器的輸出切換方法分類冷切換：在變頻器停車停電時進行切換，等切換完成后再開機運行。變頻器的輸出切換問題，目前尚未得到足夠的重視，因而在認識上還存在著一些誤區(qū)：一種看法是將變頻器當作一般的交流電源，或者像軟起動器一樣，因而可以將電動機在變頻器與供電電網(wǎng)之間任意切換；另一種看法則認為由于變頻器自身的設(shè)計原理，是不允許變頻器在運行中進行切換的。這時就要將電動機再切換到變頻器拖動，實現(xiàn)減速停車。母管制多泵恒壓供水系統(tǒng)就是一個典型的例子。變頻軟起動的優(yōu)點是由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會產(chǎn)生過電流；并可提供等于額定轉(zhuǎn)矩的起動力矩，特別適合于需重載或滿載起動的設(shè)備[25]。即使如此，在降壓軟起動過程中，由于沒有改變電源頻率，過大的轉(zhuǎn)差率的存在，也不可避免地會出現(xiàn)較大的過電流，對于需重載起動的設(shè)備就更顯得無能為力了。圖48 軟件編制流程圖第5章 大中型異步電動機變頻—工頻同步切換研究 交流異步電動機直接起動所產(chǎn)生的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊會給供電系統(tǒng)和拖動系統(tǒng)帶來不利影響，故對于容量較大的異步電動機一般都要采用軟起動方案。圖47 起動多臺電動機的主回路 軟件的編制 開關(guān)變壓器式高壓電機軟起動裝置控制軟件主要包括模塊自檢、電源電壓檢測、開機判斷、運算、各種保護、開關(guān)量的順序控制等。因為接觸器通斷時，觸點兩端電壓基本為零，也提高了接觸器的使用壽命。該方法大大提高了軟起動器的使用壽命。工作電流通過KMn1送至電動機。當軟起動時，觸點KM和觸點KMn2閉合，觸點KMn1斷開，起動電流經(jīng)軟起動器流向電動機。ROCKWELL的SMCPLUS軟啟動器標準單元在主電路中的接線如圖10所示。軟起動和軟停止依賴于串接在電源和電動機之間的軟起動器，用它控制軟啟動器內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角。軟起動使電動機輸入電壓從0V開始，按預(yù)先設(shè)置的方式逐步上升，直到全電壓結(jié)束。軟起動器可設(shè)置為軟起動、軟停止，限流起動和智能制動等工作方式，軟起動器特別適用于大容量電動機的起動、停止控制，它實際上是一種很智能的產(chǎn)品。當轉(zhuǎn)子電流大于設(shè)定值時，則減小輸出的模擬控制電壓以增大等效的電抗值；當轉(zhuǎn)子電流小于設(shè)定值時，則增大輸出的模擬控制電壓以減小等效的電抗值；當轉(zhuǎn)子電流小于或等于設(shè)定值時，且等效電抗已減小為0時，則執(zhí)行相關(guān)的開關(guān)量順序控制，使可調(diào)電抗退出運行，起動過程結(jié)束。PLC首先進行模塊自撿．若模塊有故障則發(fā)出警告程序不往下執(zhí)行，直接退出，若模塊無誤，則將各變量置初值，等待起動信號。A/D模塊上僅有AIW0(模擬量輸入)、AQW0(模擬量輸出)兩個量。6個輸出開關(guān)量分別為：Y0 (QF0合)、Y1 (KM1合)、Y2 (KM1分)、Y3 (KM2合)、Y4 (KM2分)、Y5 (故障報警)。PLC模塊配置如圖45所示：圖45 PLC模塊配置形卡為了使操作過程簡單、可靠，本裝置盡可能減少了輸入、輸出量。同時擴展了一塊模擬量輸入模塊和輸出模塊FX2N3A，各通道可分別指定選用DC 0~10V的輸入/輸出電壓或DC 4mA~20mA的輸入/輸出電流。 硬件設(shè)計根據(jù)裝置工作需要，選用性價比較高的日本三菱公司的FX2N系列的FX2N16MR001可編程控制器來構(gòu)建控制系統(tǒng)。當可調(diào)電抗值減小到零時，電流反饋值與給定值相等，電機的轉(zhuǎn)子電流由最大值減小到額定值。運算的結(jié)果是數(shù)字量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸出電流模擬量，控制可控硅觸發(fā)角，使可控硅輸出電壓逐漸增大，從使而可調(diào)電抗值L0逐漸減小。A/D模塊將電流互感器送來的電流量模擬值轉(zhuǎn)換為反饋數(shù)字信號送入PLC。此時可調(diào)電抗的值為其最大值LO。PLC控制系統(tǒng)中給定值為電機額定電流值，反饋電流值是用電流互感器取電機的一相轉(zhuǎn)子電流，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入PLC。系統(tǒng)原理框圖如圖44所示： 圖44 磁控式PLC電機起動控制系統(tǒng)主電路圖圖44中M為籠型電機．電抗控制部分由PLC主控模塊，A/D模塊、電流互感器、可控硅及其觸發(fā)單元、可調(diào)電抗等構(gòu)成。圖43 磁控式可調(diào)電抗原理圖在實際裝置中電抗有三組，分別串聯(lián)在電機的三相繞組中。以下為具體工作原理和啟動過程。起動過程中通過PLC調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)可調(diào)電抗的控制電壓，使之電抗逐漸減小至零，電機由起動狀態(tài)平穩(wěn)過渡到正常運行狀態(tài)，再將可調(diào)電抗旁路后退出運行。 磁控式PLC電機起動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計磁控式電機軟起動裝置是近年來開始在工業(yè)上逐漸被認可的一種大型電機軟起動裝置。反饋電流是通過電流互感器取電機的三相電流的平均值或一相電流值，經(jīng)A/D變換后送人PLC，電機起動前1QF斷開，2QS閉合使開關(guān)變壓器串聯(lián)在電動機定子回路中。 系統(tǒng)原理分析系統(tǒng)原理如圖42圖42 系統(tǒng)原理圖電動機可以是同步機或異步機，開關(guān)變壓器控制部分由PLC主控模塊、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、電流互感器、可控硅交流調(diào)壓裝置及其觸發(fā)單元構(gòu)成。該裝置本身功耗很小，可以連續(xù)起動，可以一拖多(容量可不同)?？刂旗`活，重復(fù)精度高。控制度TKPKIKD TK TK TK TK TK TK TK TK TK TK TK第4章 系統(tǒng)原理及方案設(shè)計 基于PLC的大中型電動機軟起動控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的基本工作原理及結(jié)構(gòu)特點開關(guān)變壓器式高壓電機軟起動控制系統(tǒng)的基本工作原理如圖41所示，是用開關(guān)變壓器來隔離高壓和低壓，開關(guān)變壓器的低壓繞組與晶閘管和控制系統(tǒng)相連，通過改變其低壓繞組上的電壓來改變高壓繞組上的電壓，從而達到改變電動機端電壓的目的，實現(xiàn)電動機的軟起動。根據(jù)選定的控制度，查表31求得參數(shù)KP , KI，和KD的值?？刂菩Ч脑u價函數(shù)通常用誤差平方面積表示。 選擇控制度 根據(jù)實際需要選擇PID控制器的控制精度。然后逐漸減小比例，直到系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩。 用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作。由于管網(wǎng)中的水壓變化緩慢，所以采樣周期可以取得稍微大一些。 選擇一個足夠的采樣周期，采樣周期為被控對象純滯后時間的1/10以下。常用的簡易工程整定法有兩種擴充臨界比例度法和擴充響應(yīng)曲線法。⑤指定用于計算的數(shù)據(jù)存儲 現(xiàn)場實驗校驗 數(shù)字控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一種采樣控制系統(tǒng)。并且提供了PID指令向?qū)В笇?dǎo)使用者定義一個閉環(huán)控制過程的PID算法，該算法程序由編程軟件自動插入到主程序中。 PID控制器設(shè)計及實現(xiàn) 三菱公司從A系列PLC中開始增加了用于閉環(huán)控制的PID指令。PID控制在經(jīng)典控制理論中已經(jīng)技術(shù)成熟，現(xiàn)在正廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)的控制中。同樣，經(jīng)過了PID運算以后的回路輸出值一般為控制變量，而且輸出的也是經(jīng)過標準化了的實數(shù)，所以在回路輸出驅(qū)動模擬輸出之前，必須把回路輸出轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的16位整數(shù)，即通過標準化過程的逆過程，將回路輸出值轉(zhuǎn)換位相應(yīng)的能驅(qū)動模擬輸出的值。而且，不同控制對象的給定值和過程變量都是現(xiàn)實世界的值，他們的大小、范圍和工程單位都可能不一樣。利用計算機處理數(shù)據(jù)的迭代運算，可以將上式簡化為CPU實際使用的遞推形式，如式(36)所示: Mn=MPo+MIn+MDn （式36）其中：Mn 第n采樣時刻的計算值 MP。所以在計算機的PID運算中，沒有必要保存所有的誤差項。離散式方程如式(35)所示： （式35）其中:Mn 采樣時刻n計算出的PID回路輸出值 Kc PID回路增益 e。PID控制的原理基于式(34)所示的方程，它描述了輸出M(t)作為比例項、積分項和微分項的運算參數(shù)關(guān)系。在我們使用的PLC中，是通過PID調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)輸出，保證偏差值為零，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。這種方法是目前采用較為廣泛的控制器設(shè)計方法[13]。 離散設(shè)計法則首先將圖31所示系統(tǒng)中的被控對象加上保持器一起構(gòu)成的廣義對象離散化，得到相應(yīng)的以脈沖傳遞函數(shù)，差分方程或離散系統(tǒng)狀態(tài)方程表示的離散系統(tǒng)模型。然后采用離散化的方法將設(shè)計好的模擬控制器離散化成數(shù)字控制器，最后構(gòu)成數(shù)字控制系統(tǒng)。數(shù)字控制器的設(shè)計通常有兩種方法：模擬設(shè)計法和離散設(shè)計法。由于算式不進行累加計算，增量只與最近幾次采樣值有關(guān)，容易獲得較好的控制效果。增量式PID算式；增量式PID算法就是讓計算機輸出相鄰兩次調(diào)節(jié)結(jié)果的增量。 位置式PID算式；模擬儀表調(diào)節(jié)器的動作是連續(xù)的，任何瞬間的控制量輸出:都對應(yīng)于執(zhí)行機構(gòu)的位置。(n)分別為第n1和第n次采樣所得的偏差信號，u問為第n時刻的控制量。通常在模擬PID算法的基礎(chǔ)上，通過離散化處理就得到數(shù)字PID的公式。計算機對來自A/D轉(zhuǎn)換器的信號進行比例、積分和微分變換處理，既能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性，又能加快過渡過程和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性[23]。 PID控制器PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值y(t)構(gòu)成的控制偏差 e(t)=A(t)一r(t) （式31）將偏差e(t)的的比例(Proportion)、積分(Integral)和微分(Differential)，通過線性組合構(gòu)成控制器，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。 ②適應(yīng)性強，可以廣泛的應(yīng)用于各種行業(yè): ③魯林性強，它的控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感。在本世紀40年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關(guān)控制外，它是唯一的控制方式。PID控制器綜合了關(guān)于系統(tǒng)過去、現(xiàn)在和未來三方面的信息，對動態(tài)過程無需太多的預(yù)先知識，控制效果能夠滿足要求[12]。第3章 PID控制及其調(diào)節(jié)規(guī)律 PID控制 PID控制的概念PID控制是一種負反饋控制，它所組成的控制系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成，具有一般閉壞反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過負反饋作用使被控系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。