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一文弄懂变频器主从控制原理、控制方案选择和实施

2020-05-26 01:05阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/3330785294

昌晖仪表通过变频器主从控制在高炉上料系统控制中应用案例，介绍变频器主从控制原理、控制方案的选择和具体实施细节，为仪表工和电工深入了解变频器主从控制相关知识。

1、变频器主从控制原理
变频器主从控制即使用多个变频器控制一个或一组负载，负载之间通过刚性或柔性耦合。外部信号(包括起动、停止、给定信号等)只与主机变频器相连，主机通过光纤将从机控制字和转速给定值、转矩给定值广播给所有的从机，实现对从机的控制。从机一般不通过主从通讯链路向主机发送任何反馈数据，从机的故障信号单独连至主机的运行使能信号端，形成联锁。一旦发生故障，联锁将停止主机和从机的运行。
ABB变频器主从连接
图1 ABB变频器主从连接(注：T=发送器；R=接收器；RMIO=I/O和控制电路板)

ABB从机故障信息配线
图2 ABB从机故障信息配线
变频器主从控制应用注意点：一般主机采用速度控制，而从机采用速度还是转矩控制要视主从电机轴是采用什么方式耦合，主从之间采用刚性连接时从机需采用转矩跟
随，柔性连接时要采用速度跟随。因为前者两组传动装置间不能存在速度差异，后者会存在速度差异。

2、高炉上料工艺对传动系统的要求
在高炉上料系统控制中，上料小车的控制是整个电控系统的核心部分。它是根据生产工艺的要求,把槽下备好的不同料类和不同重量的原料及时、安全、准确定位地运送到高炉炉顶，保证高炉的正常生产，一但控制出现故障，将直接影响高炉的生产。

高炉原料从槽下输送到炉顶。小车输送方式是：小车卷扬机采用交流电动机拖动，电机正、反转控制，牵引通过钢丝绳连接的两台料车在斜桥上一上一下交替工作，为了能对小车做到精确控制，控制系统必须具备以下条件：
系统能频繁起动、停止。
系统能正、反双向控制。
系统能做到无极调速，调速范围大、平滑性较高，做到平稳起动－加速－稳定运行－减速－平稳停车。
系统起动转矩大，做到平稳起动。
系统在停车时做到稳定、精确定位，防止料车过头。
在零速时维持大转矩输出，防止料车起动和停车时重载下滑。
高炉料车系统
图3 高炉料车系统
上料工艺对料车控制的最主要的要求是：在起动或停车的瞬间也就是在零速时，变频器必须有最大的转矩输出，以防止料车下滑，因此在起动时对转矩的要求大于对速度的要求。

3、传动系统的方案选择
当前交流变频调速系统主要为矢量控制和直接转矩控制(Direct torque control，简称DTC)。直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，因此DTC直接转矩控制系统可以做到转矩的建立优先于速度。市面上各种品牌的变频器控制方式大多采用矢量控制，而ABB采用独特的DTC直接转矩控制方式，因此在设计中选用ABB的ACS800系列变频器。

本案例中，根据生产工艺负载的需要，计算出拖动负载电机的容量为700KW。如果采用单电机传动，电机、减速机等机械设备体积和重量庞大，对安装和日后的维护带来不方便，而且工作量大，同时控制系统的变频器所需的容量大、价格昂贵。在启动和运行过程中，电机电流大，对电气设备、电缆要求等级高，这都增加了投资成本。最后决定采用多传动控制方案。

4、变频器主从控制方案的实施细节
4.1 本案例中主要设备如下：
4台ACS800-07-0770-3变频器，每两台为一组主从控制系统，双套机组为“一用一备”；
两台ABB 380V 355kW（HXR450L G8）交流电机；
两台ZSY710-22.4减速机(中硬齿面，减速比22.4)；
4台 YWZ9-800/301料车机械制动器(三相AC380V)；
2只库伯勒(kuebler) 绝对单圈轴型编码器8.5852 1232 G121；
4套LK4-188/3主令控制器(i=1:20，10A，380V，24路出点)；
两套保护控制柜；
4套制动电阻柜；
两套电源切换柜。

4.2 变频器主从参数设置
在高炉上料传动系统中，主机和从机的电机轴通过减速箱、钢丝绳卷筒进行刚性连接在一起，因此主机应该采用速度控制模式，从机应该采用转矩控制模式，以使传动单元之间不存在速度差异。所有的外部控制信号将只连接到主机上数字输入口DI1—DI6，而从机的控制信号通过光纤从主机通讯获得，不需另接外部控制信号。由于从机不会通过串行主/从机的连接向主机反馈任何数据。因此单独使用一根电缆将从机故障信息端口RO3传送给主机的启动联锁端口X22组的８和11号端子。该连接在从机出现故障时，主机和从机都会停止运行。

表1列出了在主、从控制应用中需要调整的参数。
ACS800主从控制参数更改表
表1 ACS800主从控制参数更改表

4.3 电机运行方向和多步速度控制的实现
以下的线路连接和参数设定只在主机上完成。

4.3.1 电机起动、运行方向的控制
高炉上料计算机控制系统是由一套施耐德Quantum PLC控制的。料车的控制分为自动和手动两种方式，自动由PLC完成，手动由操作箱完成。由于上料小车是一个重载负荷系统，考虑到控制的安全性问题，在设计中采用通过电缆一对一信号传输控制，PLC输出两个正、反向运行数字信号I0.1、I0.2以及手动开关信号通过控制选择，通过必要的保护联锁后，连接到变频器的DI1和DI2两个输入点，完成变频器的起动、正反转、停车的控制。在完成了外部连线后必须对变频器内部相应参数进行设置，主要设置参数如表2：

表2 ACS800主从控制参数更改表

4.3.2 料车运行过程中的速度控制
上料小车在整个运行过程中，要经过五个不同速度阶段，速度运行图如图4所示。
起动加速阶段：料车在坑底从零速以较小的加速度上升至于钢轨斜桥拐点a处；
图4 料车运行速度
从钢轨斜桥拐点a处以较大的加速度直接加速到高速(450r/min)阶段；
高速运行450rpm/min阶段；
在距炉顶10米处，减速运行到150rpm/min阶段，b点到d点；
停车运行阶段，d点到e点。

上料系统小车在不同速度阶段和停车点的位置控制是非常重要的，若减速位置滞后，在停车时速度太快、设备窜动大，会造成料车“挂顶”，损坏设备；若停车点提前造成料车不到位，原料不能到受料斗。为了实现料车的精确定位，通过凸轮式主令控制器和绝对式编码器来实现精确定位。

凸轮式主令控制器经过减速机连接在料车钢丝绳卷筒的轴上，由于卷筒轴的转动带动主令控制器凸轮的转动，导致主令控制器各个相应机械触点的闭合或断开，就可不断给出料车的各个位置信号，分别有：“料车在底部”、“料车减速”、“停车”、“抱闸”、“减速检查点”、“超极限”、“上密检查点”等行程位置信号。

料车在底部时，主令控制器“料车减速点”位置信号为常闭点，连接到变频器的DI4 数字输入端子，此时变频器速度设置值为450r/min。在料车距炉顶10M时，主令控制器“料车减速点”信号断开,变频器DI4信号消失，变频器速度设置值切换为150rpm/min，料车开始减速运行。

在料车减速运行的c点为“减速检查点”，PLC将通过编码器位置信号检测料车是否超速；同时，通过变频器内部编程，用变频器内部检测电机是否超速，输出继电器DO3从电气回路连锁料车超速。一旦检测到料车超速，上述两个措施都会立即停止变频器输出。
为了实现料车的平稳起动，在ABB变频器自定义编程里定义了料车加速的“斜坡切换”：在料车启动后的18秒内，以较长的加速时间加速，从0点运行到a点；料车在平稳经过钢轨斜桥拐点后再以较短的加速时间加速到450rpm/min。

料车停车位置由主令控制器在离炉顶0.5M的d点处将信号发给PLC，PLC将输出给变频器的正反运行信号设置为“00”，此时变频器通过斜坡减速后到转速1rpm/min时实现平稳、精确停车。

主令控制器的“超极限”信号，是料车到高炉顶部的超极限保护点f，也通过电气回路，串联到变频器的“零压”保护信号点。是最后一个保护点，以防料车冲顶。
表3为变频器实现速度控制的主要参数和自定义编程：
ACS800速度控制参数
表3 ACS800速度控制参数

5、制动方式的选择和实现
为防止料车在起动时后退下滑事故的发生和实现炉顶的精确停车，电机的制动措施的实施是关键。

5.1 变频器起动、停车方式的选择
根据高炉上料系统中料车的起动是重载起动，而且电机起动必须与机械制动释放同时进行，因此在变频器中选择电机起动的方式的参数“21.01 START FUNCTION”必须选择为“CNST DC MAGN”（恒定直流励磁方式），为确保在需要高瞬时转矩应用场合的需要，恒定预励磁时间要设置到足够长，以产生足够的励磁和转矩。预励磁时间在参数“21.02: CONST MAGN TIME”中根据实际需要设定。

为保证料车的平稳、精确停车，减少电机和机械设备的窜动，变频器中选择电机停车方式的参数“21.03: STOP FUNCTION”必须选择为“RAMP”(斜坡减速停车方式)。

5.2 电气制动方式的选择
ACS800变频器内部有电磁制动和直流制动两种电气制动方式，我们为了保证料车的平稳、精确停车，减少电机和机械设备的窜动，电机停车方式选择为斜坡减速停车方式，而斜坡减速过程是在运行信号断开以后。而运行信号断开以上两种制动方式立即失效，达不到制动目的。因此采用制动斩波器和制动电阻器进行制动，可以通过变频器的“27 BRAKE CHOPPER”（制动斩波器控制）中的6组参数对有效性、控制模式、电阻值、热时间常数、过载保护、功率值等进行设置。

5.3 制动的控制
上料料车在停车后或运行过程中可能发生突然停电等故障，这时电机处于无力矩状态，重车将下滑，必须有外部的机械制动才能控制，可采用大推力液压抱闸制动器。而液压抱闸制动器在松开和闭合过程中都有滞后性，同时起动过程是重载，电机需要建立足够的转矩和电流，制动器才能松开，所以对制动器的控制是非常关键的。ACS800变频器机械制动控制功能就可以实现对外部制动器的精确控制。

在料车启动瞬间，首先要检测变频器输出力矩是否足够。在判断建立了足够的转矩和电流后，变频输出继电器DO2得电，加入抱闸接触器得电条件的连锁，控制液压抱闸的打开。参数设置如下：
启动力矩判断的自定义编程
表4 启动力矩判断的自定义编程

为了保证系统的安全运行，外部制动器除了受变频器控制外，在其控制线路上还必须串入位置检测保护信号、超极限保护信号、变频器故障信号、零压保护信号、急停开关、钢丝绳“松绳”、“变频低速”等联锁保护信号，做到某一故障发生时能即时制动。选择停车方式是斜坡减速停车同时使用了机械制动功能，在故障需要立即停车也就是在参数“21.07 RUN ENABLE FUNC”选择“OFF3 STOP”（急停停车）功能时，变频器也是以“斜坡减速停车”为主，无法立即停车，但在变频器上有一个启动联锁端口X22组的8和11号端子，在正常工作时必须短接，如果断开，变频器立即封锁输出，因此我们把急停开关、故障停车等信号接入8和11号端子之间，需要立即停车时断开这两个端子之间的连接，保证了料车的安全。
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