西门子变频器论文

1 引言 供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的。随着人们生活水平的提高和现代工业的发展，人们对供水系统的质量和可靠性的要求越来越高。变频能够很好的满足现代供水系统的要求。在变频出现以前，有以下供水方式：(1) 单台恒定转速泵的供水系统这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，严重影响了城市公用水管管网压力的稳定，水泵整日不停运转。这种系统简单、造价最低，但耗电严重，水压不稳，供水质量极差。(2) 恒定转速泵加水塔（或高位水箱）的供水系统这种供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔注满水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度时水泵启动，水泵处于断续工作状态中。这种方式比前一种省电，供水压力比较稳定，但基建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差。(3)恒定转速泵加气压罐的供水系统这种供水方式是利用封闭的气压罐代替水塔蓄水，通过检测罐内压力来控制水泵的开与停。当罐中压力降到压力下限时，水泵启动；当罐中压力升到压力上限时，水泵停止。这种方式，设备的成本比水塔要低很多。但是电机起动频繁，易造成电机的损坏，能耗大。变频不仅克服了过去供水系统的缺点，而且有其自身的优点。此系统采用了先进的s7－200plc和变频器mm440，具有低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求，变频器mm440具有很高的运行可靠性、功能的多样性和全面而完善的控制功能。这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性，而且实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了供水质量。同时变频器对水泵采取软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗小。2 供水系统的基本特性供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程h与流量q之间的关系曲线f (q)，前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程h与用水流量q之间的关系。由图1的扬程特性表明，流量q越大，扬程h越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量q的大小主要取决于用户的用水情况。管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程h与流量q之间的关系h=f (q)。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图1可知，在同一阀门开度下，扬程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系统的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图1中a点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程ha稳定，供水系统的压力也保持恒定。图1 供水系统的基本特性3 变频恒压供水系统的构成及工作原理 系统的构成变频恒压供水系统采用西门子的plc作为控制器，变频器mm440是频率调节器，和电动机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。plc选用内部控制模块cpu224，模拟量2路输入通用模块、模拟量2路输出通用模块和pid模块。cpu224有14路输入/10路输出，对于小型的控制系统而言够用。pid模块使用方便，在软件中只需要配置pid的每个参数。与mm440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接，带动水泵转动。s7-200数字输出口输出控制信号到，两端连接的是工频或变频的，主要起接通或断开与。s7-200的模拟输出口输出控制电压信号给mm440的模拟电压输入口ain1+和ain1-，该控制电压主要调节交流电的频率。压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给s7-200的模拟输入口。系统的结构如图2所示。图2 变频恒压供水系统的总体框图 系统的工作原理变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水，通过变频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力。因此，供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速，通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。的转速为：其中： n0为同步转速；n为转子转速；f为异步电机的定子输入交流电的频率；s为异步电机的转差率；p为异步电机的极对数。由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。当系统启动，运行在自动模式时，此时手动模式无效。系统按照给定的水压进行设定，plc根据给定的水压自动调节交流电的频率，精确跟踪给定的供水压力。在用水量高峰时期，系统的用水量猛增，扬程降低，供水量不足，供水水压下降，1#电机输入交流电的频率会升高，以提高供水水压。当交流电的频率达到最大频率，供水水压仍然小于设定的水压时，1#电机会自动切换到工频状态下，同时2#电机启动并工作在变频状态。在夜间，系统的用水量递减，扬程升高，供水量过大，2#电机会退出变频状态，1#电机由工频切换到变频状态，并不断调节交流电频率，系统最终要维持供水的设定压力。当系统运行在手动模式时，自动模式无效。在自动模式出现问题或系统在维护期间时，系统才会采用手动模式。用户根据需要，可以从plc的输入开关输入信号，选择1#电机或2#电机运行在工频状态。变频恒压供水系统的功能要求：系统的供水压力能够准确跟踪给定供水压力（稳态误差在5％内）；可以自动进行自动模式/手动模式切换。系统的控制原理框图如图3所示。压力传感器从供水管网反馈电压信号，电压信号经过滤波放大后送到s7-200的模拟输入口，与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号，经过plc（s7-200）pid模块pi调节后发出控制电压信号，送到变频器mm440的模拟输入调节端口。送到变频器mm440的模拟电压信号与连接到变频器mm440的三相交流电的频率一一对应，调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率。系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的，其设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求。图3 变频恒压供水系统的控制原理框图4 硬件 主电路变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的。系统的主电路由电源开关q、熔断器fu、交流接触器km、kr等组成，采用了一台变频器切换控制两台电机，1#电机和2#电机可以在工频和变频状态下进行切换，交流接触器的通断由s7－200的输出口控制。主电路如图4所示。图4 系统主电路图 控制电路控制电路主要由plc（s7－200）、变频器mm440等组成，plc外围电路接线图如图5所示。总电源开关为q，sb0为plc的程序启动按钮，与plc的输入口相连接，当按下sb0时，为“1”，plc程序启动。k1为系统的自动模式开关，当k1接通时，为“1”，交流接触器km1闭合，系统自动运行。当变频器的频率达到上限频率时，为“1”，1#泵和电机切换到工频状态下，2#泵和电机变频启动。当变频器的频率达到下限频率时，为“1”，2#电机停止运行，1#电机由工频切换到变频状态下。和的状态由变频器输入。k2为系统的手动模式开关，当k2接通时，为“1”，交流接触器km1断开，系统不能自动运行，用户可以根据需要接通k3或k4来选取1#电机或2#电机工频运行。km1为控制1#电机和2#电机在自动模式下运行的交流接触器，km2为控制1#电机在变频下运行的交流接触器，km3为控制1#电机在工频下运行的交流接触器，km4为控制2#电机在变频下运行的交流接触器，km5为控制2#电机在工频下运行的交流接触器。图5 plc外围接线图5 程序设计 plc程序设计plc程序设计的主要流程如图6所示。合上开关q，按下起动按钮sb0，plc程序复位。当合上开关k1，为“1”，系统在自动模式下运行，交流接触器km1接通，系统将根据程序跟踪设定供水压力。图6 主程序流程图当用户用水量递增，变频器达到频率50hz，供水压力还没有达到设定的供水压力时，mm440输出高电平到。此时，为“0”， 为“1”，交流接触器km2断开，km3接通，1#电机由变频切换到工频。定时器计时3s，变频器停止，变频器的频率由最高频率50hz逐渐下降，3s后为“1”，2#电机接到变频器开始变频运行。设置延迟时间主要原因是让变频器的频率下降，软启动静止的2#电机，减小电机启动电流，避免电机烧毁。当用户用水量减小，变频器达到下限频率30hz，供水压力还是高于设定的供水压力时，mm440输出高电平到。此时，为“0”，km2断开，2#电机退出变频并逐渐停止。同时为“1”，为“0”，交流接触器km2接通，km3断开，1#电机由工频切换到变频。下限频率设定在30hz主要原因：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象。在多数情况下，下限频率应定为30hz～35hz。当合上开关k2，系统在手动模式下运行，交流接触器km1断开。用户可以根据需要，合上开关k3，交流接触器km3接通，选择1#电机在工频下运行。合上开关k4，交流接触器km5接通，选择2#电机在工频下运行。 变频器mm440的参数配置变频器mm440主要使用的是模拟输入口ain1+和ain1－，模拟电压信号输入后通过得到数字信号。由plc模拟输出口输出模拟控制电压信号，输入到变频器的模拟口，变频器的频率和控制电压一一对应。系统使用变频器的模拟端口，最高频率应该设置为50hz，最低频率为30hz。mm440的参数配置如附表所示。附表 mm440的参数配置6 结束语应用西门子plc（s7－200）内部的pid模块和变频器mm440的无极调速控制恒压供水系统，高效节能，调速供水效果突出，抗干扰能力强。同时采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。以供水水压为控制对象的闭环控制，稳态误差小，动态响应快，运行稳定。实验效果表明，采用plc（s7－200）和变频器mm440构成的变频恒压供水系统，具有很强的实用性，体现了变频调速恒压供水的技术优势，为供水领域开辟了切实有效的途径。参考文献[1] 李光,谢欢,王直杰. 高压变频器模拟量控制电路及功能设计[j]. 电气传动自动化,2008,38(7):63-68.[2] 彭旭昀. 一种基于变频器pid功能的plc控制恒压供水系统[j]. 机电工程技术,2005,34(10):54-56.[3] 陈新恩,王永祥. 基于s7-200的变频调速恒压供水系统[j]. 制造业电气,2006,25(6):37-39.[4] 朱玉堂. 变频恒压供水系统的研究开发与应用[d]. 杭州:浙江大学,2005.

PLC和变频器在中央空调系统中的节能应用摘要:介绍一种以PLC作为总控制部件，采用变频器控制中央空调冷冻水循环泵，构成恒压循环供水；变频调速循环供水，以及用PLC控制一台软起动器分别起动4台井水泵的控制系统。从而实现节能的目的，提高系统的可靠性，确保设备的安全运行。关键词：PLC；变频器；软起动器；节能1引言晶澳太阳能有限公司采用3台设备制冷机组用于生产设备制冷，设备冷冻水循环泵2台，额定功率30kW，一备一用。另采用2台空调制冷机组用于环境制冷，空调冷冻水循环泵3台，额定功率37kW，二用一备。两种循环水泵均为工频全速运转，由于设备冷冻水采用传统的固定节流方式来满足生产设备恒压供水要求和空调冷冻水采用固定节流的方式实现调节室内温度的目的，造成了大量电能的浪费，减短了水泵和阀门的使用寿命。现改造为由PLC作为核心控制部件，由变频器和设备冷冻水泵组成恒压供水系统。空调冷冻水根据温差△T控制原理，由变频器，PID温差控制器，温度变送器，循环泵组成温差△T控制变频调速系统。现公司有4口水井，井水泵额定功率为75kW，采用工频恒速运行。井水统一供给两种制冷机组冷却水、其他车间用水、消防用水等。由于井水泵的自耦降压起动方式控制机构宠大，故障率高。现改造为由PLC控制一台软起动器分别起动4台井水泵的起动方式。2硬件配置设计选用一台PLC作为核心控制部件，控制井水泵的软起动，设备冷冻水恒压供水和空调冷冻水的变频调速。其中，PLC选用Siemens公司的s7-200，CPU选用S7-222，电源模块一块，数字扩展模块选用EM223 24VDC 16输入/16输出。共24个输入点，22个输出点。数字量输入主要有循环泵手/自动运行方式的切换，循环水泵和井水泵的手动启/停操作和井水流量反馈。数字输出点用于19点继电器输出和两个冷冻水系统故障报警和井水流量报警。变频器选用MicroMaster430系列2台，一台额定功率30kW，用于控制设备冷冻水循环泵，另一台额定功率37kW，用于控制空调冷冻水循环泵。MicroMaster430系列变频器是风机类和水泵类的专用变频器，它拥有内置PID调节器，可以提高供水压力的控制精度，改善系统的动态响应。软起动器选用SIRIUS 3RW40系列一台，额定功率75kW，用于软起动井水泵。PID温差控制器一台，选用Transmit（全仕）G-2508系列PID双路温差控制器，用于设定温差，并将PID处理后的4～20mA的模拟信号送至变频器。压力变送器一个，用于检测设备冷冻水的管网压力，并将压力信号反馈给变频器。温度变送器两个，用于检测蒸发器两端的温度，并将温度信号送至PID温差控制器。3控制方案设计设备冷冻水恒压供水控制方案设计控制原理如图2所示，设备冷冻水循环系统是一个密闭的系统，由1#，2#循环泵供水，供水压力要求在±。正常情况下，一台循环泵工频全速运转时，出水压力可达 Mbar。具有很大的裕量，为避免电能的浪费，将设备冷冻水循环系统设计为恒压供水系统。方案设计有手动/自动两种工作方式。在手动方式下，工作人员可以根据实际情况现场决定起/停水泵的变频运行，并设最高优先控制级，不受PLC的自动控制，以保证检修或出现故障时的安全使用。自动方式控制过程：将控制面板上设备冷冻水泵的手动/自动开关，打到“自动”档，由井水泵的运行给定PLC设备冷冻水泵的起动信号，PLC控制KM11吸合，并与变频器通信，由变频器1F软起动1#循环泵。压力变送器检测设备冷冻水管网压力，转化为4～20mA的模拟信号反馈至变频器1F，变频器1F通过内置的PID将检测压力与压力给定值进行比较优化计算，输出运行频率调节1#循环泵的转速。当压力变送器检测到的管网压力低于给定压力时，变频器输出频率上升，增加1#泵的转速，提高管网压力；反之，则频率下降，降低1#水泵的转速。为防止备用泵在备用期间发生锈蚀现象，在自动控制方式下，将1#、2#循环泵设置起始/停止周期，使其自动定时循环使用。为避免在水泵切换时，管网压力变化过大，应采取必要的起/停时间协调措施，以尽量保证水压的稳定，并在切换过程中，对压力检测信号进行一定延时的“屏蔽”，防止变频器在较高的压力信号下不起动。切换过程为：当设定的循环周期已到时，屏蔽压力检测信号。将正在运行的水泵的频率升至50Hz后切换为工频运行，之后将备用泵变频起动（备用泵与运行泵不固定），在频率升至30Hz时，切除工频泵，并取消对压力信号的屏蔽，恢复正常运行，如此循环。在水泵切换时为了防止KM11与KM12、KM21与KM22、KM11与KM22误动作同时吸合发生故障，须将它们电气互锁和程序互锁。当工作泵发生故障时，则立即停止工作泵，将备用泵投入变频运行，并输出声光报警，提示工作人员及时检修，当变频器发生故障时则停止水泵运行立即输出报警。空调冷冻水系统循环泵变频调速控制方案设计控制原理如图3所示，空调冷冻水系统的供回水温度之差反映了冷冻水从室内携带热量的情况。温差大，说明室内温度高，应提高冷冻水泵的转速，加快冷冻水循环；反之，温差小，说明室内温度低，可以适当降低冷冻水泵的转速，减缓冷冻水循环。一般中央空调冷冻水系统设计温差为5oC~7oC。通过温差△T控制，控制冷冻水系统的循环状态，可以降低能源损耗，延长水泵的寿命。此外，空调冷冻水系统是一个密闭的系统不必考虑恒压问题。差控制器和循环泵温差闭环变频调速系统，控制冷冻水泵的转速随着室内热负载的变化而变化。工作过程为：温度变送器1、2分别在空调机组蒸发器输入和输出端测得温度后，转换为4～20mA的标准信号送入PID温差控制器，经PID与给定温差值比较处理后，输出4～20mA的标准信号到变频器2F的模拟量输入端，变频器2F输出相应频率，调节循环水泵的转速，达到控制温度的目的，形成一个完整的闭环控制系统。系统设计为手动和自动两种控制方式手动方式工作过程与设备冷冻水泵手动工作方式类似自动控制过程为：将控制面板上的空调冷冻水循环泵手动/自动控制开关打到“自动”档，系统将在自动方式下运行，由井水泵的运行给定PLC空调冷冻水泵起动指令后，首先控制KM31吸合投入3#循环泵变频运行，由温度变送器1、2检测蒸发器两端的温度，并将温度信号送到PID温差控制器，PID温差控制器将检测到的温差与给定温差比较处理后的标准信号反馈给变频器2F。若检测到的温差大于温差给定值时，变频器2F提升输出频率，提高水泵的转速，加快冷冻水的循环；反之，则降低频率，降低水泵转速。在自动运行方式下，将3台水泵设定自动循环周期，定时自动循环使用。3台水泵的开闭顺序为“先开先关”的顺序，当室内热负荷加大时，若变频器2F的输出频率已升至50Hz，经一定延时（如20min），当检测温差值仍大于温差给定值时，通过PLC程序控制，把3#水泵切换为工频运行，再投入4#水泵变频运行，如此循环，直到变频运行5#水泵。当3台水泵被全部投入运行，且变频泵频率已至50Hz，经延时若频率仍没下降，则由PLC输出报警，提醒工作人员及时修改空调机组设定值；相反，当室内热负荷减小时，变频器2F降低输出频率，降低5#泵的转速，当频率降到20Hz时，若检测温差值仍低于温差给定值时，经延时（如20min），停止3#泵，依此类推。为保证变频器2F只控制一台水泵，将KM31、KM41和KM51电气互锁和程序互锁，同时须将KM31与KM32、KM41与KM42、KM51与KM52电气互锁。当变频器2F或水泵发生故障时，由PLC输出声光报警，提示工作人员及时检修。井水泵软起动控制方案设计如图1所示，利用PLC控制一台软起动器，即可分别起动4台井水泵.将井水泵的运行方式设计为手动方式。具体控制过程为：按下控制面板上相应的起动按钮，如按下6#泵起动按钮，PLC控制KM61吸合并运行软起动器，软起动6#井水泵。当软起动器起动完毕后利用其辅助触点反馈信号给PLC，PLC断开KM61并立即闭合KM62，将6#井水泵切入工频运行，并停止运行软起动器，依此类推。为防止软起动器同时起动两台以上的井水泵，须将KM61、KM71、KM81、KM91电气互锁和程序互锁，另须将KM61与KM62、KM71与KM72、KM81与KM82、KM91与KM92电气互锁，4 S7-200与MM430变频器的通信设置S7-200PLC作为核心控制部件，它有总线访问权，可以读取或改写变频器的状态，控制软起动器的运行状态，从而达到控制和监视设备运行状态的目的。系统采用总线式拓扑结构，两台变频器采用总线接插件连入总线。S7-200选用S7-222CPU，软件采用。采用西门子Profibus屏蔽电缆及9针D形网络连接头。利用S7-222的自由通信口功能，即RS485通信口。由用户程序实现USS协议与两台MM430变频器通信。在硬件连接完毕后，需要对两台MM430变频器的通信参数进行设置，如表1所示。5软件设计在应用设计中，PLC起到“总监总控”的角色，可以对两台变频器的状态进行查询和控制。程序首先将S7-222的通信口初始化为自由通信口方式，然后程序进入一个顺序控制逻辑功能块。控制顺序为：手动起动井水泵，在井水流量满足要求的情况下，自动运行设备冷冻水循环泵和空调冷冻水循环泵。在PLC的程序中设计了井水泵的手动软起动井水泵控制、设备冷冻水循环泵和空调冷冻水循环泵自动定时循环程序；同时设计了设备冷冻水循环泵和空调冷冻水循环泵的手动控制程序。在本系统中采用了变频器自身控制的方法，这样就省去了对PLC的PID算法的编程。6结论本系统设计实际应用运行一个夏季后，得出与上个季度循环水泵电能消耗数据及故障次数如表2所示。数据显示，系统改造后节能达30%以上，并且在春，秋、冬季节空调冷冻水循环泵的节能效果会更加明显，并且故障发生次数大幅下降。因此采用调速调节流量的方式，可以大幅度降低截流能量的损耗，具有显著的节能效果，并能延长水泵的寿命，提高系统运行的稳定性，降低生产成本，提高生产效率。参考文献[1]王仁祥,王小曼.变频器在中央空调中的应用.通用变频器选型,应用与维护.北京:人民邮电出版社,2002:176-202.[2]西门子有限公司.MM430通信设置.MICROMASTER430使用大全..[3]蔡行健.S7-200模块.深入浅出西门子S7-200PLC.北京:北京航空航天出版社,2003:95-125.[4]原魁,刘伟强.变频器基础及应用.北京:冶金工业出版社,2006.[5]罗宇航.流行PLC实用程序及设计(西门子S7-200系列).西安:西安电子科技大学出版社,2004.叮叮猫进士 回答采纳率: 2010-03-24 20:38 随着我国经济的高速发展，交流变频调速技术已经进入一个崭新的时代，其应用越来越广泛。而电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具，与人们的生活紧密相关。随着人们对其要求的提高，电梯得到了快速的发展，其拖动技术已经发展到了变压变频调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。通过对变频器和PLC的合理选择和设计，大大提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感，使电梯得到了较为理想的控制和运行效果。并利用旋转编码器发出的脉冲信号构成位置反馈，实现电梯的精确位移控制。通过PLC程序设计实现楼层计数、换速信号、开门控制和平层信号的数字控制，取代井道位置检测装置，提高了系统的可靠性和平层精度。该系统具有先进、可靠、经济的特色。该电梯控制系统具有司机运行和无司机运行的功能，并且具有指层、厅召唤、选层、选向等功能和具有集选控制的特点。关键词： 电梯； PLC； 变频调速； 旋转编码器ABSTRACTAs China's rapid economic development, exchange of VVVF technology has entered a new era, its application more widely. The elevator as a modern high-rise building the vertical transport, and is closely related to people's lives, as people raise their requirements, the lift has been the rapid development of its technology has developed to drag the PSA Frequency Control, the logic control Also by the PLC to replace the original control the PLC chip and a reasonable choice and design, Greatly improving the control of the elevator, the elevator and to improve the operation of comfort, so that the lift has been better control and operation results. And using a rotary encoder pulse a position feedback, and lift the precise control of displacement. PLC program designed to achieve through the floor count, for speed signal, to open the door of peace control of the digital control signals to replace Wells Road location detection devices, improving the reliability of the system accuracy of the peace. The system has advanced, reliable and economic elevator control system has run drivers and drivers operating without that manual and automatic features, and with that layer, called the Office for the election of the Commission to function, with election-control : lift ; PLC; VVVF; rotary encoder目 录1 绪论 PLC控制交流变频电梯的简介 电梯控制的国内外发展现状 题目选择的来源与意义 本文所做的主要工作 32 电梯设备的介绍 电梯设备 电梯的分类 电梯的主要参数 电梯的安全保护装置 53 变频器的选择及其参数计算 变频器的分类 变频器的选择 变频器品牌型号的选择 变频器规格的选择 选择变频器应满足的条件 VS-616G5型通用型变频器 变频器有关参数的计算 变频器容量的计算 变频器制动电阻的计算 114 PLC的选择及硬件开发 PLC简介 控制器件的选择 PLC的选择 轿厢位置的检测元件 PLC硬件系统的设计 设计思路 I/O点数的分配及机型的选择 215 系统软件开发 电梯的三个工作状态 电梯的自检状态 电梯的正常工作状态 电梯的强制工作状态 系统的软件开发方法确定 软件设计特点 软件流程 模块化编程 系统的软件开发 电路的开关门运行回路 电梯的外召唤信号的登记消除及显示回路 利用旋转编码器获取楼层信息 呼梯铃控制与故障报警 电梯的消防运行回路 36结 论 38致 谢 39参考文献 40附录 Ⅰ VS-616G5型变频器的常用参数 41附录 Ⅱ VS-616G5变频器主要参数设置表 42附录 Ⅲ 梯形图 43

浅析变频器发展和应用的趋势[摘要]随着变频控制理论和制造工艺的进一步发展，变频器的应用和发展将会朝着以下方向发展：矩阵变频器的出现和推广；网络化配置的变频器将成为主流；同步电动机的变频应用将得到更为迅猛的发展。 [关键词]矩阵变频器 网络化配置变频器 同步电机 一、矩阵变频器的出现 多年来，电气传动专家一直都在讨论关于“矩阵变换”技术的变频器将会是下一代变频器。几个主要的传动供应商包括罗克韦尔、西门子等都在研究该项技术。舆论一直认为：尽管矩阵变频器具有非常诱人的前景，但是由于成本太高而无法在目前进行商业化应用。 从原理上讲，矩阵变频器使用了一组电力半导体开关，按照预定的数学算法控制开关顺序，并直接连接到三相电机上。在安川矩阵变频器中有9个开关，每一个都有2个IGBT组成双向开关，能允许正向电压和负向电压通到电机上。IGBT数量的增加是导致矩阵变频器造价昂贵的其中一个因素。 矩阵变频器使用了三相电压输入来控制输出电压，这就不仅能吸收任何电流杂波，也能提供一个清洁的输出电压，也就是说“可以有效地进行输入电源电流控制与输出电压控制”。这也是矩阵变频器吸引人们的一个重要点：能大大降低输入电流谐波的产生，只有大约传统交-直-交变频器的20%以下。而且矩阵变频器的电流几乎是正弦波，即使在带载情况下，也是如此。当有再生发电时，电流能以180°转换并反馈到电网中，而且也是以正弦波方式。在再生制动方式的工作中，矩阵变频器不需要制动电阻或特殊的变换器。反馈回的电亦无需额外的设备(如变压器等)进行处理。总之，传动能在四象限高效率地运行。 另外，一个吸引点就是矩阵变频器去掉了直流电容，作为有一定寿命地铝电解电容，交—直—交变频器就必须在一定年限更换电容，如5~8年，矩阵变频器就能长时间可靠工作。 在安川的计划中，矩阵变频器将逐步覆盖400V的，直至75kW，当然也有200V级的变频器。至于价格策略目前尚未公布，但基本上为目前通功率段传统变频器的2倍左右。 二、以网络配置为主的系统化 变频器的网络化配置主要基于三个层面：设备层、控制层和信息层。其中变频器做为执行器，可以配接最基本的RS232/RS485串行通讯协议、Profibus等的现场总线协议以及Internet局域网协议。针对不同的控制系统和不同的用户要求，配置和选用不同的网络协议。 网络化配置的变频器具有以下显著的特点： (1)高精度的频率设定； (2)远程控制与工厂信息化的基本要素； (3)远程诊断系统。 通过网络设定频率是一种高精度的频率设定，其具有通讯速率高，稳定可靠，接线简单等优点，而且在模拟量控制时，输出端经过一个数模转换器，经过导线，进入输入端(变频器)又经过一个模数转换器才能参与控制。两个转换器位数不同和导线损耗都可能造成一定误差，而通讯传递直接是数字量，不需要转换，没有误差，在传输过程中不会造成损耗，而且响应速度率也会很高。 变频器经常被用于系统复杂、工作环境恶劣、高负荷、长时间运行的工况中，如无人值守泵站、油田磕头机等。变频器故障率在这种环境中自然，比较高，一般都采取事后维修的方式进行，随着电子技术的发展，传统的维修方式将变为故障预报和整机在线维修。有必要对其实现在线工作状态的监测以及常规故障机理的综合分析研究，以便对其故障的事先诊断分析。目前大功率变频器的故障诊断、远程监控系统及智能控制方面取得了较大进展，并已经投入实际运行。请登陆：输配电设备网浏览更多信息 在网络化日益普及的今天，与普通的点对点硬线连接方式而言，通过高速通讯连接的变频器系统可以最大程度上降低系统维护时间、提高生产效率、减少运行成本。目前安装的现场总线模块有ProfibusDP、Interbus、DeviceNet、CANOpen和ModbusPlus等。用户可以有更大的自由根据生产过程来选择PLC型号和品牌，并非常简单地集成到现有地网络中去。而且通过现场总线模块，可以不考虑变频器的型号，而以同一种语言来与不同功率段、不同型号地变频器进行组构，如功率、速度、转矩、电流、设定值等。 由于采用了通讯方式，可以通过PC机来方便地进行组态和系统维护，包括上传、下载、复制、监控、参数读写等。 以SEWMOVIDRIVE变频器为例，它可以如图2组成WAGO-I/O系统，利用后者地现场总线技术进行通讯互联。这种连接方式能通过WAGO的可编程总线控制器PFC实现变频器到网络控制主机之间的输入数据过程、输出数据过程的交换。而且，总线互联方式可以通过WAGO公司专用的软件功能块()方便地进行变频器参数的读龋该方式能在最大程度上降低变频器系统的构建成本。三、同步电机的配合应用 交流同步电动机已成为交流可调速传动中的一颗新星，特别是永磁同步电动机，电机是无刷结构，功率因数高、效率也高，转子转速严格与电源频率保持同步。同步电机变频调速系统有他控变频和自控变频两大类，自控变频同步电机在原理上和直流电机极为相似，用电力电子变流器取代了直流电机的机械换向器，如采用交-直-交变压变频器时叫做“直流无换向器电机”或称“无刷直流电动机”。传统的自控变频同步机调速系统有转子位置传感器，现正开发无转子位置传感器的系统，且已经取得重大进步和在市场的成功应用。同步电机的他控变频方式也可采用矢量控制，其按转子磁场定向的矢量控制比异步电机简单。 采用同步电机的最有效特点： (1)大大降低电机尺寸； (2)高效率的转矩输出； (3)无编码器运行。 目前大多数的纸机需要安装速度编码器来反馈电机转速，而且编码器也被证明是可靠的。但是安装的编码器由于是采用轴承需要常规定期性的维护保养和润滑，在一个大型的纸机(如50个传动)上每隔一定的周期还必须更换所有的编码器以防止意外的由编码器故障引起的纸机停机。从这个层面上来说，无编码器的运行自然是同步电机直接传动的一个优点和着眼点。 电机的实际速度是需要同时反馈和监测的，一个计算电机速度的新方法已经在ACSDTC得到发展和应用。为ABB造纸部门对直接传动的37kW永磁电机进行测试得出的波形曲线。上面的2条曲线是表示经速度编码器测量的数据和通过变频器计算出来的数据。从图中可以看出两条曲线几乎是一致的，即使在动态扰动中也是少有偏差。第3条曲线是表示电机由于突加负载产生的电机转矩，该负载的变化大概是正常负载的1/3，以表示在电机在正常运行下突然有一个大的变化。将ABB传统的交流传动纸机改造成一个直接传动的纸机系统是非常简单的，纸厂需要购买新的直接传动部分的电机，同时将ABB的常规变频器ACS600通过下载PM-DTC软件来升级，而且新的直接传动的系统可以与现 有的交流或直流传动同时正常运行。总而言之，用户将从直接传动中获益。 参考文献： [1]王廷才.变频器原理及应用[M].机械工业出版社，2005. [2]张选正，张金远.变频器应用经验[M].国电力出版社，2006. [3]吴忠智，吴加林.变频器应用手册[M]，机械工业出版社，2007.