張婧如,蔡興國,董兵斌,段望春
(1.四川航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川成都 610100;2.青海百通高純材料開發(fā)有限公司,青海西寧 810000;3.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院,甘肅 蘭州 730030)
為了滿足工業(yè)快速發(fā)展和自動化水平的要求,可編程控制器(簡稱PLC)與變頻器聯(lián)機(jī)已普遍應(yīng)用在工業(yè)控制場合??删幊炭刂破鞯墓δ芙Y(jié)構(gòu)區(qū)由CPU(中央處理器)、存儲器和輸入輸出模塊三部分組成[1]。S7-200PLC 屬于西門子微型 PLC,它同其他PLC一樣,可以方便地對變頻器進(jìn)行編程控制。
變頻器分為交-交變頻器和交-直-交變頻器兩大類。交-交變頻器是將工頻交流電直接變換成電壓和頻率可調(diào)的交流電,也稱直接式變頻器,而交-直-交變頻器是將工頻交流電先通過整流電路變成直流電,然后將直流電變換成電壓和頻率可調(diào)的交流電,它又叫間接式變頻器。目前應(yīng)用比較廣泛的是交-直-交變頻器,其主電路組成部分有整流電路、中間電路和逆變電路,控制電路主要有主控電路、信號檢測電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路、控制電源等[2]。
PLC與變頻器聯(lián)機(jī)組成的控制系統(tǒng),具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、易于參數(shù)設(shè)置、易于安裝調(diào)試、PLC和變頻器 I/O接口模塊豐富、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點[3]。選用西門子 S7-200系列 CPU226PLC 和MM440變頻器聯(lián)機(jī)實現(xiàn)異步電機(jī)多段速自動控制。
三相異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為式(1),而異步電機(jī)的軸輸出轉(zhuǎn)速為式(2):
式中:n為電機(jī)軸轉(zhuǎn)速,r/min;n0為同步轉(zhuǎn)速,r/min;f1為電機(jī)定子頻率,Hz;p為磁極對數(shù);s為異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率。
可看出,通過改變電機(jī)磁極對數(shù)、供電頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率,可以改變電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速。對異步電動機(jī)進(jìn)行控制時,希望電動機(jī)的主磁通保持額定值不變,比較便捷的調(diào)速途徑就是通過改變異步電機(jī)的供電頻率,實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速運行[4]。
但是,對于一個實際的交流調(diào)速控制來說,不單單是改變頻率,這是因為當(dāng)電動機(jī)電源頻率改變時,電動機(jī)內(nèi)部阻抗也隨之發(fā)生改變,從而引起勵磁電流的變化,使電動機(jī)出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強(qiáng)的情況。在勵磁不足的情況下電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降,難以正常運轉(zhuǎn),勵磁過強(qiáng)時電機(jī)將出現(xiàn)磁飽和,造成電機(jī)功率因數(shù)和效率下降[5]。
(1)基頻以下恒磁通變頻調(diào)速
在基頻(電動機(jī)額定頻率)以下,為了保持電動機(jī)負(fù)載能力恒定,應(yīng)保持氣隙磁通量Φ不變。這就要求降低供電頻率的同時降低感應(yīng)電動勢E1,保持E1/f1=常數(shù),這種控制稱為恒磁通變頻調(diào)速,屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。但是在實際控制系統(tǒng)中,感應(yīng)電動勢E1很難直接檢測和直接控制[6],因此,可以近似地保持定子電壓U1和頻率f1比值恒定。變頻調(diào)速時的U1-f1曲線如圖1所示。圖中曲線1為U1/f1=常數(shù)時的電壓頻率關(guān)系;曲線2為有補(bǔ)償時近似地E1/f1=常數(shù)時的電壓、頻率關(guān)系。
圖1 變頻調(diào)速時的U1—f1曲線
(2)基頻以上弱磁變頻調(diào)速
當(dāng)頻率大于額定頻率時,電壓U1定于額定電壓U1N,這樣必然會使主磁通φ隨著f1的上升而減小,即為弱磁變頻調(diào)速[7]。異步電機(jī)整段頻率調(diào)速過程的控制特性如圖2所示。
如果電動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時所帶的負(fù)載都能使電機(jī)電機(jī)電流達(dá)到額定值,即能在允許溫升下長期運行,則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化而變化[8]。按照電力拖動原理,在基頻以下,磁通恒定,轉(zhuǎn)矩恒定,屬于“恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速”,而在基頻以下,頻率升高時,磁通量減小,電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降,屬于“恒功率變頻調(diào)速”。
圖2 異步電動機(jī)變頻調(diào)速特性曲線
本設(shè)計中,按照澆注錠模數(shù)量為連續(xù)三塊,澆注時間為12 min,每塊錠模澆注時間為3 min。根據(jù)澆注速度,澆注過程中,變頻器頻率為15 Hz,圖3為定點澆注系統(tǒng)多段速自動控制的時序圖。
圖3 定點澆注工藝時序圖
根據(jù)計算驅(qū)動電機(jī)容量選擇18.5 kW三相異步電機(jī),考慮到系統(tǒng)工作溫度、海拔對變頻器的降容作用,選擇MM440變頻器容量為22 kW,變頻器選用西門子S7-200系列PLC226CN??刂葡到y(tǒng)由無線遙控器發(fā)送命令,接收器接收到相關(guān)命令后啟動PLC輸入繼電器,PLC輸出繼電器與MM440變頻器控制回路通信實現(xiàn)電機(jī)的多段速自動自動控制。系統(tǒng)硬件電路如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)硬件電路圖
變頻器的輸入側(cè)為整流回路,它具有非線性,使輸入電源的電壓波形和電流波形發(fā)生畸變,當(dāng)變頻器同時接入網(wǎng)絡(luò)中,在晶閘管換向時,將造成變頻器輸入電壓波形畸變,另外,配電網(wǎng)絡(luò)三相電壓不平衡也會使變頻器的輸入電壓和電流波形發(fā)生畸變,因此,在硬件電路中設(shè)有抗干擾措施。
表1 4段速與數(shù)字量輸入端子的狀態(tài)關(guān)系
根據(jù)變頻器參數(shù)設(shè)定,使得變頻連續(xù)輸出30 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz 四段速。系統(tǒng)軟件程序按照澆注工藝順序執(zhí)行,表1為4段速與數(shù)字量輸入端子的狀態(tài)關(guān)系。
定點澆注系統(tǒng)環(huán)境具有強(qiáng)磁場、高溫等因素,加上變頻器本身易產(chǎn)生干擾,所以,系統(tǒng)在硬件電路與軟件程序上都設(shè)計有抗干擾措施,表2為PLC的I/O配置。
表2 PLC的I/O配置
變頻器停車方式設(shè)置為自由停車,啟動時間根據(jù)負(fù)載情況設(shè)定。系統(tǒng)主程序包括變頻器控制以及多段速相互切換程序。
LD I0.0 變頻器啟??刂?/p>
O M0.0
AN I0.1
= M0.0
LD M0.0 變頻器上電
= Q0.0
LD I0.2 變頻器多段速控制(澆注開始/停止控制)
O M0.1
A M0.0
AN T45
AN I0.3
= M0.1
LD M0.1 變頻器端子5為高電平,變頻器正轉(zhuǎn)信號
AN T43
= Q0.1
LD M0.1 變頻器端子6接通,輸出正轉(zhuǎn)30 Hz的信號
AN T37
= Q0.2
LD T37 變頻器端子7接通,輸出正轉(zhuǎn)15 Hz的信號
AN T38
LD T39
AN T40
OLD
LD T41
AN T42
OLD
= Q0.3
LD T38 變頻器端子8接通,輸出正轉(zhuǎn)20 Hz的信號
AN T39
LD T40
AN T41
OLD
= Q0.4
LD T44 變頻器端子5為低電平,
AN T45 端子16為高電平,輸出反轉(zhuǎn)25 Hz的信號
= Q0.5
LD M0.1 控制變頻器輸出頻率切換時間
TON T37,300
TON T38,2100
TON T39,2220
TON T40,4020
TON T41,4140
TON T42,5940
TON T43,6000
TON T44,6600
TON T45,7200
在高溫強(qiáng)磁場環(huán)境中,PLC聯(lián)機(jī)變頻器可以實現(xiàn)鐵合金鑄造過程的定點澆注系統(tǒng)的多段速自動控制,無線遙控器準(zhǔn)確控制PLC正常工作,實現(xiàn)變頻器的多段速調(diào)速的開環(huán)控制。通過工業(yè)運行驗證了設(shè)計的PLC聯(lián)機(jī)變頻器的控制系統(tǒng)具有抗強(qiáng)磁場干擾、控制方便、運行穩(wěn)定的優(yōu)點,可以在鐵合金澆注成形設(shè)備上推廣應(yīng)用。
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[6] 王廷才.變頻器原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.
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