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)

0 引言

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。

1 變頻器調(diào)速的基本原理及控制方式

1．1 變頻調(diào)速的基本原理

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］。

1．2 變頻調(diào)速控制方式

(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

2 定點澆注系統(tǒng)工藝要求

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

3 硬件電路設(shè)計

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。

4 系統(tǒng)控制程序設(shè)計

4．1 PLC的I/O配置

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

4．2 系統(tǒng)程序設(shè)計

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

5 結(jié)語

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。

［1］ 廖常初．PLC編程及應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2015．

［2］ 鄭鳳翼．西門子PLC與變頻器控制電路識圖自學(xué)通［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2013．

［3］ 龔仲華．S7－200/300/400PLC應(yīng)用技術(shù)—提高篇［M］．北京:人民郵電出版社，2008．

［4］ 徐 海．施利春．變頻器原理及應(yīng)用［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2015．

［5］ 劉淑榮，龐 偉．基于PLC開關(guān)量控制的變頻器開環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)［J］．長春工程學(xué)院學(xué)報，2008，9(3):30－32．

［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．

［7］ 張勝峰，吳志敏．西門子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應(yīng)用教程［M］．第二版．北京:中國電力出版社，2013．

［8］ 魏召剛．工業(yè)變頻器原理及應(yīng)用［M］．(第二版)．北京:電子工業(yè)出版社，2011．