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作者簡(jiǎn)介：陳慶（1978-），浙江杭州人，助理工程師，本科，學(xué)士，研究方向?yàn)樽冾l器應(yīng)用與發(fā)展。

    摘 要：本文對(duì)LS產(chǎn)電iS7變頻器的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)作簡(jiǎn)單描述，著重介紹了iS7系列變頻器在起吊行業(yè)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

    關(guān)鍵詞：變頻器；提升；走行；PLC；磁通矢量控制


    Abstract：This paper describes the characters and advantages of LS frequency converter as well as its application to control hoist and riding of crane.

    Key words：Frequency converter；Pre-limited；limited；PLC；Flux vector control

1 引言

    隨著電力半導(dǎo)體，計(jì)算機(jī)以及變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，變頻器已經(jīng)在電氣傳動(dòng)控制領(lǐng)域得到了普通認(rèn)同和廣范應(yīng)用。其本身具有的高動(dòng)態(tài)、高性能、高品質(zhì)、大容量、節(jié)能等顯著特點(diǎn)，使其迅速取代了變極，串阻等控制方式，并在各傳動(dòng)行業(yè)里得到了推廣和發(fā)展。由于傳動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合不同，控制對(duì)像不同，變頻器往往需要對(duì)控制I/O及其功能進(jìn)行擴(kuò)展。如何在提供高效安全的控制性能的同時(shí)，提供更靈活的系統(tǒng)搭建平臺(tái)，更人性化的控制接口成為各大變頻器廠商努力的方向。

    LS產(chǎn)電于2008年推出了新一代變頻器iS7系列，采用了先進(jìn)的磁通矢量控制技術(shù)，具有低頻轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣，速度控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，更因?yàn)槠湄S富的選件，使iS7更容易在各應(yīng)用中靈活使用。由于起吊行業(yè)對(duì)變頻器性能要求較高，下面將重點(diǎn)介紹iS7在起吊行業(yè)中的普通應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，并以此展現(xiàn)iS7的靈活擴(kuò)展性。

2 起吊應(yīng)用與功能

    起吊行業(yè)應(yīng)用中通常有兩種功能控制：提升和走行。有三種可能的控制方式（四段速，三位置，或模擬量），并帶有預(yù)限位和限位開關(guān)。對(duì)于提升應(yīng)用，為獲得更好的轉(zhuǎn)矩性能與安全性，應(yīng)使用編碼器反饋。

（1）提升控制中通常有如下幾個(gè)重要要求：

·提升的同步控制。

·快速平滑啟動(dòng)，電機(jī)的快速預(yù)勵(lì)磁和精確的抱閘控制。

·快速平滑制動(dòng)和制動(dòng)斬波器的控制。

（2）走行控制中應(yīng)提供高性能邊緣控制

    使起吊車輛能快速安全進(jìn)入邊緣位置?？紤]到可能對(duì)負(fù)載的損壞，起吊車輛在全速進(jìn)入邊緣位置時(shí)不會(huì)產(chǎn)生急拉動(dòng)作。
這些要求需要變頻器具有低速大轉(zhuǎn)矩、精確的速度控制、轉(zhuǎn)矩跟隨、預(yù)勵(lì)磁、準(zhǔn)確的抱閘控制算法，平滑加減速控制等高性能要求。iS7俱備了上述優(yōu)點(diǎn)，更突出了人性化的拓展性。

3 iS7簡(jiǎn)介

    作為L(zhǎng)S產(chǎn)電2008年推出的新一代變頻器，iS7集成了風(fēng)機(jī)水泵、擺頻、PID、自動(dòng)順序及用戶自定義等應(yīng)用宏。就起吊應(yīng)用而言，iS7具有如下特點(diǎn)：

·除常用的開環(huán)V/F控制外，可選用帶編碼器的V/F控制，無傳感矢量控制以及有傳感矢量控制。

·永磁同步電機(jī)的無傳感矢量控制。適用于采用永磁同步電機(jī)的提升領(lǐng)域

·采用無傳感矢量控制時(shí)，速度控制范圍可達(dá)1:100，0.1Hz時(shí)輸出150%轉(zhuǎn)矩。

·采用帶速度反饋的矢量控制時(shí)，全速度區(qū)間內(nèi)包括零速可達(dá)200%以上的轉(zhuǎn)矩性能，速度控制范圍1:1000。

·除常用的制動(dòng)方式，更提供磁通制動(dòng)功能。將制動(dòng)單元效率最大化。

·內(nèi)置RS485及MODBUS通訊

·可同時(shí)擴(kuò)展通訊，I/O，及應(yīng)用選件模塊

·PLC選件模塊，采用Master-K編程平臺(tái)，用戶可使用或自行設(shè)計(jì)特殊的應(yīng)用。

·內(nèi)置EMC及直流電抗器

4 設(shè)計(jì)方案

    由于變頻器主電路的通用性，本方案不對(duì)主電路進(jìn)行詳細(xì)敘述，主要從控制電路與功能上介紹iS7的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。考慮到應(yīng)用的通用性，本方案可以對(duì)前面提到的三種控制方式進(jìn)行接口，并對(duì)變頻器進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)置，以滿足性能要求。由于iS7已經(jīng)提供了PLC選件模塊，只需進(jìn)行一次編程即可作為起吊通用應(yīng)用宏提供給較簡(jiǎn)單的起吊系統(tǒng)，或作為控制系統(tǒng)的接口進(jìn)行擴(kuò)展。因此本方案是基于iS7的PLC選件模塊而設(shè)計(jì)的通用起吊控制系統(tǒng)。

4.1 PLC選件模塊及接口定義

    PLC選件模塊自身帶6個(gè)數(shù)字輸入，4個(gè)繼電器輸出，加上變頻器本體8個(gè)數(shù)字輸入，和2個(gè)繼電器輸出，1個(gè)開路集電極輸出，總共可擴(kuò)展14個(gè)數(shù)字輸入和7個(gè)數(shù)字輸出。根據(jù)起吊應(yīng)用的要求，可以將接口如下表定義。
4.2 四段速控制

    段速控制是指控制臺(tái)操作桿處于不同位置（速度段）時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速有不同的速度要求。起吊應(yīng)用中一般采用四段速度。控制接線如圖1所示。
4.3 三位置控制

    位置控制是指控制臺(tái)操作桿處于不同位置時(shí)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的處理不同。起吊應(yīng)用中一般采用三位置控制：空檔、速度保持、加速?？刂平泳€如圖2所示。
4.4 模擬量控制

    模擬量控制是指控制臺(tái)操作桿采用電壓模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。控制接線如圖3所示。

4.5 編碼器反饋

    走行控制時(shí)，可以采用無傳感矢量控制，在一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)走行電機(jī)時(shí)，應(yīng)采用V/F控制。但提升控制時(shí)，為得到更好的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性及安全性，應(yīng)采用有傳感矢量控制，此時(shí)可以采用iS7的編碼器選件模塊。此模塊提供三種電源（5/12/15V），線性和開路集電極接口，最大頻率至200kHz。使用時(shí)只需根據(jù)采用的編碼器類型根據(jù)說明書接線與設(shè)置參數(shù)即可，這里不再進(jìn)行詳細(xì)描述。

4.6 機(jī)械抱閘

    機(jī)械抱閘主要是實(shí)現(xiàn)從運(yùn)行到停止或反之過程中的平滑過渡。機(jī)械抱閘通過選擇變頻器本機(jī)上的繼電器1功能“抱閘”來實(shí)現(xiàn)。在非矢量控制的情況下，iS7抱閘控制順序如下：

    停機(jī)狀態(tài)下接受到運(yùn)行指令后，變頻器在輸出頻率和電流滿足釋放頻率和釋放電流時(shí)，通過抱閘繼電器輸出抱閘釋放信號(hào)，并保持釋放頻率輸出，延遲釋放時(shí)間后開始加速。運(yùn)行狀態(tài)下接收到停止指令后，開始減速，達(dá)到抱閘頻率時(shí)輸出抱閘信號(hào)并保持抱閘頻率輸出，延遲抱閘時(shí)間后停止輸出。

    在矢量控制情況下，抱閘控制順序如下：

    停止?fàn)顟B(tài)下接受到運(yùn)行指令后開始預(yù)勵(lì)磁，預(yù)勵(lì)磁時(shí)間結(jié)束后輸出抱閘釋放信號(hào)，并延遲抱閘釋放時(shí)間后開始加速。運(yùn)行狀態(tài)下接收到停止信號(hào)后，開始減速至零速時(shí)輸出抱閘信號(hào)。延遲抱閘時(shí)間后停止輸出。

    根據(jù)應(yīng)用情況，合理設(shè)置抱閘控制參數(shù)，變頻器本體可以很好的完成抱閘操作。需要注意的是，為快速響應(yīng)故障情況，可以將故障繼電器與抱閘繼電器串聯(lián)在抱閘控制回路中。

4.7 （預(yù)）限位開關(guān)

    通過（預(yù)）限位開關(guān)發(fā)送的信號(hào)，變頻器可以平滑安全的在邊緣點(diǎn)停車。預(yù)限位開關(guān)應(yīng)使用常閉觸點(diǎn)，并在到達(dá)相應(yīng)位置時(shí)打開。

    如果僅預(yù)限位開關(guān)激活，變頻器控制電機(jī)以點(diǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速或預(yù)置轉(zhuǎn)速1向相對(duì)應(yīng)的限位開關(guān)方向運(yùn)行，或以任意轉(zhuǎn)速向反方向運(yùn)行。

    限位開關(guān)激活時(shí)，變頻器停止并進(jìn)行抱閘動(dòng)作或僅允許以任意轉(zhuǎn)速向反方向運(yùn)行。

4.8 快速反向

    提升過程時(shí)，控制器若切換至反向，變頻器將以第二減速時(shí)間控制電機(jī)快速減速和反向，并在到達(dá)零速后以第二加速時(shí)間反向加速至點(diǎn)動(dòng)速度。然后根據(jù)控制器的位置加速至相應(yīng)轉(zhuǎn)速。

4.9 主要程序流程圖

    根據(jù)上述控制功能要求，PLC主要控制程序流程如圖4所示。




5 總結(jié)

    實(shí)際應(yīng)用中，iS7以及內(nèi)置起吊應(yīng)用宏的PLC模塊很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)提升和走行的控制。但本方案的程序中未對(duì)提升過程中會(huì)出現(xiàn)的掉落危險(xiǎn)加以考慮，掉落危險(xiǎn)以外部故障方式送往變頻器作為故障處理。但為安全考慮，此危險(xiǎn)的處理不應(yīng)依靠變頻器本身，而應(yīng)采用獨(dú)立的處理單元，如PLC模塊。在改進(jìn)方案里，起吊應(yīng)用宏將增加這一功能，主要通過比較當(dāng)前轉(zhuǎn)速參考的方向和大小與編碼器實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)速方向與大小決定是否處于掉落危險(xiǎn)，并輸出掉落信號(hào)，此信號(hào)與故障、抱閘觸點(diǎn)串聯(lián)作為抱閘控制回路的一部份。另外使用預(yù)勵(lì)磁、直流啟動(dòng)、磁通制動(dòng)功能時(shí)，可以使電機(jī)快速響應(yīng)運(yùn)行指令和快速平滑的停車，但應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)此時(shí)電機(jī)溫升較高，需加裝獨(dú)立風(fēng)扇對(duì)電機(jī)散熱，考慮到安全性可以將電機(jī)熱阻信號(hào)連接至iS7作為故障保護(hù)。

    總體上來看，iS7在提升和走行控制上的性能及功能表現(xiàn)較突出，其PLC模塊選件使iS7不僅在I/O口上，更在應(yīng)用功能上可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，編碼器模塊提供的豐富接口也能滿足絕大多數(shù)不同類型的編碼器需要。本文以起吊行業(yè)為例，給出了iS7可擴(kuò)展的起吊應(yīng)用通用宏方案。事實(shí)上由于PLC模塊的靈活性，用戶或設(shè)計(jì)者可以針對(duì)不同的應(yīng)用情況，開發(fā)出更豐富的專用或通用應(yīng)用宏，組建成本更低的系統(tǒng)。