变频器在掣止力检测装置中的应用

陈祥龙　刘泽铮

【摘 要】本文分析了掣止力检测装置的现状及存在的不足， 概述了变频器及变频技术。通过介绍掣止力检测装置设备组成及工作原理，重点分析了利用变频器、采用变频调速技术在掣止力检测装置中的应用。

【关键词】变频器；掣止力；变频调速

1.掣止力检测装置现状及存在的不足

现有掣止力检测装置传动机构由绕线式异步电动机驱动，在常规传动控制中，采用转子串接电阻的调速方式。但由于工作环境差，粉尘和有害气体对电机的集电环、电刷和接触器腐蚀性大，加上冲击电流偏大，容易造成电动机触头烧损、电刷冒火、电动机及转子所串电阻烧损和断裂等，影响现场生产和安全，维修量和产生的维修费用也很高。且该调速方式机械特性较差 ，调速不够平滑，所串电阻发热浪费能量。综上所述，常规调速方式存在的主要缺点有：

（1）拖动电动机容量大，起动时电流对电网冲击大，电能浪费严重。

（2）机械冲击较大，机械设备使用寿命缩短，设备运行可靠性较低。

（3）电动机一直在额定转矩下工作，而每次负载是变化的，因此容易造成比较大的电能浪费。

（4）由于绕线式电机调速是通过电气驱动系统中的主要控制元件——交流接触器来接入和断开电动机转子上串接电阻的，切换十分频繁，在电流较大的状态下，容易烧坏触头；同时因工作环境恶劣，转子回路串接的电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂。

（5）在加速驱动负载的瞬间，电动机有时会受力不均匀 ，易过载，驱动装置损坏。

（6）由于负载较大，电器元件和电动机处于大电流工作状态，降低了电器元件和电动机的使用寿命。

针对上述技术存在的不足，用变频器技术取代继电器—接触器控制。交流电动机调速采用变频调速方式，从而实现掣止力检测装置控制性能的飞跃。

2.变频器及变频技术

变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代以后，电力电子器件经历了SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管）的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM-VVVF）调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并获得了广泛应用。

3.设备组成及工作原理

3.1设备组成

掣止力检测装置由基座、中心导向杆、推力杆、储能弹簧、变频调速系统、减速机构、执行电机等组成。

3.2工作原理

伺服系统通过减速机构减速后，将运动和能量传递到储能弹簧，经储能弹簧储能后由推力杆向被测物体施加压力，同时压力传感器实时采集压力信号。在检测过程中，压力传感器实时采集压力信号，该压力信号通过下位机TMS320F2812处理器内置AD转换器进行AD转换后，数据上传到上位机，上位机对数据进行处理后，得到掣止力检测结果，完成掣止力检测任务。

4.变频调速系统设计

4.1变频器选型

在掣止力检测装置中，为了保证检测结果的准确性， 变频调速系统必须对被测物体有良好的控制性能。变频器有四种控制方式：保持V/F恒定、保持输出转矩为常数（恒转矩调速）、保持输出功率为常数（恒功率调速）及矢量控制， 其中矢量控制是基于电动机的动态数学模型分别控制电机的转矩电流和励磁电流，具有与直流电动机相类似的控制性能。由于异步电动机只有定子绕组和外部电源相接，在定子绕组中流过定子电流，而转子电流隐含在转子绕组之中，因此定子电流包括两个分量：励磁电流分量和转子电流分量。并且异步电动机所产生的电磁转矩和定子电流并不成比例，定子电流大并不能保证电机的转矩大。但是，根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同的形式，因而如果选择矢量控制策略，异步电动机应能得到和直流电动机相类似的控制性能，所以本设备采用的变频器应具有矢量控制功能。斯奈德公司生产的ATV302系列异步电机变频器具有无传感器的磁通矢量控制恒定转矩功能。在同类产品中，它对异步电动机具有更好的控制性能，故本装置采用该系列异步电机变频器。根据所测掣止力大小及减速机构转速比，本装备采用功率为5.5千瓦的三相异步电机YBPT-132S-4作为执行电机，故选用ATV302HU55N4变频器（最大功率可以到达7.5千瓦）作为电机调速变频器。

4.2变频器外部电路设计

采用斯奈德交流接触器LC1-D1810（24V） 对变频器电源及三相异步电机风扇电源进行接通和断开控制。选取三相进线电抗器HKSG2-0.8来限制变频器三相进电网两侧的电压降。选取滤波器DL-10EBL作为变频器的输出滤波器。输出滤波器不但能有效滤除变频器输出电流中的高次谐波，减小由高频谐波引起的附加转矩，降低电机温升及电机运行噪音，而且能有效抑制变频器的输出侧的浪涌电压，保护电机，提高变频调速系统的功率因数。TMS320F2812处理器对变频器逻辑输入口进行控制，实现对三相异步电机进行变频调速控制。详细电路如图1所示。

图1 变频器外部电路原理图

4.3变频器功能的设置

（1）变频调速方式。

设置变频器控制方式为无传感器的磁通矢量控制恒定转矩应用模式；设置控制类型为2线控制，使用逻辑输入口LI1、LI2作为工作方向转换检测控制， LI1为正向控制输入口， LI2为反向控制输入口；配置逻辑输入口LI3、LI4及LI5作为预置速度输入口，上位机通过下位机来控制预置速度输入口的电平，实现对执行电机的变频调速控制。预置速度输入组合如表1所示。

表1预置速度输入组合表

（2）电机控制。

根据所选三相异步电机YBPT-132S-4各项指标来设置变频器相关参数。设置标准电机频率参数为50Hz；设置电机额定电压参数为400V；设置电机额定速度为1500RPM；需特别注意的是：如果电机铭牌上不是额定速度，会标出同步转速和以Hz或百分比表示的转差，按照下列公式计算额定速度：

●额定速度=同步转速×（100-以百分比表示的转差）÷100

●额定速度=同步转速×（50-以Hz表示的转差）÷50（50Hz电机）

●额定速度=同步转速×（60-以Hz表示的转差）÷60（60Hz电机）

（3）其他主要功能参数设置。

其他主要功能参数如表2所示设置：

表2主要功能参数表

5.结束语

掣止力检测装置变频调速系统采用磁通矢量控制，稳定性好、响应快、可靠性高，是一种理想的交流调速系统。掣止力检测装置变频器驱动后，整机性能有较大提高，如检测结果更加精确；效率高、操作灵活；推行平滑稳定；电动机构造简单、可靠性高，极大地改善了维护性能；完善的保护功能减少了设备故障，提高了安全性能；变频器可以减少起动时对电网的冲击，提高了电网的用电质量。

【参考文献】

[1]张燕宾.SPWM变频调速应用技术（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]杜金城.电气变频调速设计技术[M].北京：中国电力出版社，2001.