變頻器控制功能的參數(shù)選擇與典型應(yīng)用
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4 工藝過程閉環(huán)控制方式
傳統(tǒng)的v/f控制實際上是一種角速度的控制模式，而閉環(huán)速度控制是通過對實際角速度的檢測的一種調(diào)節(jié)控制。但是，在現(xiàn)實的許多應(yīng)用場合，顯然，我們并不只關(guān)心電機的速度，而可能更多地要關(guān)注生產(chǎn)工藝過程中的某些被控對象的參數(shù)測量值，這些參數(shù)包括：溫度、壓力、流量、液位等信號。比如，在混配料系統(tǒng)中，我們可能需要關(guān)心某種配料的質(zhì)量或流量，而這個量卻并不直接與電機的速度成正比例或反比例關(guān)系，這是工藝閉環(huán)過程控制與上面所敘述的閉環(huán)速度控制的根本差別，當(dāng)然，工藝過程閉環(huán)控制也是一種閉環(huán)控制，它關(guān)注的不是速度而是工藝過程的參數(shù)變量。在諸如這樣的一些應(yīng)用場合，就需要我們采用工藝過程閉環(huán)控制方式。
問題3的提出
假定有一個需要進(jìn)行混配料比例控制的用戶，他的配料a和配料b由各自的配料電機送入配料攪拌筒中進(jìn)行混合均勻攪拌，其中，配料b有生產(chǎn)過程決定其送料的多少，而配料a需要根據(jù)配料b的變化始終保持在攪拌筒混合料中的比例恒定，如圖2（b）所示?，F(xiàn)要求對配料a的電機進(jìn)行變頻控制，以實現(xiàn)如下具體需求：
（1） 配料a的比例可以自由設(shè)定；
?。?） 既使在配料b的量是變化的時候，配料a在混料攪拌筒中的比例也要維持在設(shè)定比例。
問題3的分析
首先，用戶對配料電機a的控制需求是要根據(jù)配料b的變化始終維持恒定的配料a所占比例的一種閉環(huán)控制方式，這個反饋信號是混料筒中的配料a所占的比例信號，它與電機的速度無關(guān)，因此，可以準(zhǔn)確地定位這種控制需求為工藝過程閉環(huán)控制方式。其次，用戶要求配料比可以在生產(chǎn)過程中根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定，為此，需要提供配料a所占比例的設(shè)定手段—電位器給定配料比方式。椐此可以得到如表4所示的需求與對應(yīng)功能。
對比表4與表3，可以看見，他們之間的差異除了控制方式的選擇區(qū)別外，還有一個最為明顯的差異，那就是表4中作為控制對象的參考量與反饋值都是生產(chǎn)工藝過程中的參數(shù)（這樣設(shè)定的參數(shù)與反饋的參數(shù)都更直接表達(dá)了生產(chǎn)過程狀態(tài)，也更加直觀明了），而不再是速度參數(shù)。撇開這些表面上的差異，幾乎完全可以用一個虛擬的閉環(huán)“速度”控制來實現(xiàn)。從這個意義上講，工藝過程閉環(huán)控制方式與閉環(huán)速度控制方式在本質(zhì)上是沒有差異的，它是閉環(huán)速度控制方式的延伸形式與變種應(yīng)用。
5 開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式
上面介紹的無論是開環(huán)與閉環(huán)速度控制，還是工藝過程閉環(huán)控制，其實質(zhì)都還是變頻器的矢量控制技術(shù)的一種應(yīng)用。矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以，稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。而轉(zhuǎn)矩控制則是以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。
對交流電機的直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc）技術(shù)的引入，使得交流電機轉(zhuǎn)矩特性像直流電機一樣在應(yīng)用中表現(xiàn)的“硬”起來了，因此，dtc可以說是變頻器技術(shù)發(fā)展史上的又一個里程碑。目前，在丹佛斯vlt2800/5000、abbacs6000、愛默生td2000等產(chǎn)品中都有直接轉(zhuǎn)矩控制功能。
開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式就是利用變頻器本身對電機的轉(zhuǎn)矩的控制來實現(xiàn)輸出軸轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定控制，這種控制方式可廣泛地應(yīng)用在那些在運行過程中需要保持轉(zhuǎn)矩恒定，不需要改變運行方向的場合，諸如：卷繞、擠壓、皮帶輸送等相關(guān)行業(yè)應(yīng)用。
問題4的提出
假定有一個石料廠的皮帶輸送機用戶，皮帶輸送機需要不斷地將從料斗中卸下的片石塊送到破碎機中進(jìn)行破碎，如圖2（c）所示，用戶想對這個皮帶輸送機進(jìn)行變頻驅(qū)動改造，具體要求如下：
（1）由于料斗下料的大小、快慢不均勻，致使落在皮帶上的石塊總量不一致，希望即使在皮帶上的石塊較多時，皮帶也能夠拖的動；
（2）皮帶上的石料多時，速度可慢些，在皮帶上的石料較少時，希望皮帶能盡可能快些；
?。?）現(xiàn)場無法提供檢測石塊在皮帶上數(shù)量多少的信號。
問題4的分析
首先，應(yīng)用現(xiàn)場無法提供被控對象的檢測信號，可以說只能采用開環(huán)控制方式；其次，用戶的第②個需求，實質(zhì)上就是轉(zhuǎn)矩控制的運行特點，而要保證一個始終穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩（用戶的第①個要求）就只有采用轉(zhuǎn)矩控制方式，至此，我們可以肯定地說這個案例需要采用開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式。椐此可以得到如表5所示的需求與對應(yīng)功能。
用以上的方法在給一個90kw電機調(diào)試后，其表現(xiàn)出以下運行特征現(xiàn)象：
?。?）當(dāng)皮帶上的石塊量較少時，皮帶以較快的速度在運轉(zhuǎn)（但不會超越輸出頻率上限的限定50hz）；
?。?）當(dāng)皮帶上的石塊量較多時（接近給定轉(zhuǎn)矩），皮帶運行在32hz～38hz；
（3）當(dāng)皮帶上的石塊量很多時（超越給定轉(zhuǎn)矩），皮帶停止輸送。盡管此時電機停止運轉(zhuǎn)，即相當(dāng)于堵轉(zhuǎn)表現(xiàn)的狀態(tài)，但與通常的堵轉(zhuǎn)有本質(zhì)區(qū)別，在轉(zhuǎn)矩控制方式下，此時電機不會在短時間內(nèi)燒壞。
6 速度反饋轉(zhuǎn)矩控制方式
在開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制案例中，了解到轉(zhuǎn)矩控制的一些特點，那么，如果應(yīng)用場合在既需要保持控制轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定輸出的同時又需要根據(jù)速度反饋信號進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，此時，就要選擇帶速度反饋的轉(zhuǎn)矩控制方式。速度反饋轉(zhuǎn)矩控制方式最適合應(yīng)用在卷繞、抽絲等紡織行業(yè)。在圖2（a）中，如果沒有張力架，收卷的張力需要依靠在變頻器上進(jìn)行設(shè)定，并且要根據(jù)收卷筒半徑的變化作為反饋來適時自動調(diào)整電機輸出轉(zhuǎn)矩和角速度調(diào)整，來保持卷取切線力的恒定和線速度恒定，而將編碼器信號作為速度反饋信號，來保持角速度的恒定。在圖2（d）中給出了控制結(jié)構(gòu)。按照圖2（d）的構(gòu)造，得到表6所示的參數(shù)：
以上介紹常規(guī)控制方式是變頻器應(yīng)用領(lǐng)域使用最為普遍的方式，約占整個變頻器應(yīng)用需求市場的70%以上，準(zhǔn)確掌握這些基本控制方式的內(nèi)涵與應(yīng)用技巧，基本上可以勝任變頻器的售前或售后技術(shù)服務(wù)支持工作。但對于一些特殊應(yīng)用需求的場合，還需要掌握一些專用變頻器的應(yīng)用技術(shù)和相關(guān)的控制概念以及生產(chǎn)工藝需求。這些比較特殊的應(yīng)用場合一般都需要借助于變頻器廠家針對各個行業(yè)生產(chǎn)的“選件卡”或?qū)Ｓ米冾l器。
當(dāng)前，由于變頻器行業(yè)的激烈競爭，各變頻器生產(chǎn)廠家?guī)缀醵荚谂ふ易约涸谙嚓P(guān)行業(yè)上的專用功能產(chǎn)品的研發(fā)與定位。下面，簡要介紹幾種在市場上使用比較廣泛的特殊控制方式的概念，詳細(xì)的應(yīng)用方法還需要用戶進(jìn)一步參考相應(yīng)的選件手冊或說明書。
7 其它特殊應(yīng)用場合的控制方式
在這里之所以將以下的應(yīng)用場合稱為特殊應(yīng)用場合，是因為變頻器的這些衍生的控制方式是針對某個特定的行業(yè)應(yīng)用開發(fā)的。撇開行業(yè)的特殊性，這些具有特殊控制功能的變頻器本身就是一個內(nèi)在的、多變量輸入與反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，只不過這些變量可能不僅有電流參數(shù)，還可能有轉(zhuǎn)矩參數(shù)、計算速度參數(shù)、計算功率以及甚至有時間參數(shù)和空間位置參數(shù)等。
7.1 曳引拖動控制方式
傳統(tǒng)的放卷筒的控制都是采用諸如力矩電機、剎車片、磁粉離合器等方式，lgis5變頻器的應(yīng)用組參數(shù)app-33（標(biāo)準(zhǔn)配置，無須選件）可以實現(xiàn)對諸如需要在正常運行過程中處于力矩控制方式下的發(fā)電運行狀態(tài)。當(dāng)收卷電機僅以一個恒定的線速度運行時，若系統(tǒng)需要控制張力，可以通過參數(shù)app-34來設(shè)定放卷張力的大小，由放卷電機來控制張力。曳引拖動控制方式與前面介紹的開環(huán)力矩控制方式的區(qū)別在于：
?。?） 曳引拖動控制方式正常運行在發(fā)電狀態(tài)，而開環(huán)力矩控制方式則運行在電動狀態(tài)；
?。?） 曳引拖動控制方式在受到的外界牽引力小于設(shè)定值時，它將正向運轉(zhuǎn)；反之，反向運轉(zhuǎn)；而開環(huán)力矩控制方式要么正向運轉(zhuǎn)，要么停止運轉(zhuǎn)。
在一個收卷與放卷的應(yīng)用中，如果將放卷使用曳引拖動控制方式，收卷使用速度閉環(huán)控制，通過收卷和放卷變頻器的直流母線共享技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)線速度恒定的恒張力控制目的，而且可以達(dá)到最大限度的節(jié)能效益。系統(tǒng)成本低、安裝調(diào)試容易。
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