淺析變頻器在提升系統(tǒng)中的應用

摘要：本文通過簡要的分析提升系統(tǒng)，說明變頻器和PLC如何在提升系統(tǒng)中的接連與應用，對于實踐具有一定的參考作用。

關鍵詞：變頻器、PLC、提升系統(tǒng)

前言

由于變頻器具有節(jié)能、無級調(diào)速、啟動平穩(wěn)及具備多種信號輸入輸出端口，接收和輸出模擬信號，電流、電壓信號等特點，其應用越來越廣泛。變頻器的多段速選擇功能，能夠控制電動機的連續(xù)運行和斷續(xù)運行，還可以對各種速度任意設置加減速時間、旋轉方向和運行時間等。因此，這種功能經(jīng)常應用到提升裝置中。

一、提升系統(tǒng)工況分析

1、控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是提升機的關鍵部分，決定著整機性能的優(yōu)劣。普通提升機的控制方式都是通過接觸器控制來實現(xiàn)，速度單一、啟制動沖擊大，對結構和機構損壞較嚴重，電氣元件也易損壞，且運行速度比較低，一般為34－38m／min，既影響了速度也影響了企業(yè)的效益。若單純地提高速度則將造成加速度過大，結構及機構所受沖擊過大而加快齒輪齒條及制動盤的磨損，從而降低運行的可靠性。

2、起動與剎車系統(tǒng) 普通提升機的起動都是采取直接起動或星三角降壓起動，沖擊非常大，對電機和電氣元件造成嚴重的破壞，同時提升機里面的物料容易跌落，特別是有些提升機還有乘人現(xiàn)象.存在著極大的安全隱患。

普通提升機的的剎車是采用機械抱閘強制制動，提升機突然從高速降為零速的時候，由于慣性的作用，不但對結構和機構造成損壞，而且提升機里面的物料容易跌落，也存在著一定的安全隱患。

3、平層系統(tǒng) 普通提升機減速到平層時無爬行過程，由運行速度直接向零速減速，提升機的選平層是由手動控制實現(xiàn)的，效率低，經(jīng)常要上、下點動幾次才能準確停層。既降低了效率又增大了拖動與控制系統(tǒng)的疲勞度，縮短了壽命，同時也會造成里面的物料無法搬運，浪費了時間，影響了工作效率。

貨物提升裝置是生產(chǎn)過程中經(jīng)常用到的重要設備，屬于二類生產(chǎn)負荷。如圖1-1所示是礦井中的提升拖動系統(tǒng)的示意，它由電動機M通過減速器，帶動1個圓柱式滾筒旋轉，并通過鋼絲繩使2個料車交替上料。當重車上升時，空車下行，此時空車重量相當于一個配重。不僅節(jié)省了電動機的功率，而且在電動機運轉時，總有一個重車上行，不會出現(xiàn)空行程，使電動機總是處于運行狀態(tài)，提高了效率。這種提升系統(tǒng)要求電動機能頻繁進行起動、停車和反向等控制，而且電動機的轉速還需按一定規(guī)律變化。例如圖1-2所示的礦井提升系統(tǒng)的速度曲線中，它將提升運行分為啟動、加速、穩(wěn)定運行、減速、勻速運行和制動6個階段。料車提升一次所需時間與料車的運行速度、加速度以及礦井深度有關。在不同階段，它們的加速度大小由工藝要求確定，則運行時間根據(jù)行程距離來計算。在第1（啟動）階段0~t1，A料車從井底開始上行，同時B料車從井口位置開始下行。這個階段的加速度時間1取25s，使變頻器輸出達25Hz，電動機按中速（f2）運行。在第2（加速）階段t1~t2，A料車上行并加速到最大速度，加速時間2取5s，變頻器輸出最高頻率50Hz。在第3（穩(wěn)定運行）階段t2~t3，A料車以最大速度穩(wěn)定運行。在第4（減速）階段t3~t4，A料車進入卸料前的第一次減速，減速時間1取5s，使變頻器輸出達10Hz，電動機按低速（f1）運行。在第5（勻速運行）階段t4~t5，A料車接近井口進行勻速運行，變頻器輸出10Hz。在第6（制動）階段t5~t6，A料車進入卸料前的第二次減速，直至停車，此時減速時間2取25s。

提升系統(tǒng)是典型的恒轉矩特性負載。當重料車上行（另一空車下行）時，電動機的電磁轉矩必須克服負載轉矩，提動時還應克服一定的靜摩擦力矩，電動機的電磁轉矩方向與旋轉方向相同，即處于電動工作狀態(tài)（第1象限）；當料車空車下行（另一重車上行）時，電動機的電磁轉矩仍要克服同樣的負載轉矩，但電磁轉矩方向與旋轉方向改變，即處于方向電動狀態(tài)（第3象限）。

根據(jù)上述系統(tǒng)的工作情況，歸納起來由4個基本要求：(1)通過按鈕來控制電動機的正、反轉，使貨物上行和下行。（2）能夠改變變頻器的加減速時間，以改變提升貨物的加速度。（3）提供低速（f1）、中速（f2）和高速（f3）的三種運行速度，供用戶選擇。（4）為用戶提供手動無極調(diào)速控制。

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，可按運行過程中出現(xiàn)的最大電流來選擇變頻器容量。如果需要具有恒轉矩特性，可選擇具有矢量控制功能的變頻器，以滿足負載要求。此外，由于提升系統(tǒng)對制動要求高，應選用帶有制動單元及制動電阻的變頻器。按圖1-2所示的運行速度要求，初步選擇3檔速度，分別在t1~t2，t3~t4，t5~t6位置設置變速點，對應與相應的控制狀態(tài)。

f1、f2、f3為3個穩(wěn)定運行頻率，其數(shù)值按工藝要求和生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)試為準。按實際要求，還需要設定料車上限點以及輸出頻率檢測值（即運行頻率）等。從3G3MV變頻器的性能看，都可以滿足上述要求。

由于提升系統(tǒng)需要控制的狀態(tài)較少，故PLC可選擇CPM2A小型機。為便于程序設計和外部接線在系統(tǒng)中采用SB3、SB4按鈕通過PLC程序?qū)ψ冾l器的S3、S4進行控制，以實現(xiàn)變頻器對電動機的3段速調(diào)節(jié)，如表1-1所示。

二、硬件選擇與外部接線

1、PLC的I/O分配 在對PLC進行程序設計時，應先進行I/O分配。PLC的I/O分配，如表1-2所示。表中，SB1為A料車上行按鈕，SB2為B料車上行按鈕，SB3、SB4為低、中、高速切換按鈕，SB5為加減速時間切換按鈕，SB6為手動加速按鈕，SB7為手動減速按鈕。另外，ER為系統(tǒng)故障輸入，由變頻器的MA、MC控制；PLC的輸出接點10.01~10.07，直接與變頻器的多功能輸入端連接，由PLC輸出接點的狀態(tài)來代替開關狀態(tài)，實現(xiàn)由PLC進行遠程的調(diào)速控制。在實際應用中，還需要設定料車的上行限位開關以及機械抱閘控制等。

2、變頻器與PLC的連接 根據(jù)I/O分配以及系統(tǒng)的控制要求，PLC與變頻器的外部接線，如圖1-3所示。其中，變頻器的運行狀態(tài)由PLC遠程控制，S1控制電動機正轉，S2控制電動機反轉，S3、S4構成變頻器的3段速控制，S5選用加減速時間2，S6、S7分別手動控制電動機的加速和減速。

在提升系統(tǒng)中，變頻器有時會處于發(fā)電狀態(tài)，此時能量會流回變頻器造成直流母線電壓升高，為了限制直流電壓，需要外接制動電阻，當直流母線電壓上升到臨界值就會觸發(fā)外部電阻，當直流母線電壓上升到臨界值就會觸發(fā)外部制動電阻，使電能轉換成熱能。

三、參數(shù)設置及程序調(diào)試

1、變頻器的參數(shù)設置 （1）基本參數(shù)設定 n001=4：設定參數(shù)范圍為n001~n179；n002=0：V/F控制模式；n003=1：允許通過控制回路端子（多功能）輸入；n004=1：頻率指令1有效（n024）；n006=0：允許反轉；n008=1：操作器的鍵操作有效；n100=1：在手動調(diào)速時，變頻器輸出的頻率保持5s以上不變后將被記憶，則變頻器停止再運行時將以此記憶頻率運行（變頻器斷電后無效）。n128=0：PID控制無效；“LO/RE”：選擇“RE”，遠程控制有效。（2）多功能輸入端子設定（以3段速運行為例）n019=25：加速時間1為25s；n020=25：減速時間1為25s；n021=5：加速時間2為5s；n022=5：減速時間2為5s；n025=10Hz：頻率指令2；n026=25Hz：頻率指令3；n027=50Hz：頻率指令4；n056=34：S7為減速（DOWN）指令。n055=9：S6為加速（UP）指令；n054=11：S5為加減速時間2；n053=7：S4為多段速指令2；n052=6：S3為多段速指令1；n051=2：S2為反轉；n050=1：S1為正轉；S3、S4按BCD碼編制，實現(xiàn)3段調(diào)速。其他參數(shù)的默認值不變。

2、PLC梯形圖 PLC的程序梯形圖如圖1-4所示。該系統(tǒng)通過PLC程序來控制變頻器的多段速運行。

四、結束語

采用先進的現(xiàn)代交流變頻調(diào)速技術對升降機電力拖動系統(tǒng)進行技術改造，不僅增強了設備的安全與可靠性，而且為企業(yè)和社會節(jié)省了大量的電能，因此在行業(yè)具有很好的推廣應用價值。

參考文獻

《可編程序控制器及其應用》 王成福主編 機械工業(yè)出版社

《可編程控制器教程》 王兆義主編 機械工業(yè)出版社

《可編程控制器原理及應用》 宮叔貞等編 人民郵電出版社

《變頻器應用案例》 林育茲等編著 高等教育出版社

《3G3MV系列變頻器》使用手冊

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。