安川H1000變頻器在雙電機同步控制中的技術方案研究

周永亮

(廣州電纜廠有限公司，廣東 廣州 510000)

安川H1000變頻器在雙電機同步控制中的技術方案研究

周永亮

(廣州電纜廠有限公司，廣東 廣州 510000)

針對傳統同步方法控制下雙牽引電機同步運行所出現的問題，提出了頻率相對值跟隨的方法。通過設置前后牽引變頻器的正反向運行的增益、使用指令指定切換端口，使前牽引電機跟隨后牽引電機。對比新的跟隨速差法和傳統的固定速差法，新的跟隨控制方法克服了開關過程中的不平滑和兩牽引電機間電纜上張力突變的不足，在高、中、低速檔中表現出良好的動態性能。該方法提高了產品的質量，增強了系統的靈活性，提升了設備的生產效率，具有借鑒和推廣意義。

變頻器 雙電機 牽引 同步控制 動態性能 可靠性 張力

0 引言

安川H1000變頻器是安川繼A系、F系、V系之后開發的又一款重載高性能矢量變頻器產品。與A1000相比，H1000擁有更高的效率和過負荷能力。相對G7、F7、V7而言，H1000在控制方式上的性能更高、適用范圍更廣、控制精度提升、機械性能更高，擁有種類更多且更大的制動轉矩。與以前及同類變頻器相比，H1000內置多種學習方式，無論是驅動感應電機或是同步電機，都能充分發揮其驅動性能。

H1000作為安川系列的新產品，具有更多的多段速選擇端子。豐富的多功能輸入端子和在多速度、多電機的控制領域，能夠實現智能啟動，并更加靈活地實現主從調速、控制轉換，在復雜工業過程參數優化方法[1]、主從電機同步的應用中具有顯著的優勢。

1 工程分析

雙履帶牽引在運行時，幾乎不受放線盤動平衡誤差的影響，把放線和收線的沖擊干擾因素排除在兩牽引之外。由于受到電機的轉差率、帶輪精度、帶厚精度等因素的影響，兩臺牽引輸出的線速度會存在差異。

當前牽引線速度大于后牽引線速度時，線纜下撓松垮，并逐漸累積，直至不能正常穩定運行；當后牽引線速度大于前牽引時，線纜就會出現張力，張力越大，線纜就會崩得越緊。在張力過大時，本來正常運行的前牽引被后牽引通過線纜拽動，會產生失速超壓，甚至出現保護停機。

從控制方式上來看，前牽引釆用速度穩定控制方式，為生產線提供了穩定的線速度；后牽引釆用力矩控制方式，即限制電動機的運行電流，使后牽引電機運行在弱勵磁狀態[2-3]。

當外負載大于電機輸出力矩時，電機轉速因被堵轉而下降，電流增大，直至滿足電機設定電流為止。所以在生產操作時，通過設定不同的限制電流值，便可以產生不同的張力。

2 技術方案與實例

當生產中只需要使用一個牽引時，應以后牽引為主牽引。傳統的技術方案為：在電纜的生產中，電纜擠塑機的牽引主機啟動后，當主機正向運行時，在后牽引電機的控制變頻器上設置一個超前的速度差，其值為5 Hz；在H1000的多功能輸入端口，以繼電器的動斷觸點作為前、后牽引速度差切入與撤消的閘門；當選擇倒車時，斷電器的動斷觸點動作斷開，前、后牽引的速度差被撤消[4]，從而實現前、后牽引的等速運行。

傳統前后牽引同步控制流程圖如圖1所示。

圖1 傳統前后牽引同步控制流程圖

Fig.1 Flowchart of the traditional front and rear traction synchronous control

在規格一定的電纜生產運行中，牽引完成了生產工藝的同步性要求，但仍存在著以下兩方面的主要缺陷。

①后牽引電機變頻器采用5 Hz的速度超前預置值，此控制方案下，運行一段時間后會經常發生過電流誤報警動作。

在啟動開關的開合過程中，由于外接電機、繼電器等感性負載，會給變頻器的電流檢測回路帶來沖擊性的浪涌電流[5-6]，檢測回路靈敏度因振蕩電流的沖擊下降，使變頻器產生過電流誤保護動作，同時縮短了回路中檢測電感的壽命。

對變頻器檢測回路建立了電路模型，并給出數值計算分析。電流檢測回路的電路模型如圖2所示。

圖2 電流檢測回路的電流模型

Fig.2 Current model of the circuit detection loop

由基爾霍夫電壓和電流定律得[7-8]：

(1)

(2)

式中：參數L=50 μH;C=2×10-3F;R=2×10-3Ω。

將這些參數代入式(1)、式(2)，并整理得：

特征方程為:

p2+40p+107=0

特征值為：

p1=-20+j 3 162.214

p2=-20-j 3 162.214

所以：

uC=Kue-20tsin(3 162.214t+θu)

(3)

iL=Kie-20tsin(3 162.214t+θi)

(4)

電容電壓初始條件為：

uC(0+)=uC(0-)=500 V

將初始條件代入式(3)，得:

Kusinθu=500×

[-20Kue-20tsin(3 162.214t+θu)+

3 162.214Kue-20tcos(3 162.214t+θu)]t=0=0

所以:

Kusinθu=500

Kucosθu=31.623

uc=500.99e-20tsin(3 162.214t+86.38°) V

(5)

電感電流的初始條件為：

iL(0+)=iL(0-)=0

將初始條件代入式(4)，得：

Kisinθi=0

[-20Kie-20tsin(3 162.214t+θi)+

93 162.214Kie-20tcos(3 162.214t+θi)]t=0

所以:

Kisinθi=0

-20Kisinθi+3 162.214Kicosθi=107

iL(t)=3 162.341e-20tsin(3 162.214t)A

(6)

由此可知，流過電感的電流是振蕩衰減的浪涌電流。

當電容初始儲能釋放到零后，即電容電壓在過零變負時，電感中的電流iL可達到最大值。設對應的時間和電流分別為tmax、tLmax，將uc(tmax)=0代入式(5)，則：

500.99e-20tmaxsin(3 162.214tmax+86.38°)=0

tmax=0.029 6 s

將tmax=0.029 6 s代入式(6)，可得:

iLmax=3 162.314 e-20×0.029 6sin(3 162.214× 0.029 6)=1 745.999 A

以下進一步利用OrCAD中的PSpiceA/D仿真組件進行電感電流波形的仿真，仿真的電流波形如圖3所示。

由圖3可知，使用傳統技術方案，變頻器檢測回路的檢測電感的靈敏度會隨著使用時間的增加而下降，到后期會經常發生過電流誤報警動作。

②電纜在降速生產時電纜中的張力會劇烈地上升，在由大線轉成小線或進行雙牽引倒線時，都需降低牽引速度。而降低牽引速度會引起電纜中張力的陡升，很容易拉斷電纜線。要找出產生缺陷的原因，就需要仔細分析預置固定速度差與電纜中張力變化規律之間的關系。

圖3 電感電流波形圖

Fig.3 Waveform of inductive current

由上面三個狀態可發現，在5 Hz的預置固定速度差的控制下，當牽引速度降低時，電纜中張力會劇烈地上升。由此解釋了在此種控制方式下，電纜時常拉斷的原因：在由大線轉成小線或進行雙牽引倒線時，都需降低牽引速度，而降低牽引速度會引起電纜中張力的陡升，很容易拉斷線。

技術方案力求在現有設備、原料和工藝流程不變的情況下，通過對過程操作參數的優化，提高產品的合格率、降低過程的資源消耗[9]。

通過對安川變頻器的多功能輸入/輸出端子和高級設定代碼的進一步探究發現，安川的某些多功能輸入端子通過對應的通道口設定，可與對應的模擬量輸入端子相關聯。在電機運行時，H1000首選的模擬量輸入口為A1口，在反轉時可通過接通相應的多功能輸入端，使電壓模擬量從輸入口A1切換到對應的模擬量輸入口。

以本公司的精鐵120雙履帶牽引電纜擠塑機為例，方法如下：正轉運行時，使前牽引跟隨后牽引，控制前后牽引的上限最大頻率相對值，并以6%(由試驗獲得)的穩定速度差實現零頻率平滑起動；將后牽引變頻器的多功能端子S2通過通道口設定為牽引反轉輸入信號，并將此功能端子與多功能輸入端子S5短接；將S5端子設定為多段速指令功能，并將模擬量端子A1與A2短接。反轉時，S5接通，則變頻器模擬量輸入從A1口切換至A2口。在兩牽引反轉運行時，調節A2口的增益，觀察兩變頻器的運行頻率，通過調節與觀察直至兩變頻器的輸出頻率相等(該精鐵120擠塑機的增益調為94.7%)，即使得反轉時兩牽引由不等速切換至等速，實現倒車時前、后牽引的等速運行。

當加速運行時，后牽引的加速時間應小于前牽引的加速時間； 當減速運行時，后牽引的減速時間應大于前牽引的減速時間。改進后前后牽引同步控制設計流程圖如圖4所示。

圖4 改進后前后牽引同步控制流程圖

Dig.4 Flowchart of the improved front and rear traction synchronous control

3 改進前后的效果對比

在實際生產中，分別觀察和記錄了改進前后同步控制下速度、頻率的值，并計算對應的頻率變化率，得到表1、表2。從改造前后運行參數表中提取速度和張力大小百分比(頻率變化率)，可得到頻率變化率與生產速度關系如圖5所示。

表1 傳統方案同步控制中的運行參數Tab.1 The operating parameters of traditional synchronous control

表2 改進后同步控制中的運行參數Tab.2 The operating parameters of the improved synchronous control scheme

圖5 頻率變化率與生產速度關系圖

Fig.5 Relationship between variable rate of frequency and the production speed從圖5可分析出因生產速度降低而在兩牽引間的電纜上產生的張力變化結果：傳統同步控制中，電纜中的張力隨著生產速度的降低呈幾何級數增長，這種陡升的張力極易拉斷電纜；采用速度差跟隨同步控制，電纜中張力隨著生產速度的降低穩定在6%附近，以穩定的速度變化率，使前牽引電機的轉速跟隨后牽引電機的轉速，確保張力可控可調，不受速度的變化而變化，消除了降速時給電纜帶來的破壞性張力。

4 結束語

針對雙牽引電機的同步運行出現的問題，結合變頻器H1000,提出了新的相對值跟隨控制的方案。分析與實測表明，該方法增強了系統的靈活性、穩定性與可靠性，滿足了企業關于控制設備成本、提升了設備生產效率的精細化管理要求。

[1] 伍鐵斌,龍文,朱紅求.復雜工業過程操作參數優化研究進展[J].自動化儀表,2016,37(3):1-4.

[2] 牛維揚,李祖明.電機學[M].2版.北京:中國電力出版社,2005:158-161.

[3] 李發海,王巖.電機與拖動基礎[M].4版.北京:清華大學出版社,2012:308-330.

[4] 周志敏,紀愛華.電動機變頻節電380問[M].北京:中國電力出版社,2011:20-40.

[5] 李先允,姜寧秋.電力電子技術[M].北京:中國電力出版社,2006:56-63.

[6] 陳洪亮,張峰,田社平.電路基礎[M].北京:高等教育出版社,2007:286-300.

[7] 江輯光,劉秀成.電路原理[M].2版.北京:清華大學出版社,2007:128-137.

[8] 譚陽紅.基于OrCAD16.3的電子電路分析與設計[M].北京:國防工業出版社,2011:5-80.

[9] 王劃一,楊西俠,林家恒,等.自動控制原理[M].北京:國防工業出版社,2009:5-13.

Research on the Technical Scheme Based on Anchuan H1000 Inverter for Synchronous Control of Double Motors

To solve the problems that appear in traditional synchronous control system for double traction motors, the method of following up control with frequency relative value is put forward. Through setting the gains of the forward and reverse running of the inverter for front and rear traction; and applying instructions to specify the switching port, to make the front traction motor follows the rear traction motor. The new following up control method is compared with traditional control method, the new method overcomes the deficiencies of unsmooth switching process and the mutation of the tension of the cable between two traction motors; good dynamic performance is shown at high, medium and low speed status. This method improves the quality of products, enhances the flexibility of system, and improves the production efficiency of the equipment; it has the reference and the promotion significance.

Inverter Double motors Traction Synchronous control Dynamic performance Reliability Tension

TH-3;TP275

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612022

修改稿收到日期：2016-05-13。

作者周永亮(1987—)，男，2010年畢業于南京工程學院電氣工程及其自動化專業，獲學士學位，助理工程師; 主要從事電氣設計方向的研究。