基于变频器的拉丝机控制系统设计1(编辑修改稿)

基于变频器的拉丝机控制系统设计1(编辑修改稿)内容摘要：

变频技术的 核心技术之一。 从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生 正弦脉宽调制 SPWM 信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方 案，完成优化的实时在线的 PWM 信号输出。 从 PWM 模式优化中得到了诸多的优 化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。 由于 PWM 可以同时实现变频变压反 抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用。 PWM 控制技术大致可以分为两类，正弦 PWM（包括电压，电流或磁通的正弦 为目标的各种 PWM 方案，多电平 PWM 也应归于此类），优化 PWM。 正弦 SPWM 已 为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多电平 PWM 技术在大功率变频器中有其独特的优势,如 ABB ACS1000 系列和美国 ROBICON 公司的完美无谐波系列等；而优化 PWM 所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，直流电压利用率最高、效率最优、转矩脉动最小以及其它特 定优化目标[51]。 在变频器控制方式方面， V ≡ C （常数）的正弦脉宽调制（SPWM）控制f方式，即标量控制方式。 标量控制通常是通用变频器的标准配置，其特点是计 算结构简单、易于编程控制、使用方便，早期普遍采用的控制方式，已在产业 的各个领域得到广泛应用。 随着电机控制技术的发展，通过对交流电机的磁通 矢量进行解耦，然后模拟成直流电机的控制模式，逐渐发展出了更为高级的控 制方式如电压空间矢量（SVPWM）控制方式、矢量控制（VC）方式、直接转矩控 制方式（DTC）等，使用这些高级电机控制方式，使得变频器控制交流电机不但 可以完成搞精度的速度控制，也可以完成高精度的转矩控制，可以闭环也可开 环不带速度编码器来控制交流电机。 随着交流变频技术发展到现在，交流调速 系统已经可以完全替换直流调速系统[11]。 3．3．2 通用电压型变频器结构现在的低功率低电压段变频器都是交直交变频方式，先将进线交流电压变 成平稳的直流电压，再将直流电压通过 IGBT 变成可变电压可变频率的交流电 压，该类型变频器主回路结构都基本一致，易于控制与维护，下图所示为交直 交变频器主回路结构图，同时也显示了电压由交流到直流再到交流的转化过程 [12]。 3．3．3 ABB 变频器的选型与配置ABB 公司有着从低功率到高功率、低压到高压全系列多品种的变频器，针 对金属制品行业的工艺要求，选择 ACS550 系列无传感器电流矢量型变频器。 该款变频器广泛应用于各个工业领域，在金属制品领域也被客户所广泛接受， 大量使用在直进式拉丝机、水箱式拉丝机、捻股机、外绕机及收放线机等机型 上。 该变频器内置有 C2 类 EMC 滤波器作为标准配置，IP21 的防护等级，具有 独立的散热通道，所有的电路板均为涂层板，可抗恶劣环境，标准配置 RS485 通信接口，具有 5 行显示的中文界面操作液晶面板，易学易用调试方便，还配 有专用的调试监控软件 DriveWindow Light 可设置参数监控曲线。 在变频器的具体选型上，由于直进式拉丝机要求起动力矩大、运行精度高、 动态响应性好、运行中有短时的高过载要求，所以，对于变频器的选型，需要 在既定电机的功率和电流上按照变频器选型表里的重载一栏选型，即要求所选 变频器的重载输出功率和重载额定输出电流大于所选电机的额定功率和额定电 流。 ABBACS550 变频器的重载过载系数是每十分钟允许一分钟电流过载到 倍额定电流，每 60 秒允许 2 秒电流过载到 倍额定电流。 具体选型表所示如下图 35。 其中以 ACS5500103A34 为例，01 代表壁挂式 IP21 防护等级，03A3 代表变频器的轻载额定电流是 ，4 代表变频器的输入电压等级是 380V 到 480V。 针对所设计的电气传统系统，选择的变频器型号为：ACS55001087A4, 重载应用带 37KW 的电机，允许 10 分钟内 150％负载过载 1 分钟,60 秒内 180% 负载过载 2 秒。 3．4 电机与电抗器的配置3．4．1 电机的配置 关于电机的选型比较简单，由于是由变频器控制，针对变频器的输出电压 波形特点，需要选择变频专用的电机。 由于变频器输出的波形并不是严格意义 上的正弦波形，而是高频方波，而且在电机端子上有电压叠加效应，所以要求 所带电机具有比普通电机更高的耐压绝缘等级，同时由于是宽频率运行范围， 在低频段电机发热比较厉害，这也要求变频电机比普通电机有更好的散热效果3．4．2 电抗器的配置DC/AC现在通用的低压变频器普遍使用的是交直交电压变频模式，即首先将交流 电压通过整流桥变成直流电压，然后再对直流电压进行变压变频以输出不同电 压不同频率的三相交流电压。 在使用变频器的过程中，由于整流环节的存在， 导致变频器的使用会在电网系统内产生大量的谐波电流，导致电网系统电路和 变压器的发热和损耗。 低压变频器一般采用六脉波整流，其输入主回路如下图 36 所示[12]： ABB ACS550 系列变频器全系列在低功率段内置有直流电抗器，高功率段 内置交流电抗器来减少电流谐波，但由于拉丝机设备会大批量使用变频器，所 以在设计时通常业主和设备厂都会要求在每台变频器输入侧前再加装交流电抗 器，第一是为了进一步限制电流谐波，第二也是为了更好地保护变频器的整流 桥，因为进线的交流电抗器还可以减小输入电压尖峰毛刺，避免瞬时高电压击 穿整流桥。 根据所选变频器的额定功率、电压和电流，选择这个行业普遍应用的上海 鹰峰电子科技公司所生产的变频专用进线电抗器。 3．5 张力臂位置传感器的配置张力臂位置传感器是反应张力臂位置变化的现场传感设备，该设备安装于 张力臂支架下方，正常运行情况下张力臂应该在其中间位置上下轻微地摆动。 安装位置传感器，通过调整使其当张力臂处于中间位置时输出 5V 电压信号给 PLC 控制器的模拟电压输入点口。 当张力臂上下摆动时，在其量程范围内，位 置传感器就输出 0V 到 10V 的电压信号以与张力臂位置的变化成线性比例关系 [14]。 位置传感器型号选择为施耐德电感型接近传感器 XS9C111A1L2，其主要的 参数工作电压为 24V,工作区在 2――15mm，对应的模拟电压输出范围是 0―― 10V。 详细的规格参数如下图表 3－10 所示[15]：图 3－10：位置传感器参数表3．6 现场人机界面的选型与配置人机界面（User Machine Interface,简称 HMI）是现场机械设备与用户进行 信息交流的一种平台，通过人机界面，可以了解现场的各种数据、信息或实时 画面，也可以通过人机界面向现场设备传递用户的指令和要求。 人机界面有许 多种类，主要有计算机监控系统、触摸屏监控系统或按钮指示灯监控系统等。 以前对于机械设备而言主要是按钮指示灯监控系统来供操作者与设备交互信 息，现场触摸凭监控系统获得的普遍的应用，各种现场的较大的机械设备基本 都会使用触摸屏来做人机界面交互信息，计算机监控系统主要用在中控室监控 多个设备或整个工艺系统[17]。 在直进式拉丝机的人机界面选型中，决定选择简单易用的触摸屏来设计人 机界面。 ABB 有着全系列的触摸屏，可以直接通过通讯线与 AC500PLC 相连 接，非常方便易用。 这里根据现场所需要交换的数据规模和显示大小选择 CP430T 触摸屏，其基本的功能参数如下所列：▪ 触摸屏 64K 色▪ 320 x 240 分辨率▪ 4MB 应用内存▪ 512 KB 内存（数据和配方）▪ 菜单键 + 5 功能键▪ 小时背光灯寿命▪ 实时时钟2 个通讯端口▪ 9 孔插头 (RS232/485)▪ 25 孔插头 (RS232/422/485)▪ IP65 防护等级（前面板）▪ USB 主站 (打印和备份)▪ USB 设备 (下载/上传画面)▪ 数据存储: 紧凑型闪存卡 (备份)▪ 配方。