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作者簡介：陳慶（1978-），浙江杭州人，助理工程師，本科，學士，研究方向為變頻器應用與發展。

    摘 要：本文對LS產電iS7變頻器的特點、優勢作簡單描述，著重介紹了iS7系列變頻器在起吊行業的應用實現。

    關鍵詞：變頻器；提升；走行；PLC；磁通矢量控制


    Abstract：This paper describes the characters and advantages of LS frequency converter as well as its application to control hoist and riding of crane.

    Key words：Frequency converter；Pre-limited；limited；PLC；Flux vector control

1 引言

    隨著電力半導體，計算機以及變頻調速技術的發展，變頻器已經在電氣傳動控制領域得到了普通認同和廣范應用。其本身具有的高動態、高性能、高品質、大容量、節能等顯著特點，使其迅速取代了變極，串阻等控制方式，并在各傳動行業里得到了推廣和發展。由于傳動應用場合不同，控制對像不同，變頻器往往需要對控制I/O及其功能進行擴展。如何在提供高效安全的控制性能的同時，提供更靈活的系統搭建平臺，更人性化的控制接口成為各大變頻器廠商努力的方向。

    LS產電于2008年推出了新一代變頻器iS7系列，采用了先進的磁通矢量控制技術，具有低頻轉矩大，調速范圍廣，速度控制精度高等優點，更因為其豐富的選件，使iS7更容易在各應用中靈活使用。由于起吊行業對變頻器性能要求較高，下面將重點介紹iS7在起吊行業中的普通應用實現，并以此展現iS7的靈活擴展性。

2 起吊應用與功能

    起吊行業應用中通常有兩種功能控制：提升和走行。有三種可能的控制方式（四段速，三位置，或模擬量），并帶有預限位和限位開關。對于提升應用，為獲得更好的轉矩性能與安全性，應使用編碼器反饋。

（1）提升控制中通常有如下幾個重要要求：

·提升的同步控制。

·快速平滑啟動，電機的快速預勵磁和精確的抱閘控制。

·快速平滑制動和制動斬波器的控制。

（2）走行控制中應提供高性能邊緣控制

    使起吊車輛能快速安全進入邊緣位置。考慮到可能對負載的損壞，起吊車輛在全速進入邊緣位置時不會產生急拉動作。
這些要求需要變頻器具有低速大轉矩、精確的速度控制、轉矩跟隨、預勵磁、準確的抱閘控制算法，平滑加減速控制等高性能要求。iS7俱備了上述優點，更突出了人性化的拓展性。

3 iS7簡介

    作為LS產電2008年推出的新一代變頻器，iS7集成了風機水泵、擺頻、PID、自動順序及用戶自定義等應用宏。就起吊應用而言，iS7具有如下特點：

·除常用的開環V/F控制外，可選用帶編碼器的V/F控制，無傳感矢量控制以及有傳感矢量控制。

·永磁同步電機的無傳感矢量控制。適用于采用永磁同步電機的提升領域

·采用無傳感矢量控制時，速度控制范圍可達1:100，0.1Hz時輸出150%轉矩。

·采用帶速度反饋的矢量控制時，全速度區間內包括零速可達200%以上的轉矩性能，速度控制范圍1:1000。

·除常用的制動方式，更提供磁通制動功能。將制動單元效率最大化。

·內置RS485及MODBUS通訊

·可同時擴展通訊，I/O，及應用選件模塊

·PLC選件模塊，采用Master-K編程平臺，用戶可使用或自行設計特殊的應用。

·內置EMC及直流電抗器

4 設計方案

    由于變頻器主電路的通用性，本方案不對主電路進行詳細敘述，主要從控制電路與功能上介紹iS7的應用實現。考慮到應用的通用性，本方案可以對前面提到的三種控制方式進行接口，并對變頻器進行合理的參數設置，以滿足性能要求。由于iS7已經提供了PLC選件模塊，只需進行一次編程即可作為起吊通用應用宏提供給較簡單的起吊系統，或作為控制系統的接口進行擴展。因此本方案是基于iS7的PLC選件模塊而設計的通用起吊控制系統。

4.1 PLC選件模塊及接口定義

    PLC選件模塊自身帶6個數字輸入，4個繼電器輸出，加上變頻器本體8個數字輸入，和2個繼電器輸出，1個開路集電極輸出，總共可擴展14個數字輸入和7個數字輸出。根據起吊應用的要求，可以將接口如下表定義。
4.2 四段速控制

    段速控制是指控制臺操作桿處于不同位置（速度段）時，電機轉速有不同的速度要求。起吊應用中一般采用四段速度。控制接線如圖1所示。
4.3 三位置控制

    位置控制是指控制臺操作桿處于不同位置時，對電機轉速的處理不同。起吊應用中一般采用三位置控制：空檔、速度保持、加速。控制接線如圖2所示。
4.4 模擬量控制

    模擬量控制是指控制臺操作桿采用電壓模擬信號進行轉速控制。控制接線如圖3所示。

4.5 編碼器反饋

    走行控制時，可以采用無傳感矢量控制，在一臺變頻器控制多臺走行電機時，應采用V/F控制。但提升控制時，為得到更好的轉矩和轉速特性及安全性，應采用有傳感矢量控制，此時可以采用iS7的編碼器選件模塊。此模塊提供三種電源（5/12/15V），線性和開路集電極接口，最大頻率至200kHz。使用時只需根據采用的編碼器類型根據說明書接線與設置參數即可，這里不再進行詳細描述。

4.6 機械抱閘

    機械抱閘主要是實現從運行到停止或反之過程中的平滑過渡。機械抱閘通過選擇變頻器本機上的繼電器1功能“抱閘”來實現。在非矢量控制的情況下，iS7抱閘控制順序如下：

    停機狀態下接受到運行指令后，變頻器在輸出頻率和電流滿足釋放頻率和釋放電流時，通過抱閘繼電器輸出抱閘釋放信號，并保持釋放頻率輸出，延遲釋放時間后開始加速。運行狀態下接收到停止指令后，開始減速，達到抱閘頻率時輸出抱閘信號并保持抱閘頻率輸出，延遲抱閘時間后停止輸出。

    在矢量控制情況下，抱閘控制順序如下：

    停止狀態下接受到運行指令后開始預勵磁，預勵磁時間結束后輸出抱閘釋放信號，并延遲抱閘釋放時間后開始加速。運行狀態下接收到停止信號后，開始減速至零速時輸出抱閘信號。延遲抱閘時間后停止輸出。

    根據應用情況，合理設置抱閘控制參數，變頻器本體可以很好的完成抱閘操作。需要注意的是，為快速響應故障情況，可以將故障繼電器與抱閘繼電器串聯在抱閘控制回路中。

4.7 （預）限位開關

    通過（預）限位開關發送的信號，變頻器可以平滑安全的在邊緣點停車。預限位開關應使用常閉觸點，并在到達相應位置時打開。

    如果僅預限位開關激活，變頻器控制電機以點動轉速或預置轉速1向相對應的限位開關方向運行，或以任意轉速向反方向運行。

    限位開關激活時，變頻器停止并進行抱閘動作或僅允許以任意轉速向反方向運行。

4.8 快速反向

    提升過程時，控制器若切換至反向，變頻器將以第二減速時間控制電機快速減速和反向，并在到達零速后以第二加速時間反向加速至點動速度。然后根據控制器的位置加速至相應轉速。

4.9 主要程序流程圖

    根據上述控制功能要求，PLC主要控制程序流程如圖4所示。




5 總結

    實際應用中，iS7以及內置起吊應用宏的PLC模塊很好的實現了對提升和走行的控制。但本方案的程序中未對提升過程中會出現的掉落危險加以考慮，掉落危險以外部故障方式送往變頻器作為故障處理。但為安全考慮，此危險的處理不應依靠變頻器本身，而應采用獨立的處理單元，如PLC模塊。在改進方案里，起吊應用宏將增加這一功能，主要通過比較當前轉速參考的方向和大小與編碼器實測的轉速方向與大小決定是否處于掉落危險，并輸出掉落信號，此信號與故障、抱閘觸點串聯作為抱閘控制回路的一部份。另外使用預勵磁、直流啟動、磁通制動功能時，可以使電機快速響應運行指令和快速平滑的停車，但應用中發現此時電機溫升較高，需加裝獨立風扇對電機散熱，考慮到安全性可以將電機熱阻信號連接至iS7作為故障保護。

    總體上來看，iS7在提升和走行控制上的性能及功能表現較突出，其PLC模塊選件使iS7不僅在I/O口上，更在應用功能上可以實現擴展，編碼器模塊提供的豐富接口也能滿足絕大多數不同類型的編碼器需要。本文以起吊行業為例，給出了iS7可擴展的起吊應用通用宏方案。事實上由于PLC模塊的靈活性，用戶或設計者可以針對不同的應用情況，開發出更豐富的專用或通用應用宏，組建成本更低的系統。