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作者簡介：陳慶（1978-），浙江杭州人，助理工程師，本科，學(xué)士，研究方向為變頻器應(yīng)用與發(fā)展。
摘 要：本文對LS產(chǎn)電iS7變頻器的特點(diǎn)、優(yōu)勢作簡單描述，著重介紹了iS7系列變頻器在起吊行業(yè)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。
關(guān)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(dǎo)體，計算機(jī)以及變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，變頻器已經(jīng)在電氣傳動控制領(lǐng)域得到了普通認(rèn)同和廣范應(yīng)用。其本身具有的高動態(tài)、高性能、高品質(zhì)、大容量、節(jié)能等顯著特點(diǎn)，使其迅速取代了變極，串阻等控制方式，并在各傳動行業(yè)里得到了推廣和發(fā)展。由于傳動應(yīng)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(jìn)行擴(kuò)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(tǒng)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(chǎn)電于2008年推出了新一代變頻器iS7系列，采用了先進(jìn)的磁通矢量控制技術(shù)，具有低頻轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣，速度控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，更因為其豐富的選件，使iS7更容易在各應(yīng)用中靈活使用。由于起吊行業(yè)對變頻器性能要求較高，下面將重點(diǎn)介紹iS7在起吊行業(yè)中的普通應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，并以此展現(xiàn)iS7的靈活擴(kuò)展性。
2 起吊應(yīng)用與功能
起吊行業(yè)應(yīng)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(yù)限位和限位開關(guān)。對于提升應(yīng)用，為獲得更好的轉(zhuǎn)矩性能與安全性，應(yīng)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(jī)的快速預(yù)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(yīng)提供高性能邊緣控制
使起吊車輛能快速安全進(jìn)入邊緣位置。考慮到可能對負(fù)載的損壞，起吊車輛在全速進(jìn)入邊緣位置時不會產(chǎn)生急拉動作。
這些要求需要變頻器具有低速大轉(zhuǎn)矩、精確的速度控制、轉(zhuǎn)矩跟隨、預(yù)勵磁、準(zhǔn)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(yōu)點(diǎn)，更突出了人性化的拓展性。
3 iS7簡介
作為LS產(chǎn)電2008年推出的新一代變頻器，iS7集成了風(fēng)機(jī)水泵、擺頻、PID、自動順序及用戶自定義等應(yīng)用宏。就起吊應(yīng)用而言，iS7具有如下特點(diǎn)：
·除常用的開環(huán)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(jī)的無傳感矢量控制。適用于采用永磁同步電機(jī)的提升領(lǐng)域
·采用無傳感矢量控制時，速度控制范圍可達(dá)1:100，0.1Hz時輸出150%轉(zhuǎn)矩。
·采用帶速度反饋的矢量控制時，全速度區(qū)間內(nèi)包括零速可達(dá)200%以上的轉(zhuǎn)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(nèi)置RS485及MODBUS通訊
·可同時擴(kuò)展通訊，I/O，及應(yīng)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(shè)計特殊的應(yīng)用。
·內(nèi)置EMC及直流電抗器
4 設(shè)計方案
由于變頻器主電路的通用性，本方案不對主電路進(jìn)行詳細(xì)敘述，主要從控制電路與功能上介紹iS7的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。考慮到應(yīng)用的通用性，本方案可以對前面提到的三種控制方式進(jìn)行接口，并對變頻器進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)置，以滿足性能要求。由于iS7已經(jīng)提供了PLC選件模塊，只需進(jìn)行一次編程即可作為起吊通用應(yīng)用宏提供給較簡單的起吊系統(tǒng)，或作為控制系統(tǒng)的接口進(jìn)行擴(kuò)展。因此本方案是基于iS7的PLC選件模塊而設(shè)計的通用起吊控制系統(tǒng)。
4.1 PLC選件模塊及接口定義
PLC選件模塊自身帶6個數(shù)字輸入，4個繼電器輸出，加上變頻器本體8個數(shù)字輸入，和2個繼電器輸出，1個開路集電極輸出，總共可擴(kuò)展14個數(shù)字輸入和7個數(shù)字輸出。根據(jù)起吊應(yīng)用的要求，可以將接口如下表定義。
表1
|
端子 |
功能描述 |
| 變頻器本體 | |
| 多功能數(shù)字輸入1 | 啟/停 |
| 多功能數(shù)字輸入2 | 空檔 |
| 多功能數(shù)字輸入3 | 預(yù)置速度2 |
| 多功能數(shù)字輸入4 | 預(yù)置速度3 |
|
多功能數(shù)字輸入5 |
預(yù)置速度4 |
|
多功能數(shù)字輸入6 |
3位置控制 |
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多功能數(shù)字輸入7 |
模擬量控制 |
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多功能數(shù)字輸入8 |
外部故障 |
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多功能繼電器輸出1(常開) |
機(jī)械抱閘控制 |
|
多功能繼電器輸出2(常開) |
故障輸出 |
|
模擬量輸入1 |
|
|
PLC選件模塊 | |
|
數(shù)字輸入1 |
點(diǎn)動 右向/提升 |
|
數(shù)字輸入2 |
限位開關(guān) 右向/提升 |
|
數(shù)字輸入3 |
預(yù)限位開關(guān) 右向/提升 |
|
數(shù)字輸入4 |
點(diǎn)動 左向/下降 |
|
數(shù)字輸入5 |
限位開關(guān) 左向/下降 |
|
數(shù)字輸入6 |
預(yù)限位開關(guān) 左向/下降 |
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(jī)轉(zhuǎn)速有不同的速度要求。起吊應(yīng)用中一般采用四段速度。控制接線如圖1所示。
圖1 四段速控制接線圖
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(jī)轉(zhuǎn)速的處理不同。起吊應(yīng)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。
圖2 三位置控制接線圖
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(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。控制接線如圖3所示。
圖3 模擬量控制接線圖
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(jī)時，應(yīng)采用V/F控制。但提升控制時，為得到更好的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性及安全性，應(yīng)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(jù)采用的編碼器類型根據(jù)說明書接線與設(shè)置參數(shù)即可，這里不再進(jìn)行詳細(xì)描述。
4.6 機(jī)械抱閘
機(jī)械抱閘主要是實(shí)現(xiàn)從運(yùn)行到停止或反之過程中的平滑過渡。機(jī)械抱閘通過選擇變頻器本機(jī)上的繼電器1功能“抱閘”來實(shí)現(xiàn)。在非矢量控制的情況下，iS7抱閘控制順序如下：
停機(jī)狀態(tài)下接受到運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)下接收到停止指令后，開始減速，達(dá)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?fàn)顟B(tài)下接受到運(yùn)行指令后開始預(yù)勵磁，預(yù)勵磁時間結(jié)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(yùn)行狀態(tài)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(jù)應(yīng)用情況，合理設(shè)置抱閘控制參數(shù)，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(yīng)故障情況，可以將故障繼電器與抱閘繼電器串聯(lián)在抱閘控制回路中。
4.7 （預(yù)）限位開關(guān)
通過（預(yù)）限位開關(guān)發(fā)送的信號，變頻器可以平滑安全的在邊緣點(diǎn)停車。預(yù)限位開關(guān)應(yīng)使用常閉觸點(diǎn)，并在到達(dá)相應(yīng)位置時打開。
如果僅預(yù)限位開關(guān)激活，變頻器控制電機(jī)以點(diǎn)動轉(zhuǎn)速或預(yù)置轉(zhuǎn)速1向相對應(yīng)的限位開關(guān)方向運(yùn)行，或以任意轉(zhuǎn)速向反方向運(yùn)行。
限位開關(guān)激活時，變頻器停止并進(jìn)行抱閘動作或僅允許以任意轉(zhuǎn)速向反方向運(yùn)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(jī)快速減速和反向，并在到達(dá)零速后以第二加速時間反向加速至點(diǎn)動速度。然后根據(jù)控制器的位置加速至相應(yīng)轉(zhuǎn)速。
4.9 主要程序流程圖
根據(jù)上述控制功能要求，PLC主要控制程序流程如圖4所示。
圖4 PLC主要控制程序流程圖
5 總結(jié)
實(shí)際應(yīng)用中，iS7以及內(nèi)置起吊應(yīng)用宏的PLC模塊很好的實(shí)現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)依靠變頻器本身，而應(yīng)采用獨(dú)立的處理單元，如PLC模塊。在改進(jìn)方案里，起吊應(yīng)用宏將增加這一功能，主要通過比較當(dāng)前轉(zhuǎn)速參考的方向和大小與編碼器實(shí)測的轉(zhuǎn)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(diǎn)串聯(lián)作為抱閘控制回路的一部份。另外使用預(yù)勵磁、直流啟動、磁通制動功能時，可以使電機(jī)快速響應(yīng)運(yùn)行指令和快速平滑的停車，但應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)此時電機(jī)溫升較高，需加裝獨(dú)立風(fēng)扇對電機(jī)散熱，考慮到安全性可以將電機(jī)熱阻信號連接至iS7作為故障保護(hù)。
總體上來看，iS7在提升和走行控制上的性能及功能表現(xiàn)較突出，其PLC模塊選件使iS7不僅在I/O口上，更在應(yīng)用功能上可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，編碼器模塊提供的豐富接口也能滿足絕大多數(shù)不同類型的編碼器需要。本文以起吊行業(yè)為例，給出了iS7可擴(kuò)展的起吊應(yīng)用通用宏方案。事實(shí)上由于PLC模塊的靈活性，用戶或設(shè)計者可以針對不同的應(yīng)用情況，開發(fā)出更豐富的專用或通用應(yīng)用宏，組建成本更低的系統(tǒng)。
——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號