作者簡(jiǎn)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(jiǎn)單描述，著(zhù)重介紹了iS7系列變頻器在起吊行業(yè)的應用實(shí)現。

    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(zhù)電力半導體，計算機以及變頻調速技術(shù)的發(fā)展，變頻器已經(jīng)在電氣傳動(dòng)控制領(lǐng)域得到了普通認同和廣范應用。其本身具有的高動(dòng)態(tài)、高性能、高品質(zhì)、大容量、節能等顯著(zhù)特點(diǎn)，使其迅速取代了變極，串阻等控制方式，并在各傳動(dòng)行業(yè)里得到了推廣和發(fā)展。由于傳動(dòng)應用場(chǎng)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)行擴展。如何在提供高效安全的控制性能的同時(shí)，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(chǎng)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)，具有低頻轉矩大，調速范圍廣，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)中的普通應用實(shí)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(yè)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(kāi)關(guān)。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(gè)重要要求：

·提升的同步控制。

·快速平滑啟動(dòng)，電機的快速預勵磁和精確的抱閘控制。

·快速平滑制動(dòng)和制動(dòng)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(chē)輛能快速安全進(jìn)入邊緣位置?？紤]到可能對負載的損壞，起吊車(chē)輛在全速進(jìn)入邊緣位置時(shí)不會(huì )產(chǎn)生急拉動(dòng)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(yōu)點(diǎn)，更突出了人性化的拓展性。

3 iS7簡(jiǎn)介

    作為L(cháng)S產(chǎn)電2008年推出的新一代變頻器，iS7集成了風(fēng)機水泵、擺頻、PID、自動(dòng)順序及用戶(hù)自定義等應用宏。就起吊應用而言，iS7具有如下特點(diǎn)：

·除常用的開(kāi)環(huán)V/F控制外，可選用帶編碼器的V/F控制，無(wú)傳感矢量控制以及有傳感矢量控制。

·永磁同步電機的無(wú)傳感矢量控制。適用于采用永磁同步電機的提升領(lǐng)域

·采用無(wú)傳感矢量控制時(shí)，速度控制范圍可達1:100，0.1Hz時(shí)輸出150%轉矩。

·采用帶速度反饋的矢量控制時(shí)，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(dòng)方式，更提供磁通制動(dòng)功能。將制動(dòng)單元效率最大化。

·內置RS485及MODBUS通訊

·可同時(shí)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(hù)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(jìn)行詳細敘述，主要從控制電路與功能上介紹iS7的應用實(shí)現?？紤]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(jìn)行接口，并對變頻器進(jìn)行合理的參數設置，以滿(mǎn)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用宏提供給較簡(jiǎn)單的起吊系統，或作為控制系統的接口進(jìn)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(gè)數字輸入，4個(gè)繼電器輸出，加上變頻器本體8個(gè)數字輸入，和2個(gè)繼電器輸出，1個(gè)開(kāi)路集電極輸出，總共可擴展14個(gè)數字輸入和7個(gè)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(shí)，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?？刂平泳€(xiàn)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(shí)，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?？刂平泳€(xiàn)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(jìn)行轉速控制?？刂平泳€(xiàn)如圖3所示。

4.5 編碼器反饋

    走行控制時(shí)，可以采用無(wú)傳感矢量控制，在一臺變頻器控制多臺走行電機時(shí)，應采用V/F控制。但提升控制時(shí)，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(shí)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(xiàn)性和開(kāi)路集電極接口，最大頻率至200kHz。使用時(shí)只需根據采用的編碼器類(lèi)型根據說(shuō)明書(shū)接線(xiàn)與設置參數即可，這里不再進(jìn)行詳細描述。

4.6 機械抱閘

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

    停機狀態(tài)下接受到運行指令后，變頻器在輸出頻率和電流滿(mǎn)足釋放頻率和釋放電流時(shí)，通過(guò)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(shí)間后開(kāi)始加速。運行狀態(tài)下接收到停止指令后，開(kāi)始減速，達到抱閘頻率時(shí)輸出抱閘信號并保持抱閘頻率輸出，延遲抱閘時(shí)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(tài)下接受到運行指令后開(kāi)始預勵磁，預勵磁時(shí)間結束后輸出抱閘釋放信號，并延遲抱閘釋放時(shí)間后開(kāi)始加速。運行狀態(tài)下接收到停止信號后，開(kāi)始減速至零速時(shí)輸出抱閘信號。延遲抱閘時(shí)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(lián)在抱閘控制回路中。

4.7 （預）限位開(kāi)關(guān)

    通過(guò)（預）限位開(kāi)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(chē)。預限位開(kāi)關(guān)應使用常閉觸點(diǎn)，并在到達相應位置時(shí)打開(kāi)。

    如果僅預限位開(kāi)關(guān)激活，變頻器控制電機以點(diǎn)動(dòng)轉速或預置轉速1向相對應的限位開(kāi)關(guān)方向運行，或以任意轉速向反方向運行。

    限位開(kāi)關(guān)激活時(shí)，變頻器停止并進(jìn)行抱閘動(dòng)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(guò)程時(shí)，控制器若切換至反向，變頻器將以第二減速時(shí)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(shí)間反向加速至點(diǎn)動(dòng)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(shí)際應用中，iS7以及內置起吊應用宏的PLC模塊很好的實(shí)現了對提升和走行的控制。但本方案的程序中未對提升過(guò)程中會(huì )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(jìn)方案里，起吊應用宏將增加這一功能，主要通過(guò)比較當前轉速參考的方向和大小與編碼器實(shí)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(diǎn)串聯(lián)作為抱閘控制回路的一部份。另外使用預勵磁、直流啟動(dòng)、磁通制動(dòng)功能時(shí)，可以使電機快速響應運行指令和快速平滑的停車(chē)，但應用中發(fā)現此時(shí)電機溫升較高，需加裝獨立風(fēng)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(lái)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(shí)現擴展，編碼器模塊提供的豐富接口也能滿(mǎn)足絕大多數不同類(lèi)型的編碼器需要。本文以起吊行業(yè)為例，給出了iS7可擴展的起吊應用通用宏方案。事實(shí)上由于PLC模塊的靈活性，用戶(hù)或設計者可以針對不同的應用情況，開(kāi)發(fā)出更豐富的專(zhuān)用或通用應用宏，組建成本更低的系統。