驱动电路的准备知识与MM440变频器操作面板相关参数的修改过程

1. 变频器介绍

变频器是把电压、 频率固定的交流电变成电压、 频率可调的交流电的一种电气设备。 下面以西门子MM440 (Micro Master 440 型) 变频器为例来介绍变频器的基本构成及其使用方法。

1) 变频调速基本原理

交流异步电动机的转速表达式为:

其中,n 为异步电动机的转速(r/min);f 为定子电源频率(Hz);s 为电动机转差率;p 为电动机极对数。

由上式可知, 转速与频率成反比, 因此, 只要改变频率f 就可以改变电动机的转速。 变频器就是通过改变电动机的电源频率实现速度调节的。

2) 变频器的结构

变频器主要由以下几部分构成。

(1) 控制通道。 控制通道由以下几部分组成:

①面板——用于近距离基本控制与显示;

②外接控制端子——用于远距离、 多功能控制;

③通信接口——用于多电动机、 系统控制。

(2) 主控电路。 主控电路是变频器的控制中心, 用于处理各种外部控制信号、 内部检测信号, 以及用户对变频器参数的设定信号等, 可以实现变频器各种控制功能和保护功能。

(3) 控制电源。 控制电源主要为主控电路、 外控电路等部分提供的稳定电源。

(4) 采样和检测电路。 采样和检测电路的作用是提供控制数据和保护采样, 且在进行矢量控制时给主控电路提供足够的数据。

(5) 驱动电路。 驱动电路主要用于产生逆变器开关管的驱动信号, 受主控电路控制。

(6) 主电路。 主电路包括整流器和逆变器两个主要功率变换部分, 电网电压由输入端接入变频器, 经整流器整流成直流电压, 然后由逆变器逆变成电压、 频率可调的交流电压,由输出端输出到交流电动机。

3) 变频器的分类

变频器的分类方法主要有以下几种。

(1) 按变换环节, 变频器可分为交-交变频器和交-直-交变频器。

①交-交变频器是把恒压恒频(CVCF) 交流电直接变换为变压变频(VVVF) 交流电。其优点是没有中间环节, 变换效率较高; 缺点是连续可调频率范围较窄, 输出功率一般不足额定频率的一半, 并且电网功率因数较低。 这种变频器主要用于低速大功率的电力拖动系统。

②交-直-交变频器是先将交流电整流成直流电, 再经过滤波, 然后逆变成频率可调的交流电。 交-直-交变频器按照滤波方式又可分为电压型变频器和电流型变频器。 电压型变频器采用大电容滤波, 其两端电压基本保持恒定; 电流型变频器采用大电感滤波, 其电流基本保持恒定。

(2) 按电压调试方式, 变频器可分为脉幅(脉冲幅度) 调制(PAM) 变频器和脉宽(脉冲宽度) 调制变频器。

PAM 变频器是通过调节脉冲的幅值来改变输出电压, PWM 变频器则是通过改变脉冲占空比来改变输出电压。 目前使用较普遍的是正弦脉宽调制(SPWM) 变频器, 即脉宽按正弦规律变换的脉宽调制变频器。

(3) 按控制方式, 变频器可分为U/f 控制变频器、 VC 控制变频器、 DTC 控制变频器和其他控制方式变频器(此处不作介绍)。

①U/f 控制变频器是通过保持变频器输出电压U 和输出频率f 的比值恒定, 使电动机的主磁通不变, 在基频以下实现恒转矩调速, 基频以上实现恒功率调速。 U/f 控制变频器为开环控制方式, 多用于精度要求不高的场合。

②VC 控制变频器即矢量控制变频器, 是一种拥有高性能异步电动机控制方式的变频器。其基本工作原理是以三相交流绕组和两相直流绕组产生同样的旋转磁场动势为准则, 将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流) 和产生转矩的电流分量(转矩电流) 分别加以控制。 本章要介绍的西门子MM440 变频器就是VC 控制变频器。

③DTC 控制变频器是另一种拥有高性能异步电动机控制方式的变频器, 其基本思想是在准确观测定子磁链空间位置和大小并保持其幅值基本恒定, 以及准确计算负载转矩的条件下, 通过控制电动机的瞬时输入电压来控制电动机定子磁链的瞬时旋转速度, 改变它对转子的瞬时转差率, 从而控制电动机输出。

(4) 按用途变频器可分为通用型变频器和专用型变频器。

①通用型变频器是应用最为广泛的一种变频器, 主要有节能型变频器和高性能通用变频器两类。 节能型变频器一般为U/f 控制变频器, 其体积较小, 价格较低, 但控制方式单一,主要用于风机、 水泵等调速性能要求不高的场合; 高性能通用变频器具有较丰富的功能, 可进行PID 控制、 PG 闭环速度控制等, 主要用于电梯、 数控机床等调速性能要求较高的场合。

②专用型变频器是针对某种特定的应用场合而设计的变频器, 具有一定的针对性, 如电梯、 起重机等使用的变频器。

4) MM440 变频器的操作面板

MM440 变频器的标准配置操作面板为状态显示板(SDP)。 对于大多数用户而言, 利用SDP 和出厂默认值即可投入运行。 如想访问变频器参数, 可使用基本操作面板(BOP) 和高级操作面板(AOP)。 MM440 变频器操作面板如图5 -2 -2 所示。

图5-2-2　MM440 变频器操作面板

(a) SDP; (b) BOP; (c) AOP

通常使用BOP 来显示和设定变频器参数, BOP 上的功能按键如表5 -2 -1 所示。

表5-2-1　BOP 上的功能按键

续表

5) MM440 变频器的参数调试

西门子MM440 变频器的参数有两种类型, 一种以P 开头, 为用户可修改参数; 一种以r开头, 为只读参数。

MM440 变频器在默认设置时, 禁止使用BOP 进行电动机的控制。 如想使用BOP 控制,需将参数P0700 设为1, P1000 设为1。 BOP 可以修改任何一个参数, 以修改参数滤波功能P0004 和参数P0719 为例, 其修改过程如表5 -2 -2 所示。(www.xing528.com)

表5-2-2　BOP 修改参数滤波功能P0004 和参数P0719 的修改过程

续表

修改参数时, BOP 有时显示“Busy”, 说明变频器正在处理优先级更高的任务。

一台新的MM440 变频器需要经过参数复位、快速调试、 功能调试3 个步骤才能正常使用, 具体介绍如下:

(1) 参数复位: 一般在参数混乱时进行此操作, 将参数恢复到工厂默认值状态。 MM440 变频器参数复位过程如图5 -2 -3 所示;

(2) 快速调试: 一般在参数复位或更换电动机后需进行此操作, 将参数设定到用户所需状态。 MM440 变频器快速调试过程见图5 -2 -4所示。

(3) 功能调试: 在现场对具体生产工艺进行设置时需要进行此操作, 该部分调试工作较复杂, 此处不作过多介绍。

6) MM440 变频器的端口功能

变频器在应用过程中, 应根据需要将输入电源电压L1、 L2、 L3 转换为用户所需频率电压, 经由U、 V、 W 端子输出至负载设备。 MM440 变频器共有30 个控制端子来控制输出电压的特性或相关操作, MM440 变频器控制端子的定义如表5 -2 -3 所示。

图5-2-3　MM440 变频器参数复位过程

图5-2-4　MM440 变频器快速调试过程

图5-2-4　MM440 变频器快速调试过程(续)

表5-2-3　MM440 变频器控制端子的定义

7) 变频器系统调试

变频器系统调试应遵循“先空载, 再轻载, 后重载” 的步骤。

(1) 变频器不接电动机(空载) 运行的调试步骤为:

①变频器安全接地, 然后连接电源, 注意漏电保护;

②查看变频器状态是否正常, 若有问题, 应进行复位操作或更换变频器;

③根据工作需要进行功能设置。

(2) 变频器带空载电动机(轻载) 运行的调试步骤为:

①将变频器工作频率设定为较低频率(0 Hz), 打开电源, 逐步升高输出频率, 观察电动机工作是否正常;

②当变频器工作频率上升到额定频率时, 保持电动机转动一段时间, 然后按下停止按钮, 观察电动机制动过程是否正常。

(3) 变频器重载运行的调试步骤为:

①进行低速运行测试, 将变频器工作频率由0 Hz 逐渐增加, 如遇电动机启动困难, 应适当增大U/f 比或启动频率;

②将变频器工作频率设定为最大, 按下启动键, 观察启动电流是否过大、 启动过程是否平稳; 如遇跳闸现象, 应适当增加升速时间; 如遇较大振动, 应设置该处频率为回避频率;

③当变频器处于最大工作频率时按下停止键, 观察母线电压是否过高、 电动机制动是否及时; 如遇跳闸现象, 应适当增加降速时间; 如遇制动“爬行”, 则预置直流制动;

④系统工作一段时间后, 观察当变频器处于最大工作频率时电动机运行是否平稳。

2. 组态王软件简介

现代控制系统通常要对相关控制设备和数据进行“监控”, 即通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、 控制和管理, 组态软件是完成这一过程的主要组成部分, 是面向工业自动化的通用数据采集和监控软件, 也称为人机界面或HMI/MMI (Human Machine Interface/Man Machine Interface)。

常用的组态软件包括InTouch、 WinCC、 iFLX、 ASPEN -tech、 Movicon、 Citech、 Trace-Mode 等, 国内开发的组态软件有组态王、 三维力控、 易控、 昆仑通态MCGS、 世纪星、 紫金桥Realinfo 等。

组态王软件是由北京亚控科技发展有限公司开发的一种组态软件, 可与PLC、 智能模块、 智能仪表、 板卡、 变频器等多种外部设备进行通信。 对于不同的硬件设施, 用户只需要按照向导的提示完成I/O 设备的配置工作即可正常使用。

通常情况下, 使用组态王软件建立一个监控画面大致可分为以下几个步骤:

(1) 创建新工程: 为工程创建一个目录用来存放与工程相关的文件;

(2) 定义硬件设备并添加工程变量: 添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量,包括内存变量和I/O 变量;

(3) 制作图形画面并定义动画连接: 按照实际工程的要求绘制监控画面并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果;

(4) 编写命令语言: 通过脚本程序的编写以完成较复杂的操作上位控制;

(5) 进行运行系统的配置: 对运行系统、 报警、 历史数据记录、 网络、 用户等进行设置, 是系统完成后用于现场运行前的必备工作;

(6) 保存并运行: 完成以上步骤后, 一个可以拿到现场运行的监控画面就制作完成了。

以上六个步骤并非完全独立的, 而是常常交错进行的。 通常制作一个监控画面需要重点考虑三个方面: 图形界面制作、 数据变量与数据库的建立、 图形动画的连接。