高性能矢量變頻器在AC伺服系統(tǒng)中的運用
一 伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程
伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程, 電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動電機類型分為直流(DC)伺服系統(tǒng)和交流(AC)伺服系統(tǒng)。交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動電機類型又可分為永磁同步(SM型)電動機交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步(IM型)電動機交流伺服系統(tǒng)。
由于直流伺服電動機存在機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 維修工作量大包括電刷、換向器等則成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。隨著微處理技術(shù)、大功率電力電子技術(shù)的成熟和電機永磁材料的發(fā)展和成本降低, 交流伺服系統(tǒng)得到長足發(fā)展并將逐步取代直流伺服系統(tǒng)。
二 交流感應(yīng)式異步伺服系統(tǒng)
直流伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能平穩(wěn)、低速轉(zhuǎn)矩高、調(diào)速范圍寬是它的優(yōu)點, 一般普通交流驅(qū)動系統(tǒng)是無法做到的。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展, 在二十世紀(jì)七十年代后期出現(xiàn)了矢量控制(VC)理論即磁場定向控制理論。由于矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)使用, 使異步電動機的調(diào)速可獲得和直流電動機調(diào)速相媲美的高精度和快速響應(yīng)性能。
電動機調(diào)速的任務(wù)是控制轉(zhuǎn)速, 而速度的變化是通過轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)的, 除轉(zhuǎn)矩外再沒有其它控制量可影響速度, 所以調(diào)速的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩控制。
直流電動機因其特殊功能保證了Φ(磁通量與勵磁電流If有關(guān))和Ia(電樞電流與負(fù)載大小有關(guān))的正交關(guān)系, 故可近似認(rèn)為夾角Ø=90度不變, 則轉(zhuǎn)矩T=CmΦIa ,例如, 讓Φ不變則, 轉(zhuǎn)矩T僅和Ia電樞電流成正比?？刂七^程中轉(zhuǎn)矩能迅速響應(yīng)電流的變化, 轉(zhuǎn)矩控制和調(diào)節(jié)十分方便。
異步電動機與直流電動機在轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理上有很大區(qū)別, 異步電動機的勵磁是由三相旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的, 它不能像直流電動機一樣固定Φ和Ia的夾角為90度。異步電動機可供檢測的定子電流I=Im(勵磁電流)+It(轉(zhuǎn)矩電流)混交在一起, 因此要使異步電動機與直流電動機一樣地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩并易于控制, 就必須設(shè)法將定子電流I按矢量變換分解為Im和It, 并使I與Φ的矢量夾角始終保持90度。
矢量型變頻器利用對電動機的參數(shù)坐標(biāo)進行變換, 使電動機定子電流分解成勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流并分別加以控制。這就使得矢量型變頻器在異步電動機伺服控制系統(tǒng)中完全近似于直流電動機伺服系統(tǒng)的控制策略。
矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點:
(1)動態(tài)響應(yīng)速度快;
(2)低頻轉(zhuǎn)矩大調(diào)速比寬;
(3)控制比直流伺服系統(tǒng)更加靈活。
矢量控制系統(tǒng)的運用范圍:
(1)適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境;
(2)四象限運轉(zhuǎn), 電動機運行平穩(wěn);
(3)高精度的電力拖動, 調(diào)速精度為最大速度的0.005%;
(4)要求高速響應(yīng)的工作機械, 保證驅(qū)動系統(tǒng)快速,精確地工作。
三 矢量型變頻器在擠壓機應(yīng)用實例
在物料擠壓生產(chǎn)線上采用A-B公司的高性能變頻電機、1336IMPACT高性能變頻器和SLC-504可編程控制器等構(gòu)成的AC伺服控制系統(tǒng)。(見所附控制圖)
A-B公司產(chǎn)品1336IMPACT變頻器采用FORCE技術(shù)即磁場定向控制技術(shù), 使得IMPACT變頻器可以像直流電動機一樣, 獨立控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩和磁通。使用光電編碼器時變頻器調(diào)速范圍為1000:1, 調(diào)速精度為最高速度的0.001%, 轉(zhuǎn)矩調(diào)整率為2%。
1336IMPACT變頻器的FORCE技術(shù)是使變頻電動機真正獲得“類似直流調(diào)速”性能的最先進的變頻技術(shù)。
擠壓線伺服控制系統(tǒng)由SLC-504可編程控制器的上位機來監(jiān)控, 控制系統(tǒng)分為自動和手動方式。 當(dāng)擠壓設(shè)備溫度等條件滿足后在上位機選擇自/手動方式啟動程序SLC發(fā)出命令, 擠壓電動機正向驅(qū)動自動跟蹤給定速度, 隨著喂料系統(tǒng)的啟動,電動機轉(zhuǎn)矩隨之變化以保證平穩(wěn)的電機轉(zhuǎn)速。在電動機轉(zhuǎn)軸和擠壓桿連接處裝有轉(zhuǎn)矩保護裝置-離合器, 當(dāng)電機轉(zhuǎn)矩大于保護值時離合器自動分離充分保護設(shè)備, 當(dāng)位置接近開關(guān)檢測到離合器動作后會發(fā)出一個開關(guān)信號給SLC-504控制系統(tǒng)停車。確定故障后可在上位機操作通過SLC發(fā)出命令, 變頻器低速反向驅(qū)動使離合器復(fù)位, 當(dāng)接近開關(guān)條件滿足變頻器反轉(zhuǎn)停止, 電氣系統(tǒng)恢復(fù)正常。
四 無光電編碼器反饋的矢量控制變頻器簡介
隨著傳感技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代控制理論在變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用, 人們發(fā)現(xiàn)可以用磁通觀測的間接方式得到磁通量。變頻器是通過檢測電動機端電壓和電流, 經(jīng)過推算和PI運算等方法求得磁通量。所以在沒有光電編碼器反饋的情況下, 新一代矢量變頻器仍可以對異步電動機進行精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制。前面所介紹的1336IMPACT變頻器在無編碼器反饋的情況下調(diào)速范圍可達120:1, 調(diào)速精度可為0.5%, 轉(zhuǎn)矩調(diào)整率可為5%。除此之外還有像ABB公司的ACS600和日立的SJ300等系列變頻器都有此項功能, 這樣可以在許多運用中省去電動機所裝昂貴的光電編碼器同時可以簡化系統(tǒng)接線等。(end)
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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