发布时间：2024-07-19 19:00:18 人气：
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机电毕业论文-实现变频调速器多电机控制
[摘要]本文介绍了一种plc与变频调速器构成的多分支通讯网络，阐明了该网络控制调速系统与一般模拟量控制调速系统相比的优越性，给出了系统框图及plc程序。
[关键词]plc变频调速器多电机控制网络通讯协议
一、引言
以变频调速器为调速控制器
的同步控制系统、比例控制系统和同速系统等已广泛应用于冶金、机械、纺织、化工等行业。以比例控制系统为例，一般的系统构成如图1所示。
工作时操作人员通过控制机（可为plc或工业pc）设定比例运行参数，然后控制机通过d/a转换模件发出控制变频调速器的速度指令使各个变频调速器带动电机按一定的速度比例运转。此方案对电机数目不多，电机分布比较集中的应用系统较合适。但对于大规模生产自动线，一方面电机数目较多，另一方面电机分布距离较远。采用此控制方案时由于速度指令信号在长距离传输中的衰减和外界的干扰，使整个系统的工作稳定性和可靠性降低；同时大量d/a转换模件使系统成本增加。为此我们提出了plc与变频调速器构成多分支通讯控制网络。该系统成本较低、信号传输距离远、抗干扰能力强，尤其适合远距离，多电机控制。
二、系统硬件构成
系统硬件结构如图2所示，主要由下列组件构成；
1、fx0n—24mr为plc基本单元，执行系统及用户软件，是系统的核心。
2、fx0n—485adp为fx0n系统plc的通讯适配器，该模块的主要作用是在计算机—plc通讯系统中作为子站接受计算机发给plc的信息或在多plc构成n:n网络时作为网络适配器，一般只作为规定协议的收信单元使用。本文作者在分析其结构的基础上，将其作为通讯主站使用，完成变频调速器控制信号的发送。
3、fr—cu03为fr—a044系列比例调速器的计算机连接单元，符合rs—422/rs—485通讯规范，用于实现计算机与多台变频调速器的连网。通过该单元能够在网络上实现变频调速器的运行控制（如启动、停止、运行频率设定）、参数设定和状态监控等功能，是变频器的网络接口。
4、fr—a044变频调查器，实现电机调速。
在1:n（本文中为1:3）多分支通讯网络中，每个变频器为一个子站，每个子站均有一个站号，事先由参数设定单元设定。工作过程中，plc通过fx0n—485adp发有关命令信息后，各个子站均收到该信息，然后每个子站判断该信息的站号地址是否与本站站号一致。若一致则处理该信息并返回应答信息；若不一致则放弃该信息的处理，这样就保证了在网络上同时只有一个子站与主站交换信息。
三、软件设计
1、通讯协议
fr—cu03规定计算机与变频器的通讯过程如图3所示，
该过程最多分5个阶段。、计算机发出通讯请求；、变频器处理等待；、变频器作出应答；、计算机处理等待；、计算机作出应答。根据不同的通讯要求完成相应的过程，如写变频器启停控制命令时完成~三个过程；监视变频器运行频率时完成~五个过程。不论是写数据还是读数据，均有计算机发出请求，变频器只是被动接受请求并作出应答。每个阶段的数据格式均有差别。图4分别为写变频器控制命令和变频器运行频率的数据格式。
2、plc编程
要实现对变频器的控制，必须对plc进行编程，通过程序实现plc与变频器信息交换的控制。plc程序应完成fx0n—485adp通讯适配器的初始化、控制命令字的组合、代码转换及变频器应答信息的处理等工作。plc梯形图程序（部分程序）如图5所示。
程序中通讯发送缓冲区为d127~d149；接受缓冲区为d150~d160。电机1启动、停止分别由x0的上升、下降沿控制；电机2启动、停止分别由x1的上升、下降沿控制；电机3启动、停止分别由x2的上升、下降沿控制。程序由系统起始脉冲m8002初始化fx0n—485adp的通讯协议；然后进行启动、停止信号的处理。以电机1启动为例，x0的上升沿m50吸合，变频器1的站号送入d130，运行命令字送入d135，enq、写运行命令的控制字和等待时间等由编程器事先写入d131、d132、d133；接着求校验和并送入d136、d137；最后置m8122允许rs指令发送控制信息到。变频器受到信号后立刻返回应答信息，此信息fx0n—485adp收到后置m8132，plc根据情况作出相应处理后结束程序。
四、变频器制动的思路和新方法
在通用变频器、异步电动机和机械负载所组成的变频调速传统系统中，当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将可能处于再生发电制动状态；或当电动机从高速到低速（含停车减速时，频率可以突减，但因电机的机械惯性，电机可能处于再生发电状态，传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路中。此时的逆变器处于整流状态。这时，如果变频器中没采取消耗能量的措施，这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上升。如果当制动过快或机械负载为提升机类时，这部分能量就可能
对变频器带来损坏，所以这部分能量我们就应该考虑考虑了。
在通用变频器中，对再生能量最常用的处理方式有两种：(1)、耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的“制动电阻”中，称之为动力制动状态；(2)、使之回馈到电网，则称之为回馈制动状态（又称再生制动状态）。还有一种制动方式，即直流制动，可以用于要求准确停车的情况或起动前制动电机由于外界因素引起的不规则旋转。
在书籍、刊物上有许多专家谈论过有关变频器制动方面的设计与应用，尤其是近些时间有过许多关于“能量回馈制动”方面的文章。今天，笔者提供一种新型的制动方法，它具有“回馈制动”的四象限运转、运行效率高等优点，也具有“能耗制动”对电网无污染、可靠性高等好处。
1、能耗制动
利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电机的再生电能的方式称为能耗制动。
其优点是构造简单；对电网无污染（与回馈制动作比较），成本低廉；缺点是运行效率低，特别是在频繁制动时将要消耗大量的能量且制动电阻的容量将增大。
一般在通用变频器中，小功率变频器（22kw以下）内置有了刹车单元，只需外加刹车电阻。大功率变频器（22kw以上）就需外置刹车单元、刹车电阻了。
2、回馈制动
实现能量回馈制动就要求电压同频同相控制、回馈电流控制等条件。它是采用有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实现制动。
回馈制动的优点是能四象限运行,电能回馈提高了系统的效率。其缺点是：(1)、只有在不易发生故障的稳定电网电压下（电网电压波动不大于10%），才可以采用这种回馈制动方式。因为在发电制动运行时，电网电压故障时间大于2ms，则可能发生换相失败，损坏器件。(2)、在回馈时，对电网有谐波污染。(3)、控制复杂，成本较高。
3、新型制动方式（电容反馈制动）
3.1主回路原理
整流部分采用普通的不可控整流桥进行整流，滤波回路采用通用的电解电容，延时回路采用接触器或可控硅都行。充电、反馈回路由功率模块igbt、充电、反馈电抗器l及大电解电容c（容量约零点几法，可根据变频器所在的工况系统决定）组成。逆变部分由功率模块igbt组成。保护回路，由igbt、功率电阻组成。
(1)电动机发电运行状态
cpu对输入的交流电压和直流回路电压νd的实时监控，决定向vt1是否发出充电信号，一旦νd比输入交流电压所对应的直流电压值（如380vac—530vdc）高到一定值时，cpu关断vt3，通过对vt1的脉冲导通实现对电解电容c的充电过程。此时的电抗器l与电解电容c分压，从而确保电解电容c工作在安全范围内。当电解电容c上的电压快到危险值（比如说370v），而系统仍处于发电状态，电能不断通过逆变部分回送到直流回路中时，安全回路发挥作用，实现能耗制动（电阻制动），控制vt3的关断与开通，从而实现电阻r消耗多余的能量，一般这种情况是不会出现的。
(2)电动机电动运行状态
当cpu发现系统不再充电时，则对vt3进行脉冲导通，使得在电抗器l上行成了一个瞬时左正右负的电压，再加上电解电容c上的电压就能实现从电容到直流回路的能量反馈过程。cpu通过对电解电容c上的电压和直流回路的电压的检测，控制vt3的开关频率以及占空比,从而控制反馈电流，确保直流回路电压νd不出现过高。
3.2系统难点
(1)电抗器的选取
(a)、我们考虑到工况的特殊性，假设系统出现某种故障，导致电机所载的位能负载自由加速下落，这时电机处于一种发电运行状态，再生能量通过六个续流二极管回送至直流回路，致使νd升高，很快使变频器处于充电状态，这时的电流会很大。所以所选取电抗器线径要大到能通过此时的电流。
（b）、在反馈回路中，为了使电解电容在下次充电前把尽可能多的电能释放出来，选取普通的铁芯（硅钢片）是不能达到目的的，最好选用铁氧体材料制成的铁芯，再看看上述考虑的电流值如此大，可见这个铁芯有多大，素不知市面上有无这么大的铁氧体铁芯，即使有，其价格也肯定不会很低。
所以笔者建议充电、反馈回路各采用一个电抗器。
(2)控制上的难点
（a）、变频器的直流回路中，电压νd一般都高于500vdc，而电解电容c的耐压才400vdc，可见这种充电过程的控制就不像能量制动（电阻制动）的控制方式了。其在电抗器上所产生的瞬时电压降为，电解电容c的瞬时充电电压为νc=νd-νl，为了确保电解电容工作在安全范围内（≤400v），就得有效的控制电抗器上的电压降νl，而电压降νl又取决于电感量和电流的瞬时变化率。
（b）、在反馈过程中，还得防止电解电容c所放的电能通过电抗器造成直流回路电压过高，以致系统出现过压保护。
3.3主要应用场合及应用实例
正是由于变频器的这种新型制动方式（电容反馈制动）所具有的优越性，近些来，不少用户结合其设备的特点，纷纷提出了要配备这种系统。由于技术上有一定的难度，国外还不知有无此制动方式？国内目前只有山东风光电子公司由以前采用回馈制动方式的变频器（仍有2台在正常运行中）改用了这种电容反馈制动方式的新型矿用提升机系列，到目前为止，这种电容反馈制动的变频器正长期正常运行在山东宁阳保安煤矿及山西太原等地，填补了国内这一空白。
随着变频器应用领域的拓宽，这个应用技术将大有发展前途，具体来讲，主要用在矿井中的吊笼（载人或装料）、斜井矿车（单筒或双筒）、起重机械等行业。总之需要能量回馈装置的场合都可选用。
五、结语
1、实际使用表明，该方案能够实现plc通过网络对变频调速器的运行控制、参数设定和运行状态监控。
2、该系统最多可控制变频调速器32台，最大距离500m。
3、控制多台变频器，成本明显低于d/a控制方式。
4、随着变频器的增加，通讯延迟加大，系统响应速度低于d/a控制方式。
参考文献
1、韩安荣.通用变频器及其应用(第2版)[m].北京:机械工业出版社,
2、刘文兵（1981—）男从事过变频器的应用工作，现在台州富凌机电制造有限公司,从事变频器的设计与制造。
鸣谢
在论文完成之际，我真心地感谢在设计之中给予我帮助的荀延龙老师和各位同事，使我如期完成毕业论文，并使我终生受益。
在论文的完成过程中，系里的各位老师对我帮助很大。在此深表谢意！其他的同学也给予我许多关心和帮助，真诚地感谢他们。
和谐系列电力机车的重联型电力机车
HXD1型电力机车是干线货运用8轴大功率交流电传动电力机车。该型机车是中国铁路由中外企业联合研发的交流电传动电力机车产品之一。在被命名为「和谐」型之前，称为DJ4，当时DJ4共有两个型号，第一款是由株洲电力机车厂及德国西门子研发，编号由0001起，以西门子公司EuroSprinter系列机车作为技术平台，后车型代号改为HXD1（数字是生产厂商代号：1代表株洲电力机车），一般称为“和谐”1型电力机车（车辆编号HXD1xxxx）。另外一款命名为“DJ4”的机车则由大同机车厂及法国阿尔斯通研发，编号由6001起，即后来的HXD2型电力机车。两种型号机车均采用交流电牵引电动机，交—直—交流电传动以及双节固定重联，单节车轴式Bo-Bo，即两个两轴转向架。HXD1型电力机车由两节完全相同的单端司机室四轴车通过内重联环节连挂成八轴机车，成为一完整系统。司机可在一个司机室对重联机车进行控制；装有远程重联控制系统，适合于多机分布式重载牵引；机车车体采用中央梁承载方式；独立通风方式；轴式2（Bo-Bo）；每轴交流电牵引电动机功率1200千瓦，八轴机车总功率为9600千瓦；机车轴重按25吨，去掉车内配重可实现机车轴重23吨的转换；控制系统采用西门子SIBAS 32系列的微机控制，TCN网络通讯技术；辅助供电系统和主电路系统集成在一体，采用变频异步牵引电机、IGBT功率模块牵引逆变器、MVB及WTB等技术。受电弓使用株洲九方电器设备公司制造的TSG15型，其技术由西门子旗下的MWW公司提供。基础制动为盘形制动系统，采用CCBⅡ空气制动系统，电制动采用再生制动。
HXD1型电力机车还有专门为神华集团制作的神华号，该车为3节重联，12轴，每轴功率不变，总功率14400kW。
2004年铁道部为实现中国铁路《中长期铁路网规划》，确立了“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的方针，推进铁路机车车辆装备现代化。2004年12月，铁道部与中国南车集团株洲电力机车及德国西门子签约，订购180辆八轴大功率货运机车，该合同总值73.4亿元人民币。由株洲电力机车制造的首辆机车于2006年11月8日出厂，车辆编号为DJ4 0001A及0001B。在出厂初期，媒体曾称之为“神龙号”。首两组机车在出厂后不久，其型号改称为“和谐型”（HXD），车辆编号也改为HXD1-0xxx。当时是中国铁路既有机车中功率最大的交流电传动电力机车。截至2007年年底，株洲厂共制造120多台HXD1型机车，其中2007年度出厂的有110台。截止2009年，HXD1型机车累计生产了220台。
HXD1型机车自2007年交付太原铁路局湖东机务段运用，主要用于大秦铁路，牵引运煤重载货运列车。HXD1型机车双机可牵引两万吨重载组合列车。2009年5月，连接大同至包头的大包铁路完成电气化工程，有关方面为该线引入HXD1型机车。由湖东机务段配属的和谐1型电力机车交路延伸至大包线。
铁道部于2007年8月18日再与株洲电力机车及西门子签约，订购500辆六轴机车。以EuroSprinter电力机车为原型研制，合同总值超过3.34亿欧元。新车型号被定为HXD1B型。
2008年11月，铁道部取消了40辆HXD1型机车订单，并要求株洲电力机车立即停止生产该型机车，原因不明。
详见HXD1型电力机车条目。 HXD2型电力机车是干线货运用八轴大功率交流电传动电力机车。由中国北车集团大同电力机车有限责任公司与法国阿尔斯通交通运输股份有限公司联合开发。在阿尔斯通公司的PRIMA系列电力机车的基础上研制，根据中国铁路线路的具体情况设计而成。该机车车型代号HXD2（数字是生产厂商代号：2代表大同电力机车），一般称为“和谐”2型电力机车（车辆编号HXD2-xxxx）。车辆在被命名为“和谐”型之前，曾被称为“DJ4” 编号由6001起。HXD2型电力机车是中国铁路机车技术现代化的重要产品之一。
HXD2型机车采用标准化、模块化设计，每台机车由两节单端司机室的四轴车固定重联而成，机车车身采用整体承载式焊接车体结构，无横梁框架式波纹板侧墙，中间走廊，整体独立通风系统；分布式微机网络结构控制；轴式Bo-Bo；机车轴重按25吨设计，去掉车内配重可实现机车轴重23吨的转换；采用滚动抱轴式电机悬挂，异步牵引电机，IGBT水冷变流机组，牵引传动控制系统为独立轴控方式，单轴功率为1200 kW，机车总功率为9600 kW，是中国铁路所有既有机车中单轴功率最大的机车。可单机牵引7,000吨重载列车；机车具备多机无线重联远程同步控制功能，三机重联满足20,000吨以上重载列车的牵引要求。机车在-40℃环境条件下可正常存放，采取加温和防寒措施后可正常运用。
HXD2型机车是中国铁路由中外企业联合研发的交流电传动电力机车之一。2004年6月11日，中国北车集团大同电力机车与法国阿尔斯通公司签署了技术转让及合作生产框架协议；2007年3月12日，大同电力机车和阿尔斯通公司联合获得了铁道部的采购合同，订单数为180辆，合同总值3.745亿欧元。其中，首12辆（HXD2-0001～HXD2-0012）在法国贝尔福的工厂制造；36辆（HXD2-0013～HXD2-0048）以散件形式付运，由大同电力机车组装；其余132辆（HXD2-0049～HXD2-0180）均为“国产化”版本。首辆HXD2型机车于2006年12月从法国装船，于2007年1月21日运抵中国天津港。2007年5月18日，首台国内组装HXD2型机车在大同电力机车下线。至2008年12月，全部180台HXD2型机车交付完毕。
详见HXD2型电力机车条目。
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