Tesis de graduación en mecánica y electricidad: realización de control de múltiples motores con regulador de velocidad de frecuencia variable
[Resumen] Este artículo presenta una red de comunicación de múltiples ramas compuesta por PLC y regulador de velocidad de frecuencia variable , que ilustra las ventajas del sistema de regulación de velocidad de control de red en comparación con el sistema de regulación de velocidad de control analógico general. Se proporcionan el diagrama de bloques del sistema y el programa PLC.
[Palabras clave]Protocolo de comunicación de red de control multimotor del convertidor de frecuencia PLC
1. Introducción
Uso del convertidor de frecuencia como controlador de velocidad
El sistema de control síncrono, el sistema de control proporcional y el sistema de velocidad simultánea se han utilizado ampliamente en las industrias metalúrgica, de maquinaria, textil, química y otras. Tomando el sistema de control proporcional como ejemplo, la estructura general del sistema se muestra en la Figura 1.
Cuando trabaja, el operador establece los parámetros de funcionamiento proporcionales a través de la máquina de control (puede ser un PLC o una PC industrial), y luego la máquina de control emite instrucciones de velocidad para controlar el convertidor de frecuencia a través de la conversión D/A. Módulo para hacer cada convertidor de frecuencia. El regulador de velocidad hace que el motor funcione a una determinada relación de velocidad. Esta solución es más adecuada para sistemas de aplicación con una pequeña cantidad de motores y una distribución de motores relativamente concentrada. Pero para la producción a gran escala de líneas automáticas, por un lado, se utiliza una gran cantidad de motores y, por otro, los motores están muy distribuidos entre sí. Cuando se utiliza este esquema de control, debido a la atenuación de la señal de comando de velocidad en la transmisión de larga distancia y a la interferencia externa, la estabilidad de funcionamiento y la confiabilidad de todo el sistema se reducen al mismo tiempo, una gran cantidad de módulos de conversión d/a; aumentar el costo del sistema. Por este motivo, propusimos una red de control de comunicación multirama compuesta por PLC y regulador de velocidad de frecuencia variable. Este sistema tiene un bajo costo, una larga distancia de transmisión de señal y una gran capacidad antiinterferente. Es especialmente adecuado para control de larga distancia y de múltiples motores.
2. Estructura del hardware del sistema
La estructura del hardware del sistema se muestra en la Figura 2, que se compone principalmente de los siguientes componentes
1. es la unidad básica de plc, el sistema de ejecución y el software de usuario son el núcleo del sistema.
2. fx0n-485adp es el adaptador de comunicación del sistema fx0n plc. La función principal de este módulo es servir como una subestación en el sistema de comunicación computadora-plc para recibir información enviada desde la computadora al plc. o para formar n en múltiples plcs: n red como adaptador de red, generalmente solo se usa como unidad receptora para protocolos específicos. A partir del análisis de su estructura, el autor de este artículo la utiliza como estación maestra de comunicaciones para completar la transmisión de señales de control del convertidor de frecuencia.
3. fr-cu03 es la unidad de conexión de computadora del regulador de velocidad proporcional de la serie fr-a044, que cumple con las especificaciones de comunicación rs-422/rs-485 y se utiliza para conectar la computadora a múltiples convertidores de frecuencia. neto. Esta unidad puede realizar el control de operación (como arranque, parada, configuración de frecuencia de operación), configuración de parámetros y funciones de monitoreo de estado del convertidor de frecuencia en la red.
4. Investigador de conversión de frecuencia fr-a044 para realizar la regulación de la velocidad del motor.
En una red de comunicación de múltiples ramas 1:n (1:3 en este artículo), cada convertidor de frecuencia es una subestación y cada subestación tiene un número de estación, que se establece de antemano mediante la configuración de parámetros. unidad. Ciertamente. Durante el proceso de trabajo, después de que el plc envía información de comando relevante a través de fx0n-485adp, cada subestación recibe la información y luego cada subestación determina si la dirección del número de estación de la información es consistente con su propio número de estación. Si son consistentes, la información será procesada y se devolverá la información de respuesta; si son inconsistentes, se abandonará el procesamiento de la información. Esto asegura que solo una subestación intercambie información con la estación maestra en la red. mismo tiempo.
3. Diseño de software
1. Protocolo de comunicación
fr-cu03 estipula que el proceso de comunicación entre la computadora y el inversor se muestra en la Figura 3,
El proceso se divide en hasta 5 etapas. ?, el ordenador envía una solicitud de comunicación; ?, el inversor procesa y espera; ?, el inversor responde ?, el ordenador procesa y espera ?, el ordenador responde; Los procesos correspondientes se completan de acuerdo con diferentes requisitos de comunicación. Por ejemplo, se completan tres procesos al escribir los comandos de control de inicio y parada del inversor; se completan cinco procesos al monitorear la frecuencia de operación del inversor. Ya sea escribiendo datos o leyendo datos, la computadora envía una solicitud y el inversor solo acepta pasivamente la solicitud y responde. El formato de datos de cada etapa es diferente. La Figura 4 muestra el formato de datos para escribir el comando de control del inversor y la frecuencia de operación del inversor, respectivamente.
2. Programación del PLC
Para controlar el inversor, se debe programar el plc y el control del intercambio de información entre el plc y el inversor se puede realizar a través del programa.
El programa plc debe completar la inicialización del adaptador de comunicación fx0n-485adp, la combinación de palabras de comando de control, la conversión de código y el procesamiento de la información de respuesta del inversor. El programa de diagrama de escalera del plc (parte del programa) se muestra en la Figura 5.
El búfer de envío de comunicación en el programa es d127~d149; el búfer de recepción es d150~d160. El arranque y la parada del motor 1 están controlados por los flancos ascendentes y descendentes de x0 respectivamente; el arranque y la parada del motor 2 están controlados por los flancos ascendentes y descendentes de x1 respectivamente; el arranque y la parada del motor 3 están controlados por los flancos ascendentes. y bordes descendentes de x2 respectivamente. El programa inicializa el protocolo de comunicación fx0n-485adp mediante el pulso de inicio del sistema m8002 y luego procesa las señales de inicio y parada. Tomando el motor 1 para arrancar como ejemplo, el flanco ascendente de x0, m50, se activa, el número de estación del inversor 1 se envía a d130, la palabra de comando de ejecución se envía a d135, enq, la palabra de control para escribir el comando de ejecución y el tiempo de espera lo escribe el programador de antemano d131, d132, d133; luego encuentra la suma de verificación y envíala a d136, d137 finalmente configura m8122 para permitir que el comando rs envíe información de control. El convertidor de frecuencia devuelve la información de respuesta inmediatamente después de recibir la señal. Después de recibir esta información, fx0n-485adp configura m8132 y el plc lo maneja en consecuencia según la situación y finaliza el programa.
IV. Ideas y nuevos métodos de frenado del convertidor de frecuencia
En el tradicional sistema de regulación de velocidad por frecuencia variable compuesto por un convertidor de frecuencia general, un motor asíncrono y una carga mecánica, cuando el motor conduce Cuando se libera la carga de energía potencial, el motor puede estar en un estado de frenado de generación de energía regenerativa o cuando el motor desacelera de alta velocidad a baja velocidad (incluido el estacionamiento), la frecuencia puede disminuir repentinamente, pero debido a la inercia mecánica de; el motor, el motor puede estar en un estado de generación de energía regenerativa y el sistema de transmisión. La energía mecánica almacenada en el motor se convierte en energía eléctrica y se devuelve al circuito de CC del inversor a través de los seis diodos de rueda libre del inversor. Al mismo tiempo, el inversor está en el estado de rectificación. Esta parte de la energía hará que aumente el voltaje del condensador de almacenamiento de energía del circuito intermedio. Si el frenado es demasiado rápido o la carga mecánica es un polipasto, esta parte de la energía puede. causar daños al convertidor de frecuencia, por lo que debemos considerar esta parte de la energía.
En los convertidores de frecuencia generales, hay dos formas más comunes de lidiar con la energía regenerativa: (1) Disiparla. artificialmente en el bucle de CC. La "resistencia de frenado" configurada en paralelo con el condensador se denomina estado de frenado dinámico (2) Si se retroalimenta a la red eléctrica, se denomina estado de frenado de retroalimentación (también llamado regenerativo); estado de frenado). Este método de frenado, es decir, frenado por CC, se puede utilizar cuando se requiere un estacionamiento preciso o cuando el motor del freno gira de manera irregular debido a factores externos antes de arrancar.
Muchos expertos lo han comentado en libros. y publicaciones sobre el diseño y aplicación del frenado inversor, especialmente en los últimos años, ha habido muchos artículos sobre el "frenado por retroalimentación de energía". Hoy, el autor proporciona un nuevo método de frenado, que tiene las características de "frenado por retroalimentación". tiene las ventajas de funcionamiento en cuatro cuadrantes y alta eficiencia operativa. También tiene los beneficios de que el "frenado energético" no contamina la red eléctrica y tiene un alto consumo de energía. La forma en que la resistencia de frenado en el circuito de CC absorbe la energía eléctrica regenerada del motor se denomina frenado por consumo de energía.
Sus ventajas son una estructura simple, no contamina la red eléctrica (en comparación con el frenado por retroalimentación) y bajo costo; desventajas: la eficiencia operativa es baja, especialmente durante el frenado frecuente, se consumirá una gran cantidad de energía y la capacidad de la resistencia de frenado aumentará.
Generalmente, en inversores de uso general, baja. -Los inversores de potencia (por debajo de 22 kw) están integrados. Con la unidad de frenado, solo se necesita una resistencia de frenado externa. Los inversores de alta potencia (por encima de 22 kw) requieren unidades de frenado externas y resistencias de frenado. La implementación del frenado regenerativo. El frenado con retroalimentación de energía requiere voltaje de la misma frecuencia y mismo control de fase, control de corriente de retroalimentación y otras condiciones. Utiliza tecnología de inversor activo para invertir la energía eléctrica regenerada en energía CA con la misma frecuencia y fase. como la red eléctrica y enviarla de regreso a la red eléctrica para lograr el frenado. /p>
La ventaja del frenado por retroalimentación es que puede operar en cuatro cuadrantes. La retroalimentación de energía eléctrica mejora la eficiencia del sistema. (1) Sólo bajo una tensión de red estable que no sea propensa a fallas (la fluctuación de la tensión de la red no es superior al 10%), se puede utilizar este método de frenado por retroalimentación porque durante la operación de frenado del generador, si el tiempo de falla de la tensión de la red es. mayor a 2 ms, puede ocurrir una falla de conmutación y el dispositivo puede dañarse. (2) Durante la retroalimentación, habrá contaminación armónica en la red eléctrica. (3) El control es complejo y el coste elevado.
3. Nuevo método de frenado (frenado por retroalimentación del condensador)
3.1 Principio del circuito principal
La parte de rectificación utiliza un puente rectificador incontrolable ordinario para rectificar y filtrar el bucle. utiliza condensadores electrolíticos de uso general y el circuito de retardo puede utilizar contactores o tiristores. El circuito de carga y retroalimentación está compuesto por el módulo de potencia igbt, el reactor de carga y retroalimentación l y el condensador electrolítico grande c (la capacidad es de aproximadamente unas pocas décimas de milímetro, que se puede determinar según las condiciones de trabajo del inversor) . La parte del inversor consta del módulo de potencia igbt. El circuito de protección está compuesto por igbt y resistencia de potencia.
(1) Estado operativo de generación de energía del motor
La CPU monitorea el voltaje de CA de entrada y el voltaje del enlace de CC νd en tiempo real y decide si enviar una señal de carga a vt1 una vez. es mayor que el voltaje de CA de entrada. Cuando el valor de voltaje de CC correspondiente (como 380vac-530vdc) alcanza un cierto valor, la CPU apaga vt3 y el proceso de carga del capacitor electrolítico c se realiza mediante la conducción de pulsos de vt1. En este momento, el voltaje del reactor ly el condensador electrolítico c se divide, asegurando así que el condensador electrolítico c funcione dentro de un rango seguro. Cuando el voltaje en el capacitor electrolítico c alcanza un valor peligroso (por ejemplo, 370v), pero el sistema aún está generando electricidad y la energía eléctrica se envía continuamente de regreso al circuito de CC a través de la parte del inversor, el bucle de seguridad entra en juego para realice el frenado con consumo de energía (frenado por resistencia). (Activar), controle el apagado y encendido de vt3, para que la resistencia r consuma el exceso de energía. Generalmente, esta situación no ocurrirá.
(2) Estado de funcionamiento del motor eléctrico
Cuando la CPU descubre que el sistema ya no se está cargando, realiza una conducción de impulsos en vt3, provocando un positivo instantáneo izquierdo aguas arriba del reactor l El voltaje negativo de la derecha, más el voltaje en el capacitor electrolítico c, puede realizar el proceso de retroalimentación de energía desde el capacitor al circuito de CC. Al detectar el voltaje en el capacitor electrolítico cy el voltaje del enlace de CC, la CPU controla la frecuencia de conmutación y el ciclo de trabajo de vt3, controlando así la corriente de retroalimentación para garantizar que el voltaje del enlace de CC νd no parezca demasiado alto.
3.2 Dificultades del Sistema
(1) Selección del Reactor
(a). Considerando la particularidad de las condiciones de trabajo, asumimos que ocurre algún tipo de falla. en el sistema, lo que hace que la carga de energía potencial transportada por el motor se acelere y caiga libremente. En este momento, el motor está en un estado de operación de generación de energía y la energía regenerativa se envía de regreso al circuito de CC a través de los seis diodos de rueda libre. provocando que νd aumente y el inversor pronto estará en estado de carga. La corriente en este momento será muy grande. Por lo tanto, el diámetro del cable del reactor seleccionado debe ser lo suficientemente grande para permitir el paso de la corriente en este momento.
(b). Es mejor elegir un núcleo de hierro hecho de material de ferrita y observar el gran valor de corriente considerado anteriormente. Se puede ver qué tan grande es el núcleo de hierro. No sé si hay un núcleo de ferrita tan grande en el. Incluso si lo hay, su precio es muy bajo. Ciertamente no será bajo.
Por eso, el autor recomienda utilizar un reactor en cada uno de los circuitos de carga y de retroalimentación.
(2) Dificultades en el control
(a) En el circuito de CC del convertidor de frecuencia, la tensión νd es generalmente superior a 500 V CC, mientras que la tensión soportada del condensador electrolítico c es solo 400vdc. Se puede ver que el control de este proceso de carga no es como el método de control del frenado energético (frenado por resistencia). La caída de voltaje instantánea generada en el reactor es, y el voltaje de carga instantáneo del capacitor electrolítico c es νc = νd-νl. Para garantizar que el capacitor electrolítico funcione dentro de un rango seguro (≤400v), es necesario hacerlo de manera efectiva. controlar el voltaje en el reactor. La caída de voltaje νl depende de la inductancia y la tasa de cambio instantáneo de la corriente.
(b) Durante el proceso de retroalimentación, también es necesario evitar que la energía eléctrica descargada por el condensador electrolítico c pase a través del reactor y provoque que el voltaje del circuito de CC sea demasiado alto, provocando protección contra sobretensión en el sistema.
3.3 Principales ocasiones de aplicación y ejemplos de aplicación
Es precisamente por las ventajas de este nuevo método de frenado del convertidor de frecuencia (frenado por retroalimentación capacitiva) que en los últimos años, no sólo muchos Los usuarios han propuesto equiparse con un sistema de este tipo en función de las características de sus equipos. Debido a dificultades técnicas, no sé si este método de frenado existe en el extranjero. En la actualidad, sólo Shandong Fengguang Electronics Company en China ha cambiado del convertidor de frecuencia que utilizaba el método de frenado por retroalimentación (todavía hay 2 unidades en funcionamiento normal) a una nueva serie de polipastos para minería que utiliza este método de frenado por retroalimentación capacitiva. Hasta ahora, este tipo. El inversor de frenado con retroalimentación capacitiva está funcionando normalmente en la mina de carbón Baoan en Ningyang, provincia de Shandong y en Taiyuan, provincia de Shanxi, durante mucho tiempo, llenando este vacío en el país.
Con la expansión del campo de aplicación de los convertidores de frecuencia, esta tecnología de aplicación tendrá grandes perspectivas de desarrollo. Específicamente, se utiliza principalmente en jaulas en minas (transporte de personas o carga de materiales), vagones mineros de eje inclinado (. Cilindro simple o doble cilindro), maquinaria de elevación y otras industrias. En resumen, se puede utilizar allí donde se requiera un dispositivo de retroalimentación de energía.
V. Conclusión
1. El uso real muestra que esta solución puede realizar el control de operación, configuración de parámetros y monitoreo del estado de funcionamiento del convertidor de frecuencia mediante PLC a través de la red.
2. El sistema puede controlar hasta 32 convertidores de frecuencia con una distancia máxima de 500m.
3. El costo de controlar múltiples inversores es significativamente menor que el del método de control d/a.
4. A medida que aumenta el convertidor de frecuencia, el retraso de comunicación aumenta y la velocidad de respuesta del sistema es menor que la del método de control d/a.
Referencias
1. Han Anrong. Convertidor de frecuencia general y su aplicación (segunda edición) [m]. Beijing: Machinery Industry Press,
2, Liu. Wenbing (1981-) se dedica a la aplicación de convertidores de frecuencia y ahora Taizhou Fuling Mechanical and Electrical Manufacturing Co., Ltd. se dedica al diseño y fabricación de convertidores de frecuencia.
Agradecimientos
Con motivo de la finalización de la tesis, agradezco sinceramente al Sr. Benefit.
En el proceso de realización de la tesis, los profesores del departamento me ayudaron mucho. ¡Muchas gracias! Otros compañeros también me brindaron mucho cariño y ayuda, y les agradezco sinceramente.