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浅谈ALSPA交流数字变频器调试 |
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作者：鞍钢建设机电公司自动化所 王长巍 |
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随着工业生产自动化技术的不断提高和交流数字变频调速理论在实践中的应用日趋成熟，并且伴随着可关断器件性能的实用化，使得高频化PWM技术成为可能。因此，交流变频器在电机控制系统中无疑成为主导地位，本文介绍的就是一款变频器在实践应用的调试方法及过程。
1、 概述：
ALSPA MV3000和MV1000是法国ALSTOM公司在交流数字变频调速领域的两款系列产品。应用在冷轧镀锌生产线传动系统中表现出良好性能。为确保产品生产工艺要求得以实现起到巨大作用，使得第一次热负荷生产出来的产品就完全符合质量标准并得到专家们的好评和认可，本文作者从事了全线77套变频器传动装置的调试工作，从而对该款产品有一定的了解和认识，现总结成文，希望能对以后类似的工作起到借鉴作用，愿文章成为您经验的积累。
2、 变频器的特点介绍：
• ALSPA MV系列交流数字变频器是自动控制理论与微处理技术相结合的产物，是计算机参与自动控制的开/闭环传动系统。
• 它应用了PWM控制技术，实现了变压变频控制。装置输入采用无控整流桥整流。PWM逆变器采用了全控式电力电子开关器件“IGBT”来实现逆变。
• 微处理器有多种逻辑计算和控制功能，可实现复杂的算法及运算功能。如各种状态观测器、坐标转换、矢量控制、自适应控制等。从而大大提高了系统的整体性能和使用灵活性。
• 具有故障保护和诊断以及和上位机的通信功能，它可以借助于数字/模拟信号对系统变量进行限幅监控。一旦某信号超过限幅值，它可采取中断方式进行自动处理或保护，同时发出警报并显示故障信息代码。它支持CAN-BUS、field-bus和RS485、RS232等各种制式的远程通信方式。
3、 工艺设计要求和应用方案：
• 生产线有三个工作段组成，每个工作段的张力要求恒定，既对传动电机的转速控制要求很高。系统全线有8组“S”辊都设有张力控制和检测装置，通过HPC的PID调节器之后进行了张力平衡分配控制，因此，全线工作辊的交流变频传动装置都采用了有速度传感器反馈异步电机矢量控制方式，以确保工作辊速度控制的精确性。
• 为适应工艺要求，提高控制精度，在调试中对传动系统的机械空载转矩的特性曲线进行了调试，并通过实际运行测试计算出了机械惯量值，将其提供给HPC以实现实际负荷转矩计算和控制，因此提高了系统响应速度和控制精度。
4、 ALSPA交流数字变频器调试：
4．1 系统检查：
•物理校线和绝缘检查 ：
检查电动机与变频器之间连线，对安装的准确性和牢固可靠性进行校验检查，电机接线组别检查，线路绝缘检查，确保绝缘良好，并确认电机具备单体进行条件。
•逻辑校线及逻辑输出/输入检测 ：
给装置送电，并对电压极性和等级进行确认，确认输入/输出电源是否符合设计要求。依据设计图对装置的逻辑关系进行操作测试，在P11.21和P11.22中观察逻辑操作是否正常，分别对P7.27、P7.28、P7.29几个数字量输出信号进行强制为“1”输出，观察系统准备好信号、主接触器和抱闸接触器是否正常或动作，P11.21逻辑输出显示是否正常，并核对P11.22逻辑输入的显示是否正常。分别测试正常后，可以进入下一个调试环节。
4．2 M单调试：
目的：为了检测电机单体运行的状态是否正常，对电机的正方向进行确认，并执行系统矢量控制动态参数自测试和参数整定。
原理：矢量控制是以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考目标，利用以静止坐标系到旋转坐标之间的变换，则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立分开进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电机模型就可等效为一台直流电机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。
参数：本阶段的应用主要参数如下：
注：“*”为依据实例设置
方法：先将速度调节器环节设置为开环，即P13.11设置为“1”，在合上主电源并将P7.28数字输出量强制为“1”，如果有电机冷却风机和抱闸，就将它们全部启动，这时再启动装置运行。运行指示灯亮后，在参数P13.12中给定一定的频率，电机开始运行，这时观察电机运行状态和运行方向是否正常。如果正常，频率给定可以继续升高，直至额定频率，观测P9.05中的输出电流显示，由于这时电机无任何负载，根据矢量控制原理，转矩电流分量“q”值很小，所以，先忽略的把这个电流看作为励磁电流分量“d”，把它记录下来，再对编码器的速度反馈信号进行检查，确认反馈信号正常后，停止运行。P13.12参数设置为“0”给定，把P13.11参数修改为闭环，并将刚才记录的磁通（励磁）电流写入P12.00中。
P12参数组为矢量控制方式的动态自测参数组，P12.00为磁通电流值，把刚才记录的值写入，是为使默认值与实际测试值的偏差小一些，有利于系统动态测试工作的顺利进行。这时在P12.03中，把设置选择为“3”，即选择动态自测试，这时在启动装置运行，系统开始动态测试，系统对矢量控制所需要几个控制环节进行动态测试，大约会运行10～15分钟左右。测试后，装置自动停止运行，这时会看到P12.00与先前设定的数值会有一定差别，这是因为系统通过动态测试后，已经修正了，这些参数值将是系统实现矢量控制的依据，它们只适用于系统现在所驱动的电机。电机如果交换需要重新测试。
现在启动装置，会发现P9.05中的电流显示与P12.00相同。这是因为装置在启动后系统输出的磁通电流（或称作励磁电流）就为最大值，在HPC远程控制时与现在会有所不同，后面会说到。这时通过P9.00给系统一个速度给定，电机就会在给定速度上运行起来，实际给定控制的是激活电流给定值，由P11.00显示，也就是说控制的是转矩电流分量，而这时P9.05显示为P12.00和P11.00两个参数的实际值的和。当P9.00给定速度等于额定速度时，这时的P9.05显示值最大，当给定大于额定速度时，会看到P9.05的值在下降，这是由于系统在弱磁调速，即励磁电流下降而转矩电流不变的原因造成。在设计要求转速运行半小时后，观察系统运行正常，这样M单调试就完成了。
4．3机械空载调试
目的：为了检查机械设备的运行质量，对空载转矩进行测试，绘制空载转矩曲线，测试并计算机械惯量。
原理：恒转矩调速：电动机在不同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许的条件下长期运行，这时电机转矩基本上随磁通变化。因此，在额定转速以下为恒转矩调速，在额定转速以上为恒功率调速。
计算公式：
J=( 2Co / W ) * (Tacc * Tdecc) /（Tacc+Tdecc） (1)
注： J = 机械惯量 Co = 输出转矩
Tacc = 起动时间（0——最大速度给定）
Tdecc = 停止时间（最大速度——零给定）
C = Pw / W * ( n / 60 ) = Pw / 2π* n / 60 （2）
注： C = 电机额定转矩 Pw=电机额定功率
n = 电机额定转速
参数：本阶段的应用参数如下：
方法：参数设置完后，把两通道示波器与模拟量输出端子TB6连接后，在检查设备可以安全运行后，启动运行，电机运转，逐渐提速，并观察机械设备是否正常，运行至最大工艺要求转速后，观察机械设备是否正常，如果一小时后电机温升，电流、机械设备都正常，这时就可以进行测试。
对电机速度环进行阶跃响应调节，通过对速度调节器PI参数进行调整来调节速度环的响应质量，积分增益由参数P14.01调整、比例增益由参数P14.00调整。通过调整后使速度响应波形更加完美。
依据下表进行速度给定，输出测试转矩值
通过上表可知实际输出转矩等于模拟量输出值与电机额定转矩值的乘积。依据上表绘制出设备空载转矩曲线，由于系统依据工艺要求有张力控制环节，所以对于负载转矩的控制要求有很高精度，因此，这条空载转矩曲线将是HPC实现张力分配控制的依据。
传动系统依据恒转矩控制原理来保证带钢在各种线速度下得到可靠的动能，但对于调速系统而言，从转矩到转速近似为一个积分环节，其积分时间常数由电机和机械设备的机械惯量决定，为不可控量。因此，为提高转矩控制性能，还要对这个量进行检测后，提供给HPC得以在控制时加以排除和补偿，提高控制精度。
测试方法如下:
注：额定转矩计算公式可以得出 Cn = 582Nm
在参数P8.00最大转矩输出中，设置为20%或依据设备情况而定，把启动和停止斜坡时间都设置为最小，P6.00为起动斜坡，P6.01为停止斜坡，都设置为最小，这时再启动装置，给定最大速度，当设备运行达到最大速度后，再给定“零”速度，使设备运行停止，通过示波器的波形记忆功能对刚才这一过程进行记忆，并通过波形测算出起动时间和停止时间，依据机械惯量的公式可以得到机械惯量 J = 5.15，这将是HPC控制依据。至此本阶段调试结束。
4．4 HPC联动调试：
目的：通过CAN-BUS网的通讯方式实现远程顺控，并根据全线的动态控制参数进行动态监视调控。
方法：依据HPC控制要求对参数进行了选择和设定。
通过这些设置后，并对通讯元件和通讯进行检查确认正确后，重新起动HPC，HPC会自动检测网上设备，从而与装置实现远程通信，实现HPC联控。本阶段调试任务结束。
5、 在调试中常见问题和解决方法:
5．1 M单调试中开环下低速稳定性差：
在M单调试中，在对风机的变频驱动器进行调试时，低速稳定性很不好，观察发现速度在200rmp以下时，会发现这种现象。由原理可以了解，因为风机的速度控制精度要求不是很高，所以系统无速度反馈元件，又因为它只采用V/F控制方式，这种方式控制在低速下，控制效率会有所下降，虽然有低频补偿，但在200rmp以下时还是会有些波动。
5．2 活套的空载转矩测试：
在对活套进行空载转矩和机械惯量测试时，因为活套台车的位置不同，它的转矩也不同，转矩不单随速度的变化而变化，这时根据实际要求，在对活套测试时，设置转速和位置为两个变量，然后，将变量转化为Y=a+bx的代数模式，开始对活套台车在不同速度下及不同位置上的转矩数据进行测试，把测试值线性化，依据这条线性方程来实现HPC的控制要求。
5．3 气刀风机出现跳闸：
气刀风机是全线功率比较大的两台特殊电机，它依据技术要求在实现快速速度调节时，出现了跳闸现象，经过检查发现是操作者在送电过程中顺序错了。在对变频系统送电时，特别是气刀风机变频系统，由于它本身带有自己的能耗电阻制动单元，所以在送电时要先送主电源，电源送上后，系统会自主的对自身系统的配置进行检测，二十秒钟后，系统自主测试完毕，再送24VDC辅助操作电源，否则，系统会无自主检测环节而没有配置能耗电阻制动能力，当大幅度快速调节速度时，再生能量就无法消耗，使母线电压上升，而出现过压跳闸。
5．4 操作台画面电机电流显示不正常：
系统在HPC远程控制时，在装置无启动信号时，磁通电流为最大值的70%，由参数P12.23设定。当启动时，磁通加至100%，这时电机不会运行，HPC是通过对激活电流的控制来实现控制电机转速的，激活电流由P11.00显示，它是转矩电流的一个组成部分，它的大小是决定转速的重要参数，这里有这样一个关系式：
所以在HPC操作控制画面中的电流显示实际是Ig激活电流。
6、 结束语
ALSPA MV3000是一款用途广泛操作结构简单，技术先进的数字变频调速系统，在调试中我们不仅仅对当今交流变频技术有了新的认识，也使得我们对先进的调试作业方法有深刻的理解，这些都将成为一次难得的学习实践经历，它将带动作者和同事们进一步去探索和学习传动领域新的理论知识，并应用与实践以积累更多的经验，真诚希望读者给予指正和帮助。(end)
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(1/23/2005) |
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