電容分選機調速系統設計

黃 永朱江濤張素枝

(中國電子科技集團公司第二研究所，太原030024)

近年來功率元件和計算機技術的迅速發展促進了變頻技術的飛速發展，由于變頻器體積小、質量輕、精度高、工藝先進、功能豐富、保護齊全、可靠性高、操作簡便、通用性強、易形成閉環控制等優點，與以往的調速方式如變極調速、滑差調速、串級調速等相比具有更多的優越性，因而在各行各業得到了廣泛的應用，并逐步成為當代交流電機調速的主流。

1 變頻調速原理

交流電機轉速與頻率之間的關系為：

式中：n為電機轉速；f為電網頻率；s為電機轉差率；p為電機極數。

由式（1）可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0～50 Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器將輸入幅值、頻率固定的交流電源轉換為頻率和電壓任意可調的交流電源，從而實現對電機的轉速控制。采用變頻器后，電機可以實現真正意義上的平滑調速。

2 分選機調速要求

電容分選機是對電容進行直流耐壓測試、絕緣電阻測試、容量與損耗測試并根據測試結果進行等級分選的設備，它的最大特點在于由一個動力源帶動凸輪完成各機械部件的有序動作，其結構如圖1所示。

圖1 電容分選機結構

設備的工作流程為：電容器由振動料盤實現排隊，經上料軌道進入測試轉盤，隨著測試轉盤的間歇運動，分別進入左測試夾進行充放電測試、耐壓測試、絕緣電阻充電，進入右測試夾進行絕緣電阻二次充電、絕緣電阻測試、容量與損耗測試。測試完成后的電容由傳送盤經機械手至分選鏈條，隨著鏈條的運動在對應的工位根據測試結果進行分選，由電磁鐵將產品打入對應的收料箱。

設備采用三相鼠籠式交流感應電機作為動力源。電機通過鏈條帶動傳動軸上的凸輪運動，從而實現各機械部件有序動作，完成設備的工作周期，在此電機屬于恒轉矩應用。

2.1 電機的選用

通過工藝參數計算設備的最大速度的要求為120個/min，速度連續可調；即動力電機的轉速可以達到120 r/min，因此選用轉速為1400 r/min的交流感應電機，配合減速比為1:10的齒輪箱，最大轉速可以達到140 r/min，可以滿足設備的速度要求。另根據負載的轉動慣量選用功率為0.4 kW的三相交流電機，在電壓為380 V，頻率為50 Hz時，額定電流為1.2 A。

2.2 變頻器的選用

選定電機后就可以選定與之功率相匹配的變頻器，在滿足機械設備的實際工藝生產要求和使用場合的前提下，實現變頻器應用的最佳性價比。

首先根據電機功率預選變頻器，其計算公式為：

式中：Pv為變頻器的容量；KS為安全系數；Pm為電機額定功率。

取安全系數為1.5，帶入式（2）得Pv=1.5×0.4=0.6 kW，故按照變頻器產品目錄選擇臺達VFD-M系列0.75 kW的變頻器。

然后用變頻器的輸出電流作為條件檢驗所選變頻器是否符合要求。恒轉矩應用下驅動單臺電機變頻器額定電流應滿足下式：

其中：IV為變頻器額定電流；IN為電機額定電流；K0為安全系數；I0為電動機起動電流，直接啟動時為電機額定電流的4～6倍；Kg為變頻器允許過載倍數。

選用VFD-M系列0.75 kW變頻器的額定電流為5 A，過載倍數為150%。安全系數取1.1，電機啟動電流取5倍的額定電流，則K0I0/Kg=1.1×5×1.2/1.5=4.4，滿足（3）式的兩個條件，因而所選的臺達VFD-M系列0.75 kW的變頻器能夠滿足使用需求。

3 調速系統設計

臺達VFD-M系列變頻器是一款高功能迷你型數字變頻器，配線部分包括主回路和控制回路，主回路為變頻器供電，控制回路涵蓋了變頻器的運行/停止，模擬調速、多段速度控制、遠程通訊等功能。其豐富的功能指令為調速系統的設計提供了強大的支持。電容分選機調速系統如圖2所示，其控制部分采用PLC遠程控制。

3.1 硬件設計

圖2 電容分選機變頻調速系統

設備電源經過KM1的主觸點以及有短路及過載保護功能的低壓斷路器QF2為變頻器提供電源，變頻器啟動時，首先要給直流回路的大容量電解電容充電，如果頻繁啟動變頻器勢必造成電容充電用限流電阻發熱嚴重，同時也縮短了大容量電解電容的使用壽命。因此在起動、停止頻繁的場合，不能用電源的通斷來控制變頻器的起動、停止，因而使用變頻器控制回路的RUN/STOP多功能端子M0，通過PLC輸出端的通斷來控制變頻器的運行/停止。

VFD-M系列變頻器的速度設定包含兩種方式，一種是0～10 V模擬電壓方式，一種是4～20 mA模擬電流方式，由于系統中電壓的采集比較方便，故而采用第一種方式外界電阻RP1進行調速。多功能輸出端子RA、RB、RC是兩組以RC為公共端，能夠承受250 VAC 5 A或24 V DC2.5 A的繼電器觸點，其功能根據參數的設定值而不同（見表1），本系統使用其作為變頻器的故障報警輸出，接入PLC的輸入端，當變頻器過載、過流或其他故障時提示設備停機。

表1 多功能輸出端子功能表

3.2 參數設置

VFD-M系列變頻器提供了P0-P157共158個可設定的參數，其功能涵蓋了電機和變頻器的運轉、停止、頻率、電壓、電流、轉矩、多段頻率、加減速時間、顯示、異常、通訊及PID控制等多個方面的控制。設置合理的參數才能獲得良好的調速性能，分選機調速系統使用的主要參數如下：

（1）P00-主頻率輸入來源。由于電機速度隨變頻器頻率的改變而改變，因而該參數間接的決定了變頻器的控制方式，提供了5種方式可供選擇，其具體含義如表2所示。本系統設置P00為01。

表2 主頻率控制方式

（2）P01-運轉信號來源設定。變頻器的運行/停止的控制方式，主要有3種，如表3所示。本系統選用外部端子M0控制，且鍵盤STOP無效，故設置其值為01。

（3）與電機相關的參數。由于所選用的電機為三相交流電機，變頻器的一些參數必須根據電機的頻率、電壓、電流來設定。如表4所示。

表3 運轉控制方式

表4 與電機相關的參數

其中P03、P04、P05及P36是出于保護電機的目的，必須設定合適的值，避免造成電機因電壓過高或運轉頻率過低可能產生過熱現象，或是因速度過高造成機械磨損等災害。

P52必須根據電機的銘牌規格設定，利用此參數可限制變頻器輸出電流防止電機過熱。P53電機無載電流，會直接影響轉差補償的量，故此參數的設定非常重要。其設定依據為：無載電流＜電機額定電流。

（4）數字操作器相關參數。數字操作器如圖3所示，位于變頻器中央位置，可分為兩部分：顯示區和按鍵控制區。它可以通過一根電纜延長線與變頻器連接，獨立安裝在設備上。顯示區提供參數設定規劃模式及顯示不同的運轉狀態。按鍵控制區為使用者與變頻器溝通接口。參數P64可以設定顯示區的顯示值，當其值為01時，顯示值等于輸出頻率H*P65，而P65是用戶自定義的比例常數，故而利用P64與P65可以使得顯示區的值為當前電機的速度值。根據頻率與電機轉速的線性關系可以計算出P65=電機的最大速度/變頻器的輸出上限頻率=140/50=2.8 Hz。

圖3 變頻器數字操作器

4 結束語

采用變頻器和三相交流感應電機構成電容分選機交流調速控制系統，硬件結構簡單，便于維護。能夠實現寬廣的調速范圍，設備速度可以在0～120個/min連續調速，設備的啟停穩定，速度調節方便。使用變頻器可以通過參數的設定方便地改變輸出轉矩和加減速時間、目標頻率、上下限頻率等，使得交流調速系統能夠獲得優良的調速性能。

[1]劉玉亭.論變頻技術的應用[J].現代工業商貿，2009，15:298-299.

[2]李華楹.淺談變頻調速技術[J].經濟研究導刊，2008，17:260-261.

[3]中達電通.臺達VFD-M使用手冊[Z].2004.