台达变频器在粗纱机多电机掉电同步制动中的应用设计

   摘要：为了实现变频器驱动的粗纱机事故掉电时不断线，要求传动控制系统具有同步制动功能。本文提出变频器外挂电容再生同步制动原理设计和参数计算方法。
    关键词：台达变频器多电机掉电同步制动外挂电容     
    1 引言
    在棉纺工艺过程中，粗纱机的主要功能是对棉条进行一定的牵伸，以使棉条达到一定的牵伸倍数并制成一定的卷绕形式，便于储存和搬运，适应细纱机的喂入。粗纱工序粗纱机自动化系统构造目前市场主要分为三大方案：其一，利用工业控制计算机、板卡、变频器；其二，触摸屏、PLC、变频器；其三，触摸屏、单片机模块、变频器。在这三个系统方案都必须面临的一个问题：就是掉电需要多电机同步停止。目前普遍采用了的是变频器进入刹车状态，产生再生能量来保证电机同步停止。     
    2 外挂母线电容储能同步制动设计
    2.1原理设计
    根据一般变频器原理，直流母线电容用于滤除整流器交流成分和稳定逆变器供电电压。对于多电机独立变频驱动的粗纱机，母线电容具有在事故掉电时刻利用存储的电能提供再生制动激励能源的潜在功能。由于标准母线电容容量通常仅仅是为满足滤波与稳压，难以满足掉电制动能量需求，提出外挂大容量母线电容储能同步制动方案。外挂电容会对变频器的整流器造成巨大的启动电流冲击，利用粗纱机PLC实现软启动保护设计，原理类似于变频器内部母线电容串联启动保护电阻。针对母线电容储能同步制动设计，台达B系列变频器针对粗纱机的应用特点进行了软件的客制化修改设计。
    2.2台达B系列变频器软件客制化修改
    台达B系列变频器针对粗纱机的应用特点进行了软件的修改设计。
    （1）增加再生能量产生功能选择。参数06－19进行再生能量产生的功能选择，当06-19=0时变频器和标准品变频器一样。当06-19=1时检测到低电压时，变频器立即闭合外部端子EF并且进入第二减速时间。
    （2）设置外部端子EF检测电压准位。06-16为设置EF检测电压准位，在图1中的。06-17为电压检测的时间。整个过程是当变频器检测到直流母线上的电压小于或者等于06-16的准位并且持续时间达到了06-17设置时间。变频器则立即进入减速刹车状态，刹车时间是根据第二减速时间02-12来设定。
    （3）满足系统需求的制约因素分析。06-16检测电压准位，02-12减速时间与外部电容容量。06-16检测电压准位设定越高，则越有足够的能量保留，但是电压准位太高将无法满足粗纱机中电网正常电压偏低运行性能；02-12减速时间设置越短越有利停车，但是过短造成机械的震动；外部电容容量越大则越有利停车，但是过大则成本和体积就会随之增大。因此这三个方面要取一个适中的点。     
    3 外挂母线电容量计算
    3.1计算目的
    （1）计算需要外挂电容容量多少，才能保证满负载粗纱机在掉电时能够同步停止。
    （2）设计外部软启动电路，保证在加大变频器电容情况下减少上电的冲击。   

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    3.2计算步骤
    （1）电容端口电压曲线分析
    电容端口电压曲线分析参见图1。母线电压包络线衰落代表电机机械能量在刹车过程中转化衰减。母线电压锯齿曲线说明刹车过程中的间歇制动是根据电压准位值判定实现的。     
    其中：
    电容端口电压
    台达B系列变频器EF检测电压准位
    B系列变频器进入刹车之后能量开始回馈时，电容两端电压
    从EF检测电压到能量开始回馈的时间
    粗纱机发现掉电后能够同步停车的时间
    为电容端口电压方程的常数     
    （2）计算常数
    台达B系列变频器通过修改内部软件，缩短EF检测电压到进入减速刹车状态的时间。
    现在暂时认为＝80ms（此数据目前只能估计），设置参数06－16＝495即＝495，估
    计＝452。也就是当电网电压为AC350,系统认为开始掉电，进入刹车状态，当电容端
    口电压降为DC452也可以认为直流母线电压为452。系统开始有再生能量回馈。据此可以
    计算常数。     
     
     
    （3）电容端口电压和端口电流之间的关系     

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    （4）电容量计算
    根据实际情况，粗纱机在满负载情况下需要的电流大约10－15A，现在粗略估算i＝13A，则：  
     

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    因此可以选择的满负载时，外挂电容在2－3万微法。
    这是一个实际的例子，可以根据实际的需要通过改动相关的参数，根据上面的计算公式就可以完成其它电容容量的选择。     
    4 软启动保护电阻设计
    4.1软启动原理
    在任何电压型变频器中都有大容量电容的存在，当上电瞬间相当于给电容两端一个阶跃信号。如果直接加入电容两端则电容的充电电流很大，将严重影响电容的寿命。对此大部分变频器在整流部分之后加入了软启动电路。根据这个思想在粗纱机中由于除了三台变频器的本身的电容之外，还在直流母线上外挂了大容量电容，因此需要设计软启动电路来保证变频器的寿命。主要思想如下：在变频器的直流母线上外加电容如图2所示，接触器的控制端由PLC来控制，当上电时PLC延时一段时间，等电容通过电阻R充电之后，接触器闭合旁路电阻R。     

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    图2软启动电路图
     
    4.2软启动电气参数计算
    根据上例计算结果，如果粗纱机外挂电容为0.024F，对0.024F电容充电电流希望控制
    在1.2A以内，则：     

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    选择软启动电阻470欧功率不低于600瓦。PLC上电之后延时时间要有15S以上。旁路接触器选择通过电流在25A/50A。     
    5 结束语
    变频器驱动粗纱机多电机掉电同步制动是纺织工业的特殊问题。掉电时刻系统已经完全失去外部能源供应，一般意义上的变频器制动完全失效，导致上百根纱锭断线，需要长时间的人工接线恢复作业。因此本文讨论的外挂母线电容同步制动方案具有积极的实用意义。项目已经通过研发阶段，投入工程应用。