变频器模拟控制方式在矿用绞车系统上的应用

【摘要】本文介绍了一种基于韩国SOHO变频器的模拟量控制方式在矿用无极绳绞车系统上的应用。设计了一种电压-电流变换电路，利用变频器的模拟量给定功能，将用户给出的电压模拟量转换成电流控制量调节变频器的输出频率或转速，实现精确控制负载三相异步电机的目的。

【关键词】电压-电流变换；变频器；模拟量控制；异步电机

1.引言

随着电力电子技术和数字信号处理技术的发展，变频技术已广泛深入到生产生活当中，交-直-交变频技术以其优异的调速性能、显著的节能效果、较高的起动转矩和丰富的个性化功能已成为目前最有发展的调速手段之一。矿用无极绳绞车系统是机电紧密结合的一种轨道巷长距离运输工具，由于煤矿环境复杂，巷道多变坡和转弯，无极绳绞车系统必须采用变频器，并要求有较精确的调速精度和较强的可操作性。

2.所应用的系统背景简介

矿用无极绳绞车电控系统由操作台、变频器、三相交流异步电机、传感器、用户按钮和电位器等部分组成。

如图1所示，交流异步电动机采用韩国SOHO变频器驱动，变频器控制I/O板配置有模拟量输入端口，开关量输入端口和通信接口。操作台由传感器信号输入和处理部分、用户给定的控制信号隔离部分、绞车运行状态显示部分、模拟量输出端口、开关量输出端口、通信接口组成。用户通过操作台上的按钮给定起动、停止等开关量信号，通过模拟电位器给定绞车运行速度的控制信号，操作台将经过隔离的控制信号通过开关量输出端口控制变频器起停，通过模拟量输出端口控制变频器按照用户给定的速度运行。同时系统配有速度传感器和位置传感器，实时检测梭车运行的实际速度和位置。操作台的通信接口和变频器进行通信，变频器实际运行的频率、方向、电机电流电压等数据通过通信接口发送给操作台，实现监控。

3.控制量的采集和转换电路设计

操作台采用手柄式电位器采集用户给定的速度，得到0～5V的直流电压，考虑到现场操作台和变频器的距离，在现场应用时安全要求高，为使用户的控制达到较高的精度，并降低传输成本，决定采用直流4-20mA的DDZⅢ电流型标准信号通过双绞线传送到变频器，电压信号经电压-电流变换后得到4～20mA电流信号，保证煤矿复杂环境下信号能够有较高的传输质量。转换电路如图2所示。

阻抗分析如图3所示。以10Ω为起点以540Ω为终点的107点线性阻抗参数分析看，负载在约500Ω至50Ω之间呈线性变化，说明为恒流输出。实测输出电流在4.1mA-19.6mA之间线性变化，由于变频器4～20mA电流输入端可以通过程序选择有效的输入值范围，如4.5mA～19.5mA，因此电路符合设计要求。

4.模拟控制方式的实现

韩国SOHO变频器含有丰富的控制输入输出功能，与本设计相关的输入输出规格和参数引用如表1。

由韩国收获株式会社提供的变频器使用手册中可以看到，不同功率等级的变频器具有相同的控制输入输出配置，在无极绳绞车系统的应用中，在现场选型时根据用户需要会选择不同功率等级的变频器，具有相同的控制输入输出配置规格能够增强设计的规范性，减少个体差异，便于产品定型和后期售后服务工作的顺利进行。

在本设计中用到变频器的模拟量电流输入功能，4～20mA，分辨率10位。变频器的启停采用数字量输入功能，同时系统需要变频器反馈运行状态，开始运行、运行停止时和故障停转时实现抱闸控制和声光报警等功能，因此应用变频器的继电器输出端子，结合操作台的PLC实现以上功能。变频器控制I/O板的硬件连接如图4所示。

电压电流转换电路将4～20mA电流输入至变频器的模拟量输入端口，PLC的数字输出端口连接变频器I/O板的数字量输入端口，用来控制启停、方向等，变频器配置有模拟量输出端口和继电器输出端口引入PLC的输入端口，用来做变频器的运行状态反馈和故障反馈。其中模拟量输入的电缆在现场时要选择屏蔽电缆，并将屏蔽层在远离干扰源的位置可靠接地。原因是变频器内部采用电力电子开关元器件高速开通和关断来实现变频，会引入电磁干扰，采用屏蔽线，结合变频器的软件滤波功能，能够最大限度地减小干扰的影响。

保证硬件连接正确的前提下，还要对变频器的软件配置进行一定的更改，例如数字量输出功能、模拟量输入功能、继电器输出功能等。在矿用无极绳绞车系统中应用时，变频器模拟量输入部分的相关参数改动如表2。

表2中P6.7和P6.10是对输入的模拟量进行修正的参数，当用户的调速电位器在最低速点和最高点对应的输出电流有偏移时，可用这两个参数进行修正，以使用户能够宽范围准确地调速。比如电位器在最低速点时对应的输入电流为5mA，电位器在最高速时对应的输入电流为19mA，则将P6.7设置为5mA，将P6.10设置为19mA，用户在调速时即可达到0～50Hz的调速范围。

5.结论

在以往的变频器控制系统中，一般采用多段速方式调速，这种方式的实现方法是利用多路PLC数字输出，引入变频器的数字量输入端口，将变频器的多段速输入方式设置为使能（Enable），利用多个开关量组合成二进制数的方式进行多段速控制。例如采用三个数字量组合的方式进行调速，二进制组合和对应的变频器输出频率如表3所示。

由表3可知，采用3位数字量端口进行多段速控制，频率分辨率为6.25Hz，在应用中频率阶跃较大，不能实现平滑的调速和精确的速度控制。采用此种方式进行调速若想提高精度，必须增加数字量位数，造成PLC和变频器端口的浪费。采用PLC的模拟量模块又会提高成本。而采用本设计的模拟量控制能够实现精确的速度控制，变频器内置DSP处理器具有10位精度的A/D转换功能，频率分辨率可由下式得到：

综上，本设计应用于无极绳绞车变频调速系统中具有较高的精度和较少的硬件设计工作量，为系统节省了资源，为煤矿复杂环境下无极绳绞车的应用提高了安全性。

参考文献

[1]李慧，陈兴江，陈斐.一种矿用无极绳连续牵引绞车综合保护装置[J].工矿自动化，2010（6）：120-122.

作者简介：于方洋，电气工程师，现供职于天地（常州）自动化股份有限公司。