CN103490698A

CN103490698A - 用于液氧泵机组流量控制的变频器及其参数设置方法

Info

Publication number: CN103490698A
Application number: CN201310464512.9A
Authority: CN
Inventors: 周绍志; 张波; 赵立乔; 王瑞芳; 李春林; 王立; 王伟斌; 王嵩
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Institute of Space Launch Technology
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Institute of Space Launch Technology
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2014-01-01

Abstract

一种火箭液氧泵加注系统、用于液氧泵流量控制的变频器及其参数设置方法。所述火箭液氧泵加注系统包括液氧泵机组和变频器，变频器用于控制液氧泵的加注流量。用于液氧泵流量控制的变频器有精确的速度和转矩控制能力，满足射前补加的快速阶跃响应，另外还具有灵活的软件组态功能，以适应本地及远程控制。通过控制变频器的输出频率来调节泵的转速能最终达到调节泵流量的目的。合理的选用变频器的型号并进行变频器的参数控制，是实现上述流量控制的保证。

Description

用于液氧泵机组流量控制的变频器及其参数设置方法

技术领域

本发明涉及用于液氧泵机组流量控制的变频器及参数设置方法，更具体地，涉及一种在运载火箭液氧加注系统中用于液氧泵机组流量控制的变频器及参数设置方法。

背景技术

目前运载火箭各级通常均采用液氧作为推进剂，液氧采用泵式加注方式，在管路和贮箱预冷、大流量加注、补加和射前补加阶段均以液氧泵作为动力源。由于管路和贮箱预冷、大流量加注和射前补加等工序所要求的流量各不相同，如果采用定转速的泵机组加注方案，为获得不同的流量就要配置不同规格的泵机组，若采用配置一种规格的液氧泵加注方案，就要在主管路上设置调节阀，通过调节阀来调节流量。前一方案虽然可行，但泵的规格品种多，系统配置和工况转换复杂，反应速度慢。后一方案不可取，因为节流调节会使泵的效率降低，从而使液氧的温度升高，不符合系统对液氧介质的品质要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明设计时采用了液氧加注泵机组配置变频器的方案，通过控制变频器的输出频率来调节泵的转速，最终达到调节泵流量的目的。

另外，虽然变频器传动交流异步电动机所构成的调速控制系统的应用已十分广泛，但在国内火箭地面加注系统中，应用变频器控制液氧泵的加注流量还是第一次，它较之普通的变频调速有更高的要求，首先要求变频器有精确的速度和转矩控制能力，其次要满足射前补加的快速阶跃响应，另外还要有灵活的软件组态功能，以适应本地及远程控制。因此，液氧泵变频器型号的选用和参数设置就显得尤为重要。因此，本发明所要进一步解决的技术问题是选用合理的变频器型号并且进行参数设置，以保证实现上述流量控制。

为解决上述技术问题，根据一方面，本发明采用的技术方案是提供了一种火箭液氧泵加注系统，包括液氧泵机组和变频器，采用变频器控制液氧泵的加注流量；使用本地和远程两种模式监控液氧泵机组，其中远程控制具备两种形式，即I/O控制接口和通讯控制接口；根据系统提供的管路压力、温度和流量参数，由本地或远程计算机自动调节液氧泵机组的补加流量。

根据另一方面，本发明的技术方案提供了一种火箭液氧泵加注系统中的变频器，该变频器采用直接转矩控制技术，在无速度传感器时，可进行精确的速度和转矩控制，控制精度可达0.1％～0.9％；该变频器自启动快，启动转矩大，其最大启动转矩可达200％的额定转矩；该变频器具有快速的阶跃转矩上升特性，上升时间小于5ms；该变频器拥有完整的电压等级和防护等级，电源电压为380V～690V，防护等级有IP00、IP21、IP22、IP42和IP54；该变频器具有功能强大的现场总线通讯功能，适合远程通讯控制；该变频器内置PID控制器，且PID参数可自调整。

本发明的变频器还可以通过预制的应用宏参数集，完成用户需求的功能设置。

根据另一方面，本发明的技术方案提供了一种变频器的参数设置方法，在使用前需要对变频器进行参数设置，其中对变频器的参数进行设置包括初始化设置、变频器信号源设置、变频器模拟输入信号设置、变频器模拟输出信号设置、变频器状态信息设置、变频器输出频率设置、变频器加减速时间的设置、变频器制动功能设置和变频器保护功能设置。

本发明的变频器的参数设置方法，其中所述初始化设置包括应用宏、控制模式的选择及液氧泵电动机参数的设定。

本发明的变频器的参数设置方法，其中所述变频器信号源设置包括使变频器控制接口具有如下定义：启动、停止、转向和给定设置由本地控制源和远程控制源中的一个给出。

本发明的变频器的参数设置方法，其中所述变频器模拟输入信号设置包括定义本地控制输入的最大值和最小值，定义远程控制输入的最大值和最小值。

本发明的变频器的参数设置方法，其中所述变频器状态信息设置包括选用准备、运行和故障三个状态信息。

本发明的变频器的参数设置方法，其中所述变频器输出频率设置包括根据系统给出的液氧泵机组转速与液氧管路流量的对应关系，确定变频器的输出频率范围为5-50Hz；所述变频器加减速时间的设置包括将加速和减速时间均设为10s。

本发明的变频器的参数设置方法，其中所述变频器制动功能设置用于当电阻器连接到变频器上时，变频器内置控制器必须关闭，解除变频器快速制动造成的过电压控制，以允许电阻器的操作控制。

附图说明

附图1是变频器手动/自动宏外部控制接口。

具体实施方式

下面结合附图和表对本发明的实施例作进一步的描述。

为了适应不同工序的加注流量的不同要求，本发明的火箭液氧泵加注系统采用变频器来控制液氧泵的加注流量。

液氧泵机组的控制要求

本发明以液氧泵机组流量控制范围200～3000L/min为例，其对应变频器输出频率5～50Hz，管路或贮箱预冷流量为200～500L/min，时间约90min，大流量加注流量为3000L/min，时间约45min，火箭补加及射前补加流量不小于1000L/min，时间约120min。

这就要求本地和远程两种模式监控液氧泵机组，远程控制具备两种形式，即I/O控制接口和通讯控制接口。根据系统提供的管路压力、温度、流量等参数，由远程计算机在射前自动调节液氧泵机组的补加流量。在火箭射前补加液氧阶段，要求泵机组自启动快，启动转矩大，并有良好的加减速响应。另外，液氧泵机组参加预冷、大流量加注、补加、射前补加工作，属连续工作且加减速频繁的使用工况。

变频器选用

根据液氧泵机组实际使用工况和控制要求，选用的变频器需要适合风机、泵类机械负载的控制，并且具有以下特点中的一种或多种：

（1）采用直接转矩控制技术，在无速度传感器时，可进行精确的速度和转矩控制，控制精度可达0.1％～0.9％。

（2）自启动快，启动转矩大，其最大启动转矩可达200％的额定转矩。

（3）快速的阶跃转矩上升特性，上升时间小于5ms。

（4）拥有完整的电压等级和防护等级，电源电压为380V～690V，防护等级有IP00、IP21、IP22、IP42和IP54。

（5）有功能强大的现场总线通讯功能，适合远程通讯控制。

（6）通过磁通优化，可使变频器和电动机总效率提高1％～10％，同时还可降低电动机噪声。

（7）内置PID控制器，且PID参数可自调整，节约了用于闭环控制的附加成本。

（8）方便灵活的软件组态功能，通过预制的应用宏参数集，完成用户需求的功能设置。

根据以上规则，本发明优选ABB公司的ACS800系列变频器，当然还可以选择其他适合的变频器。

变频器参数设置

选定合适的变频器之后需要对变频器的参数进行设置，以能满足液氧泵加注方案的要求。参数设置包括初始化设置、变频器信号源的设置、变频器模拟输入信号设置、变频器模拟输出信号设置、变频器状态信息设置、变频器输出频率设置、变频器加减速时间的设置、变频器制动功能设置和变频器保护功能设置等多种设置，下面逐个具体详细介绍。

（1）初始化设置

初始化设置包括应用宏、控制模式的选择及液氧泵电动机参数的设定，ACS800系列变频器提供了五个应用宏程序集，我们选用了适应液氧泵机组本地/远程控制的手动/自动（Hand/Auto）宏程序,变频器初始化由参数组99设定完成。变频器初始化设置见附表1。

表1变频器初始化设置表（参数组99）

（2）变频器信号源的设置

将变频器应用宏设置为手动/自动宏（参数组99.02）后,使变频器控制接口具有如下定义：启动、停止、转向和给定设置由外部控制源EXT1（本地）或EXT2（远程）中的一个给出。EXT1（本地）的启动、停止、转向连接到数字输入口DI1，给定信号连接到模拟输入口AI1（转速调节）。EXT2（远程）的启动、停止、转向连接到数字输入口DI3，给定信号连接到模拟输入口AI2（转速调节）。EXT1和EXT2之间的选择由数字输入口DI6的状态决定。以上定义由参数组10—11设定完成。变频器手动/自动宏外部控制接口见图1，变频器信号源设置见表2。

表2变频器信号源设置表（参数组10—11）

（3）变频器模拟输入信号设置

变频器模拟输入信号用以实现液氧泵机组的无级调速，本地调速用变频器AI1端口，信号为0～+10VDC电压信号，远程调速用变频器AI2端口，信号为4～20mA电流信号，变频器模拟输入信号由参数组13设定完成。变频器模拟输入信号设置见表3。

表3变频器模拟输入信号设置表（参数组13）

参数组	名称/选项	说明
			13	ANALOGUE INPUTS	模拟输入信号处理
13.01	MINIMUM AI1	定义模拟输入AI1的最小值（本地控制）
				0V

13.02	MAXIMUM AI1	定义模拟输入AI1的最大值（本地控制）
			10V
13.06	MINIMUM AI2	定义模拟输入AI2的最小值（远程控制）
			4mA
13.07	MAXIMUM AI2	定义模拟输入AI2的最大值（远程控制）
			20mA

（4）变频器模拟输出信号设置

变频器可将液氧泵机组转速、电流参数传输给远程计算机，转速参数与管路压力、温度、流量配合以实现液氧泵机组的远程流量控制。变频器模拟输出信号由参数组15设定完成。变频器模拟输出信号设置见表4。

表4变频器模拟输出信号设置表（参数组15）

参数组	名称/选项	说明
			15	ANALOGUE OUTPUTS	模拟输出信号处理
15.01	ANALOGUE OUTPUT1	选择一个传动信号到模拟输出AO1
				FREQUENCY	输出频率，20mA=电机额定频率。
15.03	MINIMUM AO1	定义模拟输出AO1的最小值
				4mA
15.06	ANALOGUE OUTPUT2	选择一个传动信号到模拟输出AO2
				CURRENT	输出电流，20mA=电机额定电流。
15.08	MINIMUM AO2	定义模拟输出AO2的最小值
				4mA

（5）变频器状态信息设置

ACS800系列变频器，在标准情况下有三个可编程的继电器输出端口，通过对参数组14的设定，可以选择继电器输出信息：准备、运行、故障、报警和电动机堵转等状态信息。根据液氧泵机组使用工况，我们选用准备、运行和故障三个状态信息。变频器状态信息设置见表5。

表5变频器状态信息设置表（参数组14）

参数组	名称/选项	说明
			14	RELAY OUTPUTS	继电器输出状态信号
14.01	RELAY RO1OUTPUT	选择继电器输出RO1显示的传动状态
				READY	运行准备好允许运行信号ON无故障
14.02	RELAY RO2OUTPUT	选择继电器输出RO2显示的传动状态
				RUNNING	运行，启动信号ON，Run Enable(允许运行)信号ON无故障
14.03	RELAY RO3OUTPUT	选择继电器输出RO23显示的传动状态
				FAULT	一有故障就激活

（6）变频器输出频率设置

根据系统给出的液氧泵机组转速与液氧管路流量的对应关系，确定变频器的输出频率范围为5-50Hz,变频器输出频率由参数组20设定完成。变频器输出频率设置见表6。

表6变频器输出频率设置表（参数组20）

参数组

名称/选项

说明

20	LIMITS	传动运行极限值
			20.07	MINIMUM FREQ	定义输出频率的最小极限值
	5Hz	最小输出频率
			20.08	MAXIMUM FREQ	定义输出频率的最大极限值
	50Hz	最大输出频率

（7）变频器加、减速时间的设置

加、减速时间即从零速加速到最大速度或从最大速度减到零速所用时间。液氧加注系统提出的加、减速时间均为10s，变频器加、减速时间由参数组22设定完成。变频器加、减速时间设置见表7。

表7变频器加、减速时间设置表（参数组22）

参数组	名称/选项	说明
			22	ACCEL/DECEL	加速和减速时间
22.01	ACC/DEC SEL	选择当前的加速/减速时间
				ACC/DEC1	使用加速时间1和减速时间1
22.02	ACCEL TIME1	定义加速时间1
				10S	加速时间
22.03	DECEL TIME1	定义减速时间1
				10S	减速时间

（8）变频器制动功能设置

液氧泵机组电动机功率为220kW，属大惯性负载，大惯性负载频繁的加、减速会造成变频器过热，为此变频器需外接电阻器，负责变频器在快速制动下的能量释放。如果电阻器连接到变频器上，变频器内置控制器必须关闭，解除变频器快速制动造成的过电压控制，以允许电阻器的操作控制。此功能由参数组20.05完成设定。变频器制动保护功能设置见表8。

附表8变频器制动保护功能设置表（参数组20.05）

参数组	名称/选项	说明
			20.05	OVERVOLTAGE CTRL	激活/解除中间直流母线的过电压控制
	OFF	解除过电压控制

（9）变频器保护功能设置

变频器可编程的故障保护设置，用以实现液氧泵机组安全、可靠的运行，保护措施由参数组30设定完成。变频器保护功能设置见表9

附表9变频器保护功能设置表（参数组30）

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种火箭液氧泵加注系统，包括液氧泵机组和变频器，其特征是采用变频器控制液氧泵的加注流量；使用本地和远程两种模式监控液氧泵机组，其中远程控制具备两种形式，即I/O控制接口和通讯控制接口；

根据系统提供的管路压力、温度和流量参数，由本地或远程计算机自动调节液氧泵机组的补加流量。

2.一种权利要求1所述的火箭液氧泵加注系统中的变频器，其特征是：该变频器采用直接转矩控制技术，在无速度传感器时，可进行精确的速度和转矩控制，控制精度可达0.1％～0.9％；该变频器自启动快，启动转矩大，其最大启动转矩可达200％的额定转矩；该变频器具有快速的阶跃转矩上升特性，上升时间小于5ms；该变频器拥有完整的电压等级和防护等级，电源电压为380V～690V，防护等级有IP00、IP21、IP22、IP42和IP54；该变频器具有功能强大的现场总线通讯功能，适合远程通讯控制；该变频器内置PID控制器，且PID参数可自调整。

3.根据权利要求2所述的变频器，其特征是：该变频器还可以通过预制的应用宏参数集，完成用户需求的功能设置。

4.一种权利要求3所述的变频器的参数设置方法，其特征是：在使用前需要对变频器进行参数设置，其中对变频器的参数进行设置包括初始化设置、变频器信号源设置、变频器模拟输入信号设置、变频器模拟输出信号设置、变频器状态信息设置、变频器输出频率设置、变频器加减速时间的设置、变频器制动功能设置和变频器保护功能设置。

5.根据权利要求4所述的变频器的参数设置方法，其特征是：所述初始化设置包括应用宏、控制模式的选择及液氧泵电动机参数的设定。

6.根据权利要求4所述的变频器的参数设置方法，其特征是：所述变频器信号源设置包括使变频器控制接口具有如下定义：启动、停止、转向和给定设置由本地控制源和远程控制源中的一个给出。

7.根据权利要求4所述的变频器的参数设置方法，其特征是：所述变频器模拟输入信号设置包括定义本地控制输入的最大值和最小值，定义远程控制输入的最大值和最小值。

8.根据权利要求4所述的变频器的参数设置方法，其特征是：所述变频器状态信息设置包括选用准备、运行和故障三个状态信息。

9.根据权利要求4所述的变频器的参数设置方法，其特征是：所述变频器输出频率设置包括根据系统给出的液氧泵机组转速与液氧管路流量的对应关系，确定变频器的输出频率范围为5-50Hz；所述变频器加减速时间的设置包括将加速和减速时间均设为10s。

10.根据权利要求4所述的变频器的参数设置方法，其特征是：所述变频器制动功能设置用于当电阻器连接到变频器上时，变频器内置控制器必须关闭，解除变频器快速制动造成的过电压控制，以允许电阻器的操作控制。