CN205029581U - 一种高效节能矢量变频控制柜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种高效节能矢量变频控制柜，其中，操作屏通过总线与PLC控制器电连接，PLC控制器通过总线与变频器电连接，三相交流电源通过断路器与变频器电连接，变频器与电机电连接；操作屏、PLC和变频器构成现场总线控制网络<b>，</b>总线为PROFIBUS–DP方式。有益效果是，采用PLC控制器、高性能变频器控制交流电机的调速，进一步控制轧钢机矢量运行，克服原系统设备多、体积大、效率低等缺点，系统具备再生控制功能，通过组建公共直流母线的运行方式，在公共直流区接入制动电阻，方便轧机快速往复工作的需要，同时提供了多重保护，发生故障时，人机接口自动显示报警，自动保护停机，实现经变频器调速使电机的同步协调运行。

Description

一种高效节能矢量变频控制柜

技术领域

本实用新型涉及一种变频控制柜；特别是涉及一种轧钢机矢量变频控制柜。

背景技术

电机是厂矿企业运行的关键大功率设备，它们的电耗在整个企业运行成本中占有很大的比例，因此，如何合理的降低电机的电耗，目前已列入许多企业的日常工作中。随着低压变频技术的广泛使用，其卓越的节电效果己经被广大的使用者所认同，但是由于电机功率有限，因此，虽然低压变频技术的节电率较高，但所节约的电费和电厂的总能耗相比所占比例实在是微乎其微。如果能将大型电机进行节能改造，整个企业的用电率将会有明显的降幅。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程，用以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要技术手段；以其优异的调速和启、制动性能，高效率、高功率因数和高节电效果，以及广泛的适用范围，而被国内外公认最有发展前途的调速方式。其中高压变频调速技术，已越来越广泛的应用在各行各业，它不仅可以改善工艺、延长设备使用寿命、提高工作效率等，最重要的是它可以“节能降耗”，这一点已被广大用户所认可，且深受关注。

随着大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了较宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快速的动态响应，以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，尤其在调速性能方面，可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速又具有绝对优势，并且，随着它的调速性能与可靠性的不断完善，价格的不断降低，特别是变频调速节电效果明显、易于实现过程自动化，深受工业领域的青睐。交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。

随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变倾器会不断出现，这一技术会得到更为广泛的应用。

目前，现有轧钢机变频控制柜的缺点是，设备的自动化程度低、使用寿命低，工作效率低，最重要的缺陷是电力损耗大，不易实现远程控制。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种轧钢机变频控制柜。

本实用新型所采用的技术方案是：一种高效节能矢量变频控制柜，包括，操作屏、PLC控制器、断路器和变频器，所述操作屏通过总线与PLC控制器电连接，所述PLC控制器通过总线与变频器电连接，三相交流电源通过所述断路器与变频器电连接，变频器与电机电连接；操作屏、PLC控制器和变频器构成现场总线控制网络，总线采用PROFIBUS–DP结构方式。

所述的断路器安装设置有Q1-Q6总计6个，变频器安装设置有VFD1-VFD5总计5个，轧钢机包括分别由5台交流电机拖动的轧机、开卷机1、开卷机2、卷取机1和卷取机2，变频器VFD1控制轧机的电机，变频器VFD2和VFD3分别控制开卷机1和开卷机2的电机，变频器VFD4和VFD5分别控制卷取机1和卷取机2的电机，在变频器VFD1-VFD5的DC+、DC-端并联接入制动电阻R；断路器Q1为总电源开关，断路器Q2为变频器VFD1的电源开关，断路器Q3为变频器VFD2的电源开关，断路器Q4为变频器VFD3的电源开关，断路器Q5为变频器VFD4的电源开关，断路器Q6为变频器VFD5的电源开关。

所述轧机、开卷机和卷取机的每一个电机的轴端设置安装有反馈编码器，反馈编码器与该电机的变频器电连接，将测得的实际转速信号通过总线传入PLC控制器，参与该电机的转速控制及在操作屏上显示转速。

所述轧钢机的外部设置安装有旋转码盘和接近开关SQ1和SQ2，上述接近开关SQ1和SQ2与PLC控制器电连接，钢带在轧钢机上传送过程中带动码盘旋转，使接近开关SQ1和SQ2得到通断的电信号，PLC控制器根据这些通断信号来判断钢带是否断带。

所述的操作屏采用西门子公司的OP270，PLC控制器采用西门子公司的S7-300，变频器采用的型号是VFD900CT43F21A3

本实用新型的有益效果是，采用PLC控制器、高性能变频器控制交流电机的调速，进一步控制轧钢机矢量的运行，克服了原系统设备多、体积大、费用高、效率低等缺点，系统具备再生控制功能，通过组建公共直流母线的运行方式，在公共直流区接入制动电阻，方便轧机快速往复工作的需要，本实用新型提供了多重保护，发生故障时，人机接口便自动显示报警，同时自动保护停机，实现经变频器调速使电机的同步协调运行，获得了良好的控制效果及经济效益。

附图说明

图1是本实用新型控制系统示意图；

图2是本实用新型的控制系统电路电气连接图；

图3是本实用新型的控制系统总线连接图；

图4是本实用新型的编码器连接图；

图5是本实用新型的张力电位器连接图；

图6是本实用新型的控制部分接线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

图1是本实用新型控制系统示意图；如图1所示，本实用新型一种轧钢机矢量变频控制柜，包括，操作屏、PLC控制器、断路器和变频器，所述操作屏通过总线与PLC控制器电连接，所述PLC控制器过总线与变频器电连接，三相交流电源通过所述断路器与变频器电连接，变频器与电机电连接。

图2是本实用新型的控制系统电路电气连接图；如图2所示，所述的断路器安装设置有Q1-Q6总计6个，变频器安装设置有VFD1-VFD5总计5个，轧钢机矢量包括分别由5台交流电机拖动的轧机、开卷机1、开卷机2、卷取机1和卷取机2，变频器VFD1控制轧机的电机，变频器VFD2和VFD3分别控制开卷机1和开卷机2的电机，变频器VFD4和VFD5分别控制卷取机1和卷取机2的电机，在变频器VFD1-VFD5的DC+、DC-端并联接入制动电阻R；断路器Q1为总电源开关，断路器Q2为变频器VFD1的电源开关，断路器Q3为变频器VFD2的电源开关，断路器Q4为变频器VFD3的电源开关，断路器Q5为变频器VFD4的电源开关，断路器Q6为变频器VFD5的电源开关。

图3是本实用新型的控制系统总线连接图；如图3所示，所述的操作屏采用西门子公司的OP270，PLC控制器采用西门子公司的S7-300，变频器采用的型号是VFD900CT43F21A3，操作屏、PLC控制器和变频器构成现场总线控制网络，总线采用PROFIBUS–DP结构方式。五台变频器装置通过软件组态，由PLC控制器进行电机速度给定、张力给定，运行程序控制及各种连锁顺序操作等。输入和参数修改通过操作屏来完成。

主轧机的控制采用恒转矩控制方式，由于轧机、开卷机1、开卷机2、卷取机1和卷取机2的电机负载较重，所以，在工作过程中，力矩控制上升时，采用一个S斜坡函数发生器模块来实现给定积分器的功能，使实际加到速度环的输入信号是一个平稳上升的斜坡信号，改变给定积分器的积分时间，即可改变斜坡信号的上升斜率。可逆轧机有两个相同的卷筒，根据轧制的方向起到卷取和开卷作用，卷取和开卷两组传动装置是相同的，只是在卷取和开卷时的操作方式上有所不同。

图5是本实用新型的张力电位器连接图；如图5所示，为应对速度变换的过程中的惯性，在操作屏上预设惯性补偿值，在加、减速由变频器VFD1-VFD5作用到每一个受控的电机的补偿值的确定，可根据现场张力波动的大小测试来确定。带钢的张力控制可分为间接张力控制和直接张力控制。间接张力就是充分利用变频器VFD1-VFD5内丰富的功能模块，把卷取或开卷的线速度给定、张力给定信号转换成电机的电流和转矩控制信号，以达到恒张力的控制的目的。图4是编码器连接图，为了得到精确的转速，在所述轧机、开卷机和卷取机的每一个电机的轴端设置安装有反馈编码器，如图4所示，反馈编码器与该电机的变频器电连接，将测得的实际转速信号通过总线传入PLC控制器，参与该电机的转速控制及在操作屏上显示转速。

直接张力控制是由张力测试仪直接测试实际张力，然后，将实测的张力作为反馈信号，与给定信号相比较，用张力调节器，组成张力闭环对张力进行调节。直接张力控制系统是在转速闭环基础上镶嵌一个张力环，组成双闭环系统。主要表现在以下几个方面：卷径和转动惯量均为变参数；张力矩在双闭环系统的设计中，负载力矩是外部扰动，但在轧钢系统中张力是系统输出量，张力矩是系统内部固有的反馈量。当考虑张力矩时，转速环的设计不能按一般的双闭环设计方法；卷取机、开卷机与主轧机间传送带钢的动力学特性及数学模型都较复杂，在动态过程中带钢的张力与动态速变存在一个时间滞后的关系，其参数是变量。故采用间接张力控制的方式，通过前向通道将在一定的卷径、张力给定下需要的电机转矩计算出来，再将它转换成特定磁通下的电流给定值输出，同时，使用张力测试仪检测的张力值，把张力偏差经张力调节器计算后，再折算成实际卷径下的调节张力矩加到前面的力矩上，对张力进行调节。这种控制方式实际上也是直接控制电机的力矩，通过控制力矩来实现对张力的控制。因由前向通道输出的转矩值是经过补偿的方法计算出来的比较精确的值，它能够基本保持张力恒定，再加上直接张力控制环的调节作用，以达到张力的精确控制。

在实际运行中，常有加、减速情形的，如果单一依靠张力调节器进行调节，可能会因调节不及时造成张力的小幅波动，这就要求在电机加速过程中，为了保持张力不变，在电磁转矩中应该附加负的动态转矩，以补偿需要放出的能量；在电机减速过程中，则应附加正的动态转矩以补偿卷绕机构惯性所吸收的能量。另外，变频器VFD1-VFD5还安装设置有制动电阻，参考选型如下表：

上表为制动电阻选用参考表，通过该表可以选用变频器VFD1-VFD5恰当的制动电阻。

图6是本实用新型的控制部分接线图；如图6所示，自动/手动切开关SA1可以选择系统自动/手动运行模式，自动/手动切开关SA1接通时为自动模式，自动/手动切开关SA1断开时为手动模式。启动按钮SB6，按下启动按钮，电机运行的形式为点动，以方便设备调试，系统自动运行，停止按钮SB7，按下停止按钮SB7，系统停止运行。复位按钮SB8，用于系统故障时的复位，紧急停止按钮KAR，按下紧急停止按钮KAR，无论系统在任何工况下，轧钢机全部停止运行。在轧钢机的外部还设置安装有旋转码盘和接近开关SQ1和SQ2，上述接近开关SQ1和SQ2与PLC控制器电连接，钢带在轧钢机上传送过程中带动码盘旋转，使接近开关SQ1和SQ2得到通断的电信号，PLC控制器根据这些通断信号来判断钢带是否断带。如果检查到钢带断带，PLC控制器控制变频器VFD1-VFD5自动停止电机运行，并发出报警信号。轧机的速度给定，寸动速度、张力大小可直接通过在操作屏上设置，进行调节。

实际使用中变频器VFD1-VFD5的参数如下表：

本实用新型采用采用PLC控制器、高性能变频器控制交流电机的调速，进一步控制轧钢机的运行，克服了原系统设备多、体积大、费用高、效率低等缺点，系统具备再生控制功能，通过组建公共直流母线的运行方式，在公共直流区接入制动电阻，方便轧机快速往复工作的需要，本实用新型提供了多重保护，发生故障时，人机接口便自动显示报警，同时自动保护停机，实现经变频器调速使电机的同步协调运行，获得了良好的控制效果及经济效益。

值得指出的是，本实用新型的保护范围并不局限于上述具体实例方式，根据本实用新型的基本技术构思，也可用基本相同的结构，可以实现本实用新型的目的，只要本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种高效节能矢量变频控制柜，其特征在于，包括，操作屏、PLC控制器、断路器和变频器，所述操作屏通过总线与PLC控制器电连接，所述PLC控制器通过总线与变频器电连接，三相交流电源通过所述断路器与变频器电连接，变频器与电机电连接；操作屏、PLC控制器和变频器构成现场总线控制网络，总线采用PROFIBUS–DP结构方式。

2.根据权利要求1所述的高效节能矢量变频控制柜，其特征在于，所述的断路器安装设置有Q1-Q6总计6个，变频器安装设置有VFD1-VFD5总计5个，轧钢机包括分别由5台交流电机拖动的轧机、开卷机1、开卷机2、卷取机1和卷取机2，变频器VFD1控制轧机的电机，变频器VFD2和VFD3分别控制开卷机1和开卷机2的电机，变频器VFD4和VFD5分别控制卷取机1和卷取机2的电机，在变频器VFD1-VFD5的DC+、DC-端并联接入制动电阻R；断路器Q1为总电源开关，断路器Q2为变频器VFD1的电源开关，断路器Q3为变频器VFD2的电源开关，断路器Q4为变频器VFD3的电源开关，断路器Q5为变频器VFD4的电源开关，断路器Q6为变频器VFD5的电源开关。

3.根据权利要求2所述的高效节能矢量变频控制柜，其特征在于，所述轧机、开卷机和卷取机的每一个电机的轴端设置安装有反馈编码器，反馈编码器与该电机的变频器电连接，将测得的实际转速信号通过总线传入PLC控制器，参与该电机的转速控制及在操作屏上显示转速。

4.根据权利要求1或2或3所述的高效节能矢量变频控制柜，其特征在于，所述轧钢机的外部设置安装有旋转码盘和接近开关SQ1和SQ2，上述接近开关SQ1和SQ2与PLC控制器电连接，钢带在轧钢机上传送过程中带动码盘旋转，使接近开关SQ1和SQ2得到通断的电信号，PLC控制器根据这些通断信号来判断钢带是否断带。

5.根据权利要求1所述的高效节能矢量变频控制柜，其特征在于，所述的操作屏采用西门子公司的OP270，PLC控制器采用西门子公司的S7-300，变频器采用的型号是VFD900CT43F21A3。