ABB ACS400变频器原理、应用及改进建议

一．ABB ACS400变频器的原理

通用普通U/F控制的原理
异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为
    n1=60f/p
    式中 n1—同步转速（r/min）
    f—电源频率（Hz）
    p—磁极对数
    而异步电动机的轴转速为n=60f＊（1-s）/p
    式中 s—异步电动机的转差率，s=（ n1-n）/ n1.

    可以看出，改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。

    对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变，磁通太弱，铁心利用不充分，在同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁通太强，则处于过励磁状态，励磁电流过大，已有扰动，调速将非线性化。为此应保证电动机调速过程中气隙磁通保持不变。
    三相异步电动机定子每相电动势的有效值为
    E1=4.44f1N1øm
    式中 E1—定子每相由气隙磁通感应的电动势值
    f1—定子频率（Hz）
    N1—定子相绕组匝数
    øm—每极磁通量（Wb）

    由上式可见，øm的值由E1和f1共同决定的，对E1和f1进行适当的控制，就可以使气隙磁通øm保持额定值不变。有两种情况：

1. 基频以下的恒磁通变频调速

    这是考虑从基频（电动机额定频率）向下调速的情况。为了保持电动机的气隙主磁通不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1=常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制，这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式一。但是，E1难于直接检测和直接控制。当E1和f1的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可以近似的保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数，即认为U1=E1，保持U1/f1=常数即可。但当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）不能再忽略。这种情况下，可以人为地提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，上气隙磁通基本保持不变。如图1所示，其中1为U1/f1=C时的电压、频率关系，2为有电压补偿时（近似的E1/f1=C）的电压、频率关系。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。

2. 基频以上的弱磁变频调速

    这是考虑从基频开始向上调速的情况。频率由额定值逐渐增大，但电压U1受额定电压的限制不能再升高，只能保持额定值不变，必然会使主磁通随着f1的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。见图1。

    由上面的讨论可知，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）调速控制。这就是变频器通用普通U/F控制的原理。

二． ABB ACS400变频器在造粒配电室的应用

    三聚PM501电机采用ABB ACS400变频器进行控制。要求开、停电动机时由现场操作柱发出起/停信号，此信号通过仪表的中间继电器后，由中间继电器的常开接点输入到变频器，然后由变频器的输出来控制电动机的起/停。根据实际要求，电机的速度给定模仿电动电位器控制，而不是采用一般的4-20mA模拟信号输入方式，因此ACS400采用电动电位器控制方式，由两个数字量开关的开合来模拟电动电位器控制。

（1）变频器硬件接线

    变频器运行控制信号及速度信号可由两个位置控制，一是直接的变频器键盘控制，另一个是由外部信号加入到变频器的输入端来实现外部控制。对于PM501电机转速控制由于要求外部控制，所以硬件的外部接线是非常重要的，它直接控制影响着变频器的运行情况。外部接线的输入端如下图所示。

    由图上可以看出，对于控制变频器运行的输入信号和加减速控制信号，这些点在实际运行中起到的具体作用是由设定的变频器参数决定。

（2） 变频器参数的设置

    硬件接线连接好以后，还要正确设置参数变频器才能正常工作。ACS400在控制途径上有很多种可以选择。包括：工厂宏：适用于一般工业应用，除了可在键盘上控制变频器以外，还可通过一个外部输入控制变频器的运行；手/自动宏：用与本地和远程操作，除了可在键盘上控制变频器以外，还可通过两个外部输入（近程、远程）控制变频器的运行；PID宏：用于闭环控制的过程；转矩控制：用于需要**转矩控制的过程等。不同宏的参数设置将会有一些差别。参数设置包括以下几个部分：启动数据的设置，运行数据的设置及保护设置等。在实际应用中，*主要的便是启动数据设置和运行数据设置。在启动数据设置中将给定控制的应用宏及电机的额定电压、功率因数等数值。运行数据设置尤为重要，需要在此项中给定起、停、方向的控制输入点，模拟输入量的范围、比例和加减速时间等等。下面将P501电机的一些重要参数设置列表如下并加以说明。

1. 启动数据参数表

    在参数表的9902、9905、9906、9907、9908、9909、9910项中我们可以得知电动机的额定值，这些数值是根据电动机铭牌上的数值手工输入到变频器中的。电机的这些额定参数对变频器的正常运行有着非常重要的作用，因此在录入这些数据的时候应确保同电动机铭牌上的数值相一致。

2. 运行数据参数表

各项的意义如下：

    —EXT1 COMMANDS 2 参数2表示电机的起停和方向由DI1,2控制。当DI1=1时，电机运行，DI1=0时，电机停止，其中DI1由仪表的中间继电器K2控制。DI2=1时，电机反转，DI2=0时，电机正转。由于实际中DI2未接线，所以DI2一直为零，电机在远程控制时只能正转。
    —EXT1/EXT2 SEL 6 参数6表示选择由EXT1控制，EXT1的控制信号由参数1001和1103决定。 
    —EXT REF1 SELECT 6 参数6= DI3U,4D（R），此信号模拟电动电位器，作为速度给定。DI3合=升速，“U”表示升速。DI4合=降速，“D”表示降速。（R）则表示接到停车信号时，给定值复位为0。给定速度变化的快慢由参数2204 ACCELER TIME 2控制。
    —RELAY OUTPUT 1 3 参数3=FAULT（-1）（故障），设备正常时吸合，故障时分断。
    —RELAY OUTPUT 2 2 参数2=RUN（运行），ACS400 运行时继电器动作
    —AO CONTENT 102 显示变频器的输出速度。
    —FAULT RESET SEL 0 参数0=KEYPAD（只用键盘），在键盘上复位故障。

由上面的参数设置及硬件连接可以分析如下：

    由手/自动宏的特性可知，DI1=1表示变频器运行在外部控制1控制下，此时起/停信号由DI1决定方向。由于P501电机不需要改变方向，故在硬件连接中DI2未接。电机速度大小由EXT REF1 SELECT 决定，在参数设置中，EXT REF1 SELECT 由DI3U,4D（R）表示，DI3U,4D（R）的大小来决定电机的转速， 总之，PM501电机运行在EXT1作用下，起/停由DI1控制，速度由DI3,DI4控制，在实际的运行中运行正常且具有很好的调速效果。

三． 存在的缺陷及改进建议

    变频器应用了两个开关量输出点，继电器1用来给仪表“变频器故障”信号，继电器2用来给仪表“变频器运行”信号，这两个信号输入到仪表PLC的输入模块中。现在我们给出的变频器故障信号是一个常开接点，在参数设置中，1401（RELAY OUTPUT 1）参数设置成了3。此参数的意义是：当变频器正常时，继电器1得电，它的常开接点闭合；而当变频器存在故障时，继电器1失电，它的常开接点打开。因此当变频器正常时，我们给仪表的是一个常闭接点，仪表PLC输入模块的“变频器故障”输入点的指示灯常亮；当变频器故障时，我们给仪表的是一个常开接点，仪表PLC输入模块的“变频器故障”输入点的指示灯熄灭。而且仪表编制PLC程序时也必须对“变频器故障”信号取非才能获得正确的逻辑。因此无论在编程还是在直观表示上，此信号的给出都存在一定缺陷。

    根据变频器的说明书中可以得知，参数1401为4时表示：当变频器正常时，继电器1失电，它的常开接点打开，故障指示灯不显示；而当变频器存在故障时，继电器1带电，它的常开接点闭合，故障指示灯显示有故障。与参数1401为3时刚好相反，可以弥补上述所说的缺陷。而且改正的过程非常简单，不需要进行硬件接线的修改，只需更改一下参数的设置，因此此改进完全可以实施。

    其次，为防止变频器输出故障，影响装置的运行，建议在主回路和二次控制回路上进行改造，当变频器发生故障时，使之通过工频、变频转换开关，使主回路转换至工频甩开变频器，为电机的持续运行提供保障，使主回路转换至工频甩开变频器，以便检测变频器，确认其正常后，再转换至变频器控制。确保装置的持续、安稳运行。