摘 要：為了實現變頻器驅動的粗紗機事故掉電時不斷線，要求傳動控制系統具有同步制動功能。本文提出變頻器外掛電容再生同步制動原理設計和參數計算方法。
關鍵詞：臺達變頻器 多電機掉電 同步制動 外掛電容

1 引言

在棉紡工藝過程中，粗紗機的主要功能是對棉條進行一定的牽伸，以使棉條達到一定的牽伸倍數并制成一定的卷繞形式，便于儲存和搬運，適應細紗機的喂入。粗紗工序粗紗機自動化系統構造目前市場主要分為三大方案：其一，利用工業控制計算機、板卡、變頻器；其二，觸摸屏、PLC、變頻器；其三，觸摸屏、單片機模塊、變頻器。在這三個系統方案都必須面臨的一個問題：就是掉電需要多電機同步停止。目前普遍采用了的是變頻器進入剎車狀態，產生再生能量來保證電機同步停止。

2 外掛母線電容儲能同步制動設計

2.1 原理設計

根據一般變頻器原理，直流母線電容用于濾除整流器交流成分和穩定逆變器供電電壓。對于多電機獨立變頻驅動的粗紗機，母線電容具有在事故掉電時刻利用存儲的電能提供再生制動激勵能源的潛在功能。由于標準母線電容容量通常僅僅是為滿足濾波與穩壓，難以滿足掉電制動能量需求，提出外掛大容量母線電容儲能同步制動方案。外掛電容會對變頻器的整流器造成巨大的啟動電流沖擊，利用粗紗機PLC實現軟啟動保護設計，原理類似于變頻器內部母線電容串聯啟動保護電阻。針對母線電容儲能同步制動設計，臺達B系列變頻器針對粗紗機的應用特點進行了軟件的客制化修改設計。

2.2 臺達B系列變頻器軟件客制化修改

臺達B系列變頻器針對粗紗機的應用特點進行了軟件的修改設計。

（1）增加再生能量產生功能選擇。參數06－19進行再生能量產生的功能選擇，當06-19=0時變頻器和標準品變頻器一樣。當06-19=1 時檢測到低電壓時，變頻器立即閉合外部端子EF并且進入第二減速時間。

（2）設置外部端子EF檢測電壓準位。06-16為設置EF檢測電壓準位，在圖1中的 。06-17為電壓檢測的時間。整個過程是當變頻器檢測到直流母線上的電壓小于或者等于06-16的準位并且持續時間達到了 06-17設置時間。變頻器則立即進入減速剎車狀態，剎車時間是根據第二減速時間02-12來設定。

（3）滿足系統需求的制約因素分析。 06-16檢測電壓準位，02-12減速時間與外部電容容量。06-16檢測電壓準位設定越高，則越有足夠的能量保留，但是電壓準位太高將無法滿足粗紗機中電網正常電壓偏低運行性能；02-12減速時間設置越短越有利停車，但是過短造成機械的震動；外部電容容量越大則越有利停車，但是過大則成本和體積就會隨之增大。因此這三個方面要取一個適中的點。

3 外掛母線電容量計算

3.1 計算目的

（1）計算需要外掛電容容量多少，才能保證滿負載粗紗機在掉電時能夠同步停止。

（2）設計外部軟啟動電路，保證在加大變頻器電容情況下減少上電的沖擊。

3.2 計算步驟

（1）電容端口電壓曲線分析

電容端口電壓曲線分析參見圖1。母線電壓包絡線衰落代表電機機械能量在剎車過程中轉化衰減。母線電壓鋸齒曲線說明剎車過程中的間歇制動是根據電壓準位值判定實現的。

其中：uc(t)--電容端口電壓
uef1--臺達B系列變頻器EF檢測電壓準位
Uef2B系列變頻器進入剎車之后能量開始回饋時，電容兩端電壓
△t=t2-t1--從EF檢測電壓到能量開始回饋的時間
△T=t3-t1--粗紗機發現掉電后能夠同步停車的時間
k、b--為電容端口電壓方程的常數

（2）計算常數 k

臺達B系列變頻器通過修改內部軟件，縮短EF檢測電壓到進入減速剎車狀態的時間。

現在暫時認為△t＝80ms（此數據目前只能估計），設置參數06－16＝495即Uef1 ＝495，估計Uef2 ＝452。也就是當電網電壓為AC350，系統認為開始掉電，進入剎車狀態，當電容端口電壓降為DC452也可以認為直流母線電壓為452。系統開始有再生能量回饋。據此可以計算常數k。

（3）電容端口電壓和端口電流之間的關系

（4）電容量計算

根據實際情況，粗紗機在滿負載情況下需要的電流大約10－15A，現在粗略估算i＝13A，則：

因此可以選擇的滿負載時，外掛電容在2－3萬微法。

這是一個實際的例子，可以根據實際的需要通過改動相關的參數，根據上面的計算公式就可以完成其它電容容量的選擇。

4 軟啟動保護電阻設計

4.1 軟啟動原理

在任何電壓型變頻器中都有大容量電容的存在，當上電瞬間相當于給電容兩端一個階躍信號。如果直接加入電容兩端則電容的充電電流很大，將嚴重影響電容的壽命。對此大部分變頻器在整流部分之后加入了軟啟動電路。根據這個思想在粗紗機中由于除了三臺變頻器的本身的電容之外，還在直流母線上外掛了大容量電容，因此需要設計軟啟動電路來保證變頻器的壽命。主要思想如下：在變頻器的直流母線上外加電容如圖2所示，接觸器的控制端由PLC來控制，當上電時PLC延時一段時間，等電容通過電阻R充電之后，接觸器閉合旁路電阻R。

圖2 軟啟動電路圖
4.2 軟啟動電氣參數計算

根據上例計算結果，如果粗紗機外掛電容為 0.024F，對0.024F電容充電電流希望控制在1.2A以內，則：

R=U/I=530/1.2=441歐；P=I2*R=1.22*441=635瓦；充電時間常數 τ = RC = 441*0.024 = 10.58秒。

選擇軟啟動電阻470歐功率不低于600瓦。PLC上電之后延時時間要有15S以上。旁路接觸器選擇通過電流在25A/50A。

5 結束語

變頻器驅動粗紗機多電機掉電同步制動是紡織工業的特殊問題。掉電時刻系統已經完全失去外部能源供應，一般意義上的變頻器制動完全失效，導致上百根紗錠斷線，需要長時間的人工接線恢復作業。因此本文討論的外掛母線電容同步制動方案具有積極的實用意義。項目已經通過研發階段，投入工程應用。

作者簡介
劉元剛 男 中達電通股份有限公司北京分公司AMD產品處技術支持工程師