ACS80017 technical solution

1、1、 技术文件3.1、转向试验台驱动与加载系统的总体概述如下：本技术方案的技术工艺要求概述：为了提高试验系统的自动化水平，保证试验装置的综合可靠性，北京abb电气传动系统有限公司据此对试验装置的电控系统进行设计，系统采用abb最新一代的全数字交流变频器系列acs800和与之配套的调速控制器等构成完整的控制系统，实现试验装置的控制，并达到提高整个系统的综合运行性能和降低能耗的目的。转向实验台驱动与加载系统中，引擎电机作为动力源，或提供制动力矩 实验台的控制要求：综合实验台的使用工况和对控制方式的要求，系统必须能满足主驱动的速度调节和 控制，必须能满足输出轴的转矩调节和控制。特别是对输出轴的控制，

2、要求在特殊情况下，电气控制系统能快速、准确的实现对其电动力矩和制动力矩的切换控制过程。系统方案基于上述实验台的实验工况、对电气传动控制系统的要求，abb公司提出如下方案。1）电控方案： m32）系统组成： 标准acs800传动变频器产品一套（包括进线整流单元，逆变器单元公共直流母线结构, 光码盘接口板rtac-01 进线开关，保护熔断器及相关的继电联锁电路。acs800-17传动装置相关柜体的外形尺寸见附图。acs800-17传动装置相关柜体内部布置图见下图。件号说明1可旋转的前框架2供电单元控制器(rdcu)3逆变单元控制器 (rdcu)4负荷开关5输入接触器6lcl 滤波器7igbt 供电

3、模块8中间直流电路9逆变器模块10lcl 滤波器冷却风机11igbt 供电模块冷却风机12逆变器模块冷却风机13辅助变压器 (打开可旋转的前框架之后就可以看到)14辅助电路 (继电器等)3）系统方案说明本方案提供的试验台传动控制系统为一分散式自动控制系统。该系统是以abb公司的能量再生式传动变频器acs800系列装置为核心，其供电单元采用igbt整流方式（isu），isu 结合dtc控制技术，使传动系统在各种条件的电网下均有卓越的性能，isu还可以有效的提高dc回路的电压，即使在电压较低的电网，逆变器也可以获得较高的功率输出。为了充分发挥变频器的优良特性，提高实验台的整体水平，选用abb公司的

4、电机，使整个系统的速度控制精度和力矩控制精度都有了可靠的保证。下面将按组成系统的acs800传动装置，给出本系统的方案说明。3.1） 传动系统-acs800能量再生式传动的构成及功能 实验台传动系统的功率传递过程是由供电变压器到acs800变频器装置，再到交流电机。通过变频器对电机的转速和转矩进行控制。所以，实验台传动系统的主体是acs800变频器。它的供电水平和控制性能直接决定着试验台的性能。acs800是abb公司于90年代推出的用最新一代变频技术构成的变频器产品。它采用目前世界变频技术领域中最先进的“直接转矩控制”（dtc)原理来控制变频器的输出频率和输出电压，使普通标准交流异步电机获得

5、极其完美的速度控制特性和力矩控制特性。由于acs800传动是利用电压型变频器交-直-交的电路特点，采用公共直流母线结构，实现一个整流供电单元，支持多台逆变器同时进行变频工作的方式。下面对acs800能量再生式传动的结构作一简述。acs800能量再生式传动的主要组成部分：整流供电单元、逆变器单元、传动控制单元。此外还有电网进线单元、辅助控制单元和动态制动单元。整流供电单元(isu)：整流供电单元将三相交流电整流成为直流电，作为逆变器单元的电源。 igbt供电单元isu(acs800)的核心是igbt整流器。如同使用dtc控制技术的传动装置，isu精确的控制了系统的能量传输。isu 结合dtc控制

6、技术，使传动系统在各种条件的电网下均有卓越的性能。 isu 创造电网的绿色环保新概念-功率因数接近于1，节约了增加无功补偿装置的费用-谐波电流低，节约了增加滤波装置的费用 可靠性 -采用自关断功率器件，避免了快熔在电网缺口时意外损坏。 -高速的dtc控制，对电网缺口进行快速诊断。提高了传动输出功率-isu可以有效的提高dc回路的电压，即使在电压较低的电网，逆变器也可以获得 较高的功率输出。isu 高速，平滑的换向控制，使得传动性能更加优秀。 主电路由主回路开关,滤波器和整流器组成。整流模块的硬件与传动单元兼容。 当isu运行在逆变状态时igbt控制直流母线电压的恒定和接近正弦的线电流。 这样就

7、保证了系统的功率因数接近1。如同dtc控制，isu的高速控制技术保证了 系统的优秀的性能。逆变器单元(drive section) 逆变器单元也称传动单元。单元内部有由igbt元件组成的三相桥式无源逆变电路。通过pwm方式，将直流电压变换成频率可调的对称三相电压，供给交流异步电机作调速驱动用。每一个逆变器都有一个电子控制板，它包含全部逆变器运行的应用软件。此外还有标准i/o控制接口，供用户接入模拟或开关信号，以控制变频器的输出状态。每一个逆变器内部都有按输出容量配置好的储能电容器，除了提供足够的电能完成逆变输出外，还可以消除直流母线电压的波动，起到滤波的作用。逆变单元通过熔断器和直流母线连接。

8、 acs800能量再生式传动系列的逆变器单元采用的是abb公司最新研发的“直接转矩控制”原理进行变频控制的。其优越的速度控制特性和无与论比的力矩控制特性，能使本实验台的性能发挥得更出色。 其它配套单元电网进线单元(icu)电源电缆进入进线单元，通过空气断路器，进入并连接到供电单元。进线单元内还可以根据电网条件选择安装接地开关、emc滤波器等可选配件。辅助控制单元(acu)辅助控制单元是为逆变器单元和电网进线单元中的辅助设备提供电源的。当传动设备的控制电源掉电时，它会发出急停信号。在辅助控制单元内，还可以安装其它可选件，包括交流电压表、交流电流表、接地监测装置和电弧监测装置。动态制动单元当需要对

9、高速旋转的电机进行快速制动时，简单的办法是在直流母线上并接制动斩波器和制动电阻，按停车的需要，快速释放高速旋转的转子动能，对电机进行能耗制动。虽然它简单实用，造价低，但能量不能回收。往往用于没有发电状态的系统中。试验台的使用供况中，电机处于发电状态是试验过程必然出现的，功率可能会很大。所以从性能、结构、造价到能量损失，都不适于采用。相比之下，acs800能量再生式传动直流母线结构对发电能量的回馈处理方式是最理想的。所以，本系统方案中没有包括制动斩波器和制动电阻。3.2）acs800能量再生式传动的控制性能（dtc)* 将dtc技术和模糊控制理论合二为一，构成高性能、低成本的变频器调速产品，并且

10、性能大大优于矢量控制变频器。* 在dtc中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量。高速数字信号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新40,000次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味者传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。在dtc中不需要对电压、频率分别控制的pwm调制器。因此没有固定的斩波频率，在实际运行中，不会产生其它变频器驱动电机时所发出的那种高频噪声，同时也降低了变频器本身的功耗。* 标准内置交流电抗器，明显降低了进线电源的高次谐波含量，大大降低了变频器的电磁辐射，同时滤波电

11、容器免受电压、电流的冲击。* 丰富、灵活的输入输出口定义功能，可在大多数应用场合，实现用户要求而不需要任何附加电路。* 可拆卸的控制盘有四种不同的键盘模式：实际信号和故障纪录显示模式、参数模式、功能模式和传动选择模式。在实际信号显示模式中可以同时监视三个实际信号，诸如频率、转速、电流、流量等信号。* 电源断电时的运行acs800将利用正在旋转着的电机的动能继续运行，只要电机旋转并产生能量，acs800将继续运行。* 零速满转矩由acs800带动的电机能够获得在零速时电机的额定转矩，并且不需要光码盘或测速电机的反馈。而矢量控制变频器只能在接近零速时实现满力矩输出。* 起动转矩dtc提供的精确的转

12、矩控制使得acs800能够提供可控且平稳的最大起动转矩。最大起动转矩能达到200%的电机额定转矩。* 自动起动acs800的自动起动特性超过一般变频器的飞升起动和积分起动的性能。因为acs800能在几毫秒内测出电机的状态，任何的条件下在0.48s内迅速起动。而矢量控制变频器则需大于是2.2s。* 磁通优化在优化模式下，电机磁通被自动地适应于负载以提高效率，同时降低电机的噪音。得益于磁通优化，基于不同的负载，变频器和电机的总效率可提高1%10%。* 磁通制动acs800能通过提高电机的磁场来提供足够快的减速。acs800持续监视电机的状态，在磁通制动时也不停止监视。磁通制动也能用于停止电机和从一

13、个转速变换到另一个转速。而其他品牌的变频器所使用的直流制动是不可能实现此功能的。* 精确速度控制acs800的动态转速误差在开环应用时为0.4%s，在闭环应用时为0.1%s。而矢量控制变频器在开环时大于0.8%s，闭环时为0.3%s。acs800变频器的静态精度为0.01%。* 精确转矩控制动态转矩阶跃响应时间，在闭环应用时能达到12ms，而矢量控制变频器在闭环时需1020ms。acs800的技术数据：供电电网连接：(按电机额定电压值，选择变频器的输入电压)3相供电电压：u3in = 380415v 10%频率：48 63hz(适合50hz或60hz电网)电网不平衡度：最大 3%的相间电压电压

14、下降：最大25%短路能力：符合iec439指标, 65ka变压器容量要求： 1.4倍的整流供电单元容量 功率因数：cos 1 = 1运行环境：-15c50c，（40c50c运行时变频装置需要降容使用，即每升高1c降容1%使用。）效率：在额定功率： 98%噪音水平： 75 dba冷却风流量：3160 m3/h电磁干扰符合en61800-3+amendment a11(2000)中第二环境（工业环境）中规定的电磁兼容性的标准。要求最大电机电缆长度100米。 电机连接：3相输出电压：0415v频率控制：0 300 hz, dtc 控制下，03.2*ffwk弱磁点：8300 hz电机额定电压的要求：1

15、/22 *uinput电机控制软件：直接转矩控制(dtc)转矩控制：转矩阶跃上升时间：开环5ms (在额定转矩下)闭环5ms (在额定转矩下)速度控制：静态精度：开环10% (电机滑差)闭环0.01% (额定速度)动态精度：开环0.30.4%s (100%转矩阶跃)闭环0.10.2%s (100%转矩阶跃)环境条件：变频装置的环境限制条件运行为静止使用而安装存贮在保护性包装中运输在保护性包装中安装现场的海拔高度在海拔0到1000米，额定输出功率。空气温度-15至+40oc最高50 oc，需降容10%-40oc至+70oc-40oc至+70oc相对湿度95%最大95%最大95%不允许冷凝。在腐蚀

16、气体中最大允许相对湿度为60%。污染等级(iec 721-3-3)不允许有传导性粉尘。acs800安装在清洁的通风环境中。冷却空气必须是清洁的，无腐蚀气体和无导电性粉尘。化学气体：3c2 级固体颗粒：3s2 级不允许有导电性粉尘存在。化学气体：1c2 级固体颗粒：1s2 级不允许有导电性粉尘存在。化学气体：1c2 级固体颗粒：1s2 级正旋振动(iec 60068-2-6)机械条件：class 3m4 (iec60721-3-3)29 hz 3.0mm9200 hz 10m/s2应当符合ista 1a和1b的规范应当符合ista 1a和1b的规范冲击(iec 68-2-29)不允许最大100

17、m/s211 ms最大100 m/s211 ms* 可适用标准：传动单元遵循下列标准：en50178测试en60204-1评估en50178（1997）使用在动力装置上的电气设备en60204-1（1997）机械安全。机械电气设备-第一部分en60529，iec60664-1（1992）机壳的防护等级（ip编码）en61800-3+amendment a11(2000)emc产品标准，包括测试方法ul508cul安全标准，电源转换设备，第二版csa本c22.2工业控制设备as/nzs2064(1997)工业、科学和医学放射设备的电子干扰特性的限制和测量方法3.3）关于电网谐波的问题由于本方案采

18、用了能量再生式传动控制方式，最突出的特点就是系统能靠公共母线结构自行解决能量的分配与传递问题，再加上实验台这个特殊的使用供况，使整个电控系统对电网的谐波影响，比其他方式更低。原因如下： isu是一个四象限运行igbt整流单元，在同一功率因数下，isu的交流电接近正弦波。此外，通过变流器的能量可以反向流动。在默认状态下，isu控制着中间直流母线电压达到相电压的峰值。igbt供电单元不会产生特定的电流/电压谐波，不象传统的6脉波或12脉波整流桥那样，原因在于线电流为正弦波。典型的线电流和线电压的谐波频谱是很宽的，但是没有较高的某一次谐波成分。总的谐波畸变率完全符合ieee519-92国际标准。 这

19、次的实验台项目，是一个非常完整的、具备能量自反馈条件的系统。通过能量再生式传动公共直流母线的能量自行分配功能，将转向电机制动时的发电能量回馈给主驱动电机使用，制动力矩越大，回馈能量就越多，从电网取得的电能就越少，对电网产生的谐波干扰就越小。电网电流谐波：%基波电流电网电压谐波： 4%基波电压 (取决于电网的短路比rsc)3.4）设备选型.根据以上技术方案，系统中各设备选型如下:传动装置:传动部分序号设备型号描述数量1acs800-17-0260-3+l502+k458能量再生式传动（l502表示脉冲编码器接口板rtac-01，k458表示modbus通讯适配器rmba-01，）13.2 变频控

20、制系统采用igbt整流回馈单元的结构：系统采用应用abb公司最先进的直接转矩技术（dtc）的acs800能量再生式传动产品，即采用igbt整流单元能够实现四象限运行的可回馈能量技术，从而达到可靠高精度和节能运行。由于在一个能量再生式传动变频装置中，多台逆变器同时挂在同一直流母线上，就使多台电机之间能自由，合理的进行能量交换，不但减轻了电网负担，节约了电能，还改善了传动控制过程的动态性能。 转向试验台驱动与加载系统的变频控制输入输出通讯系统：模拟/数字量i/o接口图如下：通过i/o通讯方式，模拟量输入口的速度给定值或力矩给定值更新时间是6ms。 通过i/o通讯方式，共有三个模拟量输入口，ai1

21、0到+10v，或-10v到+10v。速度给定ai2和ai3，0-20ma两个模拟量输出口，0-20ma, ao1 电机转速信号，ao2， 电机电流六个可编程的数字输入口和三个可编程的继电器输出口。变频控制系统内部控制板之间均采用光纤连接，从而保证了系统高速的数据交换同时满足高抗干扰能力。abb变频系统选用相应的适配器后，几乎能够适应目前市场上的所有通讯协议，例如：modbus/plus,profibus-dp,devicenet,canopen,controlnet,lonworks, interbus-s,ethernet，这将支持客户更大的系统选择范围，采用灵活的系统配置。通过profibus通讯方式，速度给定值或力矩给定值更新时间是2ms。上位机可以同时读取6个数据，在实际信号组1到9中任何的实际信号，例如主状态字，电机电流，电机力矩，电机速度，电机功率，直流电压，上位机