利用變頻器實現(xiàn)大慣量拖動系統(tǒng)準確停車的設(shè)計

1、利用變頻器實現(xiàn)大慣量拖動系統(tǒng)準確停車的設(shè)計         【摘要】本文介紹了利用變頻器直流制動功能實現(xiàn)大慣量交流拖動系統(tǒng)準確停車控制的設(shè)計方法。該方案省去了通常設(shè)計中對制動單元/制動電阻的要求,從而有效的降低了成本.實踐證明,該方法工作可靠、故障率底，大大提高了生產(chǎn)效率. 三項交流異步電動機以其構(gòu)造簡單、堅固耐用、性能良好、制造成本低等優(yōu)點而在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用。特別是近幾年，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的迅猛發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)有了長足的發(fā)展，使得交流異步電動機的應(yīng)用前景更為廣泛，大有取代直流拖動系統(tǒng)之勢。 本文以

2、30KW交流異步電動機組成的煉鋼轉(zhuǎn)爐拖動系統(tǒng)為例，介紹了利用變頻器直流制動功能實現(xiàn)大慣量交流拖動系統(tǒng)準確停車的設(shè)計方法，與一般方式相比，該方案不僅工作穩(wěn)定可靠、控制精度高，而且省去了價值上萬元的變頻器專用制動單元/制動電阻，有效的降低了設(shè)備改造成本。截止到現(xiàn)在，按該模式改造的數(shù)套轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)已連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)近4年，提供了一種針對傳統(tǒng)交、直流拖動系統(tǒng)，以節(jié)能降耗、提高自動化水平為主要目的、成熟的技改方案。 原系統(tǒng)的組成及主要存在的問題： 煉鋼轉(zhuǎn)爐是鋼鐵廠一種重要的生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)工藝對控制轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動的拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定性及停車定位精度要求較高。某鋼廠的一臺轉(zhuǎn)爐原以30KW的交流異步電動機進行拖動，由齒輪減速箱

3、實現(xiàn)減速，配合刨閘實現(xiàn)準確停車控制。工作時，系統(tǒng)均在低速段運行，能量損失較大。而且，整個爐體慣性較大，現(xiàn)場工作條件惡劣，啟、停過程中減速箱的齒輪經(jīng)常被撞壞，造成整個系統(tǒng)的癱瘓。如處理不及時，鋼水凝固在爐中就會造成“蹲爐”的大故障，帶來巨大的經(jīng)濟損失。由于條件限制，機械減速系統(tǒng)維修起來十分不便，而且停車定位控制精度較低，以上問題已成為阻礙生產(chǎn)進一步發(fā)展的“瓶頸”問題，廠家迫切要求解決這些問題。 改造方案中關(guān)鍵技術(shù)問題的討論： 針對上述系統(tǒng)中存在的主要問題，我們提出：利用變頻器對原有交流拖動系統(tǒng)進行改造。由于系統(tǒng)一直處于低速運行，而電動機轉(zhuǎn)速與消耗能量間具有立方關(guān)系（即當(dāng)電動機的轉(zhuǎn)速下降為額定轉(zhuǎn)速

4、的n%時，電動機所消耗能量為原額定功率PN的PN*（n%）3,如當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到80%的額定轉(zhuǎn)速，則消耗功率僅為51.2%的額定功率）,所以利用變頻器替代原有的機械調(diào)速系統(tǒng)后，不僅系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性大大提高了，而且在節(jié)能降耗上所取得的效益也將是十分顯著的；同時擺脫了由機械減速系統(tǒng)所帶來的大量維修工作。待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是如何保證并提高整個系統(tǒng)的停車定位精度。一般來說，通用變頻器提供的制動方式主要有：能耗（直流）制動、再生制動（制動單元/制動電阻、整流回饋）等。幾種方案適用范圍、場合及使用的限制條件各有不同，使用的效果也各有優(yōu)劣，根據(jù)實際情況選擇經(jīng)濟有效的制動方法與制動功能是成功設(shè)計變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

5、的關(guān)鍵問題之一。 在進行首臺轉(zhuǎn)爐的改造時，考慮到系統(tǒng)慣性較大、要求的制動轉(zhuǎn)矩較高，我們選擇了由變頻器生產(chǎn)廠家推薦、兄弟鋼廠已試驗成功的外接制動電阻和制動單元、配合直流制動的制動方案，整體控制效果十分理想。在進一步的探討中，我們考慮：轉(zhuǎn)爐拖動系統(tǒng)具有運行速度慢、啟停間隔時間較長的特點；能否省去外接的制動單元/制動電阻，單純采用直流制動呢？由于變頻器廠家把外接制動電阻和制動單元作為選配的元器件，需另行購買且售價較高，如該方案可行，將有效的降低整個系統(tǒng)的改造經(jīng)費接近20%，累計起來是十分可觀的。為此，我們對系統(tǒng)的工作特性進行了詳細的分析。 所謂“直流制動”，一般指當(dāng)變頻器的輸出頻率接近為零，電機的轉(zhuǎn)

6、速降低到一定數(shù)值時，變頻器改向異步電動機定子繞組中通入直流，形成靜止磁場，此時電動機處于能耗制動狀態(tài)，轉(zhuǎn)動著的轉(zhuǎn)子切割該靜止磁場而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使電動機迅速停止。由于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲的動能轉(zhuǎn)換成電能以熱損耗的形式消耗于異步電動機的轉(zhuǎn)子回路中，為防止電動機減速過程中所形成的再生發(fā)電制動以及直流制動過程中電機發(fā)熱，需串入制動單元/制動電阻。而轉(zhuǎn)爐拖動系統(tǒng)有其特點：首先，工作狀態(tài)下變頻器的輸出頻率基本在35-38HZ左右；其次，轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)不會頻繁的啟停。如圖1所示為一般交流電動機制動時的機械特性曲線。為正常工作時的曲線，為直流制動時機械特性。設(shè)A點為正常工作點， 圖1：直流制動機械特性 tdb t -原機

7、械特性 -直流制動時機械特性圖2：直流制動的設(shè)定 在變頻調(diào)速通常設(shè)置的制動過程中，電動機先減速，此時同步磁場轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，工作點在同一轉(zhuǎn)速下由曲線1的A點跳至曲線2的B點，即從第一象限過渡到第二象限，通常稱之為同一轉(zhuǎn)速下特性的跳轉(zhuǎn)，則電機得到反方向的制動轉(zhuǎn)矩Tb進入發(fā)電制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)沿圖1中曲線2迅速降速，當(dāng)?shù)陀谀骋晦D(zhuǎn)速后，變頻器輸出直流，形成固定磁場，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。在這一過程中，電機將經(jīng)過短暫的再生發(fā)電制動和能耗制動最終停止，因此需要接入制動單元/制動電阻，以防止電機發(fā)熱。 從理論上分析，如果能夠控制電動機同步磁場的轉(zhuǎn)速緩慢下降，電動機在發(fā)生同一轉(zhuǎn)速下特性跳轉(zhuǎn)時，特性曲線維持在第一象

8、限，如圖1中虛線組所示慢慢降速，不跳轉(zhuǎn)至第二象限則拖動系統(tǒng)在降速過程中可以有效的避免再生制動過程。接下來，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速在小于臨界轉(zhuǎn)速nk的情況下接入直流制動，并相應(yīng)控制接入直流的大小和時間，理論上分析電機僅經(jīng)歷有限的能耗制動階段，不會過熱。而變頻器良好的內(nèi)、外特性保證了上述各項條件的滿足。圖2所示為變頻器的輸出頻率、直流制動中電機轉(zhuǎn)速隨時間變化的規(guī)律，在運行信號的控制下，變頻器首先緩慢連續(xù)降頻，達到fDB后則開始直流制動，此時輸出頻率為零。在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定中系統(tǒng)降速時間tz、直流制動起始頻率fDB、制動電流Idb和制動時間tdb的設(shè)定十分重要，直接關(guān)系到生產(chǎn)機械的準確定位和電動機的正常運行，我們曾

9、以ABB、西門子、三肯等不同廠家、型號的變頻器進行實驗，均可滿足工況要求?，F(xiàn)以所述轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)所應(yīng)用的西門子6SE21系列變頻器為例對參數(shù)設(shè)定進行具體說明： P372 = 1：啟用直流制動功能 P373（Idb）：直流制動電流大小設(shè)定，它直接關(guān)系到制動轉(zhuǎn)矩的大小，系統(tǒng) 慣性越大其值應(yīng)越大?？蛇x范圍20%-400%的電機額定電流，我們經(jīng)驗值為60%左右調(diào)整。 P374（tdb）：輸入直流時間。不宜過長，否則電機將過熱應(yīng)；但比實際停機時間應(yīng)略長，否則電機將進入自由滑行狀態(tài)，轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中經(jīng)驗值取5.5S左右，應(yīng)結(jié)合實際情況反復(fù)調(diào)整?？蛇x范圍：0.1-99.9S。 P375（fDB）：直流制動開始頻率。如前

10、所述，該參數(shù)應(yīng)盡可能小，必須在圖1曲線中臨界轉(zhuǎn)速 nk以下，否則電機將過熱。經(jīng)驗值為10HZ左右。 P373 、P374、 P375選擇不當(dāng)，均會引起電機過熱，需在現(xiàn)場反復(fù)調(diào)整、測試。調(diào)整得當(dāng)，生產(chǎn)機械將準確停止在預(yù)定位置。應(yīng)特別注意，變頻器輸出頻率由正常工作時的fx降至fDB的時間tz雖不在直流制動參數(shù)組中設(shè)置，但它的設(shè)置十分關(guān)鍵，如時間過短，電動機將運行至第二象限，發(fā)生再生制動，引起電機過熱。此外，必須指出，需要頻繁進行制動的工況不適合采用此方式。 按此方案將參數(shù)設(shè)定完成后，對系統(tǒng)連續(xù)進行反復(fù)的檢測，電機溫升正常，系統(tǒng)停車定位準確?？梢姡陬愃妻D(zhuǎn)爐拖動系統(tǒng)的大慣量拖動系統(tǒng)變頻改造中，單獨運

11、用直流制動完全可行。 結(jié)束語： 綜上所述,利用變頻器對類似于煉鋼轉(zhuǎn)爐等需要完成調(diào)速、準確停車定位等功能的大、中功率交流電機拖動系統(tǒng)進行改造是完全可行的。尤其是在某些情況下，可以充分開發(fā)利用變頻器自身的功能，有效的降低改造成本，提高經(jīng)濟效益。該方案先后在四臺18.555kw交流電機轉(zhuǎn)爐拖動系統(tǒng)的改造中實施，僅免去購買制動單元一項就節(jié)省改造經(jīng)費近6萬元。在近四年的運轉(zhuǎn)中，沒有一次因拖動系統(tǒng)故障造成停爐，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。 參考文獻： 1.SIEMENSMICROMASTER/MIDIMASTEROPERATINGINSTRUC- TIONS.Edition 03.95 2.楊興瑤編著. 電動機