本文以30kW交流異步電動機(jī)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(shí)現(xiàn)大慣量交流拖動系統(tǒng)準(zhǔn)確停車的設(shè)計(jì)方法。與一般方法相比，該方案不僅工作穩(wěn)定可靠，控制精度高，可節(jié)能降耗，而且省去了價值上萬元的變頻器專用制動單元/制動電阻，有效地降低了設(shè)備改造成本。 一、原系統(tǒng)的組成及存在的主要問題 煉鋼轉(zhuǎn)爐是鋼鐵廠一種重要的生產(chǎn)設(shè)備，其拖動系統(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(jī)進(jìn)行拖動，由齒輪減速箱實(shí)現(xiàn)減速，配合抱閘實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車控制。工作時，該系統(tǒng)均在低速段運(yùn)行，能量損失較大，而且整個爐體慣性較大，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"的事故，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。此外，機(jī)械減速系統(tǒng)不便于維修，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(jìn)一步發(fā)展的"瓶頸"問題。 二、改造方案的關(guān)鍵技術(shù)問題 針對上述系統(tǒng)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(jìn)行改造。改造方案的關(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)制動和再生制動(制動單元/制動電阻、整流回饋)等。這些方式各有優(yōu)劣，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇經(jīng)濟(jì)有效的制動方式是成功設(shè)計(jì)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。 在進(jìn)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，我們選擇了外接制動電阻和制動單元并配合直流制動的制動方案，整體控制效果十分理想?？紤]到轉(zhuǎn)爐拖動系統(tǒng)具有運(yùn)行速度慢、啟停間隔時間較長的特點(diǎn)，進(jìn)一步探討了能否省去外接的制動單元/制動電阻，單純采用直流制動呢?如此方案可行，將降低整個系統(tǒng)的改造經(jīng)費(fèi)接近20%。為此，我們對系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 如圖1所示為一般交流電動機(jī)制動時的機(jī)械特性曲線，①為正常工作時的曲線，②為直流制動時機(jī)械特性。設(shè)A點(diǎn)為正常工作點(diǎn)。在變頻調(diào)速通常設(shè)置的制動過程中，電動機(jī)先減速，此時同步磁場轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，工作點(diǎn)在同一轉(zhuǎn)速下由曲線①的A點(diǎn)跳至曲線②的B點(diǎn),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)，于是，電機(jī)得到反方向的制動轉(zhuǎn)矩Tb而進(jìn)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)速度低于某一轉(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(jī)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(jī)發(fā)熱。 從理論上分析，如果能夠控制電動機(jī)同步磁場的轉(zhuǎn)速緩慢下降，使電動機(jī)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限，如圖1中虛線③所示，而不跳轉(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(jī)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，這樣，電機(jī)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(xiàng)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(jī)轉(zhuǎn)速隨時間變化的規(guī)律。在運(yùn)行信號的控制下，變頻器首先緩慢連續(xù)降頻，達(dá)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(jī)械的準(zhǔn)確定位和電動機(jī)的正常運(yùn)行。我們曾以ABB、西門子、三肯等不同型號的變頻器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(jìn)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，可選范圍為電機(jī)額定電流的20%~400%。我們的經(jīng)驗(yàn)值為60%左右。 P374(tdb):輸入直流時間。不宜過長，否則電機(jī)將過熱應(yīng)，但應(yīng)比實(shí)際停機(jī)時間略長，否則電機(jī)將進(jìn)入自由滑行狀態(tài)?？蛇x范圍為0.1~99.9s，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況反復(fù)調(diào)整。我們的經(jīng)驗(yàn)值為5.5s左右。 P375(fdb):直流制動開始頻率。如前所述，該參數(shù)應(yīng)盡可能小，必須在圖1曲線②中臨界速nk對應(yīng)的頻率以下，否則電機(jī)將過熱。經(jīng)驗(yàn)值為10Hz左右。 P373、P374、P375選擇不當(dāng)，均會引起電機(jī)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(jī)械將準(zhǔn)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(jī)的工作點(diǎn)將轉(zhuǎn)移至第二象限，發(fā)生再生制動,引起電機(jī)過熱。必須指出，需要頻繁進(jìn)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(jìn)行反復(fù)的檢測，電機(jī)溫升正常，系統(tǒng)停車定位準(zhǔn)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，可省去外接的制動單元/制動電阻，單獨(dú)運(yùn)用直流制動是完全可行的。 三、結(jié)束語 綜上所述，利用變頻器改造類似于煉鋼轉(zhuǎn)爐的大中型交流電機(jī)拖動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速、準(zhǔn)確停車定位等功能是完全可行的。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，有效地降低改造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。