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利用變頻器實(shí)現(xiàn)大慣量拖動(dòng)系統(tǒng)準(zhǔn)確停車的設(shè)計(jì)

時(shí)間:2013年02月22日 分類:推薦論文 次數(shù):

  本文介紹了利用變頻器直流制動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)大慣量交流拖動(dòng)系統(tǒng)準(zhǔn)確停車控制的設(shè)計(jì)方法。該方案省去了通常設(shè)計(jì)中對(duì)制動(dòng)單元/制動(dòng)電阻的要求,從而有效的降低了成本.實(shí)踐證明,該方法工作可靠、故障率底,大大提高了生產(chǎn)效率.

  【摘要】本文介紹了利用變頻器直流制動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)大慣量交流拖動(dòng)系統(tǒng)準(zhǔn)確停車控制的設(shè)計(jì)方法。該方案省去了通常設(shè)計(jì)中對(duì)制動(dòng)單元/制動(dòng)電阻的要求,從而有效的降低了成本.實(shí)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(xiàng)交流異步電動(dòng)機(jī)以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、性能良好、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)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(zhǎng)足的發(fā)展,使得交流異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景更為廣泛,大有取代直流拖動(dòng)系統(tǒng)之勢(shì)。

  本文以30KW交流異步電動(dòng)機(jī)組成的煉鋼轉(zhuǎn)爐拖動(dòng)系統(tǒng)為例,介紹了利用變頻器直流制動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)大慣量交流拖動(dòng)系統(tǒng)準(zhǔn)確停車的設(shè)計(jì)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(jià)值上萬(wàn)元的變頻器專用制動(dòng)單元/制動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)近4年,提供了一種針對(duì)傳統(tǒng)交、直流拖動(dòng)系統(tǒng),以節(jié)能降耗、提高自動(dòng)化水平為主要目的、成熟的技改方案。

  一、原系統(tǒng)的組成及主要存在的問(wèn)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(duì)控制轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動(dòng)的拖動(dòng)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(tái)轉(zhuǎn)爐原以30KW的交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行拖動(dòng),由齒輪減速箱實(shí)現(xiàn)減速,配合刨閘實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車控制。工作時(shí),系統(tǒng)均在低速段運(yùn)行,能量損失較大。而且,整個(gè)爐體慣性較大,現(xiàn)場(chǎng)工作條件惡劣,啟、停過(guò)程中減速箱的齒輪經(jīng)常被撞壞,造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。如處理不及時(shí),鋼水凝固在爐中就會(huì)造成"蹲爐"的大故障,帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由于條件限制,機(jī)械減速系統(tǒng)維修起來(lái)十分不便,而且停車定位控制精度較低,以上問(wèn)題已成為阻礙生產(chǎn)進(jìn)一步發(fā)展的"瓶頸"問(wèn)題,廠家迫切要求解決這些問(wèn)題。

  二、改造方案中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的討論:

  針對(duì)上述系統(tǒng)中存在的主要問(wèn)題,我們提出:利用變頻器對(duì)原有交流拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。由于系統(tǒng)一直處于低速運(yùn)行,而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與消耗能量間具有立方關(guān)系(即當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降為額定轉(zhuǎn)速的n%時(shí),電動(dòng)機(jī)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(jī)械調(diào)速系統(tǒng)后,不僅系統(tǒng)運(yùn)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(shí)擺脫了由機(jī)械減速系統(tǒng)所帶來(lái)的大量維修工作。待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是如何保證并提高整個(gè)系統(tǒng)的停車定位精度。一般來(lái)說(shuō),通用變頻器提供的制動(dòng)方式主要有:能耗(直流)制動(dòng)、再生制動(dòng)(制動(dòng)單元/制動(dòng)電阻、整流回饋)等。幾種方案適用范圍、場(chǎng)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(shí)際情況選擇經(jīng)濟(jì)有效的制動(dòng)方法與制動(dòng)功能是成功設(shè)計(jì)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

  在進(jìn)行首臺(tái)轉(zhuǎn)爐的改造時(shí),考慮到系統(tǒng)慣性較大、要求的制動(dòng)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(yàn)成功的外接制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元、配合直流制動(dòng)的制動(dòng)方案,整體控制效果十分理想。在進(jìn)一步的探討中,我們考慮:轉(zhuǎn)爐拖動(dòng)系統(tǒng)具有運(yùn)行速度慢、啟停間隔時(shí)間較長(zhǎng)的特點(diǎn);能否省去外接的制動(dòng)單元/制動(dòng)電阻,單純采用直流制動(dòng)呢?由于變頻器廠家把外接制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元作為選配的元器件,需另行購(gòu)買且售價(jià)較高,如該方案可行,將有效的降低整個(gè)系統(tǒng)的改造經(jīng)費(fèi)接近20%,累計(jì)起來(lái)是十分可觀的。為此,我們對(duì)系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

  所謂"直流制動(dòng)",一般指當(dāng)變頻器的輸出頻率接近為零,電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低到一定數(shù)值時(shí),變頻器改向異步電動(dòng)機(jī)定子繞組中通入直流,形成靜止磁場(chǎng),此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài),轉(zhuǎn)動(dòng)著的轉(zhuǎn)子切割該靜止磁場(chǎng)而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,使電動(dòng)機(jī)迅速停止。由于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲(chǔ)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能以熱損耗的形式消耗于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中,為防止電動(dòng)機(jī)減速過(guò)程中所形成的再生發(fā)電制動(dòng)以及直流制動(dòng)過(guò)程中電機(jī)發(fā)熱,需串入制動(dòng)單元/制動(dòng)電阻。而轉(zhuǎn)爐拖動(dòng)系統(tǒng)有其特點(diǎn):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(huì)頻繁的啟停。如圖1所示為一般交流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性曲線。①為正常工作時(shí)的曲線,②為直流制動(dòng)時(shí)機(jī)械特性。設(shè)A點(diǎn)為正常工作點(diǎn),

  n(rpm/min)                  n(rpm/min)

  B               A                   fx

 、

 、                    fdb

 、                                                tz              t

  nk                            運(yùn)行信號(hào)

  t

  Tb    0                 T   直流電流     Idb

  圖1:    直流制動(dòng)機(jī)械特性                                         tdb                 t

  ①-原機(jī)械特性   ②-直流制動(dòng)時(shí)機(jī)械特性            圖2:直流制動(dòng)的設(shè)定

  在變頻調(diào)速通常設(shè)置的制動(dòng)過(guò)程中,電動(dòng)機(jī)先減速,此時(shí)同步磁場(chǎng)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(guò)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(jī)得到反方向的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tb進(jìn)入發(fā)電制動(dòng)狀態(tài),拖動(dòng)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(chǎng),產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在這一過(guò)程中,電機(jī)將經(jīng)過(guò)短暫的再生發(fā)電制動(dòng)和能耗制動(dòng)最終停止,因此需要接入制動(dòng)單元/制動(dòng)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(dòng)機(jī)同步磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速緩慢下降,電動(dòng)機(jī)在發(fā)生同一轉(zhuǎn)速下特性跳轉(zhuǎn)時(shí),特性曲線維持在第一象限,如圖1中虛線組③所示慢慢降速,不跳轉(zhuǎn)至第二象限則拖動(dòng)系統(tǒng)在降速過(guò)程中可以有效的避免再生制動(dòng)過(guò)程。接下來(lái),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(dòng),并相應(yīng)控制接入直流的大小和時(shí)間,理論上分析電機(jī)僅經(jīng)歷有限的能耗制動(dòng)階段,不會(huì)過(guò)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(dòng)中電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的規(guī)律,在運(yùn)行信號(hào)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(dòng),此時(shí)輸出頻率為零。在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定中系統(tǒng)降速時(shí)間tz、直流制動(dòng)起始頻率fDB、制動(dòng)電流Idb和制動(dòng)時(shí)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(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行,我們?cè)訟BB、西門子、三肯等不同廠家、型號(hào)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(duì)參數(shù)設(shè)定進(jìn)行具體說(shuō)明:

  P372 = 1  :?jiǎn)⒂弥绷髦苿?dòng)功能

  P373(Idb):直流制動(dòng)電流大小設(shè)定,它直接關(guān)系到制動(dòng)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(jī)額定電流,我們經(jīng)驗(yàn)值為60%左右調(diào)整。

  P374(tdb):輸入直流時(shí)間。不宜過(guò)長(zhǎng),否則電機(jī)將過(guò)熱應(yīng);但比實(shí)際停機(jī)時(shí)間應(yīng)略長(zhǎng),否則電機(jī)將進(jìn)入自由滑行狀態(tài),轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中經(jīng)驗(yàn)值取5.5S左右,應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況反復(fù)調(diào)整?蛇x范圍:0.1-99.9S。

  P375(fDB):直流制動(dòng)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中臨界轉(zhuǎn)速 nk以下,否則電機(jī)將過(guò)熱。經(jīng)驗(yàn)值為10HZ左右。

  P373 、P374、 P375選擇不當(dāng),均會(huì)引起電機(jī)過(guò)熱,需在現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)整、測(cè)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(shí)的fx降至fDB的時(shí)間tz雖不在直流制動(dòng)參數(shù)組中設(shè)置,但它的設(shè)置十分關(guān)鍵,如時(shí)間過(guò)短,電動(dòng)機(jī)將運(yùn)行至第二象限,發(fā)生再生制動(dòng),引起電機(jī)過(guò)熱。此外,必須指出,需要頻繁進(jìn)行制動(dòng)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(duì)系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行反復(fù)的檢測(cè),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(dòng)系統(tǒng)的大慣量拖動(dòng)系統(tǒng)變頻改造中,單獨(dú)運(yùn)用直流制動(dòng)完全可行。

  三、結(jié)束語(yǔ):

  綜上所述,利用變頻器對(duì)類似于煉鋼轉(zhuǎn)爐等需要完成調(diào)速、準(zhǔn)確停車定位等功能的大、中功率交流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)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(jì)效益。該方案先后在四臺(tái)18.5~55kw交流電機(jī)轉(zhuǎn)爐拖動(dòng)系統(tǒng)的改造中實(shí)施,僅免去購(gòu)買制動(dòng)單元一項(xiàng)就節(jié)省改造經(jīng)費(fèi)近6萬(wàn)元。在近四年的運(yùn)轉(zhuǎn)中,沒(méi)有一次因拖動(dòng)系統(tǒng)故障造成停爐,為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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