欧陆590+全数字直流调速器在钢轨刨床节能改造中的应用

1、 引言 我公司道岔车间现有的两台钢轨刨床电气传动采用的是我国上世纪六十年代流行的交磁扩大机控制的F－D(直流发电机－直流电动机)传动方案，由于老设备控制精度低，效率不高，占地面积大、电能浪费严重、噪音大，加之元件严重老化，系统故障频繁，因此对其进行升级改造势在必行。 近代电子技术的发展和大功率半导体器件的出现，为实现直流调速系统的全数字控制创造了良好的条件。当今大型龙门刨床成熟的直流传动方案是采用全数字晶闸管可逆直流调速系统，它采用微型计算机进行控制，从而使整个电控系统装置不但体积小，而且运行可靠性大为提高，且系统效率比直流发电机组传动高，属于高效、节能产品。 2、节能改造方案的确定 钢轨刨床的刨削加工主要由工作台的往复运动实现，其主机拖动系统主要是由一台110KW的直流发电机组和两台通过机械同轴刚性连接的60KW直流电动机构成，直流电动机的调速通过交磁扩大机的控制绕组进行信号的放大与转换，调节直流发电机组的输出电压，通过改变直流电动机电枢两端的电压来实现他励直流电动机的调压调速。由于上世纪六十年代流行的交磁扩大机控制的直流发电机组传动方案存在电能→机械能→电能的这一转换环节，其固有的转换效率必然小于1，因此它属于低效、高能耗的电气传动系统，且有机组占地面积大、噪音大等缺点。 　　欧陆590+系列全数字直流调速器是新型直流调速器中应用广泛的产品，它使用交流110V到500v的三相电源，提供直流输出电压和电流，用于直流电动机的电枢和励磁控制，适用于直流他励电动机和永磁电动机的控制。590+系列中所有的控制算法都由最新的高速16位微处理（单片机）完成，控制软件包的结构以及单片机处理速度可以保证所有控制回路的调节作用在主电路六个可控硅桥的转换时间内完成，以保证电流环的采样时间小于3.3Ms(50Hhz电源)或2.67Ms(60HZ电源)，速度环算法也可在此时间内完成，以获得优越的性能。 鉴于以上原因，我们在2005年8月先对其中的一台12米钢轨刨床进行了改造，新改的电气传动采用PLC（可编程逻辑控制器）控制的全数字晶闸管可逆直流调速系统。电控系统的PLC选用日本OMRON公司的CPM2A型整体式PLC，它负责完成全数字直流调速装置外围的给定信号处理、机床按钮站信号、各种限位信号和系统故障信号的逻辑控制与处理。全数字晶闸管可逆直流调速装置选用英国欧陆公司的590+系列500A四象限逻辑无环流（可逆）全数字直流电机调速装置，它所有的控制算法都由高速16位微处理器完成，以获得优越的动态控制性能；自整定算法可自动计算出电流环的P、I常数及电流断续点，使系统获得最佳动态性能；其电流环的自适应功能使系统变化较大时，也可获得平稳的速度响应。此次改造调速系统采用编码器构成转速负反馈速度闭环控制，用以提高电气调速系统的速度平稳性，扩大系统调速范围、减小转速静差率。　 3、 系统概述 从电机学我们知道：改变施加在直流电动机电枢两端的供电电压可以改变直流电机的转速。在这套系统中通过内部或外部电位计给定0～10V的电压信号到PLC中，在由PLC进行数据处理后给定到直流调速装置来调节电机的输出转速，具体系统控制原理图见图1所示。 为了保证系统有较高的动态性，采用了双闭环的结构通过与直流电动机同轴安装的测速编码器反馈回电机实际转速信号-Un和给定的电压信号Un`共同给定速度调节器，经速度调节器PI整定后输出Ui`和电流的反馈信号-Ui共同给定电流调节器，经PI整定后在输入给控制晶闸管整流器的触发装置来控制加在电机两端的电压。这种控制方式使电机转速n跟随给定电压Un`变化，对负载变化起抗干扰的作用，而且对电网电压波动起及时抗干扰的作用，还保证获得允许的最大电流；在转速调节过程中，还使电流跟随其给定电压Un`变化，并且当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。 4、 功能实现 以下是选用的电机、直流调速器和编码器及其选项板的参数。直流电动机：型号 ZSD-32.7/19 ，数量 2台,额定功率 59KW ,电枢电流 298A,额定转速 1000r/mim ,励磁电压 220V,电枢电压 220V ，励磁电流 10A；直流调速器：型号 SSD590P/500A,Ie＝500A；编码器选项板：型号AH387775U024,DC24V；编码器：1024ppm,DC24V。 如图1所示，这里A1为零伏基准，它是调速器中所使用的所有模拟信号的通用基准点；A4为斜坡速度设定值，＋10V＝全速设定值，－10V＝逆向全速设定值；A6为主电流极限或辅助电流限幅；A9为电枢电流的输出电流计指示； B3为+10V基准电源；B4为－10V基准电源； B6为调速器正常数字输出；B8 为程序停车，当程序停车输入保持在＋24V时，调速器将按照输入信号的要求运行，当程序停车输入为开路或零伏时，控制器将按照程序性停止参数的定义，产生受控停止或程序性停止；B9 为惯性停止，当惯性停止输入为＋24V时，控制器正常运行，当惯性停止为零伏或开路时，主接触器打开，同时调速器不再运行，电机滑行停止；C1 为零伏基准；C2 为电动机过热保护；C3 为启动/运行；C4 为点动；C5 为启用输入 ；C6为电流钳位选择；C9 为+24V电源；C(3) 为主接触器线圈L；N(4) 为主接触器线圈N ；L1，L2，L3为 110V-500V三相交流电源；A+为电枢正接线端；A- 为电枢负接线端；F+，F-为外部励磁电源；L 为辅助电源L；N 为辅助电源N；TH1、TH2 为电机温度检测端子，本案例中没有使用电机温度检测，用短接线将TH1、TH2端子短接。B6是驱动器正常数字输出，当驱动器接收到信号时，经过自检大约2秒之后便输出正常的信息，PLC通过这个信号的状态可以实现590+数字直流调速系统的故障诊断。 　　钢轨刨床工作台的正向、反向、低速进刀、低速退刀和左右刀架的进刀、退刀以及横梁的升降等控制，通过CPM2A型PLC来实现逻辑控制，工作台的正向、反向调速电位器安装在悬挂按钮站上，以便于机床操作者操纵刨床。关于刨床的PLC控制，限于篇幅，此不赘述。 5、 系统调试概述 5.1 改变A4端电位计的值，观察输入电压的变化（0-10V）。 5.2 使用操作面板检查外部钳位电流设置，检查A6是否在+10V或者可调整到+10V。 5.3 在编码器和编码器选项板的安装时一定要按照说明书的要求对E1-E6的编码器信号线进行正确接线，编码器选项板安装在590直流调速器控制基板的左下部（参见编码器选项板安装手册）。系统上电后，首先调节编码器选项板上的输出电压调节电位器，调节提供给编码器的电压保持在DC24V；然后手动向前旋转编码器轴，检查速度反馈的极性，保证构成速度负反馈模式,编码器参数应为正读数。 5.4 设定MAIN CURR.LIMIT参数为0.00%。 5.5 +24V出现在端子B8和B9，施加指令“STAR/RUN”到C3，三相电源接触器应该吸合通电（也可能由于三相故障报警立即释放）；解除端子C3上的“启动/运行”指令，三相电源接触器应该断开并保持在未加电的状态。如果在进行此项检查时，接触器的通电时间延长，则控制器将检测是否连接了三相电源，并关闭接触器，同时发出三相电源报警。 5.6 切断设备电源，重新连接主三相电源。 5.7 把速度设定值转到零，使“SPEED SETPOINT”参数为零。 5.8 检查MAIN CURR.LIMIT是否为零。 5.9 启动“STAR/RUN”，并检查三相电源是否加在L1、L2、L3上，接通“ENABLE”，立即检查F+和F-之间是否出现正确的励磁电压。 5.10 检查正常和停止操作面板指示器，还有正、反转指示灯是否接通。 5.11 设置“SPEED SETPOINT”参数为5%左右，设定端输入为0.5V，设定SPEED FBK SELECT参数为ENCODER，慢慢增加MAIN CURR.LIMIT参数达到20%的最大值，若所有的连接都正确的话，电机应该开始运转，速度为全速的5%左右，检查编码器反馈的参数。停止调速器重新设定SPEED FBK SELECT参数为编码器反馈，在执行如上相同的检查，如果相同的话执行“参数保存”。如果超过了5%的速度且电机继续加速，则表示接反了，重新接线。 5.12 将“SPEED SETPOINT”参数为10%左右，设定输入点1.0V的电压，电机将加速到这个速度，观察个参数的变化。 5.13 把“SPEED SETPOINT”的值提高到最大，并检查转速是否正确。 6、 改造效果 下面就新旧两种电气传动系统的技术性能做以详细比较。 6.1调速范围 钢轨刨床交磁扩大机控制的直流发电机组拖动方式（JF—F—D）采用电压负反馈、电流正反馈，其调速范围D=20。高速16位微处理器控制的晶闸管可逆直流调速拖动方式（KZ—D）采用光电编码器做转速负反馈，其调速范围D=100。 6.2稳态精度 JF—F—D系统的稳态精度只能达到1%，而KZ—D系统的稳态精度却能达到0.01%（光电编码器反馈）。 6.3运行可靠性 JF—F—D系统由于调整电阻多，采用的继电器逻辑控制方式固有连接接点多，从而造成电路虚接的故障几率很高。JF—F—D系统的直流发电机、交磁扩大机、励磁机均有换向器和电刷，因电刷接触不良造成的故障颇多。高速微处理器控制的KZ—D系统采用可编程序控制器（PLC）后，由于整个控制系统是适用于恶劣工业环境的工业计算机来完成所有控制算法，所以整个电控系统比JF—F—D系统大为简化，原控制电路中的继电器逻辑控制硬触点代之以PLC的软触点，原主电路中的直流发电机组、交磁扩大机、励磁机、启动电阻等代之以电路简练的全数字晶闸管整流装置。控制电路的简化、大电流接点的减少，必将进一步提高钢轨刨床电气传动系统的运行可靠性。 6.4可维修性 JF—F—D系统可调电阻多，控制电机多，需调整的部位多，调试难度大，维修不易。高速微处理器控制的KZ—D系统采用全数字装置，充分发挥了计算机软件灵活的优势，具有完善的数字控制和保护功能；数字控制调整点少，调试参数自整定，发生故障后有准确的故障信息显示，缩短了维修时间。 6.5效率及设备体积 JF—F—D系统交流异步电动机拖动的直流发电机组效率仅能达到93%左右；其电气传动系统除了电气控制柜以<