利用变频器实现大惯量拖动系统准确停车

本文以30kW交流异步电动机组成的炼钢转炉拖动系统为例，介绍了利用变频器直流制动功能实现大惯量交流拖动系统准确停车的设计方法。与一般方法相比，该方案不仅工作稳定可靠，控制精度高，可节能降耗，而且省去了价值上万元的变频器专用制动单元/制动电阻，有效地降低了设备改造成本。 一、原系统的组成及存在的主要问题 炼钢转炉是钢铁厂一种重要的生产设备，其拖动系统的稳定性及停车定位精度要求较高。某钢厂的一台转炉原以30kW的交流异步电动机进行拖动，由齿轮减速箱实现减速，配合抱闸实现准确停车控制。工作时，该系统均在低速段运行，能量损失较大，而且整个炉体惯性较大，启、停过程中减速箱的齿轮经常被撞坏，造成整个系统的瘫痪。如处理不及时，钢水凝固在炉中就会造成"蹲炉"的事故，带来巨大的经济损失。此外，机械减速系统不便于维修，而且停车定位控制精度较低。以上问题已成为阻碍生产进一步发展的"瓶颈"问题。 二、改造方案的关键技术问题 针对上述系统存在的主要问题，我们提出，利用变频器对原有交流拖动系统进行改造。改造方案的关键技术问题是，如何保证并提高整个系统的停车定位精度。一般来说，通用变频器提供的制动方式主要有能耗(直流)制动和再生制动(制动单元/制动电阻、整流回馈)等。这些方式各有优劣，因此，应根据实际情况选择经济有效的制动方式是成功设计变频调速控制系统的关键问题之一。 在进行首台转炉的改造时，考虑到系统惯性较大，要求的制动转矩较高，我们选择了外接制动电阻和制动单元并配合直流制动的制动方案，整体控制效果十分理想。考虑到转炉拖动系统具有运行速度慢、启停间隔时间较长的特点，进一步探讨了能否省去外接的制动单元/制动电阻，单纯采用直流制动呢?如此方案可行，将降低整个系统的改造经费接近20%。为此，我们对系统的工作特性进行了详细的分析。 如图1所示为一般交流电动机制动时的机械特性曲线，①为正常工作时的曲线，②为直流制动时机械特性。设A点为正常工作点。在变频调速通常设置的制动过程中，电动机先减速，此时同步磁场转速低于转子转速，工作点在同一转速下由曲线①的A点跳至曲线②的B点,即从第一象限过渡到第二象限，通常称之为同一转速下特性的跳转，于是，电机得到反方向的制动转矩Tb而进入发电制动状态，拖动系统沿图1中曲线②迅速降速。当速度低于某一转速后，变频器输出直流，形成固定磁场，产生制动转矩。在这一过程中，电机将经过短暂的再生发电制动和能耗制动最终停止，因此需要接入制动单元/制动电阻，以防止电机发热。 从理论上分析，如果能够控制电动机同步磁场的转速缓慢下降，使电动机在发生同一转速下特性跳转时，特性曲线维持在第一象限，如图1中虚线③所示，而不跳转至第二象限,则拖动系统在降速过程中可以有效的避免再生制动过程。接下来，当电机转速在小于临界转速nk的情况下接入直流制动，并相应控制接入直流的大小和时间，这样，电机仅经历有限的能耗制动阶段，不会过热。而变频器良好的内、外特性保证了上述各项条件的满足。图2所示为变频器的输出频率、直流制动中电机转速随时间变化的规律。在运行信号的控制下，变频器首先缓慢连续降频，达到fdb后则开始直流制动，此时输出频率为零。在系统参数设定中系统降速时间tz、直流制动起始频率fdb、制动电流Idb和制动时间tdb的设定十分重要，直接关系到生产机械的准确定位和电动机的正常运行。我们曾以ABB、西门子、三肯等不同型号的变频器进行实验，均可满足工况要求。现以所述转炉系统所应用的西门子6SE21系列变频器为例对参数设定进行具体说明: P372=1:启用直流制动功能。 P373(Idb):直流制动电流大小设定。它直接关系到制动转矩的大小，系统惯性越大其值应越大，可选范围为电机额定电流的20%~400%。我们的经验值为60%左右。 P374(tdb):输入直流时间。不宜过长，否则电机将过热应，但应比实际停机时间略长，否则电机将进入自由滑行状态。可选范围为0.1~99.9s，应结合实际情况反复调整。我们的经验值为5.5s左右。 P375(fdb):直流制动开始频率。如前所述，该参数应尽可能小，必须在图1曲线②中临界速nk对应的频率以下，否则电机将过热。经验值为10Hz左右。 P373、P374、P375选择不当，均会引起电机过热，需在现场反复调整、测试。调整得当，生产机械将准确停止在预定位置。应特别注意，变频器输出频率由正常工作时的fx降至fdb的时间tz虽不在直流制动参数组中设置，但它的设置十分关键，如时间过短，电动机的工作点将转移至第二象限，发生再生制动,引起电机过热。必须指出，需要频繁进行制动的工况不适合采用此方式。 按此方案将参数设定完成后，对系统连续进行反复的检测，电机温升正常，系统停车定位准确。可见，在类似转炉拖动系统的大惯量拖动系统变频改造中，可省去外接的制动单元/制动电阻，单独运用直流制动是完全可行的。 三、结束语 综上所述，利用变频器改造类似于炼钢转炉的大中型交流电机拖动系统，实现调速、准确停车定位等功能是完全可行的。尤其是在某些情况下，可以充分开发利用变频器自身的功能，有效地降低改造成本，提高经济效益。