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变频器替代直流调速的应用

1 引言

  直流调速系统在很长一段时期内因其调速性能优异:平滑性能好、低速力矩大、调速范围宽而在机械设备的调速系统中占有很大的份额。但同时因为直流电机结构复杂,并且有换向器这个薄弱环节,因此直流调速系统不仅维护量大,并且单机容量、过载能力、最高电压和最大转速都受到了限制。随着科学技术的发展,交流变频技术取得了长足的进步。尤其是20世纪90年代矢量控制技术的成熟应用更使交流调速技术有了质的飞跃。由于svc(无速度传感器的矢量控制)控制可以获得接近闭环控制的性能,其系统适应性和鲁棒性也不断得到加强,因此交流调速系统在很多场合达到了和直流调速相媲美的程度。再加上普通型异步电机结构简单,坚固耐用,维护简单,很多性能指标都优于直流电机。因此在很多新的应用场合直流调速系统都被交流变频调速所取代,一些陈旧的直流调速系统也慢慢被改造成变频调速。本文介绍了一例用变频调速取代直流调速系统的实例。

2 原直流系统状况和负载特点

  原直流调速系统用在某蜂窝制品公司的蜂窝板块生产线上,用来驱动生产线上的卷绕机。此生产线可以把整卷的瓦楞原纸按设定的层数先卷制再分切成生产蜂窝纸芯用的蜂窝板块。卷绕机是一个大型的旋转轮式负载,转轮周长为12m。此种负载类似于造纸的卷取机,属于恒功率负载。其工作过程分为两个部分,一是在一定张力下把瓦楞原纸卷绕在旋转轮上,设计最高生产速度为200m/min,正常生产速度是160m/min,生产过程约14分钟;二是卷绕完成后把卷好后的材料分切成块,这个过程要对转轮进行定位,因此最低速度为4m/min左右,分切过程要持续6分钟。整个工作过程中速度的大小由plc输出0~10v模拟量进行调节。转轮另配一个气液刹车机构用于消除机械惯性和协助分切时定位,刹车机构的动作类似于刹车电机上的刹车,当电机转动时刹车松开,当电机停止时刹车机构抱死负载,避免负载因重力不均而自由转动。

  这个直流调速系统配置为德国某品牌直流调速器movret365和2极11kw的直流电机。电机配测速发电机作为负反馈,另配强冷风机对主电机进行冷却。电机通过一个齿轮减速机用链条和卷绕机相连。

  2.1 原调速系统遇到的问题

  直流电机结构复杂,维护量较大,造价昂贵,并且维修周期长。此设备所用的直流电机使用四五年后因更换的碳刷质量不好造成了换向器烧灼严重,运转时时常打火,拆修了一次,不仅维修费用高,而且需要停机近一周。后来又因为刹车机构故障,刹车片不能完全脱离刹车盘,导致负载过大,造成了电机定子绕组的损坏,于是又面临着长时间的停机维修难题。针对这个问题,我们提出了改直流调速系统为交流调速的设想。要想改变原来的系统,就必须对原系统的特点和负载状况有充分的认识。拆下的直流电机如图1所示。

  2.2原系统负载的特点

  2.2.1 直流调速系统的特点

  原直流调速系统是属于改变电枢电源电压的直流调速系统。其特点是,改变电枢电源电压时,电动机机械特性的硬度不变,因此即使电机在低速运行时,转速随负载变动而变化的幅度较小,即转速稳定性好,平滑性好,而且低速时力矩大。其直流调速机械特性如图2所示。

  2.2.2 原系统机械负载的特点

  原系统设计最高生产速度为200米/分,分切定位时机器设置的转动速度为4m/min,即系统的调速范围为50:1。卷绕的生产过程比较简单,只是电机带动大转轮进行转动,主要是要克服为了满足工艺需求对材料的一个张力。但在卷制完成后,停机时是一个比较严格的工况,因为停机时操作人员要把速度给定电位器从当前生产速度快速转到零速位置。这就是要求转轮的速度从160m/min左右,尽可能快的降到零速。因为负载很重,惯性很大,急剧减速时变频器极易出现过电压故障,这对变频器是一个挑战。另一个挑战是进行材料分切的过程。当材料卷绕完成后,要把转轮的8个面上的材料用电锯分成8块。其分切过程是这样的,先手动低速把转轮转到启始位置,此位置由停止光电开关检测,到位后机械机构把转轮定位,再由操作人员转入自动工作状态,电锯开始锯切第一刀。锯切完成后,定位机构放开,刹车松开,转轮开始慢速(8m/min)向前转动,当减速光电开关信号动作,转轮速度下降到4m/min继续运转,一旦plc接到停止光电开关信号,电机就停止转动,刹车机构立即刹车。此时如果停止光电停号仍然是on的状态,定位机构再次执行定位动作,开始下一刀的锯切过程。如此循环,直到把转轮上的材料分切完毕。每切下一块,材料都会从转轮上掉下由输送带运走。当转轮上卷绕的材料没有进行分切时,负载分布均匀,电机转动相对比较轻松,但经过几次分切后,转轮上留下的材料就造成了很大的不平衡转矩,这时转动时的阻转转矩就会很大,而此时电机的转速又很低,这就要求调速系统要有足够的低速转矩;并且此时还要进行定位,因此又要求调速系统低速时运行要平稳,不能抖动和爬行。

3 电机和变频器的选型

  3.1 电机选型

  改造前我们查阅了一些资料和参考了一些其它直流调速改交流调速的经验,其结果就是交电流电机的选取要比原直流电机大一个功率等级才能保证低速时的力矩或者要选用昂贵的交流变频电机。这个系统原用的电机是11kw的2极直流电机,根据这些经验,改造需选用2极的15kw交流电机。通过对原拖动系统减速比和生产速度的计算,我们发现在最高设计速度200m/min时电机仅工作在2750r/pm,而实际生产速度仅为160m/min,电机运转速度是2200r/pm,可见用二极电机速度有相当大的裕量。如果选用四极电机,其转矩相当于提高了两倍,即使变频调速低速时力矩不如直流调速,但这样的选择肯定能优于原系统低速时的性能,并且低速分切材料时变频器的输出频率可以比用二极电机高一倍,也更易保证低速时的性能。根据四级电机的额定转速计算,当其工作在72hz时就可以达到160m/min的生产速度。由此分析可见选用11kw的四极电机替代是可行的。

  根据电机的安装需求我们选用了东莞电机厂的ysj系列注塑机用低噪声三相异步电动机。ysj电机是一种新型系列产品,它除了具有y系列电机高效、节能、性能好、振动小、功率等级和安装尺寸符合iec标准和使用维护方便等优点外,还具有过载能力强、噪声低、尤其是额定负载及超载时噪声低的特点。此系列电机的性能指标效率、功率因数、堵转转矩、堵转电流、最大转矩等均与y系列电机相同,噪声比y系列电机有较大幅度的降低。更重要的是此电机有两种安装方式,可以卧式安装也可以法兰安装,其法兰尺寸和原直流电机完全一样,仅对其输出轴按原电机的尺寸加工后就可以和原电机所配的齿轮减速机进行装配。

  3.2 变频器的选择

  根据此处负载的特点,我们对几款国产的变频器参数进行对比,同时考虑到用四极电机,其转矩有相当大的裕量,不用考虑变频器要放大一个功率等级,最后选用了蓝海华腾公司v5-h系列11kw的变频器。v5-h系列是一款高性能的通用型变频器,适于此处应用的特点有如下几项:

  (1)在矢量控制1模式下既有矢量控制的优异性能又对电机参数不敏感。

  (2)启动和低速转矩大:0.5hz启动时可达180%额定转矩,0.5hz可控制电机150%额定转矩稳定运行。

  (3)调速范围大,可达1:100。

  (4)无速度传感器的矢量控制模式下可实现电机四象限运行,转矩、电流、转速响应快,电机运行平稳。

  (5)独特的快速直流制动能力,0~60hz范围内,变频器0.3s内实现电机反电势消除,实现快速制动。

4 变频器的控制接线

  因为交流调速系统比较简单,和原直流系统相比,接线大大简化。由图3、4可以看出两种调速方式的接线对比。变频器只需一个运转信号和原调速系统的速度信号即可正常工作,同时把变频器的故障输出接入plc以实现良好的系统保护。图4中的85k4是原直流调速器的运转信号,ra、rb、rc是变频器的继电器输出接线端子,定义为变频器故障输出,使用其中的ra、rc分别接plc的com点和x5输入点作为变频器的故障反馈。

5 变频器的参数设置

  根据此处的应用特点,除了要对p9组参数根据电机的铬牌数据输入外,还必须对表1所列参数进行设定和根据实际情况调整。其它未提及参数可以用出厂设置。p9组要输入的参数如表2所示,参数输入完成后如果有条件尽量让变频器对电机进行旋转自整定(或称动态电机参数自学习),这样变频器可以尽可能多的识别出电机的一些关键参数,以实现更优异的控制性能。本例中因为负载难以脱开,所以只进行了电机参数静止自整定。

6 调试时遇到的问题和对策

  6.1 减速时间的确定

  因为在分切过程中需要定位,为了定位的准确,减速时间应该越短越好,先是设为2s,但在卷绕生产完成后由高速运转到停机时变频器报eov2(减速中过电压)故障。通过反复试验把减速时间设到了6s后一切正常。此变频驱动系统并没有配刹车电阻,改造初期设想如果停机速度慢,达不到要求时就再配刹车电阻提高其减速性能。

  6.2 自动转矩提升功能的应用

  因考虑到材料分切时需要低速大转矩,因此初始把p0.16转矩提升功能设为10,但手动试机时变频器一运转就报eoc1(加速运行中过流)故障。试着调小还是报故障,最后调为出厂值0,利用自动转矩提升功能解决了报eoc1的故障。

  6.3启动频率的设定

  在分切过程中,一旦八面转轮上的材料锯下两块后,八面体的反向势能很大。如果不用此处的设置,当刹车松掉,电机刚开始转动时,会先被负载拖着向反方向转动一点,然后才能被电机拖动。由于是链传动,正反向转动时有较大的反向间隙,这种情况下会导致大转轮明显的抖动,是必须要克服的。我们分析之所以出现这样的情况,是因为变频器低速启动过程中电机输出转矩太小,不足以克服负载的势能,所以才会被负载拖着反转。原直流调速系统没有这样的问题,这也证明了负反馈的直流系统动态响应非常快,低速力矩非常大。为了解决这个问题,我们一是提高了变频器的启动频率以增加其启动时的输出力矩,二是通过修改plc程序,让刹车延后一点松开,也就是先给变频器运转信号当系统产生一定的力矩后再把外部刹车松掉从而避免了这个问题的出现。

  6.4停机直流制动功能的应用

  在进行分切过程中需要对转轮进行定位,原系统定位过程是这样的:当plc检测到停止信号后,就输出信号让电机停转,刹车机构刹车,两个动作同时进行。因此原系统一直存在一个问题:电机停止后,刹车还未刹死,转轮会被负载带着向前或向后挪动一点距离,导致刹车刹死后定位位置偏离,要重新手动定位,造成生产效率低,操作员劳动强度大。为了解决此问题我们充分利用了变频器的直流制动功能,把停车模式设为减速停车加直流制动模式,在停机过程中当变频器输出频率降到1hz时变频器开始直流制动,让电机把负载夹持住,使转轮无法因材料的不平衡转矩而自由转动,从而在刹车动作后保证了定位的准确性。通过这样的设置,这套交流调速系统比原直流调速系统在定位功能上有明显的优势。

7 结束语

  系统改造完成投入生产后,在工作过程中我们对变频器的输出情况进行观察和追踪,在卷绕生产过程中变频器的工作频率为72hz,输出电流仅在10a左右,说明其负载非常轻;在带动不平衡负载低速转动过程中变频器的输出频率是5.2hz,电流最大达到23a,但都是瞬时的,基本都在15a以内,并且整个运行过程非常顺畅,说明这套交流系统的负载能力远超过机械负载的需求功率,鉴于此,我们把原直流调速系统的强冷风扇也拆掉了,进一步减小了系统的复杂性,更易维护,从而也更加高效和节能。并且经过后续观察,此电机运行时温度在50℃以下。可见交流调速系统在一定条件下取代直流调速具有明显的优势。

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