1 引言 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。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(chē)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(zhuān)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，按該模式改造的幾套轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)年，提供了一種針對(duì)傳統(tǒng)交流拖動(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。 2 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(chē)定位精度要求較高。某鋼廠的1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(chē)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(chē)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。 3 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(chē)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(mǎi)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。圖1中: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)，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(chēng)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(kāi)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(mén)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(mén)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:啟用直流制動(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%左右進(jìn)行反復(fù)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;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(kāi)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(chē)定位準(zhǔn)確 可見(jiàn)，在類(lèi)似轉(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。 4 結(jié)束語(yǔ) 綜上所述,利用變頻器對(duì)類(lèi)似于煉鋼轉(zhuǎn)爐等需要完成調(diào)速、準(zhǔn)確停車(chē)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(kāi)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(mǎi)制動(dòng)單元一項(xiàng)就節(jié)省改造經(jīng)費(fèi)近6萬(wàn)元。在近幾年的運(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?？梢?jiàn)該種設(shè)計(jì)方案是一種性能價(jià)格比較高的優(yōu)選方案。