變頻器替代直流調速的應用

1 引言

　　直流調速系統在很長一段時期內因其調速性能優異：平滑性能好、低速力矩大、調速范圍寬而在機械設備的調速系統中占有很大的份額。但同時因為直流電機結構復雜，并且有換向器這個薄弱環節，因此直流調速系統不僅維護量大，并且單機容量、過載能力、最高電壓和最大轉速都受到了限制。隨著科學技術的發展，交流變頻技術取得了長足的進步。尤其是20世紀90年代矢量控制技術的成熟應用更使交流調速技術有了質的飛躍。由于svc（無速度傳感器的矢量控制）控制可以獲得接近閉環控制的性能，其系統適應性和魯棒性也不斷得到加強，因此交流調速系統在很多場合達到了和直流調速相媲美的程度。再加上普通型異步電機結構簡單，堅固耐用，維護簡單，很多性能指標都優于直流電機。因此在很多新的應用場合直流調速系統都被交流變頻調速所取代，一些陳舊的直流調速系統也慢慢被改造成變頻調速。本文介紹了一例用變頻調速取代直流調速系統的實例。

2 原直流系統狀況和負載特點

　　原直流調速系統用在某蜂窩制品公司的蜂窩板塊生產線上，用來驅動生產線上的卷繞機。此生產線可以把整卷的瓦楞原紙按設定的層數先卷制再分切成生產蜂窩紙芯用的蜂窩板塊。卷繞機是一個大型的旋轉輪式負載，轉輪周長為12m。此種負載類似于造紙的卷取機，屬于恒功率負載。其工作過程分為兩個部分，一是在一定張力下把瓦楞原紙卷繞在旋轉輪上，設計最高生產速度為200m/min，正常生產速度是160m/min，生產過程約14分鐘；二是卷繞完成后把卷好后的材料分切成塊，這個過程要對轉輪進行定位，因此最低速度為4m/min左右，分切過程要持續6分鐘。整個工作過程中速度的大小由plc輸出0～10v模擬量進行調節。轉輪另配一個氣液剎車機構用于消除機械慣性和協助分切時定位，剎車機構的動作類似于剎車電機上的剎車，當電機轉動時剎車松開，當電機停止時剎車機構抱死負載，避免負載因重力不均而自由轉動。

　　這個直流調速系統配置為德國某品牌直流調速器movret365和2極11kw的直流電機。電機配測速發電機作為負反饋，另配強冷風機對主電機進行冷卻。電機通過一個齒輪減速機用鏈條和卷繞機相連。

　　2.1 原調速系統遇到的問題

　　直流電機結構復雜，維護量較大，造價昂貴，并且維修周期長。此設備所用的直流電機使用四五年后因更換的碳刷質量不好造成了換向器燒灼嚴重，運轉時時常打火，拆修了一次，不僅維修費用高，而且需要停機近一周。后來又因為剎車機構故障，剎車片不能完全脫離剎車盤，導致負載過大，造成了電機定子繞組的損壞，于是又面臨著長時間的停機維修難題。針對這個問題，我們提出了改直流調速系統為交流調速的設想。要想改變原來的系統，就必須對原系統的特點和負載狀況有充分的認識。拆下的直流電機如圖1所示。

　　2.2原系統負載的特點

　　2.2.1 直流調速系統的特點

　　原直流調速系統是屬于改變電樞電源電壓的直流調速系統。其特點是，改變電樞電源電壓時，電動機機械特性的硬度不變，因此即使電機在低速運行時，轉速隨負載變動而變化的幅度較小，即轉速穩定性好，平滑性好，而且低速時力矩大。其直流調速機械特性如圖2所示。

　　2.2.2 原系統機械負載的特點

　　原系統設計最高生產速度為200米/分，分切定位時機器設置的轉動速度為4m/min，即系統的調速范圍為50:1。卷繞的生產過程比較簡單，只是電機帶動大轉輪進行轉動，主要是要克服為了滿足工藝需求對材料的一個張力。但在卷制完成后，停機時是一個比較嚴格的工況，因為停機時操作人員要把速度給定電位器從當前生產速度快速轉到零速位置。這就是要求轉輪的速度從160m/min左右，盡可能快的降到零速。因為負載很重，慣性很大，急劇減速時變頻器極易出現過電壓故障，這對變頻器是一個挑戰。另一個挑戰是進行材料分切的過程。當材料卷繞完成后，要把轉輪的8個面上的材料用電鋸分成８塊。其分切過程是這樣的，先手動低速把轉輪轉到啟始位置，此位置由停止光電開關檢測，到位后機械機構把轉輪定位，再由操作人員轉入自動工作狀態，電鋸開始鋸切第一刀。鋸切完成后，定位機構放開，剎車松開，轉輪開始慢速（8m/min）向前轉動，當減速光電開關信號動作，轉輪速度下降到4m/min繼續運轉，一旦plc接到停止光電開關信號，電機就停止轉動，剎車機構立即剎車。此時如果停止光電停號仍然是on的狀態，定位機構再次執行定位動作，開始下一刀的鋸切過程。如此循環，直到把轉輪上的材料分切完畢。每切下一塊，材料都會從轉輪上掉下由輸送帶運走。當轉輪上卷繞的材料沒有進行分切時，負載分布均勻，電機轉動相對比較輕松，但經過幾次分切后，轉輪上留下的材料就造成了很大的不平衡轉矩，這時轉動時的阻轉轉矩就會很大，而此時電機的轉速又很低，這就要求調速系統要有足夠的低速轉矩；并且此時還要進行定位，因此又要求調速系統低速時運行要平穩，不能抖動和爬行。

3 電機和變頻器的選型

　　3.1 電機選型

　　改造前我們查閱了一些資料和參考了一些其它直流調速改交流調速的經驗，其結果就是交電流電機的選取要比原直流電機大一個功率等級才能保證低速時的力矩或者要選用昂貴的交流變頻電機。這個系統原用的電機是11kw的2極直流電機，根據這些經驗，改造需選用2極的15kw交流電機。通過對原拖動系統減速比和生產速度的計算，我們發現在最高設計速度200m/min時電機僅工作在2750r/pm，而實際生產速度僅為160m/min，電機運轉速度是2200r/pm，可見用二極電機速度有相當大的裕量。如果選用四極電機，其轉矩相當于提高了兩倍，即使變頻調速低速時力矩不如直流調速，但這樣的選擇肯定能優于原系統低速時的性能，并且低速分切材料時變頻器的輸出頻率可以比用二極電機高一倍，也更易保證低速時的性能。根據四級電機的額定轉速計算，當其工作在72hz時就可以達到160m/min的生產速度。由此分析可見選用11kw的四極電機替代是可行的。

　　根據電機的安裝需求我們選用了東莞電機廠的ysj系列注塑機用低噪聲三相異步電動機。ysj電機是一種新型系列產品，它除了具有y系列電機高效、節能、性能好、振動小、功率等級和安裝尺寸符合iec標準和使用維護方便等優點外，還具有過載能力強、噪聲低、尤其是額定負載及超載時噪聲低的特點。此系列電機的性能指標效率、功率因數、堵轉轉矩、堵轉電流、最大轉矩等均與y系列電機相同，噪聲比y系列電機有較大幅度的降低。更重要的是此電機有兩種安裝方式，可以臥式安裝也可以法蘭安裝，其法蘭尺寸和原直流電機完全一樣，僅對其輸出軸按原電機的尺寸加工后就可以和原電機所配的齒輪減速機進行裝配。

　　3.2 變頻器的選擇

　　根據此處負載的特點，我們對幾款國產的變頻器參數進行對比，同時考慮到用四極電機，其轉矩有相當大的裕量，不用考慮變頻器要放大一個功率等級，最后選用了藍海華騰公司v5-h系列11kw的變頻器。v5-h系列是一款高性能的通用型變頻器，適于此處應用的特點有如下幾項：

　　（1）在矢量控制1模式下既有矢量控制的優異性能又對電機參數不敏感。

　　（2）啟動和低速轉矩大：0.5hz啟動時可達180%額定轉矩，0.5hz可控制電機150%額定轉矩穩定運行。

　　（3）調速范圍大，可達1:100。

　　（4）無速度傳感器的矢量控制模式下可實現電機四象限運行，轉矩、電流、轉速響應快，電機運行平穩。

　　（5）獨特的快速直流制動能力，0～60hz范圍內，變頻器0.3s內實現電機反電勢消除，實現快速制動。

4 變頻器的控制接線

　　因為交流調速系統比較簡單，和原直流系統相比，接線大大簡化。由圖3、4可以看出兩種調速方式的接線對比。變頻器只需一個運轉信號和原調速系統的速度信號即可正常工作，同時把變頻器的故障輸出接入plc以實現良好的系統保護。圖4中的85k4是原直流調速器的運轉信號，ra、rb、rc是變頻器的繼電器輸出接線端子，定義為變頻器故障輸出，使用其中的ra、rc分別接plc的com點和x5輸入點作為變頻器的故障反饋。

5 變頻器的參數設置

　　根據此處的應用特點，除了要對p9組參數根據電機的鉻牌數據輸入外，還必須對表1所列參數進行設定和根據實際情況調整。其它未提及參數可以用出廠設置。p9組要輸入的參數如表2所示，參數輸入完成后如果有條件盡量讓變頻器對電機進行旋轉自整定（或稱動態電機參數自學習），這樣變頻器可以盡可能多的識別出電機的一些關鍵參數，以實現更優異的控制性能。本例中因為負載難以脫開，所以只進行了電機參數靜止自整定。

6 調試時遇到的問題和對策

　　6.1 減速時間的確定

　　因為在分切過程中需要定位，為了定位的準確，減速時間應該越短越好，先是設為2s，但在卷繞生產完成后由高速運轉到停機時變頻器報eov2（減速中過電壓）故障。通過反復試驗把減速時間設到了6s后一切正常。此變頻驅動系統并沒有配剎車電阻，改造初期設想如果停機速度慢，達不到要求時就再配剎車電阻提高其減速性能。

　　6.2 自動轉矩提升功能的應用

　　因考慮到材料分切時需要低速大轉矩，因此初始把p0.16轉矩提升功能設為10，但手動試機時變頻器一運轉就報eoc1（加速運行中過流）故障。試著調小還是報故障，最后調為出廠值0，利用自動轉矩提升功能解決了報eoc1的故障。

　　6.3啟動頻率的設定

　　在分切過程中，一旦八面轉輪上的材料鋸下兩塊后，八面體的反向勢能很大。如果不用此處的設置，當剎車松掉，電機剛開始轉動時，會先被負載拖著向反方向轉動一點，然后才能被電機拖動。由于是鏈傳動，正反向轉動時有較大的反向間隙，這種情況下會導致大轉輪明顯的抖動，是必須要克服的。我們分析之所以出現這樣的情況，是因為變頻器低速啟動過程中電機輸出轉矩太小，不足以克服負載的勢能，所以才會被負載拖著反轉。原直流調速系統沒有這樣的問題，這也證明了負反饋的直流系統動態響應非常快，低速力矩非常大。為了解決這個問題，我們一是提高了變頻器的啟動頻率以增加其啟動時的輸出力矩，二是通過修改plc程序，讓剎車延后一點松開，也就是先給變頻器運轉信號當系統產生一定的力矩后再把外部剎車松掉從而避免了這個問題的出現。

6.4停機直流制動功能的應用

　　在進行分切過程中需要對轉輪進行定位，原系統定位過程是這樣的：當plc檢測到停止信號后，就輸出信號讓電機停轉，剎車機構剎車，兩個動作同時進行。因此原系統一直存在一個問題：電機停止后，剎車還未剎死，轉輪會被負載帶著向前或向后挪動一點距離，導致剎車剎死后定位位置偏離，要重新手動定位，造成生產效率低，操作員勞動強度大。為了解決此問題我們充分利用了變頻器的直流制動功能，把停車模式設為減速停車加直流制動模式，在停機過程中當變頻器輸出頻率降到1hz時變頻器開始直流制動，讓電機把負載夾持住，使轉輪無法因材料的不平衡轉矩而自由轉動，從而在剎車動作后保證了定位的準確性。通過這樣的設置，這套交流調速系統比原直流調速系統在定位功能上有明顯的優勢。

7 結束語

　　系統改造完成投入生產后，在工作過程中我們對變頻器的輸出情況進行觀察和追蹤，在卷繞生產過程中變頻器的工作頻率為72hz，輸出電流僅在10a左右，說明其負載非常輕；在帶動不平衡負載低速轉動過程中變頻器的輸出頻率是5.2hz，電流最大達到23a，但都是瞬時的，基本都在15a以內，并且整個運行過程非常順暢，說明這套交流系統的負載能力遠超過機械負載的需求功率，鑒于此，我們把原直流調速系統的強冷風扇也拆掉了，進一步減小了系統的復雜性，更易維護，從而也更加高效和節能。并且經過后續觀察，此電機運行時溫度在50℃以下。可見交流調速系統在一定條件下取代直流調速具有明顯的優勢。