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1 引言
交流異步電動機以其構造簡單、堅固耐用、性能良好、制造成本低等優(yōu)點而在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應用。隨著變頻調速技術的迅猛發(fā)展，交流調速技術有了長足的發(fā)展，使得交流異步電動機的應用前景更為廣泛，大有取代直流拖動系統(tǒng)之勢。
本文介紹了利用變頻器直流制動功能實現(xiàn)大慣量交流拖動系統(tǒng)準確停車的設計方法，與一般方式相比，該方案不僅工作穩(wěn)定可靠、控制精度高，而且省去了價值上萬元的變頻器專用制動單元/制動電阻，有效的降低了設備改造成本。截止到現(xiàn)在，按該模式改造的幾套轉爐系統(tǒng)已連續(xù)穩(wěn)定運轉數(shù)年，提供了一種針對傳統(tǒng)交流拖動系統(tǒng)，以節(jié)能降耗、提高自動化水平為主要目的、成熟的技改方案。
2 原系統(tǒng)的組成及主要存在的問題
煉鋼轉爐是鋼鐵廠一種重要的生產(chǎn)設備，生產(chǎn)工藝對控制轉爐轉動的拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定性及停車定位精度要求較高。某鋼廠的1臺轉爐原以30kW的交流異步電動機進行拖動，由齒輪減速箱實現(xiàn)減速，配合刨閘實現(xiàn)準確停車控制。工作時，系統(tǒng)均在低速段運行，能量損失較大。而且，整個爐體慣性較大，現(xiàn)場工作條件惡劣，啟、停過程中減速箱的齒輪經(jīng)常被撞壞，造成整個系統(tǒng)的癱瘓。如處理不及時，鋼水凝固在爐中就會造成“蹲爐”的大故障，帶來巨大的經(jīng)濟損失。由于條件限制，機械減速系統(tǒng)維修起來十分不便，而且停車定位控制精度較低，以上問題已成為阻礙生產(chǎn)進一步發(fā)展的“瓶頸”問題，廠家迫切要求解決這些問題。
3 改造方案中關鍵技術問題的討論
針對上述系統(tǒng)中存在的主要問題，我們提出:利用變頻器對原有交流拖動系統(tǒng)進行改造。由于系統(tǒng)一直處于低速運行，而電動機轉速與消耗能量間具有立方關系(即當電動機的轉速下降為額定轉速的n%時，電動機所消耗能量為原額定功率PN的PN*(n%)3,如當轉速下降到80%的額定轉速，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械調速系統(tǒng)后，不僅系統(tǒng)運行的穩(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;同時擺脫了由機械減速系統(tǒng)所帶來的大量維修工作。待解決的關鍵技術問題是如何保證并提高整個系統(tǒng)的停車定位精度。一般來說，通用變頻器提供的制動方式主要有:能耗(直流)制動、再生制動(制動單元/制動電阻、整流回饋)等。幾種方案適用范圍、場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)實際情況選擇經(jīng)濟有效的制動方法與制動功能是成功設計變頻調速控制系統(tǒng)的關鍵問題之一。
在進行首臺轉爐的改造時，考慮到系統(tǒng)慣性較大、要求的制動轉矩較高，我們選擇了由變頻器生產(chǎn)廠家推薦、兄弟鋼廠已試驗成功的外接制動電阻和制動單元、配合直流制動的制動方案，整體控制效果十分理想。在進一步的探討中，我們考慮:轉爐拖動系統(tǒng)具有運行速度慢、啟停間隔時間較長的特點;能否省去外接的制動單元/制動電阻，單純采用直流制動呢？由于變頻器廠家把外接制動電阻和制動單元作為選配的元器件，需另行購買且售價較高，如該方案可行，將有效的降低整個系統(tǒng)的改造經(jīng)費接近20%，累計起來是十分可觀的。為此，我們對系統(tǒng)的工作特性進行了詳細的分析。
所謂“直流制動”，一般指當變頻器的輸出頻率接近為零，電機的轉速降低到一定數(shù)值時，變頻器改向異步電動機定子繞組中通入直流，形成靜止磁場，此時電動機處于能耗制動狀態(tài)，轉動著的轉子切割該靜止磁場而產(chǎn)生制動轉矩，使電動機迅速停止。由于旋轉系統(tǒng)存儲的動能轉換成電能以熱損耗的形式消耗于異步電動機的轉子回路中，為防止電動機減速過程中所形成的再生發(fā)電制動以及直流制動過程中電機發(fā)熱，需串入制動單元/制動電阻。而轉爐拖動系統(tǒng)有其特點: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，轉爐系統(tǒng)不會頻繁的啟停。如圖1所示為一般交流電動機制動時的機械特性曲線。圖1中:①為正常工作時的曲線，②為直流制動時機械特性。設A點為正常工作點，在變頻調速通常設置的制動過程中，電動機先減速，此時同步磁場轉速低于轉子轉速，工作點在同一轉速下由曲線①的A點跳至曲線②的B點，即從第一象限過渡到第二象限，通常稱之為同一轉速下特性的跳轉，則電機得到反方向的制動轉矩Tb進入發(fā)電制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)沿圖1中曲線②迅速降速，當?shù)陀谀骋晦D速后，變頻器輸出直流，形成固定磁場，產(chǎn)生制動轉矩。在這一過程中，電機將經(jīng)過短暫的再生發(fā)電制動和能耗制動最終停止，因此需要接入制動單元/制動電阻，以防止電機發(fā)熱。
圖 1 直流制動機械特性
圖 2 直流制動的設定
從理論上分析，如果能夠控制電動機同步磁場的轉速緩慢下降，電動機在發(fā)生同一轉速下特性跳轉時，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，不跳轉至第二象限則拖動系統(tǒng)在降速過程中可以有效的避免再生制動過程。接下來，當電機轉速在小于臨界轉速nk的情況下接入直流制動，并相應控制接入直流的大小和時間，理論上分析電機僅經(jīng)歷有限的能耗制動階段，不會過熱。而變頻器良好的內、外特性保證了上述各項條件的滿足。圖2所示為變頻器的輸出頻率、直流制動中電機轉速隨時間變化的規(guī)律，在運行信號的控制下，變頻器首先緩慢連續(xù)降頻，達到fdb后則開始直流制動，此時輸出頻率為零。在系統(tǒng)參數(shù)設定中系統(tǒng)降速時間tz、直流制動起始頻率fdb、制動電流Idb和制動時間tdb的設定十分重要，直接關系到生產(chǎn)機械的準確定位和電動機的正常運行，我們曾以ABB、西門子、三肯等不同廠家、型號的變頻器進行實驗，均可滿足工況要求�，F(xiàn)以所述轉爐系統(tǒng)所應用的西門子6SE21系列變頻器為例對參數(shù)設定進行具體說明:
P372=1: 啟用直流制動功能
P373(Idb):直流制動電流大小設定，它直接關系到制動轉矩的大小，系統(tǒng)慣性越大其值應越大�？蛇x范圍20%-400%的電機額定電流，我們經(jīng)驗值為60%左右進行反復調整。
P374(tdb):輸入直流時間。不宜過長，否則電機將過熱;但比實際停機時間應略長，否則電機將進入自由滑行狀態(tài)，轉爐系統(tǒng)中經(jīng)驗值取5.5S左右，應結合實際情況反復調整。可選范圍:0.1-99.9S。
P375(fdb):直流制動開始頻率。如前所述，該參數(shù)應盡可能小，必須在圖1曲線②中臨界轉速nk以下，否則電機將過熱。經(jīng)驗值為10Hz左右。
P373、P374、 P375選擇不當，均會引起電機過熱，需在現(xiàn)場反復調整、測試。調整得當，生產(chǎn)機械將準確停止在預定位置。應特別注意，變頻器輸出頻率由正常工作時的fx降至fdb的時間tz雖不在直流制動參數(shù)組中設置，但它的設置十分關鍵，如時間過短，電動機將運行至第二象限，發(fā)生再生制動，引起電機過熱。此外，必須指出，需要頻繁進行制動的工況不適合采用此方式。
按此方案將參數(shù)設定完成后，對系統(tǒng)連續(xù)進行反復的檢測，電機溫升正常，系統(tǒng)停車定位準確�？梢姡陬愃妻D爐拖動系統(tǒng)的大慣量拖動系統(tǒng)變頻改造中，單獨運用直流制動完全可行。
4 結束語
綜上所述,利用變頻器對類似于煉鋼轉爐等需要完成調速、準確停車定位等功能的大、中功率交流電機拖動系統(tǒng)進行改造是完全可行的。尤其是在某些情況下，可以充分開發(fā)利用變頻器自身的功能，有效的降低改造成本，提高經(jīng)濟效益。該方案先后在四臺18.5~55kw交流電機轉爐拖動系統(tǒng)的改造中實施，僅免去購買制動單元一項就節(jié)省改造經(jīng)費近6萬元。在近幾年的運轉中，沒有一次因拖動系統(tǒng)故障造成停爐，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。可見該種設計方案是一種性能價格比較高的優(yōu)選方案。
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