1引言

直流調(diào)速系統(tǒng)在很長一段時(shí)期內(nèi)因其調(diào)速性能優(yōu)異：平滑性能好、低速力矩大、調(diào)速范圍寬而在機(jī)械設(shè)備的調(diào)速系統(tǒng)中占有很大的份額。但同時(shí)因?yàn)橹绷麟姍C(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且有換向器這個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，因此直流調(diào)速系統(tǒng)不僅維護(hù)量大，并且單機(jī)容量、過載能力、最高電壓和最大轉(zhuǎn)速都受到了限制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。尤其是20世紀(jì)90年代矢量控制技術(shù)的成熟應(yīng)用更使交流調(diào)速技術(shù)有了質(zhì)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(huán)控制的性能，其系統(tǒng)適應(yīng)性和魯棒性也不斷得到加強(qiáng)，因此交流調(diào)速系統(tǒng)在很多場合達(dá)到了和直流調(diào)速相媲美的程度。再加上普通型異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，維護(hù)簡單，很多性能指標(biāo)都優(yōu)于直流電機(jī)。因此在很多新的應(yīng)用場合直流調(diào)速系統(tǒng)都被交流變頻調(diào)速所取代，一些陳舊的直流調(diào)速系統(tǒng)也慢慢被改造成變頻調(diào)速。本文介紹了一例用變頻調(diào)速取代直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)例。

2原直流系統(tǒng)狀況和負(fù)載特點(diǎn)

原直流調(diào)速系統(tǒng)用在某蜂窩制品公司的蜂窩板塊生產(chǎn)線上，用來驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)線上的卷繞機(jī)。此生產(chǎn)線可以把整卷的瓦楞原紙按設(shè)定的層數(shù)先卷制再分切成生產(chǎn)蜂窩紙芯用的蜂窩板塊。卷繞機(jī)是一個(gè)大型的旋轉(zhuǎn)輪式負(fù)載，轉(zhuǎn)輪周長為12m。此種負(fù)載類似于造紙的卷取機(jī)，屬于恒功率負(fù)載。其工作過程分為兩個(gè)部分，一是在一定張力下把瓦楞原紙卷繞在旋轉(zhuǎn)輪上，設(shè)計(jì)最高生產(chǎn)速度為200m/min，正常生產(chǎn)速度是160m/min，生產(chǎn)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(gè)過程要對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行定位，因此最低速度為4m/min左右，分切過程要持續(xù)6分鐘。整個(gè)工作過程中速度的大小由plc輸出0～10v模擬量進(jìn)行調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)輪另配一個(gè)氣液剎車機(jī)構(gòu)用于消除機(jī)械慣性和協(xié)助分切時(shí)定位，剎車機(jī)構(gòu)的動(dòng)作類似于剎車電機(jī)上的剎車，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)剎車松開，當(dāng)電機(jī)停止時(shí)剎車機(jī)構(gòu)抱死負(fù)載，避免負(fù)載因重力不均而自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

這個(gè)直流調(diào)速系統(tǒng)配置為德國某品牌直流調(diào)速器movret365和2極11kw的直流電機(jī)。電機(jī)配測(cè)速發(fā)電機(jī)作為負(fù)反饋，另配強(qiáng)冷風(fēng)機(jī)對(duì)主電機(jī)進(jìn)行冷卻。電機(jī)通過一個(gè)齒輪減速機(jī)用鏈條和卷繞機(jī)相連。

2.1原調(diào)速系統(tǒng)遇到的問題

直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)量較大，造價(jià)昂貴，并且維修周期長。此設(shè)備所用的直流電機(jī)使用四五年后因更換的碳刷質(zhì)量不好造成了換向器燒灼嚴(yán)重，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)常打火，拆修了一次，不僅維修費(fèi)用高，而且需要停機(jī)近一周。后來又因?yàn)閯x車機(jī)構(gòu)故障，剎車片不能完全脫離剎車盤，導(dǎo)致負(fù)載過大，造成了電機(jī)定子繞組的損壞，于是又面臨著長時(shí)間的停機(jī)維修難題。針對(duì)這個(gè)問題，我們提出了改直流調(diào)速系統(tǒng)為交流調(diào)速的設(shè)想。要想改變?cè)瓉淼南到y(tǒng)，就必須對(duì)原系統(tǒng)的特點(diǎn)和負(fù)載狀況有充分的認(rèn)識(shí)。拆下的直流電機(jī)如圖1所示。

2.2原系統(tǒng)負(fù)載的特點(diǎn)

2.2.1直流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)

原直流調(diào)速系統(tǒng)是屬于改變電樞電源電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)。其特點(diǎn)是，改變電樞電源電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的硬度不變，因此即使電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變動(dòng)而變化的幅度較小，即轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，平滑性好，而且低速時(shí)力矩大。其直流調(diào)速機(jī)械特性如圖2所示。

2.2.2原系統(tǒng)機(jī)械負(fù)載的特點(diǎn)

原系統(tǒng)設(shè)計(jì)最高生產(chǎn)速度為200米/分，分切定位時(shí)機(jī)器設(shè)置的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為4m/min，即系統(tǒng)的調(diào)速范圍為50:1。卷繞的生產(chǎn)過程比較簡單，只是電機(jī)帶動(dòng)大轉(zhuǎn)輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，主要是要克服為了滿足工藝需求對(duì)材料的一個(gè)張力。但在卷制完成后，停機(jī)時(shí)是一個(gè)比較嚴(yán)格的工況，因?yàn)橥C(jī)時(shí)操作人員要把速度給定電位器從當(dāng)前生產(chǎn)速度快速轉(zhuǎn)到零速位置。這就是要求轉(zhuǎn)輪的速度從160m/min左右，盡可能快的降到零速。因?yàn)樨?fù)載很重，慣性很大，急劇減速時(shí)變頻器極易出現(xiàn)過電壓故障，這對(duì)變頻器是一個(gè)挑戰(zhàn)。另一個(gè)挑戰(zhàn)是進(jìn)行材料分切的過程。當(dāng)材料卷繞完成后，要把轉(zhuǎn)輪的8個(gè)面上的材料用電鋸分成８塊。其分切過程是這樣的，先手動(dòng)低速把轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)到啟始位置，此位置由停止光電開關(guān)檢測(cè)，到位后機(jī)械機(jī)構(gòu)把轉(zhuǎn)輪定位，再由操作人員轉(zhuǎn)入自動(dòng)工作狀態(tài)，電鋸開始鋸切第一刀。鋸切完成后，定位機(jī)構(gòu)放開，剎車松開，轉(zhuǎn)輪開始慢速（8m/min）向前轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)減速光電開關(guān)信號(hào)動(dòng)作，轉(zhuǎn)輪速度下降到4m/min繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，一旦plc接到停止光電開關(guān)信號(hào)，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，剎車機(jī)構(gòu)立即剎車。此時(shí)如果停止光電停號(hào)仍然是on的狀態(tài)，定位機(jī)構(gòu)再次執(zhí)行定位動(dòng)作，開始下一刀的鋸切過程。如此循環(huán)，直到把轉(zhuǎn)輪上的材料分切完畢。每切下一塊，材料都會(huì)從轉(zhuǎn)輪上掉下由輸送帶運(yùn)走。當(dāng)轉(zhuǎn)輪上卷繞的材料沒有進(jìn)行分切時(shí)，負(fù)載分布均勻，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相對(duì)比較輕松，但經(jīng)過幾次分切后，轉(zhuǎn)輪上留下的材料就造成了很大的不平衡轉(zhuǎn)矩，這時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的阻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩就會(huì)很大，而此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速又很低，這就要求調(diào)速系統(tǒng)要有足夠的低速轉(zhuǎn)矩；并且此時(shí)還要進(jìn)行定位，因此又要求調(diào)速系統(tǒng)低速時(shí)運(yùn)行要平穩(wěn)，不能抖動(dòng)和爬行。

3電機(jī)和變頻器的選型

3.1電機(jī)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(diào)速改交流調(diào)速的經(jīng)驗(yàn)，其結(jié)果就是交電流電機(jī)的選取要比原直流電機(jī)大一個(gè)功率等級(jí)才能保證低速時(shí)的力矩或者要選用昂貴的交流變頻電機(jī)。這個(gè)系統(tǒng)原用的電機(jī)是11kw的2極直流電機(jī)，根據(jù)這些經(jīng)驗(yàn)，改造需選用2極的15kw交流電機(jī)。通過對(duì)原拖動(dòng)系統(tǒng)減速比和生產(chǎn)速度的計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)在最高設(shè)計(jì)速度200m/min時(shí)電機(jī)僅工作在2750r/pm，而實(shí)際生產(chǎn)速度僅為160m/min，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度是2200r/pm，可見用二極電機(jī)速度有相當(dāng)大的裕量。如果選用四極電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩相當(dāng)于提高了兩倍，即使變頻調(diào)速低速時(shí)力矩不如直流調(diào)速，但這樣的選擇肯定能優(yōu)于原系統(tǒng)低速時(shí)的性能，并且低速分切材料時(shí)變頻器的輸出頻率可以比用二極電機(jī)高一倍，也更易保證低速時(shí)的性能。根據(jù)四級(jí)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速計(jì)算，當(dāng)其工作在72hz時(shí)就可以達(dá)到160m/min的生產(chǎn)速度。由此分析可見選用11kw的四極電機(jī)替代是可行的。

根據(jù)電機(jī)的安裝需求我們選用了東莞電機(jī)廠的ysj系列注塑機(jī)用低噪聲三相異步電動(dòng)機(jī)。ysj電機(jī)是一種新型系列產(chǎn)品，它除了具有y系列電機(jī)高效、節(jié)能、性能好、振動(dòng)小、功率等級(jí)和安裝尺寸符合iec標(biāo)準(zhǔn)和使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)外，還具有過載能力強(qiáng)、噪聲低、尤其是額定負(fù)載及超載時(shí)噪聲低的特點(diǎn)。此系列電機(jī)的性能指標(biāo)效率、功率因數(shù)、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、堵轉(zhuǎn)電流、最大轉(zhuǎn)矩等均與y系列電機(jī)相同，噪聲比y系列電機(jī)有較大幅度的降低。更重要的是此電機(jī)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(jī)完全一樣，僅對(duì)其輸出軸按原電機(jī)的尺寸加工后就可以和原電機(jī)所配的齒輪減速機(jī)進(jìn)行裝配。

3.2變頻器的選擇

根據(jù)此處負(fù)載的特點(diǎn)，我們對(duì)幾款國產(chǎn)的變頻器參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)考慮到用四極電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩有相當(dāng)大的裕量，不用考慮變頻器要放大一個(gè)功率等級(jí)，最后選用了藍(lán)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(yīng)用的特點(diǎn)有如下幾項(xiàng)：

（1）在矢量控制1模式下既有矢量控制的優(yōu)異性能又對(duì)電機(jī)參數(shù)不敏感。

（2）啟動(dòng)和低速轉(zhuǎn)矩大：0.5hz啟動(dòng)時(shí)可達(dá)180%額定轉(zhuǎn)矩，0.5hz可控制電機(jī)150%額定轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）調(diào)速范圍大，可達(dá)1:100。

（4）無速度傳感器的矢量控制模式下可實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

（5）獨(dú)特的快速直流制動(dòng)能力，0～60hz范圍內(nèi)，變頻器0.3s內(nèi)實(shí)現(xiàn)電機(jī)反電勢(shì)消除，實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。

4變頻器的控制接線

因?yàn)榻涣髡{(diào)速系統(tǒng)比較簡單，和原直流系統(tǒng)相比，接線大大簡化。由圖3、4可以看出兩種調(diào)速方式的接線對(duì)比。變頻器只需一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)和原調(diào)速系統(tǒng)的速度信號(hào)即可正常工作，同時(shí)把變頻器的故障輸出接入plc以實(shí)現(xiàn)良好的系統(tǒng)保護(hù)。圖4中的85k4是原直流調(diào)速器的運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)，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(diǎn)和x5輸入點(diǎn)作為變頻器的故障反饋。

5變頻器的參數(shù)設(shè)置

根據(jù)此處的應(yīng)用特點(diǎn)，除了要對(duì)p9組參數(shù)根據(jù)電機(jī)的鉻牌數(shù)據(jù)輸入外，還必須對(duì)表1所列參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。其它未提及參數(shù)可以用出廠設(shè)置。p9組要輸入的參數(shù)如表2所示，參數(shù)輸入完成后如果有條件盡量讓變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)自整定（或稱動(dòng)態(tài)電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)），這樣變頻器可以盡可能多的識(shí)別出電機(jī)的一些關(guān)鍵參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的控制性能。本例中因?yàn)樨?fù)載難以脫開，所以只進(jìn)行了電機(jī)參數(shù)靜止自整定。

6調(diào)試時(shí)遇到的問題和對(duì)策

6.1減速時(shí)間的確定

因?yàn)樵诜智羞^程中需要定位，為了定位的準(zhǔn)確，減速時(shí)間應(yīng)該越短越好，先是設(shè)為2s，但在卷繞生產(chǎn)完成后由高速運(yùn)轉(zhuǎn)到停機(jī)時(shí)變頻器報(bào)eov2（減速中過電壓）故障。通過反復(fù)試驗(yàn)把減速時(shí)間設(shè)到了6s后一切正常。此變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并沒有配剎車電阻，改造初期設(shè)想如果停機(jī)速度慢，達(dá)不到要求時(shí)就再配剎車電阻提高其減速性能。

6.2自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升功能的應(yīng)用

因考慮到材料分切時(shí)需要低速大轉(zhuǎn)矩，因此初始把p0.16轉(zhuǎn)矩提升功能設(shè)為10，但手動(dòng)試機(jī)時(shí)變頻器一運(yùn)轉(zhuǎn)就報(bào)eoc1（加速運(yùn)行中過流）故障。試著調(diào)小還是報(bào)故障，最后調(diào)為出廠值0，利用自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升功能解決了報(bào)eoc1的故障。

6.3啟動(dòng)頻率的設(shè)定

在分切過程中，一旦八面轉(zhuǎn)輪上的材料鋸下兩塊后，八面體的反向勢(shì)能很大。如果不用此處的設(shè)置，當(dāng)剎車松掉，電機(jī)剛開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)先被負(fù)載拖著向反方向轉(zhuǎn)動(dòng)一點(diǎn)，然后才能被電機(jī)拖動(dòng)。由于是鏈傳動(dòng)，正反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有較大的反向間隙，這種情況下會(huì)導(dǎo)致大轉(zhuǎn)輪明顯的抖動(dòng)，是必須要克服的。我們分析之所以出現(xiàn)這樣的情況，是因?yàn)樽冾l器低速啟動(dòng)過程中電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩太小，不足以克服負(fù)載的勢(shì)能，所以才會(huì)被負(fù)載拖著反轉(zhuǎn)。原直流調(diào)速系統(tǒng)沒有這樣的問題，這也證明了負(fù)反饋的直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)非?？欤退倭胤浅４?。為了解決這個(gè)問題，我們一是提高了變頻器的啟動(dòng)頻率以增加其啟動(dòng)時(shí)的輸出力矩，二是通過修改plc程序，讓剎車延后一點(diǎn)松開，也就是先給變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的力矩后再把外部剎車松掉從而避免了這個(gè)問題的出現(xiàn)。

6.4停機(jī)直流制動(dòng)功能的應(yīng)用

在進(jìn)行分切過程中需要對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行定位，原系統(tǒng)定位過程是這樣的：當(dāng)plc檢測(cè)到停止信號(hào)后，就輸出信號(hào)讓電機(jī)停轉(zhuǎn)，剎車機(jī)構(gòu)剎車，兩個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行。因此原系統(tǒng)一直存在一個(gè)問題：電機(jī)停止后，剎車還未剎死，轉(zhuǎn)輪會(huì)被負(fù)載帶著向前或向后挪動(dòng)一點(diǎn)距離，導(dǎo)致剎車剎死后定位位置偏離，要重新手動(dòng)定位，造成生產(chǎn)效率低，操作員勞動(dòng)強(qiáng)度大。為了解決此問題我們充分利用了變頻器的直流制動(dòng)功能，把停車模式設(shè)為減速停車加直流制動(dòng)模式，在停機(jī)過程中當(dāng)變頻器輸出頻率降到1hz時(shí)變頻器開始直流制動(dòng)，讓電機(jī)把負(fù)載夾持住，使轉(zhuǎn)輪無法因材料的不平衡轉(zhuǎn)矩而自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在剎車動(dòng)作后保證了定位的準(zhǔn)確性。通過這樣的設(shè)置，這套交流調(diào)速系統(tǒng)比原直流調(diào)速系統(tǒng)在定位功能上有明顯的優(yōu)勢(shì)。

7結(jié)束語

系統(tǒng)改造完成投入生產(chǎn)后，在工作過程中我們對(duì)變頻器的輸出情況進(jìn)行觀察和追蹤，在卷繞生產(chǎn)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(fù)載非常輕；在帶動(dòng)不平衡負(fù)載低速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中變頻器的輸出頻率是5.2hz，電流最大達(dá)到23a，但都是瞬時(shí)的，基本都在15a以內(nèi)，并且整個(gè)運(yùn)行過程非常順暢，說明這套交流系統(tǒng)的負(fù)載能力遠(yuǎn)超過機(jī)械負(fù)載的需求功率，鑒于此，我們把原直流調(diào)速系統(tǒng)的強(qiáng)冷風(fēng)扇也拆掉了，進(jìn)一步減小了系統(tǒng)的復(fù)雜性，更易維護(hù)，從而也更加高效和節(jié)能。并且經(jīng)過后續(xù)觀察，此電機(jī)運(yùn)行時(shí)溫度在50℃以下?？梢娊涣髡{(diào)速系統(tǒng)在一定條件下取代直流調(diào)速具有明顯的優(yōu)勢(shì)。