1引言

直流調(diào)速系統(tǒng)在很長一段時期內(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。但同時因為直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且有換向器這個薄弱環(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)的實例。

2原直流系統(tǒng)狀況和負(fù)載特點

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，這個過程要對轉(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)輪另配一個氣液剎車機(jī)構(gòu)用于消除機(jī)械慣性和協(xié)助分切時定位，剎車機(jī)構(gòu)的動作類似于剎車電機(jī)上的剎車，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時剎車松開，當(dāng)電機(jī)停止時剎車機(jī)構(gòu)抱死負(fù)載，避免負(fù)載因重力不均而自由轉(zhuǎn)動。

這個直流調(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)配測速發(fā)電機(jī)作為負(fù)反饋，另配強(qiáng)冷風(fēng)機(jī)對主電機(jī)進(jìn)行冷卻。電機(jī)通過一個齒輪減速機(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，運轉(zhuǎn)時時常打火，拆修了一次，不僅維修費用高，而且需要停機(jī)近一周。后來又因為剎車機(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，于是又面臨著長時間的停機(jī)維修難題。針對這個問題，我們提出了改直流調(diào)速系統(tǒng)為交流調(diào)速的設(shè)想。要想改變原來的系統(tǒng)，就必須對原系統(tǒng)的特點和負(fù)載狀況有充分的認(rèn)識。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

2.2.1直流調(diào)速系統(tǒng)的特點

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)。其特點是，改變電樞電源電壓時，電動機(jī)機(jī)械特性的硬度不變，因此即使電機(jī)在低速運行時，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變動而變化的幅度較小，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

原系統(tǒng)設(shè)計最高生產(chǎn)速度為200米/分，分切定位時機(jī)器設(shè)置的轉(zhuǎn)動速度為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)帶動大轉(zhuǎn)輪進(jìn)行轉(zhuǎn)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(jī)時是一個比較嚴(yán)格的工況，因為停機(jī)時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。因為負(fù)載很重，慣性很大，急劇減速時變頻器極易出現(xiàn)過電壓故障，這對變頻器是一個挑戰(zhàn)。另一個挑戰(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(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)到啟始位置，此位置由停止光電開關(guān)檢測，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，當(dāng)減速光電開關(guān)信號動作，轉(zhuǎn)輪速度下降到4m/min繼續(xù)運轉(zhuǎn)，一旦plc接到停止光電開關(guān)信號，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動，剎車機(jī)構(gòu)立即剎車。此時如果停止光電停號仍然是on的狀態(tài)，定位機(jī)構(gòu)再次執(zhí)行定位動作，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，材料都會從轉(zhuǎn)輪上掉下由輸送帶運走。當(dāng)轉(zhuǎn)輪上卷繞的材料沒有進(jìn)行分切時，負(fù)載分布均勻，電機(jī)轉(zhuǎn)動相對比較輕松，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，這時轉(zhuǎn)動時的阻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩就會很大，而此時電機(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；并且此時還要進(jìn)行定位，因此又要求調(diào)速系統(tǒng)低速時運行要平穩(wěn)，不能抖動和爬行。

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，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(jī)。這個系統(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，改造需選用2極的15kw交流電機(jī)。通過對原拖動系統(tǒng)減速比和生產(chǎn)速度的計算，我們發(fā)現(xiàn)在最高設(shè)計速度200m/min時電機(jī)僅工作在2750r/pm，而實際生產(chǎn)速度僅為160m/min，電機(jī)運轉(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(jī)高一倍，也更易保證低速時的性能。根據(jù)四級電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速計算，當(dāng)其工作在72hz時就可以達(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、振動小、功率等級和安裝尺寸符合iec標(biāo)準(zhǔn)和使用維護(hù)方便等優(yōu)點外，還具有過載能力強(qiáng)、噪聲低、尤其是額定負(fù)載及超載時噪聲低的特點。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，我們對幾款國產(chǎn)的變頻器參數(shù)進(jìn)行對比，同時考慮到用四極電機(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功率等級，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)用的特點有如下幾項：

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

（2）啟動和低速轉(zhuǎn)矩大：0.5hz啟動時可達(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現(xiàn)電機(jī)四象限運行，轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，電機(jī)運行平穩(wěn)。

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

4變頻器的控制接線

因為交流調(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)速方式的接線對比。變頻器只需一個運轉(zhuǎn)信號和原調(diào)速系統(tǒng)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(xiàn)良好的系統(tǒng)保護(hù)。圖4中的85k4是原直流調(diào)速器的運轉(zhuǎn)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(shù)設(shè)置

根據(jù)此處的應(yīng)用特點，除了要對p9組參數(shù)根據(jù)電機(jī)的鉻牌數(shù)據(jù)輸入外，還必須對表1所列參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和根據(jù)實際情況調(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電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)自整定（或稱動態(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別出電機(jī)的一些關(guān)鍵參數(shù)，以實現(xiàn)更優(yōu)異的控制性能。本例中因為負(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(zhǔn)確，減速時間應(yīng)該越短越好，先是設(shè)為2s，但在卷繞生產(chǎn)完成后由高速運轉(zhuǎn)到停機(jī)時變頻器報eov2（減速中過電壓）故障。通過反復(fù)試驗把減速時間設(shè)到了6s后一切正常。此變頻驅(qū)動系統(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)不到要求時就再配剎車電阻提高其減速性能。

6.2自動轉(zhuǎn)矩提升功能的應(yīng)用

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

6.3啟動頻率的設(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)動時，會先被負(fù)載拖著向反方向轉(zhuǎn)動一點，然后才能被電機(jī)拖動。由于是鏈傳動，正反向轉(zhuǎn)動時有較大的反向間隙，這種情況下會導(dǎo)致大轉(zhuǎn)輪明顯的抖動，是必須要克服的。我們分析之所以出現(xiàn)這樣的情況，是因為變頻器低速啟動過程中電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩太小，不足以克服負(fù)載的勢能，所以才會被負(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)動態(tài)響應(yīng)非?？?，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(zhuǎn)信號當(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問題的出現(xiàn)。

6.4停機(jī)直流制動功能的應(yīng)用

在進(jìn)行分切過程中需要對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行定位，原系統(tǒng)定位過程是這樣的：當(dāng)plc檢測到停止信號后，就輸出信號讓電機(jī)停轉(zhuǎn)，剎車機(jī)構(gòu)剎車，兩個動作同時進(jìn)行。因此原系統(tǒng)一直存在一個問題：電機(jī)停止后，剎車還未剎死，轉(zhuǎn)輪會被負(fù)載帶著向前或向后挪動一點距離，導(dǎo)致剎車剎死后定位位置偏離，要重新手動定位，造成生產(chǎn)效率低，操作員勞動強(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功能，把停車模式設(shè)為減速停車加直流制動模式，在停機(jī)過程中當(dāng)變頻器輸出頻率降到1hz時變頻器開始直流制動，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，從而在剎車動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。

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；在帶動不平衡負(fù)載低速轉(zhuǎn)動過程中變頻器的輸出頻率是5.2hz，電流最大達(dá)到23a，但都是瞬時的，基本都在15a以內(nèi)，并且整個運行過程非常順暢，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)運行時溫度在50℃以下。可見交流調(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。