本文以30kW交流異步電動機組成的煉鋼轉爐拖動系統(tǒng)為例，介紹了利用變頻器直流制動功能實現大慣量交流拖動系統(tǒng)準確停車的設計方法。與一般方法相比，該方案不僅工作穩(wěn)定可靠，控制精度高，可節(jié)能降耗，而且省去了價值上萬元的變頻器專用制動單元/制動電阻，有效地降低了設備改造成本。 一、原系統(tǒng)的組成及存在的主要問題 煉鋼轉爐是鋼鐵廠一種重要的生產設備，其拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定性及停車定位精度要求較高。某鋼廠的一臺轉爐原以30kW的交流異步電動機進行拖動，由齒輪減速箱實現減速，配合抱閘實現準確停車控制。工作時，該系統(tǒng)均在低速段運行，能量損失較大，而且整個爐體慣性較大，啟、停過程中減速箱的齒輪經常被撞壞，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"的事故，帶來巨大的經濟損失。此外，機械減速系統(tǒng)不便于維修，而且停車定位控制精度較低。以上問題已成為阻礙生產進一步發(fā)展的"瓶頸"問題。 二、改造方案的關鍵技術問題 針對上述系統(tǒng)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。改造方案的關鍵技術問題是，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)制動和再生制動(制動單元/制動電阻、整流回饋)等。這些方式各有優(yōu)劣，因此，應根據實際情況選擇經濟有效的制動方式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，我們選擇了外接制動電阻和制動單元并配合直流制動的制動方案，整體控制效果十分理想?？紤]到轉爐拖動系統(tǒng)具有運行速度慢、啟停間隔時間較長的特點，進一步探討了能否省去外接的制動單元/制動電阻，單純采用直流制動呢?如此方案可行，將降低整個系統(tǒng)的改造經費接近20%。為此，我們對系統(tǒng)的工作特性進行了詳細的分析。 如圖1所示為一般交流電動機制動時的機械特性曲線，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，于是，電機得到反方向的制動轉矩Tb而進入發(fā)電制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)沿圖1中曲線②迅速降速。當速度低于某一轉速后，變頻器輸出直流，形成固定磁場，產生制動轉矩。在這一過程中，電機將經過短暫的再生發(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。 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，使電動機在發(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③所示，而不跳轉至第二象限,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，這樣，電機僅經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、三肯等不同型號的變頻器進行實驗，均可滿足工況要求?，F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，可選范圍為電機額定電流的20%~400%。我們的經驗值為60%左右。 P374(tdb):輸入直流時間。不宜過長，否則電機將過熱應，但應比實際停機時間略長，否則電機將進入自由滑行狀態(tài)?？蛇x范圍為0.1~99.9s，應結合實際情況反復調整。我們的經驗值為5.5s左右。 P375(fdb):直流制動開始頻率。如前所述，該參數應盡可能小，必須在圖1曲線②中臨界速nk對應的頻率以下，否則電機將過熱。經驗值為10Hz左右。 P373、P374、P375選擇不當，均會引起電機過熱，需在現場反復調整、測試。調整得當，生產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組中設置，但它的設置十分關鍵，如時間過短，電動機的工作點將轉移至第二象限，發(fā)生再生制動,引起電機過熱。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。可見，在類似轉爐拖動系統(tǒng)的大慣量拖動系統(tǒng)變頻改造中，可省去外接的制動單元/制動電阻，單獨運用直流制動是完全可行的。 三、結束語 綜上所述，利用變頻器改造類似于煉鋼轉爐的大中型交流電機拖動系統(tǒng)，實現調速、準確停車定位等功能是完全可行的。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，有效地降低改造成本，提高經濟效益。