直流調(diào)速改為變頻調(diào)速的方案

牟玉龍 曹建枝 蘭州石化設(shè)備維修公司 730060

直流調(diào)速改為變頻調(diào)速的方案

牟玉龍 曹建枝 蘭州石化設(shè)備維修公司 730060

隨著交流變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻器與異步電動機(jī)的組合在調(diào)速比、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出等性能方面已經(jīng)與直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)，完全可以滿足喂料系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的高要求。本文論述了在喂料系統(tǒng)中，直流調(diào)速改造為交流變頻調(diào)速的計(jì)算過程和改造方案，并給出了兩種具體的設(shè)備選擇型號。

直流調(diào)速；變頻調(diào)速；恒轉(zhuǎn)矩

1 前言

某裝置喂料系統(tǒng)使用直流電動機(jī)帶動螺旋輸料器向擠壓機(jī)內(nèi)連續(xù)輸送物料，擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速決定輸送物料的快慢，即控制直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。近一年以來，喂料系統(tǒng)連續(xù)發(fā)生數(shù)起停機(jī)故障，造成裝置停工。經(jīng)過反復(fù)檢查分析，造成故障頻繁發(fā)生的原因是由于直流電機(jī)與直流調(diào)速器嚴(yán)重老化（其中直流電動機(jī)燒毀2次；更換碳刷3次；更換直流調(diào)速器1次），已不能滿足裝置正常運(yùn)行的要求，因此，決定將直流調(diào)速系統(tǒng)改為交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。

2 交流變頻與直流調(diào)速的對比

與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的交流拖動系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能、容易實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有電動機(jī)的調(diào)速控制、可以實(shí)現(xiàn)大范圍的高效連續(xù)調(diào)速控制、容易實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換、可以進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)、可以進(jìn)行電氣制動、可以用一臺變頻器對多臺電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制、電源功率因數(shù)大、所需電源容量小、可以組成高性能的控制系統(tǒng)等等。

在此次改造中，我們主要看中了交流變頻的以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

a因?yàn)闆]有碳刷，交流電動機(jī)更便于維護(hù),防護(hù)等級為IP54的防爆異步電動機(jī)即可滿足現(xiàn)場高粉塵的環(huán)境要求；

b交流變頻器經(jīng)過近幾年的迅猛發(fā)展，矢量控制的恒轉(zhuǎn)矩變頻器其負(fù)載性能已經(jīng)可以與直流系統(tǒng)相媲美，圖一為變頻調(diào)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，與他勵式直流電動機(jī)機(jī)械特性相似，可以做到在啟動時(shí)輸出額定轉(zhuǎn)矩。

c結(jié)構(gòu)簡單，改造方便，原有的儀表控制信號直接連上就可以使用。

由于以上特性，我們最終決定淘汰原有的直流系統(tǒng)，改為交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。

3 改造前的技術(shù)準(zhǔn)備

首先對設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的摸底，此套直流調(diào)速系統(tǒng)用于裝置的喂料系統(tǒng)，包括直流電機(jī)驅(qū)動器、直流電機(jī)以及減速機(jī)。直流電機(jī)型號為LAK132B，功率4 K W，電壓3 00V，電流為15.2A，轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分，絕緣等級為F級，防護(hù)等級為IP55；減速機(jī)型號為R83/A，轉(zhuǎn)速比為6 0，這些參數(shù)對于改造相當(dāng)重要。直流電機(jī)控制方式為電樞電流反饋控制方式。由此可見，系統(tǒng)對于調(diào)速的精度要求并不高，采用直流系統(tǒng)最主要的是為了滿足恒轉(zhuǎn)矩的要求。

3.1 異步電動機(jī)的功率

根據(jù)工藝提供的資料，正常情況下裝置投料在7.3t/h時(shí)減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分，按照物料重量與轉(zhuǎn)速為線性關(guān)系推算，物料投放量在2～10t/h時(shí)減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速應(yīng)為10～40轉(zhuǎn)/分，則相對應(yīng)的電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為600～2400轉(zhuǎn)/分。

在實(shí)際運(yùn)行中，我們很難測定負(fù)載的轉(zhuǎn)矩，而對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)整，直流電動機(jī)的運(yùn)行電流基本不變（要求小于額定電流），所以電動機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩即為負(fù)載可能出現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)電動機(jī)銘牌參數(shù)計(jì)算出直流電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩：

M1=9550P1/n1=9550*4/2400=15.9N.M

假如我們使用4 K W的2極交流電動機(jī)，其轉(zhuǎn)矩為：

M2=9550P1/n1=9550*4/2900=13.2N.M＜15.9N.M

不能滿足生產(chǎn)裝置的要求，因此，電動機(jī)應(yīng)該選用5.5KW的2極交流電動機(jī)。

M2=9550P2/n2=9550*5.5/2900=18.1N.M＞15.9N.M

3.2 變頻器的功率

電動機(jī)選定以后，我們就可以選擇變頻器了。首先，根據(jù)電動機(jī)的選型以及裝置所處海拔比較高（16 00米），變頻器功率必須增加一個(gè)等級的要求，我們選擇了7.5KW的變頻器。在選擇變頻器的種類上，我們必須考慮到負(fù)載為旋轉(zhuǎn)喂料系統(tǒng)，可以近似地看作是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，而且運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的情況。因此，我們必須選用帶矢量控制方式的變頻器。

4 具體改造方案

4.1 選擇合適的電機(jī)和變頻器進(jìn)行改造

根據(jù)以上計(jì)算，我們選用的電機(jī)為佳木斯生產(chǎn)的YBPT系列5.5KW隔爆型變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)，按照原減速機(jī)尺寸，重新加工制作電機(jī)基座（降低原高度）及電機(jī)對輪。電機(jī)冷卻風(fēng)扇電源接入原直流機(jī)風(fēng)扇控制系統(tǒng)，并與變頻器開?？刂坡?lián)鎖。

變頻器采用施耐德Altivar 71系列ATV 71HU75M3（7.5KW）恒轉(zhuǎn)矩變頻器，該變頻器具有高達(dá) 220% 過力矩的性能，可以進(jìn)行在線自整定 (FVC)，使用其開環(huán)磁通矢量控制功能，在不帶速度反饋的情況下就能滿足工藝控制要求。按照變頻器的尺寸及技術(shù)要求，相應(yīng)的對電氣控制柜進(jìn)行了改造，因?yàn)樽冾l器比老型號的直流驅(qū)動器要小，再加之電源、開停控制、速度給定均相近，因此改造工作比較簡單。

4.2 變頻器的參數(shù)設(shè)定

施耐德Altivar 71有近540個(gè)參數(shù)，可以完成150種不同的功能。我們要針對實(shí)際的應(yīng)用，參照說明書對特定的部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，就可以使變頻器發(fā)揮出理想的效果。并且，Altivar 71還提供了簡單啟動設(shè)定和宏設(shè)定，這樣就大大簡化了參數(shù)設(shè)定的工作。對應(yīng)于本次改造的參數(shù)設(shè)定，因?yàn)槠鋺?yīng)用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，所以基本符合變頻器的出廠設(shè)定值。輸入電動機(jī)銘牌參數(shù)，進(jìn)行“自整定”操作，完成后再對幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行修改就可以試運(yùn)行了。

a由于以前的系統(tǒng)使用的是0–10V的速度給定信號，因此必須改變模擬量輸入A L 2的類型為“10V電壓”，并設(shè)定其最小值為0V。

b為了保證稱重系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，就必須使電動機(jī)盡量的快速啟動和停止，因此我們增加了“電機(jī)預(yù)磁”及“直流制動”兩項(xiàng)功能，確保在極短的時(shí)間內(nèi)完成加減速，而不引起“過電流”和“過電壓”故障。

c以前經(jīng)常發(fā)生物料結(jié)塊后在通過螺旋送料器時(shí)卡住，并使螺桿斷裂的故障，因此我們使用了“電流限幅”功能。需要注意的是電流限幅的值不是設(shè)定的越小越好，設(shè)定小了可能造成系統(tǒng)經(jīng)常停車。我們可以通過螺旋送料器所能承受的最大轉(zhuǎn)矩反算出電動機(jī)的最大電流加以設(shè)定。

經(jīng)過大家的努力，我們只用了1天的時(shí)間就完成了安裝和調(diào)試，新的變頻調(diào)速系統(tǒng)投運(yùn)半年來沒有發(fā)生任何故障，完全達(dá)到了工藝的要求。

5 結(jié)束語

隨著交流變頻的不斷發(fā)展，低效率、難維護(hù)的直流調(diào)速系統(tǒng)必將被淘汰。對于生產(chǎn)中所使用的老舊直流系統(tǒng)，改造時(shí)一定要注意負(fù)載的特性，根據(jù)不同的負(fù)載，選用不同的電機(jī)及變頻器，在使用上述方法還不能滿足的情況下可以適當(dāng)增加電機(jī)及變頻器功率；對于速度精度要求比較高的，可以考慮加裝速度反饋系統(tǒng)，最終一定能夠得到滿意的效果。

[1] 汪國梁主編.電機(jī)學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社.1981年

[2] 施耐德變頻器說明書

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.15.062