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【摘要】本文介绍了利用变频器直流制动功能实现大惯量交流拖动系统准确停车控制的设计方法。该方案省去了通常设计中对制动单元/制动电阻的要求,从而有效的降低了成本.实践证明,该方法工作可靠、故障率底，大大提高了生产效率.
三项交流异步电动机以其构造简单、坚固耐用、性能良好、制造成本低等优点而在工农业生产中获得了广泛的应用。特别是近几年，随着变频调速技术的迅猛发展，交流调速技术有了长足的发展，使得交流异步电动机的应用前景更为广泛，大有取代直流拖动系统之势。
本文以30KW交流异步电动机组成的炼钢转炉拖动系统为例，介绍了利用变频器直流制动功能实现大惯量交流拖动系统准确停车的设计方法，与一般方式相比，该方案不仅工作稳定可靠、控制精度高，而且省去了价值上万元的变频器专用制动单元/制动电阻，有效的降低了设备改造成本。截止到现在，按该模式改造的数套转炉系统已连续稳定运转近4年，提供了一种针对传统交、直流拖动系统，以节能降耗、提高自动化水平为主要目的、成熟的技改方案。
原系统的组成及主要存在的问题：
炼钢转炉是钢铁厂一种重要的生产设备，生产工艺对控制转炉转动的拖动系统的稳定性及停车定位精度要求较高。某钢厂的一台转炉原以30KW的交流异步电动机进行拖动，由齿轮减速箱实现减速，配合刨闸实现准确停车控制。工作时，系统均在低速段运行，能量损失较大。而且，整个炉体惯性较大，现场工作条件恶劣，启、停过程中减速箱的齿轮经常被撞坏，造成整个系统的瘫痪。如处理不及时，钢水凝固在炉中就会造成“蹲炉”的大故障，带来巨大的经济损失。由于条件限制，机械减速系统维修起来十分不便，而且停车定位控制精度较低，以上问题已成为阻碍生产进一步发展的“瓶颈”问题，厂家迫切要求解决这些问题。
改造方案中关键技术问题的讨论：
针对上述系统中存在的主要问题，我们提出：利用变频器对原有交流拖动系统进行改造。由于系统一直处于低速运行，而电动机转速与消耗能量间具有立方关系（即当电动机的转速下降为额定转速的n%时，电动机所消耗能量为原额定功率PN的PN*（n%）3,如当转速下降到80%的额定转速，则消耗功率仅为51.2%的额定功率）,所以利用变频器替代原有的机械调速系统后，不仅系统运行的稳定性大大提高了，而且在节能降耗上所取得的效益也将是十分显著的；同时摆脱了由机械减速系统所带来的大量维修工作。待解决的关键技术问题是如何保证并提高整个系统的停车定位精度。一般来说，通用变频器提供的制动方式主要有：能耗（直流）制动、再生制动（制动单元/制动电阻、整流回馈）等。几种方案适用范围、场合及使用的限制条件各有不同，使用的效果也各有优劣，根据实际情况选择经济有效的制动方法与制动功能是成功设计变频调速控制系统的关键问题之一。
在进行首台转炉的改造时，考虑到系统惯性较大、要求的制动转矩较高，我们选择了由变频器生产厂家推荐、兄弟钢厂已试验成功的外接制动电阻和制动单元、配合直流制动的制动方案，整体控制效果十分理想。在进一步的探讨中，我们考虑：转炉拖动系统具有运行速度慢、启停间隔时间较长的特点；能否省去外接的制动单元/制动电阻，单纯采用直流制动呢？由于变频器厂家把外接制动电阻和制动单元作为选配的元器件，需另行购买且售价较高，如该方案可行，将有效的降低整个系统的改造经费接近20%，累计起来是十分可观的。为此，我们对系统的工作特性进行了详细的分析。
所谓“直流制动”，一般指当变频器的输出频率接近为零，电机的转速降低到一定数值时，变频器改向异步电动机定子绕组中通入直流，形成静止磁场，此时电动机处于能耗制动状态，转动着的转子切割该静止磁场而产生制动转矩，使电动机迅速停止。由于旋转系统存储的动能转换成电能以热损耗的形式消耗于异步电动机的转子回路中，为防止电动机减速过程中所形成的再生发电制动以及直流制动过程中电机发热，需串入制动单元/制动电阻。而转炉拖动系统有其特点：首先，工作状态下变频器的输出频率基本在35-38HZ左右；其次，转炉系统不会频繁的启停。如图1所示为一般交流电动机制动时的机械特性曲线。①为正常工作时的曲线，②为直流制动时机械特性。设A点为正常工作点，
图1：直流制动机械特性 tdb t
①-原机械特性 ②-直流制动时机械特性图2：直流制动的设定
在变频调速通常设置的制动过程中，电动机先减速，此时同步磁场转速低于转子转速，工作点在同一转速下由曲线1的A点跳至曲线2的B点，即从第一象限过渡到第二象限，通常称之为同一转速下特性的跳转，则电机得到反方向的制动转矩Tb进入发电制动状态，拖动系统沿图1中曲线2迅速降速，当低于某一转速后，变频器输出直流，形成固定磁场，产生制动转矩。在这一过程中，电机将经过短暂的再生发电制动和能耗制动最终停止，因此需要接入制动单元/制动电阻，以防止电机发热。
从理论上分析，如果能够控制电动机同步磁场的转速缓慢下降，电动机在发生同一转速下特性跳转时，特性曲线维持在第一象限，如图1中虚线组③所示慢慢降速，不跳转至第二象限则拖动系统在降速过程中可以有效的避免再生制动过程。接下来，当电机转速在小于临界转速nk的情况下接入直流制动，并相应控制接入直流的大小和时间，理论上分析电机仅经历有限的能耗制动阶段，不会过热。而变频器良好的内、外特性保证了上述各项条件的满足。图2所示为变频器的输出频率、直流制动中电机转速随时间变化的规律，在运行信号的控制下，变频器首先缓慢连续降频，达到fDB后则开始直流制动，此时输出频率为零。在系统参数设定中系统降速时间tz、直流制动起始频率fDB、制动电流Idb和制动时间tdb的设定十分重要，直接关系到生产机械的准确定位和电动机的正常运行，我们曾以ABB、西门子、三肯等不同厂家、型号的变频器进行实验，均可满足工况要求。现以所述转炉系统所应用的西门子6SE21系列变频器为例对参数设定进行具体说明：
P372 = 1：启用直流制动功能
P373（Idb）：直流制动电流大小设定，它直接关系到制动转矩的大小，系统 惯性越大其值应越大。可选范围20%-400%的电机额定电流，我们经验值为60%左右调整。
P374（tdb）：输入直流时间。不宜过长，否则电机将过热应；但比实际停机时间应略长，否则电机将进入自由滑行状态，转炉系统中经验值取5.5S左右，應结合实际情况反复调整。可选范围：0.1-99.9S。
P375（fDB）：直流制动开始频率。如前所述，该参数应尽可能小，必须在图1曲线②中临界转速 nk以下，否则电机将过热。经验值为10HZ左右。
P373 、P374、 P375选择不当，均会引起电机过热，需在现场反复调整、测试。调整得当，生产机械将准确停止在预定位置。应特别注意，变频器输出频率由正常工作时的fx降至fDB的时间tz虽不在直流制动参数组中设置，但它的设置十分关键，如时间过短，电动机将运行至第二象限，发生再生制动，引起电机过热。此外，必须指出，需要频繁进行制动的工况不适合采用此方式。
按此方案将参数设定完成后，对系统连续进行反复的检测，电机温升正常，系统停车定位准确。可见，在类似转炉拖动系统的大惯量拖动系统变频改造中，单独运用直流制动完全可行。
结束语：
综上所述,利用变频器对类似于炼钢转炉等需要完成调速、准确停车定位等功能的大、中功率交流电机拖动系统进行改造是完全可行的。尤其是在某些情况下，可以充分开发利用变频器自身的功能，有效的降低改造成本，提高经济效益。该方案先后在四台18.5~55kw交流电机转炉拖动系统的改造中实施，仅免去购买制动单元一项就节省改造经费近6万元。在近四年的运转中，没有一次因拖动系统故障造成停炉，为企业创造了巨大的经济效益。
参考文献：
[1].SIEMENSMICROMASTER/MIDIMASTEROPERATINGINSTRUC-
TIONS.Edition 03.95
[2].杨兴瑶编著. 电动机调速的原理及系统. 北京:水利电力出版社,1995
[3].张燕宾编著.SPWM变频调速应用技术. 北京:机械工业出版社,1997
[4]ABB ACS 501变频器用户手册. 北京:ABB电气传动系统有限公司
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
三项交流异步电动机以其构造简单、坚固耐用、性能良好、制造成本低等优点而在工农业生产中获得了广泛的应用。特别是近几年，随着变频调速技术的迅猛发展，交流调速技术有了长足的发展，使得交流异步电动机的应用前景更为广泛，大有取代直流拖动系统之势。
本文以30KW交流异步电动机组成的炼钢转炉拖动系统为例，介绍了利用变频器直流制动功能实现大惯量交流拖动系统准确停车的设计方法，与一般方式相比，该方案不仅工作稳定可靠、控制精度高，而且省去了价值上万元的变频器专用制动单元/制动电阻，有效的降低了设备改造成本。截止到现在，按该模式改造的数套转炉系统已连续稳定运转近4年，提供了一种针对传统交、直流拖动系统，以节能降耗、提高自动化水平为主要目的、成熟的技改方案。
原系统的组成及主要存在的问题：
炼钢转炉是钢铁厂一种重要的生产设备，生产工艺对控制转炉转动的拖动系统的稳定性及停车定位精度要求较高。某钢厂的一台转炉原以30KW的交流异步电动机进行拖动，由齿轮减速箱实现减速，配合刨闸实现准确停车控制。工作时，系统均在低速段运行，能量损失较大。而且，整个炉体惯性较大，现场工作条件恶劣，启、停过程中减速箱的齿轮经常被撞坏，造成整个系统的瘫痪。如处理不及时，钢水凝固在炉中就会造成“蹲炉”的大故障，带来巨大的经济损失。由于条件限制，机械减速系统维修起来十分不便，而且停车定位控制精度较低，以上问题已成为阻碍生产进一步发展的“瓶颈”问题，厂家迫切要求解决这些问题。
改造方案中关键技术问题的讨论：
针对上述系统中存在的主要问题，我们提出：利用变频器对原有交流拖动系统进行改造。由于系统一直处于低速运行，而电动机转速与消耗能量间具有立方关系（即当电动机的转速下降为额定转速的n%时，电动机所消耗能量为原额定功率PN的PN*（n%）3,如当转速下降到80%的额定转速，则消耗功率仅为51.2%的额定功率）,所以利用变频器替代原有的机械调速系统后，不仅系统运行的稳定性大大提高了，而且在节能降耗上所取得的效益也将是十分显著的；同时摆脱了由机械减速系统所带来的大量维修工作。待解决的关键技术问题是如何保证并提高整个系统的停车定位精度。一般来说，通用变频器提供的制动方式主要有：能耗（直流）制动、再生制动（制动单元/制动电阻、整流回馈）等。几种方案适用范围、场合及使用的限制条件各有不同，使用的效果也各有优劣，根据实际情况选择经济有效的制动方法与制动功能是成功设计变频调速控制系统的关键问题之一。
在进行首台转炉的改造时，考虑到系统惯性较大、要求的制动转矩较高，我们选择了由变频器生产厂家推荐、兄弟钢厂已试验成功的外接制动电阻和制动单元、配合直流制动的制动方案，整体控制效果十分理想。在进一步的探讨中，我们考虑：转炉拖动系统具有运行速度慢、启停间隔时间较长的特点；能否省去外接的制动单元/制动电阻，单纯采用直流制动呢？由于变频器厂家把外接制动电阻和制动单元作为选配的元器件，需另行购买且售价较高，如该方案可行，将有效的降低整个系统的改造经费接近20%，累计起来是十分可观的。为此，我们对系统的工作特性进行了详细的分析。
所谓“直流制动”，一般指当变频器的输出频率接近为零，电机的转速降低到一定数值时，变频器改向异步电动机定子绕组中通入直流，形成静止磁场，此时电动机处于能耗制动状态，转动着的转子切割该静止磁场而产生制动转矩，使电动机迅速停止。由于旋转系统存储的动能转换成电能以热损耗的形式消耗于异步电动机的转子回路中，为防止电动机减速过程中所形成的再生发电制动以及直流制动过程中电机发热，需串入制动单元/制动电阻。而转炉拖动系统有其特点：首先，工作状态下变频器的输出频率基本在35-38HZ左右；其次，转炉系统不会频繁的启停。如图1所示为一般交流电动机制动时的机械特性曲线。①为正常工作时的曲线，②为直流制动时机械特性。设A点为正常工作点，
图1：直流制动机械特性 tdb t
①-原机械特性 ②-直流制动时机械特性图2：直流制动的设定
在变频调速通常设置的制动过程中，电动机先减速，此时同步磁场转速低于转子转速，工作点在同一转速下由曲线1的A点跳至曲线2的B点，即从第一象限过渡到第二象限，通常称之为同一转速下特性的跳转，则电机得到反方向的制动转矩Tb进入发电制动状态，拖动系统沿图1中曲线2迅速降速，当低于某一转速后，变频器输出直流，形成固定磁场，产生制动转矩。在这一过程中，电机将经过短暂的再生发电制动和能耗制动最终停止，因此需要接入制动单元/制动电阻，以防止电机发热。
从理论上分析，如果能够控制电动机同步磁场的转速缓慢下降，电动机在发生同一转速下特性跳转时，特性曲线维持在第一象限，如图1中虚线组③所示慢慢降速，不跳转至第二象限则拖动系统在降速过程中可以有效的避免再生制动过程。接下来，当电机转速在小于临界转速nk的情况下接入直流制动，并相应控制接入直流的大小和时间，理论上分析电机仅经历有限的能耗制动阶段，不会过热。而变频器良好的内、外特性保证了上述各项条件的满足。图2所示为变频器的输出频率、直流制动中电机转速随时间变化的规律，在运行信号的控制下，变频器首先缓慢连续降频，达到fDB后则开始直流制动，此时输出频率为零。在系统参数设定中系统降速时间tz、直流制动起始频率fDB、制动电流Idb和制动时间tdb的设定十分重要，直接关系到生产机械的准确定位和电动机的正常运行，我们曾以ABB、西门子、三肯等不同厂家、型号的变频器进行实验，均可满足工况要求。现以所述转炉系统所应用的西门子6SE21系列变频器为例对参数设定进行具体说明：
P372 = 1：启用直流制动功能
P373（Idb）：直流制动电流大小设定，它直接关系到制动转矩的大小，系统 惯性越大其值应越大。可选范围20%-400%的电机额定电流，我们经验值为60%左右调整。
P374（tdb）：输入直流时间。不宜过长，否则电机将过热应；但比实际停机时间应略长，否则电机将进入自由滑行状态，转炉系统中经验值取5.5S左右，應结合实际情况反复调整。可选范围：0.1-99.9S。
P375（fDB）：直流制动开始频率。如前所述，该参数应尽可能小，必须在图1曲线②中临界转速 nk以下，否则电机将过热。经验值为10HZ左右。
P373 、P374、 P375选择不当，均会引起电机过热，需在现场反复调整、测试。调整得当，生产机械将准确停止在预定位置。应特别注意，变频器输出频率由正常工作时的fx降至fDB的时间tz虽不在直流制动参数组中设置，但它的设置十分关键，如时间过短，电动机将运行至第二象限，发生再生制动，引起电机过热。此外，必须指出，需要频繁进行制动的工况不适合采用此方式。
按此方案将参数设定完成后，对系统连续进行反复的检测，电机温升正常，系统停车定位准确。可见，在类似转炉拖动系统的大惯量拖动系统变频改造中，单独运用直流制动完全可行。
结束语：
综上所述,利用变频器对类似于炼钢转炉等需要完成调速、准确停车定位等功能的大、中功率交流电机拖动系统进行改造是完全可行的。尤其是在某些情况下，可以充分开发利用变频器自身的功能，有效的降低改造成本，提高经济效益。该方案先后在四台18.5~55kw交流电机转炉拖动系统的改造中实施，仅免去购买制动单元一项就节省改造经费近6万元。在近四年的运转中，没有一次因拖动系统故障造成停炉，为企业创造了巨大的经济效益。
参考文献：
[1].SIEMENSMICROMASTER/MIDIMASTEROPERATINGINSTRUC-
TIONS.Edition 03.95
[2].杨兴瑶编著. 电动机调速的原理及系统. 北京:水利电力出版社,1995
[3].张燕宾编著.SPWM变频调速应用技术. 北京:机械工业出版社,1997
[4]ABB ACS 501变频器用户手册. 北京:ABB电气传动系统有限公司
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。