直流調速改為變頻調速的方案

牟玉龍 曹建枝 蘭州石化設備維修公司 730060

直流調速改為變頻調速的方案

牟玉龍 曹建枝 蘭州石化設備維修公司 730060

隨著交流變頻技術的不斷發展，變頻器與異步電動機的組合在調速比、穩定的轉矩輸出等性能方面已經與直流調速系統相當，完全可以滿足喂料系統、牽引系統對轉速、轉矩的高要求。本文論述了在喂料系統中，直流調速改造為交流變頻調速的計算過程和改造方案，并給出了兩種具體的設備選擇型號。

直流調速；變頻調速；恒轉矩

1 前言

某裝置喂料系統使用直流電動機帶動螺旋輸料器向擠壓機內連續輸送物料，擠壓機螺桿轉速決定輸送物料的快慢，即控制直流電動機的轉速。近一年以來，喂料系統連續發生數起停機故障，造成裝置停工。經過反復檢查分析，造成故障頻繁發生的原因是由于直流電機與直流調速器嚴重老化（其中直流電動機燒毀2次；更換碳刷3次；更換直流調速器1次），已不能滿足裝置正常運行的要求，因此，決定將直流調速系統改為交流變頻調速系統。

2 交流變頻與直流調速的對比

與直流調速系統相比，利用變頻器對交流電動機進行調速控制的交流拖動系統有許多優點，如節能、容易實現對現有電動機的調速控制、可以實現大范圍的高效連續調速控制、容易實現電動機的正反轉切換、可以進行高頻度的起停運轉、可以進行電氣制動、可以用一臺變頻器對多臺電動機進行調速控制、電源功率因數大、所需電源容量小、可以組成高性能的控制系統等等。

在此次改造中，我們主要看中了交流變頻的以下幾個優點：

a因為沒有碳刷，交流電動機更便于維護,防護等級為IP54的防爆異步電動機即可滿足現場高粉塵的環境要求；

b交流變頻器經過近幾年的迅猛發展，矢量控制的恒轉矩變頻器其負載性能已經可以與直流系統相媲美，圖一為變頻調電動機的轉矩特性，與他勵式直流電動機機械特性相似，可以做到在啟動時輸出額定轉矩。

c結構簡單，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，改為交流變頻調速系統。

3 改造前的技術準備

首先對設備進行了詳細的摸底，此套直流調速系統用于裝置的喂料系統，包括直流電機驅動器、直流電機以及減速機。直流電機型號為LAK132B，功率4 K W，電壓3 00V，電流為15.2A，轉速2400轉/分，絕緣等級為F級，防護等級為IP55；減速機型號為R83/A，轉速比為6 0，這些參數對于改造相當重要。直流電機控制方式為電樞電流反饋控制方式。由此可見，系統對于調速的精度要求并不高，采用直流系統最主要的是為了滿足恒轉矩的要求。

3.1 異步電動機的功率

根據工藝提供的資料，正常情況下裝置投料在7.3t/h時減速機輸出轉速為30轉/分，按照物料重量與轉速為線性關系推算，物料投放量在2～10t/h時減速機輸出轉速應為10～40轉/分，則相對應的電動機輸出轉速為600～2400轉/分。

在實際運行中，我們很難測定負載的轉矩，而對于恒轉矩負載，轉速在額定轉速以下調整，直流電動機的運行電流基本不變（要求小于額定電流），所以電動機的額定輸出轉矩即為負載可能出現的最大轉矩。

根據電動機銘牌參數計算出直流電動機最高轉速時輸出轉矩：

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，其轉矩為：

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

不能滿足生產裝置的要求，因此，電動機應該選用5.5KW的2極交流電動機。

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

3.2 變頻器的功率

電動機選定以后，我們就可以選擇變頻器了。首先，根據電動機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，我們必須考慮到負載為旋轉喂料系統，可以近似地看作是恒轉矩負載，而且運行中經常出現低轉速、大轉矩的情況。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 選擇合適的電機和變頻器進行改造

根據以上計算，我們選用的電機為佳木斯生產的YBPT系列5.5KW隔爆型變頻調速三相異步電動機，按照原減速機尺寸，重新加工制作電機基座（降低原高度）及電機對輪。電機冷卻風扇電源接入原直流機風扇控制系統，并與變頻器開停控制聯鎖。

變頻器采用施耐德Altivar 71系列ATV 71HU75M3（7.5KW）恒轉矩變頻器，該變頻器具有高達 220% 過力矩的性能，可以進行在線自整定 (FVC)，使用其開環磁通矢量控制功能，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要求，相應的對電氣控制柜進行了改造，因為變頻器比老型號的直流驅動器要小，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 變頻器的參數設定

施耐德Altivar 71有近540個參數，可以完成150種不同的功能。我們要針對實際的應用，參照說明書對特定的部分參數進行設定，就可以使變頻器發揮出理想的效果。并且，Altivar 71還提供了簡單啟動設定和宏設定，這樣就大大簡化了參數設定的工作。對應于本次改造的參數設定，因為其應用于恒轉矩負載，所以基本符合變頻器的出廠設定值。輸入電動機銘牌參數，進行“自整定”操作，完成后再對幾個重要參數進行修改就可以試運行了。

a由于以前的系統使用的是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”，并設定其最小值為0V。

b為了保證稱重系統的準確性，就必須使電動機盡量的快速啟動和停止，因此我們增加了“電機預磁”及“直流制動”兩項功能，確保在極短的時間內完成加減速，而不引起“過電流”和“過電壓”故障。

c以前經常發生物料結塊后在通過螺旋送料器時卡住，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定的越小越好，設定小了可能造成系統經常停車。我們可以通過螺旋送料器所能承受的最大轉矩反算出電動機的最大電流加以設定。

經過大家的努力，我們只用了1天的時間就完成了安裝和調試，新的變頻調速系統投運半年來沒有發生任何故障，完全達到了工藝的要求。

5 結束語

隨著交流變頻的不斷發展，低效率、難維護的直流調速系統必將被淘汰。對于生產中所使用的老舊直流系統，改造時一定要注意負載的特性，根據不同的負載，選用不同的電機及變頻器，在使用上述方法還不能滿足的情況下可以適當增加電機及變頻器功率；對于速度精度要求比較高的，可以考慮加裝速度反饋系統，最終一定能夠得到滿意的效果。

[1] 汪國梁主編.電機學.機械工業出版社.1981年

[2] 施耐德變頻器說明書

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.15.062