橡膠擠出設(shè)備直流調(diào)速系統(tǒng)改造

于　生

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007）

橡膠擠出設(shè)備直流調(diào)速系統(tǒng)改造

于生

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007）

為解決某橡膠擠出設(shè)備直流驅(qū)動(dòng)故障，進(jìn)行了一次調(diào)速系統(tǒng)改造。介紹了直流調(diào)速工作原理及系統(tǒng)電路組成，并著重闡述為解決故障實(shí)施的方案。系統(tǒng)改造后性能穩(wěn)定、操作方便，為類似設(shè)備的升級(jí)改造提供了借鑒。

直流電動(dòng)機(jī)；調(diào)速；系統(tǒng)；改造

直流電動(dòng)機(jī)雖不及交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維護(hù)方便，但由于早期交流調(diào)速一直未得到滿意解決，而直流電動(dòng)機(jī)具有交流電動(dòng)機(jī)所不能比擬的良好起動(dòng)和調(diào)速性能，早期對(duì)速度要求高的行業(yè)企業(yè)中，直流調(diào)速仍占有重要地位。某公司從國外引進(jìn)的一條二手密實(shí)橡膠制品生產(chǎn)線，擠出設(shè)備的螺桿由一臺(tái)功率為175 kW的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)。使用幾年后調(diào)速發(fā)生故障，表現(xiàn)為：主回路上電后，操作人員調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速給定，電機(jī)不能穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，聲音異常，轉(zhuǎn)速表指針抖動(dòng)嚴(yán)重。由于轉(zhuǎn)速不能穩(wěn)定控制，導(dǎo)致螺桿擠出量不均勻，影響了正常生產(chǎn)。

針對(duì)存在故障，維護(hù)人員本著“由外至內(nèi)”的思路，對(duì)系統(tǒng)外圍電路及直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行逐次排查。排查顯示主回路電源正常，不缺相；三相平波電抗器直流阻抗平衡，對(duì)地絕緣符合要求；調(diào)速電位器無開路，給定信號(hào)正常；勵(lì)磁電壓正常、無弱磁；測速發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)良好，輸出電壓平穩(wěn)無跳動(dòng)；速度負(fù)反饋極性正確，無掉線；直流電動(dòng)機(jī)自身無異常。在排除外圍可能故障后，對(duì)直流調(diào)速器進(jìn)行分解檢測，最后發(fā)現(xiàn)問題出在控制器的觸發(fā)電路：由于觸發(fā)單元集成電路損壞，可控硅未按要求受控導(dǎo)通，從而引起整流輸出失控，電樞電壓脈動(dòng)嚴(yán)重，導(dǎo)致直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。故障直流調(diào)速器是國外上世紀(jì)80年代產(chǎn)品，具體型號(hào)和生產(chǎn)廠家不明，損壞電路既無資料可供分析，也無廠家技術(shù)支持，維修難度很大。針對(duì)上述情況，為盡快恢復(fù)生產(chǎn)，最后決定對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行替代改造。

要實(shí)現(xiàn)擠出設(shè)備的調(diào)速系統(tǒng)改造，首先需要了解系統(tǒng)工作原理和電路組成，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合備選調(diào)速器的性能、供貨、售價(jià)、服務(wù)及改動(dòng)工作量等綜合因素考慮選型。下面，先對(duì)直流調(diào)速原理及系統(tǒng)電路做簡要介紹。

1　直流調(diào)速系統(tǒng)

1.1直流調(diào)速原理

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)有三種控制方法：變阻調(diào)速、弱磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速。變阻調(diào)速是采用調(diào)節(jié)電樞回路電阻值使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，屬于有級(jí)調(diào)速，調(diào)速曲線平滑性不好；弱磁調(diào)速是在一定基速基礎(chǔ)上通過降低勵(lì)磁電壓，使勵(lì)磁磁通減少導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，這種方法調(diào)速范圍有限；調(diào)壓調(diào)速通過連續(xù)改變電機(jī)電樞電壓值實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，具有調(diào)速指標(biāo)（調(diào)速范圍、靜差率）優(yōu)異，調(diào)速曲線平滑等特點(diǎn)［1-2］，是直流調(diào)速的首選方案。

直流電動(dòng)機(jī)電樞調(diào)壓調(diào)速見圖1.

圖1　直流電動(dòng)機(jī)電樞回路

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：n=（Ud-IdRd）/CeΦ（1）

直流電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)：E=CeΦn（2）

式（1）中，Ud為加在電樞兩端的直流電壓；Rd為電樞回路直流電阻，理想情況下Rd值很小，IdRd可以忽略不計(jì)；Ud為電樞回路直流電流；CeΦ為直流電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。由式（1）、式（2）可知，在磁通Φ恒定、電樞回路直流電阻Rd忽略不計(jì)的理想情況下，直流電動(dòng)機(jī)電樞端電壓Ud與轉(zhuǎn)速n成正比，即Ud∝n.所以，連續(xù)改變Ud即可實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的無級(jí)調(diào)節(jié)。

1.2調(diào)速系統(tǒng)電路

擠出設(shè)備調(diào)速系統(tǒng)電路見圖2.

圖2　擠出設(shè)備調(diào)速系統(tǒng)電路圖

直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，合上三相動(dòng)力電源，使調(diào)速器控制電源、電機(jī)冷卻風(fēng)扇及勵(lì)磁回路處于工作狀態(tài)，隨后按下“開機(jī)”按鈕，在回路相應(yīng)保護(hù)裝置（如磁場電流繼電器、冷卻風(fēng)機(jī)電流繼電器、壓力傳感器、調(diào)速器內(nèi)部安全開關(guān)等現(xiàn)場保護(hù)元器件）檢測正常后，延時(shí)數(shù)秒回路主接觸器5C2.1吸合并自保，通過三相平波電抗器2K2.1平波，三相動(dòng)力電源經(jīng)AK1、AK3、AK5端送入直流調(diào)速器內(nèi)部。主接觸器吸合后，將轉(zhuǎn)換開關(guān)5b3.1至“調(diào)速”位（轉(zhuǎn)速“上升”/“下降”），調(diào)速電位器伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5m4.1得電工作，帶動(dòng)電位器RP滑動(dòng)端轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出變化的給定電壓。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5m4.1可以看作是兩個(gè)單相小電機(jī)的復(fù)合，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)5b3.1處于“上升”狀態(tài)時(shí)，控制“增速”的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電位RP器給定電壓增加，調(diào)速器內(nèi)可控硅導(dǎo)通角加大，整流輸出電壓增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，測速反饋電壓與給定電壓之差為零時(shí)，電機(jī)工作在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)5b3.1處于“下降”狀態(tài)時(shí)，控制“減速”的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電位器RP給定電壓下降，調(diào)速器內(nèi)可控硅導(dǎo)通角減小，整流輸出電壓降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，測速反饋電壓與給定電壓之差為零時(shí)，電機(jī)工作在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速狀態(tài)。為預(yù)防調(diào)速電位器RP動(dòng)端轉(zhuǎn)動(dòng)至極限位置發(fā)生“堵轉(zhuǎn)”情況，伺服電機(jī)控制回路中設(shè)有“上限”與“下限”微動(dòng)開關(guān)，確保RP滑動(dòng)端到極限位時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)停止。回路主接觸器5C2.1斷開時(shí)，其常閉控制觸點(diǎn)吸合，“回零”電路接通，控制“減速”的伺服電機(jī)工作，使調(diào)速電位器動(dòng)端轉(zhuǎn)動(dòng)至零給定處，此時(shí)速度給定信號(hào)為零，直流電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

2　系統(tǒng)改造方案

2.1調(diào)速器選型

故障調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)銘牌定額如下：額定電樞電壓440 V，額定電流426 A，功率175 kW；經(jīng)過性價(jià)比對(duì)照，并充分考慮現(xiàn)場實(shí)際，最后決定選用英國歐陸（Eurotherm）傳動(dòng)裝置有限公司生產(chǎn)的SS1-591直流調(diào)速器。針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)銘牌定額參數(shù)，新直流調(diào)速器容量為190 kW，額定電流450 A.

2.2新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

歐陸SS1-591直流調(diào)速器采用的是靜、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，有ASR、ACR兩個(gè)PI（比例積分）調(diào)節(jié)器，分別用于轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)，二者串級(jí)連接。系統(tǒng)工作時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制可控硅的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，稱為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，稱為外環(huán)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：直流電動(dòng)機(jī)通電后，由于主回路電感的作用，電樞電流不能突變，起動(dòng)時(shí)間較長。為了實(shí)現(xiàn)在允許過載條件下的最快加速度起動(dòng)，縮短起動(dòng)時(shí)間，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，因此采用電流負(fù)反饋就應(yīng)能得到近似的恒流過程［1］；當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到一定速度后，按控制要求電樞電流應(yīng)立即降低下來，使輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)僅需要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。為解決轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別在不同階段各自起的主導(dǎo)作用，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)是最佳的控制模型，它通過電流內(nèi)環(huán)負(fù)反饋可得到理想的起動(dòng)特性，通過轉(zhuǎn)速外環(huán)負(fù)反饋獲得優(yōu)異的調(diào)速靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

新調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖3.

圖3　歐陸SS1-591直流調(diào)速器結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖中，ASR表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ACR表示電流調(diào)節(jié)器；TG表示測速發(fā)電機(jī)；TA表示電流互感器；GT表示觸發(fā)裝置分別表示轉(zhuǎn)速給定電壓信號(hào)、轉(zhuǎn)速反饋電壓信號(hào)分別表示電流給定電壓信號(hào)、電流負(fù)反饋電壓信號(hào)。

2.3電路改動(dòng)

新系統(tǒng)在選型時(shí)充分考慮了原有電路組成情況，本著節(jié)約原則，系統(tǒng)改造過程中工作正常的元器件仍加以使用。但是，新、舊直流調(diào)速器差異較大，對(duì)應(yīng)的外圍電路需做必要改動(dòng)。

新系統(tǒng)改造后的電路組成見圖4.

圖4　新系統(tǒng)整改電路

新系統(tǒng)上電后，在安全監(jiān)控一切正常條件下，調(diào)速控制器B1-B6端輸出直流24 V電壓，新增中間繼電器KA2得電吸合，原控制電路中“工作允許”繼電器4d5.1得電吸合，使調(diào)速器C5-C9端短接，建立調(diào)速器工作“使能允許”條件；4d5.1吸合同時(shí)時(shí)間繼電器5d1.1也得電，5d1.1常開時(shí)間觸點(diǎn)閉合，使新增時(shí)間繼電器KT的線圈得電吸合，延時(shí)3～4 s后其常開觸點(diǎn)閉合，調(diào)速器C9-C3端短接，建立調(diào)速器“起動(dòng)/運(yùn)行”條件；此時(shí)如接上電機(jī)負(fù)載，調(diào)速器D5-D6端就輸出交流220 V電壓，使新增中間繼電器KA1得電吸合，由于KA1的常開觸點(diǎn)串接在主接觸器5C2.1線圈支路中，故當(dāng)KA1常開觸點(diǎn)閉合時(shí)，主接觸器5C2.1得電吸合，調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)力回路接通。此時(shí)，操作人員通過改變電位器RP給定電壓，就可控制實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。

2.4現(xiàn)場調(diào)試

新直流調(diào)速器到貨后，相關(guān)人員應(yīng)認(rèn)真閱讀產(chǎn)品使用說明資料。系統(tǒng)第一次上電前，調(diào)試人員必須先對(duì)調(diào)速器內(nèi)部控制板上的撥碼開關(guān)進(jìn)行預(yù)置，使調(diào)速器輸出的電樞電壓、電樞電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流以及反饋系統(tǒng)測速發(fā)電機(jī)種類、測速發(fā)電電壓等指標(biāo)與現(xiàn)場直流電動(dòng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)相匹配。另外，調(diào)試時(shí)還必須注意接直流電動(dòng)機(jī)（或假負(fù)載），否則調(diào)速器內(nèi)部零電流檢測保護(hù)會(huì)動(dòng)作，調(diào)速器報(bào)警顯示，輸出封鎖。

3　結(jié)束語

本文對(duì)某橡膠擠出設(shè)備直流驅(qū)動(dòng)故障進(jìn)行了一次調(diào)速系統(tǒng)改造，新系統(tǒng)改造完后投入使用，設(shè)備控制正常，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，橡膠制品擠出截面形狀符合工藝要求，調(diào)速系統(tǒng)重新恢復(fù)可靠運(yùn)行。至此，密實(shí)橡膠擠出設(shè)備直流調(diào)速系統(tǒng)改造取得圓滿成功，并為后續(xù)類似系統(tǒng)的技改革新提供了借鑒。

［1］阮毅，陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)──運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］馮秀清，鄧星鐘.機(jī)電傳動(dòng)控制［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，2011.

Transformation of DC Speed ControlSystem for Rubber Extrusion Equipment

YU Sheng
（Guangxi Technological College of Machinery and Electricity，Nanning Guangxi 530007，China）

In order to solve the DC drive failure of a rubber extrusion device，a speed adjusting system wasmade. This paper introduces the working principle of DC speed regulation and the composition of the system circuit，and emphatically expounds the scheme of solving the trouble.After the system transformation，the performance is stable and the operation is convenient，which provides the reference for the similar equipment upgrade.

direct—currentmotor；speed regulation；system；transformation

TP205

B

1672-545X（2016）05-0174-03

2016-02-04

于生（1972-），男，山東萊州人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用。