論抱閘控制在變頻調速系統中的重要性

王超

摘要：三鼓一次法成型機中的成型鼓和卸胎機構往往由帶有電磁抱閘機構的三相異步交流電機作為動力來源，由變頻器調速。由于前者旋轉時轉動慣量較大，后者的負載重力較大，所以抱閘的控制與電機動作配合時機非常關鍵。本文通過分析成型鼓和卸胎機構不同工作段時的力矩表現，論證了抱閘控制在變頻調速系統中的重要性，以羅克韋爾40變頻器為例，簡單介紹變頻器內部抱閘控制邏輯及如何設置參數的問題。

關鍵詞：變頻調速;抱閘控制;參數

在工業自動化行業中，帶有抱閘機構的電機占據了比較大的比例，抱閘控制投入的時機直接關系到設備的運行性能。在一些特定應用場景下，不正確的抱閘控制甚至會引發嚴重的安全事故。相較于能耗制動、直流制動、第三方制動等制動手段，由變頻器自帶的抱閘控制功能具有更高效、更便捷、更節能等優勢。

1 成型鼓和卸胎機構簡介

三鼓一次法成型機是輪胎企業生產胎坯的專用設備，是輪胎經硫化出成品前的最后一道工藝。成型鼓是成型工藝的最后一步滾壓成型的設備，卸胎器是將成型后的胎坯運載至胎坯車的設備。具體工藝流程及功能如下：

1.1成型鼓：將貼合鼓產出的胎筒和輔助鼓產出的胎面符合滾壓的設備，。其工作形式類似于金屬加工機床的主軸，主要功能是變速旋轉，由三相交流異步電機傳動，不同滾壓部位對應不同轉速，鼓體具有較大質量。

1.2 卸胎器：胎坯在成型鼓上壓合完畢后，卸胎器平移至成型鼓軸端，胎面傳遞環夾持胎坯放至卸胎器懸臂上，卸胎器將胎坯提升平移至卸胎車，之后下降將胎坯卸載。常見類型為懸臂型，由兩個三相交流異步電機分別作為平移和提升的動力來源。

2 抱閘控制邏輯分析

2.1 成型鼓

成型鼓旋轉時轉動慣量較大，即使沒有精準定位的需求，仍然不能采用自由滑行的停車方式，在旋轉開始和旋轉停止時需要抱閘控制介入。其負載類型屬于恒功率負載，此類負載特性為：功率保持不變，隨著轉速增加，轉矩減小;隨著轉速減小，轉矩增大。

旋轉開始和停止時，抱閘動作應同步于電機啟動和停止，不能滯后或超前。加速時低轉速狀態下的成型鼓需要的啟動轉矩較大，減速時成型鼓對電機作用的力矩隨轉速降低而逐漸增大，此時若加速狀態抱閘打開滯后于電機啟動，和減速時抱閘閉合超前于電機停止，那么成型鼓的旋轉對電機作用的力矩可能超過電機的過載能力，出現堵轉和變頻器報警，影響正常工作。斜坡時間設置的越短，滯后或超前時間越長，越容易出現故障，影響電機和變頻器的使用壽命。

2.2 卸胎機構

懸臂卸胎器的平移和提升動作代表了恒轉矩負載包含的兩個分類：反抗性恒轉矩負載和位能性恒轉矩負載，因此我們分開說明：

2.2.1 卸胎機構平移

此類反抗性恒轉矩負載的標志特性為：電機轉矩隨旋轉方向變化而變化。其抱閘控制與恒功率負載相似。

短距離平移類動作一般包含著精準定位的要求，電機的啟停要盡量精準，所以抱閘的控制要與電機的啟停同步，滿足定位精準的要求的同時，也避免了抱閘超前或滯后造成平移機構動能對電機作用的力矩超過電機的過載能力，或出現溜車現象，引發堵轉或增強機械沖擊，頻繁引發變頻器報警，影響正常工作和縮短設備使用壽命。

2.2.2 卸胎機構升降

此類位能性恒轉矩負載的標志特性為：電機轉矩不隨旋轉方向變化而變化。在提升機上升或下降時，負載（懸臂及胎坯重量）力矩與電機轉矩的方向保持不變。以下通過分析提升電機的不同動作確定抱閘控制的時機：

2.2.2.1 負載上升和下降初始

負載對電機有反向力矩，提升電機停止時，抱閘閉合，負載重力由機械結構及抱閘承擔，電機運行時，抱閘打開，負載重力會轉而傳導作用在升降電機上。由于抱閘本身動作帶有一定遲滯，電機加速存在響應時間，若抱閘打開后一瞬間電機沒有輸出大于等于負載力矩的有效轉矩，那么負載會下滑或墜落，造成變頻器報警，也容易引發安全事故。為防止此類問題出現，需啟用變頻器自帶的抱閘控制功能，抱閘打開滯后一定時間，即變頻器以設定最小頻率運行設定時間后抱閘打開，保證轉矩過渡平穩。滯后時間應盡量縮短，以負載不出現下滑或墜落為準。

2.2.2.2 上升停止和下降停止

手動控制卸胎機構升降停止或自動運行至限位傳感器，變頻器轉矩輸出即將停止，負載力矩保持不變，由于抱閘動作的遲滯性，如果抱閘閉合同步或滯后于電機停止，電機轉矩輸出停止時抱閘未能完全閉合，那么負載就會下滑或墜落。所以此時應啟用變頻器抱閘控制功能，且抱閘閉合應超前于電機停止，之后變頻器以設定最小頻率運行至設定時間后停止，負載力矩作用對象轉移前保持電機平穩輸出轉矩。超前時間應盡量縮短，以負載不出現下滑或墜落為準。

3 抱閘電路設計

圖3.1示意了變頻器的抱閘控制原理，抱閘機構由交流220V驅動，經電機內部抱閘整流單元整流后控制抱閘線圈，變頻器DO點輸出直流24V經過中間繼電器控制交流220V電源的通斷，變頻器輸出信號可選擇繼電器輸出或光電耦合輸出。

4 變頻器參數設置

以羅克韋爾40變頻器為例，通過RSNetWorx軟件設置關鍵參數。設置變頻器停止模式P037為Ramp+EM Brk（斜坡+電磁閘制動），設置P034最小頻率為2Hz，A058光電耦合輸出1設置為EM Brk Cntrl（電磁抱閘制動控制），A160和A161電磁閘制動關閉和開啟延遲設置為0.5秒。

啟用了變頻器的抱閘控制功能后，在一個完整運動周期內抱閘的控制時序如圖4.1。變頻器以P034設置的最小頻率啟動直到A160設置的時間到達，抱閘開啟，此時電機已穩定輸出轉矩，負載不會下滑;經過斜坡加速、穩定頻率和斜坡減速后，抱閘關閉，變頻器保持P034設置的最小頻率輸出，直至A161設置的時間到達，變頻器完全停止。

其它品牌變頻器抱閘控制功能的參數設置與本例相似，均可實現電機輸出轉矩與抱閘動作配合無縫銜接的目的。

5 總結

啟用了變頻器的抱閘控制功能以后，設備工作性能及可靠性有了很大改善。如果忽略了抱閘控制時機，僅由變頻器的啟停或PLC程序來簡單控制抱閘，輕則不能實現既定目標任務，導致變頻器報警，影響正常作業，重則具有一定重量的負載無法停車或保持停止狀態，引發人身傷害等安全事故。由此可見，精準的抱閘控制時機對變頻調速系統非常重要。

參考文獻

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