变频器直流制动功能的设计应用

    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，按该模式改造的几套转炉系统已连续稳定运转数年，提供了一种针 对传统交流拖动系统，以节能降耗、提高自动化水平为主要目的、成熟的技改方案。

2  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1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。

3  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。图1 中: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，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。

图1   直流制动机械特性

图2   直流制动的设定

    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:

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