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1.前 言
直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)在19世紀(jì)先后誕生。由于直流傳動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)磁調(diào)速，并有成熟的控制理論和控制系統(tǒng)，可以滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展不斷提出的寬調(diào)速、高精度和快速響應(yīng)的要求，所以在20世紀(jì)的大部分年代里，高性能的調(diào)速系統(tǒng)都采用直流調(diào)速傳動(dòng)，而約占電氣傳動(dòng)總?cè)萘?0%的不變速電氣傳動(dòng)則采用交流電氣傳動(dòng)，這種分工在一段時(shí)間里已成為舉世公認(rèn)的格局。交流調(diào)速傳動(dòng)的控制原理很早被確立，異步電機(jī)降電壓調(diào)速，繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等雖已實(shí)用化，但在調(diào)速范圍、穩(wěn)定性、可靠性和維修性等方面有些不足，應(yīng)用范圍受到限制。1965年以后，由于電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，伴隨著新的控制理論的提出與完善，使交流調(diào)速傳動(dòng)，尤其是性能優(yōu)異的變頻調(diào)速傳動(dòng)得到飛速的發(fā)展。繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的串級(jí)調(diào)速，采用變頻器的無(wú)換向器電機(jī)調(diào)速，籠型異步電機(jī)的變頻調(diào)速等依次實(shí)用化，完成了以變頻調(diào)速為主流的交流調(diào)速傳動(dòng)的基礎(chǔ)�，F(xiàn)代矢量技術(shù)的應(yīng)用，使交流調(diào)速傳動(dòng)也具備了直流調(diào)速傳動(dòng)的高性能。直流電機(jī)的換向器是它的主要薄弱環(huán)節(jié)，它使直流電機(jī)的單機(jī)容量、過(guò)載能力、最高電壓和最高轉(zhuǎn)速等重要技術(shù)指標(biāo)受到限制，也給直流電機(jī)的制造和維護(hù)帶來(lái)了不少麻煩，這些缺點(diǎn)，在很大程度上限制了直流電機(jī)的應(yīng)用。交流變頻調(diào)速傳動(dòng)中的籠型異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)性能好，其單機(jī)容量、電壓等級(jí)和最高轉(zhuǎn)速等技術(shù)指標(biāo)，均優(yōu)于直流電機(jī)。目前，高性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)已完全可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，而且可以在直流電機(jī)無(wú)法應(yīng)用的場(chǎng)合使用。直流調(diào)速傳動(dòng)一統(tǒng)天下的舊格局已被打破，用交流調(diào)速傳動(dòng)取代直流調(diào)速傳動(dòng)已成為可能。
2 龍門(mén)銑床直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造的必要性
我廠用于道岔加工的龍門(mén)銑床調(diào)速系統(tǒng)采用三相半控橋不可逆直流拖動(dòng)，分為工作臺(tái)、左主軸和右主軸三個(gè)進(jìn)給方向。這臺(tái)機(jī)床的電控系統(tǒng)運(yùn)行已有十余年，直流調(diào)速插板已嚴(yán)重老化，加之插板之間的連線多，由導(dǎo)線虛接造成故障日漸增多，維修成本不斷上升。此臺(tái)龍門(mén)銑床的調(diào)速系統(tǒng)急待改造。
近年來(lái)，交流變頻調(diào)速傳動(dòng)的發(fā)展日新月異，它的優(yōu)異的調(diào)速性能已能取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)。而且，隨著電子元器件的發(fā)展，變頻器的價(jià)格不斷降低，經(jīng)濟(jì)性價(jià)比，不斷上升，也給它的應(yīng)用提供了日益廣闊的市場(chǎng)。我們?cè)敿?xì)分析比較了直流調(diào)速系統(tǒng)與交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，采用變頻器改造原調(diào)速系統(tǒng)，可帶來(lái)以下好處： 信息來(lái)自:輸配電設(shè)備網(wǎng)
(1)簡(jiǎn)化控制線路
變頻器的使用極為方便，可通過(guò)其外圍的少數(shù)幾個(gè)，控制端子進(jìn)行全范圍控制。變頻器內(nèi)部有完善的保護(hù)措施，無(wú)須在其外圍線路中設(shè)計(jì)各種保護(hù)電路。由于變頻器的正反向運(yùn)行是通過(guò)控制端子來(lái)改變逆變器的輸出相位來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此可以比原直流調(diào)速系統(tǒng)少兩個(gè)大型直流接觸器。采用具有無(wú)速度傳感器的矢量控制變頻器后，還可以去掉用作轉(zhuǎn)速反饋的速度傳感器，使控制線路大為簡(jiǎn)化。
(2)可以采用標(biāo)準(zhǔn)籠型異步電機(jī)
采用籠型異步電機(jī)可以充分發(fā)揮它堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，避免直流電機(jī)定期更換、維護(hù)電刷和換向器的麻煩。
(3)調(diào)試方便
變頻器的各種運(yùn)行參數(shù)調(diào)試通過(guò)智能化鍵盤(pán)和顯示器來(lái)完成，設(shè)置方便，更改靈活，調(diào)試時(shí)間短。傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試涉及到觸發(fā)脈沖相位調(diào)整，放大板PI整定，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)試等多項(xiàng)參數(shù)的綜合統(tǒng)調(diào)，調(diào)試難度大，時(shí)間長(zhǎng)，且不易達(dá)到最優(yōu)控制。
3 變頻器的選擇
變頻器的正確選用對(duì)于機(jī)械設(shè)備電控系統(tǒng)的正常運(yùn)行是至關(guān)重要的。選擇變頻器，首先要按照機(jī)械設(shè)備的類(lèi)型、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，然后決定選用何種控制方式的變頻器最合適。所謂合適是在滿足機(jī)械設(shè)備的實(shí)際工藝生產(chǎn)要求和使用場(chǎng)合的前提下，實(shí)現(xiàn)變頻器應(yīng)用的最佳性價(jià)比。
3.1 機(jī)械設(shè)備的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性
人們?cè)趯?shí)踐中常將生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的不同，分為三大類(lèi)型：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和流體類(lèi)負(fù)載。
(1)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載
在這類(lèi)負(fù)載中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n無(wú)關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下TL總保持恒定或基本恒定，負(fù)載功率則隨著負(fù)載速度的增高而線形增加。傳送帶、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)和機(jī)械設(shè)備的進(jìn)給機(jī)構(gòu)等摩擦類(lèi)負(fù)載以及起重機(jī)、提升機(jī)、電梯等重力負(fù)載，都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。
變頻器拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載時(shí)，低速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩要足夠大，并且要有足夠的過(guò)載能力。如果需要在低速下長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)速運(yùn)行，應(yīng)該考慮標(biāo)準(zhǔn)籠型異步電動(dòng)機(jī)的散熱能力，避免電動(dòng)機(jī)溫升過(guò)高。
(2)恒功率負(fù)載
這類(lèi)負(fù)載的特點(diǎn)是需求轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n大體成反比，但其乘積即功率卻近似保持不變。金屬切削機(jī)床的主軸和軋機(jī)、造紙機(jī)、薄膜生產(chǎn)線中的卷取機(jī)、開(kāi)卷機(jī)等，都屬于恒功率負(fù)載。
負(fù)載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)速度很低時(shí)，受機(jī)械強(qiáng)度的限制，TL不可能無(wú)限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。負(fù)載的恒功率區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對(duì)傳動(dòng)方案的選擇有很大的影響。電動(dòng)機(jī)在恒磁通調(diào)速時(shí)，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速;而在弱磁調(diào)速時(shí)，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩與速度成反比，屬于恒功率調(diào)速。如果電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速的范圍與負(fù)載的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率范圍相一致時(shí)，即所謂“匹配”的情況下，電動(dòng)機(jī)的容量和變頻器的容量均最小。 信
(3)流體類(lèi)負(fù)載
這類(lèi)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。各種風(fēng)機(jī)、水泵和油泵，都屬于典型的流體類(lèi)負(fù)載。
流體類(lèi)負(fù)載通過(guò)變頻器調(diào)速來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量，可以大幅度節(jié)約電能。由于流體類(lèi)負(fù)載在高速時(shí)的需求功率增長(zhǎng)過(guò)快，與負(fù)載轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以不應(yīng)使這類(lèi)負(fù)載超工頻運(yùn)行。
3.2 變頻器的控制方式
現(xiàn)在市場(chǎng)上出售的變頻器種類(lèi)繁多，功能也日益強(qiáng)大，變頻器的性能也越來(lái)越成為調(diào)速性能優(yōu)劣的決定因素，除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外，對(duì)變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。附表列出了近年來(lái)各種變頻器控制方式的性能特點(diǎn)。
綜上所述，異步電動(dòng)機(jī)變頻控制選用不同的控制方法，就可得到不同性能特點(diǎn)的調(diào)速特性。
同時(shí)，調(diào)頻控制根據(jù)不同的控制方法，就可得到不同類(lèi)型的機(jī)械特性�；l
