模擬傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)字化改造

模擬直流傳動(dòng)系統(tǒng)由于具有良好的速度調(diào)節(jié)、張力調(diào)節(jié)等許多控制功能，在各行各業(yè)之中發(fā)揮著重要作用，并獲得廣泛應(yīng)用。雖然不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善，控制性能和可靠性得到較大的提高，但其固有的不足和運(yùn)行多年后新出現(xiàn)的穩(wěn)定性較差、故障較高等問(wèn)題，無(wú)法從根本上得到解決。筆者認(rèn)為，其直流電動(dòng)機(jī)、整流變壓器或進(jìn)線(xiàn)電抗器、平波電抗器等仍可以利用的模擬直流傳動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)優(yōu)先采用全數(shù)字直流調(diào)速技術(shù)進(jìn)行改造。

一、可行性分析

交流變頻調(diào)速采用矢量控制或直流轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，控制性能獲得了很大的提高。交流調(diào)速系統(tǒng)還具有交流電動(dòng)機(jī)維護(hù)性好、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、調(diào)速范圍廣、系統(tǒng)功率因素高等優(yōu)點(diǎn)，有取代直流傳動(dòng)之趨勢(shì)。但是，因交直交變頻調(diào)速軟硬件更為復(fù)雜，特別是四象限運(yùn)行的交直交變頻調(diào)速裝置，不僅應(yīng)具備整流、有源逆變、無(wú)源逆變電路，且其調(diào)節(jié)控制板所采用的控制技術(shù)和硬件性能也更高，其制造費(fèi)用也就更大，所以，要求四象限運(yùn)行的電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用交直交變頻調(diào)速改造費(fèi)用也就更高。對(duì)于直流電機(jī)、整流變壓器或進(jìn)線(xiàn)電抗器、平波電抗器（Z4系列直流電動(dòng)機(jī)可不用）仍可使用的四象限運(yùn)行的模擬直流傳動(dòng)，應(yīng)優(yōu)選全數(shù)字直流調(diào)速改造方案，不僅可以提高傳動(dòng)系統(tǒng)性能，而且還節(jié)約了改造費(fèi)用。

全數(shù)字直流調(diào)速裝置與原模擬直流調(diào)速器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，控制及調(diào)節(jié)器參數(shù)可數(shù)字設(shè)定，不因電子元器件老化、溫漂、零漂等而變化，控制性能更為穩(wěn)定，應(yīng)用自適應(yīng)控制和前饋控制技術(shù)，系統(tǒng)控制精度和快速性?xún)?yōu)于模擬系統(tǒng)；第二，電動(dòng)機(jī)弱磁運(yùn)行時(shí)，電樞和勵(lì)磁可解藕控制，控制性能優(yōu)于模擬系統(tǒng)；第三，可自動(dòng)測(cè)定電動(dòng)機(jī)磁通、摩擦轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，系統(tǒng)參數(shù)可自?xún)?yōu)化，設(shè)定、使用方便靈活；第四，具有比模擬系統(tǒng)更多的保護(hù)功能，以及更多的故障顯示和診斷功能，大大提高了直流傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和維護(hù)性；第五，具有RS232、RS485串行接口，可直接于上位機(jī)連接或組成分布式控制系統(tǒng)；第六，可安裝工藝模板、通信模板等附加模板并配上專(zhuān)用軟件，或通過(guò)該機(jī)的自由連接功能，或選擇增強(qiáng)型軟件，即可完成現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信、張力、卷繞、角位移等更為復(fù)雜的控制功能，使整套控制系統(tǒng)更為簡(jiǎn)化。所以，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)還是技術(shù)角度上看，采用全數(shù)字控制技術(shù)改造模擬直流傳動(dòng)系統(tǒng)完全是可行的。

二、改造方案及實(shí)施過(guò)程

模擬直流傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)字化改造，目前主要有以下兩種方案可選用：

1.更換原有模擬直流調(diào)速器

保留原有模擬系統(tǒng)直流電機(jī)、整流變壓器及平波電抗器，選用相應(yīng)電壓電流規(guī)格的全數(shù)字直流調(diào)速裝置更換原有模擬直流調(diào)速器。

目前，在我國(guó)應(yīng)用較多的全數(shù)字直流調(diào)速器均為國(guó)外產(chǎn)品，如德國(guó)西門(mén)子6RA24、6RA70系列，意大利安薩爾多SPDM系列，英國(guó)歐陸5900系列，瑞典ABB公司DCS400、DCS500、DCS600系列等。其全數(shù)字直流調(diào)速裝置額定勵(lì)磁電流與我國(guó)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流下完全配套，如果裝置額定勵(lì)磁電流小于電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁電流，須在裝置外對(duì)勵(lì)磁電容擴(kuò)容，更換符合電流要求的功率元件。因勵(lì)磁電流多在幾安到幾十安之間，所用晶閘管觸發(fā)電流較小，全數(shù)字直流調(diào)速器內(nèi)勵(lì)磁觸發(fā)脈沖可直接使用。同時(shí)，勵(lì)磁反饋分流電阻也需調(diào)整，使輸出電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁電流時(shí)，分流電阻上的壓降等于裝置原有額定壓降，如西門(mén)子6RA24、6RA70系列勵(lì)磁反饋分流電阻上額定壓降為0.1V。安薩爾多SPDM系列直流傳動(dòng)裝置勵(lì)磁電流仍采用模擬控制，且有外部勵(lì)磁電流擴(kuò)容選件提供，擴(kuò)容也更為方便。

部分廠(chǎng)家全數(shù)字直流調(diào)速裝置電樞回路同步電源取自控制電源，如安薩爾多SPDM系列，為保證可靠觸發(fā)，控制電源與整流功率電源的相序和相位必須一致。按各廠(chǎng)家使用手冊(cè)所推薦的電路接線(xiàn)安裝，通過(guò)參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)優(yōu)化即可投入正常運(yùn)行。

2.擴(kuò)容式改造

（１）改造原理。除保留原有模擬系統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)、整流變壓器或進(jìn)線(xiàn)電抗器、平波電抗器外，還保留原系統(tǒng)功率單元及其阻容吸收電路、快速熔斷器、交直流側(cè)保護(hù)電路等，僅對(duì)原模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行改造，選用小功率的全數(shù)字直流調(diào)速裝置更換模擬調(diào)節(jié)器，利用小功率全數(shù)字直流調(diào)速裝置的調(diào)節(jié)控制單元去控制原有系統(tǒng)更大功率的功率元件，即所謂的擴(kuò)容式改造。由于同一廠(chǎng)家的全數(shù)字直流調(diào)速裝置系列產(chǎn)品采用共同的主控制板，不僅減少備件數(shù)量和培訓(xùn)要求，還給擴(kuò)容改造提供了有利條件，并可降低改造費(fèi)用。將功率單元與調(diào)節(jié)單元分離安裝的擴(kuò)容式改造后，因電子板和功率單元間的連接線(xiàn)延長(zhǎng)，系統(tǒng)的可靠性可能略有降低，但利于功率元件和電子板散熱，便于功率元件的更換，維護(hù)性更好。功率元件晶閘管是電力電子元器件，只要正確使用快速熔斷器，整流控制電路具備完善的交直流側(cè)過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)，其使用壽命是很長(zhǎng)的，且其是功率開(kāi)關(guān)元件，只要能靠導(dǎo)通和關(guān)斷，就能滿(mǎn)足直流控制系統(tǒng)要求。直流控制系統(tǒng)的性能主要取決其控制單元，所以原有模擬直流控制系統(tǒng)的晶閘管仍可正常使用。

（２）注意事項(xiàng)。首先，電樞回路直流反饋調(diào)整。將小功率全數(shù)字直流調(diào)速裝置擴(kuò)容為大功率裝置，關(guān)鍵在于，修改小功率裝置電樞電流反饋?zhàn)儞Q系數(shù)。電樞電流反饋取自電樞回路交流側(cè)電流互感器負(fù)載上的電壓值。例如，裝置達(dá)到其實(shí)額定電流時(shí)，西門(mén)子6RA系列產(chǎn)品負(fù)載電阻上的額定壓降為1.013V、安薩爾多SPDM系列為2.00V。所以，只要根據(jù)原有模擬裝置電流互感器變流比，重新配置負(fù)載電阻值，使擴(kuò)容裝置工作在額定電流時(shí)，負(fù)載電阻上的壓降仍等于額定值，即實(shí)現(xiàn)電樞電流擴(kuò)容。

其次，小功率數(shù)字直流傳動(dòng)裝置電樞電流較小，僅為幾十安培，并且晶閘管元件裝在裝置內(nèi)部，所需觸發(fā)脈沖功率較小。改造后，晶閘管工作電流將增大，且調(diào)節(jié)裝置與功率裝置傳輸距離大大延長(zhǎng)，線(xiàn)路損耗相應(yīng)提高，所需觸發(fā)脈沖功率較大，需校驗(yàn)小功率數(shù)字裝置觸發(fā)功率是否滿(mǎn)足擴(kuò)容后晶閘管觸發(fā)要求，如觸發(fā)脈沖功率不足，需外配脈沖放大電路。

第三，小功率數(shù)字直流傳動(dòng)裝置電樞輸出額定電壓多為DC400V，如果將其擴(kuò)容為輸出比DC400V更高電壓裝置時(shí)，若同步電源取自整流回路，如西門(mén)子6RA系列產(chǎn)品，必須外部增加分壓或降壓電路，使輸入裝置的同步電源電壓保持AC400V。直流側(cè)輸出電壓必須分壓處理，使輸入數(shù)字裝置的直流額定電壓為DC400V，即完成了點(diǎn)射電壓擴(kuò)容。

第四，勵(lì)磁回路擴(kuò)容。小功率數(shù)字裝置輸出額定勵(lì)磁電流為幾安培，而大功率電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流可能為幾十安培，可按上述第一種方案的勵(lì)磁電流擴(kuò)容方法進(jìn)行擴(kuò)容。

經(jīng)過(guò)上述改造以后，在硬件上具備了擴(kuò)容條件，按各廠(chǎng)家使用手冊(cè)推薦的電路接線(xiàn)安裝，通過(guò)參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)優(yōu)化即可投入正常運(yùn)行。對(duì)使用時(shí)間長(zhǎng)，穩(wěn)定性、可靠性及控制精度下降，故障率較高，而其直流電動(dòng)機(jī)、整流變壓器或進(jìn)線(xiàn)電抗器、平波電抗器等仍可正常使用的模擬直流傳動(dòng)系統(tǒng)（尤其是四象限運(yùn)行模擬直流傳動(dòng)系統(tǒng)），應(yīng)優(yōu)選全數(shù)字直流傳動(dòng)改造方案。綜合考慮改造費(fèi)用和運(yùn)行可靠性，選擇調(diào)速器整體更換或采用擴(kuò)容方式改造。模擬直流傳動(dòng)數(shù)字化改造后，整個(gè)控制系統(tǒng)將更加集成化、模塊化，其可靠性、穩(wěn)定性、快速響應(yīng)性及抗干擾能力等將獲得很大提高，大大改善直流傳動(dòng)系統(tǒng)的品質(zhì)。

（作者單位：江西冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院）