再生制動在大功率相位摩擦焊中的應用*

趙士杰，辛 舟，b，杜 勇，尹海鵬

(蘭州理工大學a.機電工程學院;b.數字制造技術與應用省部共建教育部重點實驗室 有色冶金新裝備教育部工程研究中心，蘭州 730050)

0 引言

利用大功率摩擦焊機對鋼爪和四方鋁導桿摩擦焊接，由于四方鋁導桿在焊接時有相位角誤差要求，需要找出一種控制技術對相位角誤差控制［1］，使其相位誤差控制在±1°內。首先設定邊界條件，采用Matlab 對其相位角誤差模擬分析，分析模擬的相位誤差數值及圖形;其次搭建實驗平臺，采用再生制動控制技術對焊接的四方鋁導桿的相位角進行控制，采集數據對比分析，滿足鋁導桿相位精度要求。再生制動控制技術通常需要變頻電動機快速制動，而且再生制動技術產生較大的再生能量，需外加電阻來消耗這部分制動能量以達到快速制動［2］。現在就以再生制動在大功率摩擦焊機快速制動中的應用來對相位控制分析。

1 再生制動工作原理

電動機進入減速狀態時，電機定子電勢E超前于電壓us，功率角δ 為負值，電機運行于發電狀態。電機的反電動勢產生制動電流，即再生制動電流［3］。電機進入能耗制動狀態，轉子負載儲存的機械能轉變成電能讓外加電阻消耗掉。列出電磁轉矩Te和負載轉矩TL下電機轉速機械運動方程:

式中:J-傳動系統轉動慣量;D-粘滯系數;ω -電機角速度。

電機在電磁轉矩和負載轉矩共同作用下恒加速度減速運行，速度迅速下降［4］。

2 相位控制方法及時機選擇

采用再生制動和相位調制方法來對鋁導桿焊接相位控制，當檢測主軸轉速裝置檢測到主軸轉速為ωk及相位檢測裝置檢測到設定的相位點時，變頻器發出減速信號，電機進入主軸制動過程［5］。如圖1 所示。

圖1 三相異步電機再生制動

電機發出功率p0，通過相位調制，將輸出功率的數值轉換為周期脈沖信號的相位值［6］。此功率被線性映射為脈沖信號p與頻率脈沖信號f0間的相位差φp，實現了功率的相位調制［7］。則相位差函數:

式中:ωk為電機轉速;CT為轉矩系數;TL為負載轉矩;Te為電磁轉矩。

3 利用Matlab 仿真分析與結果對比

如下表參數所知

100 105 110 115 120 125摩擦時間(s)轉速96 92 88 84 80 72制動時間(s) 1.2 1.2 1.4 1.4 1.7 1.7轉速130 135 140 145 150 155摩擦時間(s)68 64 56 52 48 44制動時間(s)1.9 1.9 2.3 2.4 2.6 2.6

圖2 是在不同設定條件下所得出的模擬結果

圖2 不同條件下的模擬相位圖

設定轉動慣量 預頂端力、粘滯系數、摩擦、轉速、制動時間等參數的情況下，通過以上對相位誤差模擬分析可知，在接近真實情況下，相位誤差滿足精度要求。

4 實驗驗證

以φ200mm 低碳鋼圓棒和130x130mm2為實驗材料，電機參數為:額定功率為710kW，額定電流IN=693A，額定轉速NM= 34. 13rad/s，繞組電阻R=86.25Ω，繞組電感L=95Mh，極對數p=4，轉動慣量J=GD2/4g= 16. 63kg. m. s2，制動前電機轉速120r/min。采用表 1 所用的參數在連續驅動YPTZ4501-4 摩擦焊機上焊接。

如下圖3 所示

圖3 實驗平臺及實驗結果

如下圖4 所示，實驗值和模擬值在轉速下的相位誤差值。

圖4 轉速和相位角關系

當其他條件不變時，改變電機的轉速及摩擦時間來測定相位誤差。由于摩擦時間的影響比較小，主軸轉速是對角度差主要的影響，轉速越小，相位角的誤差越容易控制，而隨著轉速的增加，焊接件的角度誤差逐漸變大。

通過以上模擬及實驗值知，部分參數轉速、預頂端壓力、摩擦時間、制動時間及頂端時間等參數設定后，通過改變電機的轉速，來對相位誤差進行控制，通過對比分析，當其他參數滿足焊接要求，電動機轉速接近ωk=120r/min 時，此時相位誤差接近+0.5°，且焊接件溫度、強度都符合大功率摩焊接相位控制要求。

5 結論

再生制動在剎車制動的過程中產生電能［8］，這部分再生能量通過外加電阻給消耗掉，從而使轉子快速精確制動。通過設定轉速、預頂端壓力、摩擦時間、制動時間、頂端時間、頂端壓力等參數，對模擬數據分析及大功率摩擦焊機實驗可知，其中轉速是影響相位誤差最主要的參數，改變制動轉速來對相位誤差做實驗，當轉速接近ωK=120r/min 時，大功率摩擦焊接相位的誤差在+0.5°內，達到了再生制動相位控制大功率摩擦焊機精度的誤差要求。

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