橡膠擠出設備直流調速系統改造

于　生

（廣西機電職業技術學院，廣西南寧530007）

橡膠擠出設備直流調速系統改造

于生

（廣西機電職業技術學院，廣西南寧530007）

為解決某橡膠擠出設備直流驅動故障，進行了一次調速系統改造。介紹了直流調速工作原理及系統電路組成，并著重闡述為解決故障實施的方案。系統改造后性能穩定、操作方便，為類似設備的升級改造提供了借鑒。

直流電動機；調速；系統；改造

直流電動機雖不及交流電動機結構簡單、制造容易、維護方便，但由于早期交流調速一直未得到滿意解決，而直流電動機具有交流電動機所不能比擬的良好起動和調速性能，早期對速度要求高的行業企業中，直流調速仍占有重要地位。某公司從國外引進的一條二手密實橡膠制品生產線，擠出設備的螺桿由一臺功率為175 kW的直流電動機調速驅動。使用幾年后調速發生故障，表現為：主回路上電后，操作人員調節轉速給定，電機不能穩態運行，聲音異常，轉速表指針抖動嚴重。由于轉速不能穩定控制，導致螺桿擠出量不均勻，影響了正常生產。

針對存在故障，維護人員本著“由外至內”的思路，對系統外圍電路及直流電動機進行逐次排查。排查顯示主回路電源正常，不缺相；三相平波電抗器直流阻抗平衡，對地絕緣符合要求；調速電位器無開路，給定信號正常；勵磁電壓正常、無弱磁；測速發電機工作狀態良好，輸出電壓平穩無跳動；速度負反饋極性正確，無掉線；直流電動機自身無異常。在排除外圍可能故障后，對直流調速器進行分解檢測，最后發現問題出在控制器的觸發電路：由于觸發單元集成電路損壞，可控硅未按要求受控導通，從而引起整流輸出失控，電樞電壓脈動嚴重，導致直流電動機轉速不穩。故障直流調速器是國外上世紀80年代產品，具體型號和生產廠家不明，損壞電路既無資料可供分析，也無廠家技術支持，維修難度很大。針對上述情況，為盡快恢復生產，最后決定對調速系統進行替代改造。

要實現擠出設備的調速系統改造，首先需要了解系統工作原理和電路組成，并在此基礎上結合備選調速器的性能、供貨、售價、服務及改動工作量等綜合因素考慮選型。下面，先對直流調速原理及系統電路做簡要介紹。

1　直流調速系統

1.1直流調速原理

直流電動機轉速調節有三種控制方法：變阻調速、弱磁調速和調壓調速。變阻調速是采用調節電樞回路電阻值使轉速發生變化，屬于有級調速，調速曲線平滑性不好；弱磁調速是在一定基速基礎上通過降低勵磁電壓，使勵磁磁通減少導致電機轉速增大，這種方法調速范圍有限；調壓調速通過連續改變電機電樞電壓值實現無級調速，具有調速指標（調速范圍、靜差率）優異，調速曲線平滑等特點［1-2］，是直流調速的首選方案。

直流電動機電樞調壓調速見圖1.

圖1　直流電動機電樞回路

直流電動機轉速：n=（Ud-IdRd）/CeΦ（1）

直流電動機反電動勢：E=CeΦn（2）

式（1）中，Ud為加在電樞兩端的直流電壓；Rd為電樞回路直流電阻，理想情況下Rd值很小，IdRd可以忽略不計；Ud為電樞回路直流電流；CeΦ為直流電動機反電動勢常數。由式（1）、式（2）可知，在磁通Φ恒定、電樞回路直流電阻Rd忽略不計的理想情況下，直流電動機電樞端電壓Ud與轉速n成正比，即Ud∝n.所以，連續改變Ud即可實現直流電動機轉速n的無級調節。

1.2調速系統電路

擠出設備調速系統電路見圖2.

圖2　擠出設備調速系統電路圖

直流電動機工作時，合上三相動力電源，使調速器控制電源、電機冷卻風扇及勵磁回路處于工作狀態，隨后按下“開機”按鈕，在回路相應保護裝置（如磁場電流繼電器、冷卻風機電流繼電器、壓力傳感器、調速器內部安全開關等現場保護元器件）檢測正常后，延時數秒回路主接觸器5C2.1吸合并自保，通過三相平波電抗器2K2.1平波，三相動力電源經AK1、AK3、AK5端送入直流調速器內部。主接觸器吸合后，將轉換開關5b3.1至“調速”位（轉速“上升”/“下降”），調速電位器伺服驅動機構5m4.1得電工作，帶動電位器RP滑動端轉動，輸出變化的給定電壓。驅動機構5m4.1可以看作是兩個單相小電機的復合，當轉換開關5b3.1處于“上升”狀態時，控制“增速”的伺服電機轉動，電位RP器給定電壓增加，調速器內可控硅導通角加大，整流輸出電壓增大，電機轉速上升，測速反饋電壓與給定電壓之差為零時，電機工作在穩定轉速狀態；當轉換開關5b3.1處于“下降”狀態時，控制“減速”的伺服電機轉動，電位器RP給定電壓下降，調速器內可控硅導通角減小，整流輸出電壓降低，電機轉速下降，測速反饋電壓與給定電壓之差為零時，電機工作在穩定轉速狀態。為預防調速電位器RP動端轉動至極限位置發生“堵轉”情況，伺服電機控制回路中設有“上限”與“下限”微動開關，確保RP滑動端到極限位時伺服驅動停止。回路主接觸器5C2.1斷開時，其常閉控制觸點吸合，“回零”電路接通，控制“減速”的伺服電機工作，使調速電位器動端轉動至零給定處，此時速度給定信號為零，直流電動機停轉。

2　系統改造方案

2.1調速器選型

故障調速系統直流電動機銘牌定額如下：額定電樞電壓440 V，額定電流426 A，功率175 kW；經過性價比對照，并充分考慮現場實際，最后決定選用英國歐陸（Eurotherm）傳動裝置有限公司生產的SS1-591直流調速器。針對直流電動機銘牌定額參數，新直流調速器容量為190 kW，額定電流450 A.

2.2新系統結構

歐陸SS1-591直流調速器采用的是靜、動態性能優異的轉速、電流雙閉環調速系統，有ASR、ACR兩個PI（比例積分）調節器，分別用于轉速和電流調節，二者串級連接。系統工作時，轉速調節器的輸出作為電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制可控硅的觸發裝置。從閉環結構看，電流調節環在里面，稱為內環；轉速調節環在外邊，稱為外環。轉速、電流雙閉環調速系統有以下優點：直流電動機通電后，由于主回路電感的作用，電樞電流不能突變，起動時間較長。為了實現在允許過載條件下的最快加速度起動，縮短起動時間，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。按照反饋控制規律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，因此采用電流負反饋就應能得到近似的恒流過程［1］；當電動機轉動到一定速度后，按控制要求電樞電流應立即降低下來，使輸出轉矩與負載相平衡，進入穩態運行，此時僅需要轉速負反饋。為解決轉速和電流兩種負反饋分別在不同階段各自起的主導作用，轉速、電流雙閉環結構是最佳的控制模型，它通過電流內環負反饋可得到理想的起動特性，通過轉速外環負反饋獲得優異的調速靜態和動態指標。

新調速系統結構框圖見圖3.

圖3　歐陸SS1-591直流調速器結構框圖

系統結構框圖中，ASR表示轉速調節器；ACR表示電流調節器；TG表示測速發電機；TA表示電流互感器；GT表示觸發裝置分別表示轉速給定電壓信號、轉速反饋電壓信號分別表示電流給定電壓信號、電流負反饋電壓信號。

2.3電路改動

新系統在選型時充分考慮了原有電路組成情況，本著節約原則，系統改造過程中工作正常的元器件仍加以使用。但是，新、舊直流調速器差異較大，對應的外圍電路需做必要改動。

新系統改造后的電路組成見圖4.

圖4　新系統整改電路

新系統上電后，在安全監控一切正常條件下，調速控制器B1-B6端輸出直流24 V電壓，新增中間繼電器KA2得電吸合，原控制電路中“工作允許”繼電器4d5.1得電吸合，使調速器C5-C9端短接，建立調速器工作“使能允許”條件；4d5.1吸合同時時間繼電器5d1.1也得電，5d1.1常開時間觸點閉合，使新增時間繼電器KT的線圈得電吸合，延時3～4 s后其常開觸點閉合，調速器C9-C3端短接，建立調速器“起動/運行”條件；此時如接上電機負載，調速器D5-D6端就輸出交流220 V電壓，使新增中間繼電器KA1得電吸合，由于KA1的常開觸點串接在主接觸器5C2.1線圈支路中，故當KA1常開觸點閉合時，主接觸器5C2.1得電吸合，調速系統動力回路接通。此時，操作人員通過改變電位器RP給定電壓，就可控制實現直流電動機轉速的連續調節。

2.4現場調試

新直流調速器到貨后，相關人員應認真閱讀產品使用說明資料。系統第一次上電前，調試人員必須先對調速器內部控制板上的撥碼開關進行預置，使調速器輸出的電樞電壓、電樞電流、勵磁電壓、勵磁電流以及反饋系統測速發電機種類、測速發電電壓等指標與現場直流電動機銘牌數據相匹配。另外，調試時還必須注意接直流電動機（或假負載），否則調速器內部零電流檢測保護會動作，調速器報警顯示，輸出封鎖。

3　結束語

本文對某橡膠擠出設備直流驅動故障進行了一次調速系統改造，新系統改造完后投入使用，設備控制正常，直流電動機轉速穩定，橡膠制品擠出截面形狀符合工藝要求，調速系統重新恢復可靠運行。至此，密實橡膠擠出設備直流調速系統改造取得圓滿成功，并為后續類似系統的技改革新提供了借鑒。

［1］阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統──運動控制系統［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［2］馮秀清，鄧星鐘.機電傳動控制［M］.武漢：華中理工大學出版社，2011.

Transformation of DC Speed ControlSystem for Rubber Extrusion Equipment

YU Sheng
（Guangxi Technological College of Machinery and Electricity，Nanning Guangxi 530007，China）

In order to solve the DC drive failure of a rubber extrusion device，a speed adjusting system wasmade. This paper introduces the working principle of DC speed regulation and the composition of the system circuit，and emphatically expounds the scheme of solving the trouble.After the system transformation，the performance is stable and the operation is convenient，which provides the reference for the similar equipment upgrade.

direct—currentmotor；speed regulation；system；transformation

TP205

B

1672-545X（2016）05-0174-03

2016-02-04

于生（1972-），男，山東萊州人，碩士，高級工程師，研究方向：自動化技術應用。