論抱閘控制在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的重要性

王超

摘要：三鼓一次法成型機中的成型鼓和卸胎機構(gòu)往往由帶有電磁抱閘機構(gòu)的三相異步交流電機作為動力來源，由變頻器調(diào)速。由于前者旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)動慣量較大，后者的負(fù)載重力較大，所以抱閘的控制與電機動作配合時機非常關(guān)鍵。本文通過分析成型鼓和卸胎機構(gòu)不同工作段時的力矩表現(xiàn)，論證了抱閘控制在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的重要性，以羅克韋爾40變頻器為例，簡單介紹變頻器內(nèi)部抱閘控制邏輯及如何設(shè)置參數(shù)的問題。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速;抱閘控制;參數(shù)

在工業(yè)自動化行業(yè)中，帶有抱閘機構(gòu)的電機占據(jù)了比較大的比例，抱閘控制投入的時機直接關(guān)系到設(shè)備的運行性能。在一些特定應(yīng)用場景下，不正確的抱閘控制甚至?xí)l(fā)嚴(yán)重的安全事故。相較于能耗制動、直流制動、第三方制動等制動手段，由變頻器自帶的抱閘控制功能具有更高效、更便捷、更節(jié)能等優(yōu)勢。

1 成型鼓和卸胎機構(gòu)簡介

三鼓一次法成型機是輪胎企業(yè)生產(chǎn)胎坯的專用設(shè)備，是輪胎經(jīng)硫化出成品前的最后一道工藝。成型鼓是成型工藝的最后一步滾壓成型的設(shè)備，卸胎器是將成型后的胎坯運載至胎坯車的設(shè)備。具體工藝流程及功能如下：

1.1成型鼓：將貼合鼓產(chǎn)出的胎筒和輔助鼓產(chǎn)出的胎面符合滾壓的設(shè)備，。其工作形式類似于金屬加工機床的主軸，主要功能是變速旋轉(zhuǎn)，由三相交流異步電機傳動，不同滾壓部位對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速，鼓體具有較大質(zhì)量。

1.2 卸胎器：胎坯在成型鼓上壓合完畢后，卸胎器平移至成型鼓軸端，胎面?zhèn)鬟f環(huán)夾持胎坯放至卸胎器懸臂上，卸胎器將胎坯提升平移至卸胎車，之后下降將胎坯卸載。常見類型為懸臂型，由兩個三相交流異步電機分別作為平移和提升的動力來源。

2 抱閘控制邏輯分析

2.1 成型鼓

成型鼓旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)動慣量較大，即使沒有精準(zhǔn)定位的需求，仍然不能采用自由滑行的停車方式，在旋轉(zhuǎn)開始和旋轉(zhuǎn)停止時需要抱閘控制介入。其負(fù)載類型屬于恒功率負(fù)載，此類負(fù)載特性為：功率保持不變，隨著轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)矩減小;隨著轉(zhuǎn)速減小，轉(zhuǎn)矩增大。

旋轉(zhuǎn)開始和停止時，抱閘動作應(yīng)同步于電機啟動和停止，不能滯后或超前。加速時低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的成型鼓需要的啟動轉(zhuǎn)矩較大，減速時成型鼓對電機作用的力矩隨轉(zhuǎn)速降低而逐漸增大，此時若加速狀態(tài)抱閘打開滯后于電機啟動，和減速時抱閘閉合超前于電機停止，那么成型鼓的旋轉(zhuǎn)對電機作用的力矩可能超過電機的過載能力，出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)和變頻器報警，影響正常工作。斜坡時間設(shè)置的越短，滯后或超前時間越長，越容易出現(xiàn)故障，影響電機和變頻器的使用壽命。

2.2 卸胎機構(gòu)

懸臂卸胎器的平移和提升動作代表了恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載包含的兩個分類：反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因此我們分開說明：

2.2.1 卸胎機構(gòu)平移

此類反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的標(biāo)志特性為：電機轉(zhuǎn)矩隨旋轉(zhuǎn)方向變化而變化。其抱閘控制與恒功率負(fù)載相似。

短距離平移類動作一般包含著精準(zhǔn)定位的要求，電機的啟停要盡量精準(zhǔn)，所以抱閘的控制要與電機的啟停同步，滿足定位精準(zhǔn)的要求的同時，也避免了抱閘超前或滯后造成平移機構(gòu)動能對電機作用的力矩超過電機的過載能力，或出現(xiàn)溜車現(xiàn)象，引發(fā)堵轉(zhuǎn)或增強機械沖擊，頻繁引發(fā)變頻器報警，影響正常工作和縮短設(shè)備使用壽命。

2.2.2 卸胎機構(gòu)升降

此類位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的標(biāo)志特性為：電機轉(zhuǎn)矩不隨旋轉(zhuǎn)方向變化而變化。在提升機上升或下降時，負(fù)載（懸臂及胎坯重量）力矩與電機轉(zhuǎn)矩的方向保持不變。以下通過分析提升電機的不同動作確定抱閘控制的時機：

2.2.2.1 負(fù)載上升和下降初始

負(fù)載對電機有反向力矩，提升電機停止時，抱閘閉合，負(fù)載重力由機械結(jié)構(gòu)及抱閘承擔(dān)，電機運行時，抱閘打開，負(fù)載重力會轉(zhuǎn)而傳導(dǎo)作用在升降電機上。由于抱閘本身動作帶有一定遲滯，電機加速存在響應(yīng)時間，若抱閘打開后一瞬間電機沒有輸出大于等于負(fù)載力矩的有效轉(zhuǎn)矩，那么負(fù)載會下滑或墜落，造成變頻器報警，也容易引發(fā)安全事故。為防止此類問題出現(xiàn)，需啟用變頻器自帶的抱閘控制功能，抱閘打開滯后一定時間，即變頻器以設(shè)定最小頻率運行設(shè)定時間后抱閘打開，保證轉(zhuǎn)矩過渡平穩(wěn)。滯后時間應(yīng)盡量縮短，以負(fù)載不出現(xiàn)下滑或墜落為準(zhǔn)。

2.2.2.2 上升停止和下降停止

手動控制卸胎機構(gòu)升降停止或自動運行至限位傳感器，變頻器轉(zhuǎn)矩輸出即將停止，負(fù)載力矩保持不變，由于抱閘動作的遲滯性，如果抱閘閉合同步或滯后于電機停止，電機轉(zhuǎn)矩輸出停止時抱閘未能完全閉合，那么負(fù)載就會下滑或墜落。所以此時應(yīng)啟用變頻器抱閘控制功能，且抱閘閉合應(yīng)超前于電機停止，之后變頻器以設(shè)定最小頻率運行至設(shè)定時間后停止，負(fù)載力矩作用對象轉(zhuǎn)移前保持電機平穩(wěn)輸出轉(zhuǎn)矩。超前時間應(yīng)盡量縮短，以負(fù)載不出現(xiàn)下滑或墜落為準(zhǔn)。

3 抱閘電路設(shè)計

圖3.1示意了變頻器的抱閘控制原理，抱閘機構(gòu)由交流220V驅(qū)動，經(jīng)電機內(nèi)部抱閘整流單元整流后控制抱閘線圈，變頻器DO點輸出直流24V經(jīng)過中間繼電器控制交流220V電源的通斷，變頻器輸出信號可選擇繼電器輸出或光電耦合輸出。

4 變頻器參數(shù)設(shè)置

以羅克韋爾40變頻器為例，通過RSNetWorx軟件設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)。設(shè)置變頻器停止模式P037為Ramp+EM Brk（斜坡+電磁閘制動），設(shè)置P034最小頻率為2Hz，A058光電耦合輸出1設(shè)置為EM Brk Cntrl（電磁抱閘制動控制），A160和A161電磁閘制動關(guān)閉和開啟延遲設(shè)置為0.5秒。

啟用了變頻器的抱閘控制功能后，在一個完整運動周期內(nèi)抱閘的控制時序如圖4.1。變頻器以P034設(shè)置的最小頻率啟動直到A160設(shè)置的時間到達(dá)，抱閘開啟，此時電機已穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)矩，負(fù)載不會下滑;經(jīng)過斜坡加速、穩(wěn)定頻率和斜坡減速后，抱閘關(guān)閉，變頻器保持P034設(shè)置的最小頻率輸出，直至A161設(shè)置的時間到達(dá)，變頻器完全停止。

其它品牌變頻器抱閘控制功能的參數(shù)設(shè)置與本例相似，均可實現(xiàn)電機輸出轉(zhuǎn)矩與抱閘動作配合無縫銜接的目的。

5 總結(jié)

啟用了變頻器的抱閘控制功能以后，設(shè)備工作性能及可靠性有了很大改善。如果忽略了抱閘控制時機，僅由變頻器的啟?；騊LC程序來簡單控制抱閘，輕則不能實現(xiàn)既定目標(biāo)任務(wù)，導(dǎo)致變頻器報警，影響正常作業(yè)，重則具有一定重量的負(fù)載無法停車或保持停止?fàn)顟B(tài)，引發(fā)人身傷害等安全事故。由此可見，精準(zhǔn)的抱閘控制時機對變頻調(diào)速系統(tǒng)非常重要。

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