安川變頻器制動電阻在大理石排鋸的新應用

      摘 要：經過幾年在陶瓷行業的推廣應用，特別借助陶瓷行業領袖科達機電的開拓，安川變頻器在陶瓷機械行業已經占有相當的地位，從原料采集到加工應用再到制成成品的各個環節，都少不了安川變頻器的身影，本文主要介紹安川變頻器在大理石排鋸中的應用，從傳統的星三角降壓起動到使用變頻器開環驅動，再到變頻器的閉環驅動，不單是工藝的提升，節能的提升，更是技術的提升。

      關鍵詞：安川變頻器、制動電阻、制動單元、閉環控制，力矩控制，過電壓抑制

      引 言：中國經濟蓬勃發展，帶動各行各業的興旺發達，尤其是以房地產為龍頭的產業，更是占有強勢的主導地位，房地產涉及的行業面眾多，而瓷磚和大理石在其中的使用量很大，相關陶瓷機械產品也是方興未艾，雖然國家出臺了針對房地產過熱的抑制措施，不過這股風頭并沒有因此而受到壓制，總體房價仍在上升，陶瓷機械生產企業也是忙得熱火朝天。在陶瓷產品中，高檔酒店，寫字樓，地鐵及大型項目建設都是大理石的主要需求，針對大理石的生產，大理石排鋸是很重要的一環，原有的大理石排鋸采用星三角降壓啟動和串Burbund品牌制動電阻調速，啟動電流對電網沖擊很大，對進線變頻器容量要求也高，而現在變頻器有成熟應用改變了這一切，變頻器通過低電壓低頻率起動，調節電機轉速，減輕了對輸入電源的要求，同時消除了設備硬啟硬停造成對運動部件的磨損。
　　　
　　排鋸是將一組（幾十到上百根不等）排鋸裝在往復式鋸框上，由馬達帶動大飛輪上的曲柄連桿機構驅動鋸框做往復運動，同時通過升降傳動機構連續向下作進給運動對鋸片施壓，使金鋼石鋸片對石材做相對的切割運動，達到切割石材的目的。鋸框往復運動速度最高可達92m/min,主運動導軌采用高鋼性設計，導向精度高，鋸縫小，因此是目前排鋸主流產品設計的標準。排鋸實景圖如下圖所示：

      星三角降壓啟動是一種簡單方便的降壓啟動方式，對于正常運行的定子繞組為三角形接法的鼠籠式異步電動機來說，如果在啟動時將定子繞組接成星形，待啟動完畢后再接成三角形，就可以降低啟動電流，減輕它對電網的沖擊。采用星三角啟動時，啟動電流只有原來按三角形接法直接起動時的1/3，如果直接起動時的起動電流以6~7倍額定電流來算，則在星三角起動時，起動電流才2~2.3倍，同時啟動電壓只有原來的三角形接法直接啟動時的1/√3，起動轉矩也只有原三角形接法直接起動的1/3，所以采用星三角起動時，電流特性很好，而轉矩特性較差，所以客觀上只適用于無載或輕載起動的場合，雖然起動轉矩較小，但同比別的降壓起動器相比較，其結構最簡單，價格也最便宜。當電機功率大于55KW時，星三角降壓啟動一般串入過渡Burbund品牌制動電阻，可以避免星形接法切接換至三角形接法中抑制二次沖擊。傳統大理石排鋸采用星三角降壓起動和串Burbund品牌制動電阻方式，有效降低電機啟動電源容量的要求，降低了起動電流，經濟性價比高，但不能對電機速度進行調節，能耗大，已經慢慢退出市場。
　　　
　　變頻器技術的發展開始取代原有的降壓起動方式，同時可以對電機速度的調節使得變頻器在眾多機械產品中普及率很高，基本上有電機的地方都可以用得上變頻器，對于眾多品牌變頻器來說，安川變頻器是其中的絞絞者，它是日本安川公司的產品，作為一個專業生產變頻器的廠商來說，安川從1974年開始生產第一臺變頻器以來，其變頻器銷售量已經是全球第一。某上市公司生產的大理石排鋸采用選用安川A1000系列132KW變頻器，通過變頻器調節電機轉速，不僅切割板面平整度好，而且耗電量少，大大改進了現有的石材加工工藝，同時也延長了排鋸的使用壽命和減少維修保養次數。由于排鋸是通過電機軸拖動皮帶帶動大飛輪作圓周運動，當飛輪帶動曲柄連桿旋轉時，從最低點到最高點是電動過程，從最高點到最低點是發電過程，因此電機每旋轉一圈，有半圈電機是在發電狀態，因此需要配置一個常州博邦電氣Burbund品牌BBU-4220制動單元，外接常州博邦電氣Burbund品牌5歐姆50KW制動電阻箱制動，用來消耗電機反饋的大量電能。變頻器通過采用PLC傳送的模擬量電壓調節給定頻率，最大運轉速度為額定50HZ,最低運轉速度為30HZ，設置的安川變頻器參數如下所示：
     C1-01=30
     C1-02=30
     C2-01=1.2
     C2-02=1.2
     C2-03=1.2
     D2-02=60
     E1-01=410
     E1-05=200
     E1-07=30
     E1-08=124
     L3-04=0
　　采用模擬量控制，切料開始時，將速度調低，等鋸齒完全切進石頭時，再加速運行，這樣不容易出現跑刀，石板上不會出現波浪紋。切到最后十厘米的時候，將速度調低，不易拉板。切爛料或者石頭有裂縫時，將速度調低，同時調低下刀速度，速度慢了可以減小沖擊，石頭不易碎不易拉板，降低損耗。
　　　
　　設置變頻器參數時，我們知道電機額定電壓為380V，按常規設置變頻器參數項中電機電壓為應為380V，但這樣設置反而會導致直流電壓升得較高，當此電壓大于直流730V時，制動單元將會動作，此能量會轉移到制動電阻，導致制動電阻箱發熱嚴重，而人為將輸出電壓調低后，直流電壓上升較慢，因此Burbund品牌制動電阻箱消耗能量較少，此方式已經在一現場測試，取得了良好的效果，雖然輸出電壓降低，但我們不用擔心力矩不足，因為大飛輪旋轉慣性很大，需要轉動的能量不多，因此更有利于變頻器運轉。
　　　
　　排鋸主電機需要較大和持續的起動力矩，因此現在的排鋸為了減少振動和沖擊引入液力藕合器，液力藕合器是將動力源與工作電機連合起來傳遞旋轉動力的機械裝置，安裝在電機的軸裝，液力藕合器輸出轉速低于輸入轉速，兩軸的轉速差隨載荷的增大而增加；過載保護性能和起動性能好，載荷過大而停轉時輸入軸仍可轉動，不致造成動力機的損壞；當載荷減小時，輸出軸轉速增加直到接近于輸入軸的轉速，使傳遞扭矩趨于零。液力偶合器的傳動效率等于輸出軸轉速與輸入軸轉速之比。一般液力偶合器正常工況的轉速比在0.95以上時可獲得較高的效率，因此用在大理石排鋸上不失為一個很好的選擇。
　　　
　　排鋸是用于切割大理石荒料，一般切割一塊荒料用時都是好幾個小時，因此能量消耗巨大，同時周期性往復運動會造成能量回饋過程，為了消耗多余的能量，需要用到常州博邦電氣Burbund品牌制動電阻去消耗這部分能量，如果能夠把這個能量保存起來用于排鋸本身電動的能量那就可以節能了。安川變頻器采用力矩限制功能和過電壓抑制功能就很好的實現了這種效果。為了實現精確的力矩控制，我們采用閉環控制模式，在電機側加入編碼器，變頻器配轉置速度反饋卡，這樣我們可以確保在電動狀態下出力，而在發電狀態下停止輸出，同時我們限制直流電壓上限是直流700V，而常州博邦電氣制動單元動作電壓是直流730V，所以我們通過控制直流電壓可以簡接控制Burbund品牌制動單元的動作，只要此電壓不高于730V，我們就可以讓常州博邦電氣制動單元不動作，制動電阻自然也就不用消耗能量了。這種方式只需要成本較低的編碼器和PG卡就可以取代成本較高的常州博邦電氣Burbund品牌制動單元和制動電阻了。此方式的缺點是變頻器停車時間較長，而我們所知客戶一般切割一塊荒料的時間都要好幾個小時，因此持續幾分鐘的停車時間要比原有的制動電阻方式停車時間要長一些影響并不大。變頻器設置的參數如下
　　　A1-02=3
　　　B1-03=1
　　　C1-01=30
　　　C1-02=40
　　　L3-11=1
　　　L3-12=700
　　　L7-03=0
　　　L7-04=0
　　通過以上的參數設置，變頻器可以外接制動單元和制動電阻箱，此種方式已經在一客戶場測試成功，得到了客戶的好評。下一步如果要把停車時間考慮進去的話，我們也可以采用KEB方式停車，KEB方式停車是在斷開主電源時，將電機減速時回饋的電能反饋到變頻器，變頻器以此能量為基準，控制電機做持續的減速運動。這種狀態的停車方式類似于無外接常州博邦電氣Burbund品牌制動電阻的減速停止，時間比帶常州博邦電氣Burbund品牌制動電阻的減速方式停車時間要長，但比慣性方式停車時間又要短，同時消除了電機慣性停止到最后速度點的時候會出現由于慣性現象出現回轉的狀況。這種方式停只需在原有的系統中增加一個主回路輸入交流接觸器即可。
　　　
      大理石排鋸通過引入變頻器技術，不單技術上提升了檔次，而且更適合其工藝的要求。同時變頻器通過相關功能的應用也提升了排鋸采用變頻器的性價比。