橡胶挤出设备直流调速系统改造

于　生

（广西机电职业技术学院，广西南宁530007）

橡胶挤出设备直流调速系统改造

于生

（广西机电职业技术学院，广西南宁530007）

为解决某橡胶挤出设备直流驱动故障，进行了一次调速系统改造。介绍了直流调速工作原理及系统电路组成，并着重阐述为解决故障实施的方案。系统改造后性能稳定、操作方便，为类似设备的升级改造提供了借鉴。

直流电动机；调速；系统；改造

直流电动机虽不及交流电动机结构简单、制造容易、维护方便，但由于早期交流调速一直未得到满意解决，而直流电动机具有交流电动机所不能比拟的良好起动和调速性能，早期对速度要求高的行业企业中，直流调速仍占有重要地位。某公司从国外引进的一条二手密实橡胶制品生产线，挤出设备的螺杆由一台功率为175 kW的直流电动机调速驱动。使用几年后调速发生故障，表现为：主回路上电后，操作人员调节转速给定，电机不能稳态运行，声音异常，转速表指针抖动严重。由于转速不能稳定控制，导致螺杆挤出量不均匀，影响了正常生产。

针对存在故障，维护人员本着“由外至内”的思路，对系统外围电路及直流电动机进行逐次排查。排查显示主回路电源正常，不缺相；三相平波电抗器直流阻抗平衡，对地绝缘符合要求；调速电位器无开路，给定信号正常；励磁电压正常、无弱磁；测速发电机工作状态良好，输出电压平稳无跳动；速度负反馈极性正确，无掉线；直流电动机自身无异常。在排除外围可能故障后，对直流调速器进行分解检测，最后发现问题出在控制器的触发电路：由于触发单元集成电路损坏，可控硅未按要求受控导通，从而引起整流输出失控，电枢电压脉动严重，导致直流电动机转速不稳。故障直流调速器是国外上世纪80年代产品，具体型号和生产厂家不明，损坏电路既无资料可供分析，也无厂家技术支持，维修难度很大。针对上述情况，为尽快恢复生产，最后决定对调速系统进行替代改造。

要实现挤出设备的调速系统改造，首先需要了解系统工作原理和电路组成，并在此基础上结合备选调速器的性能、供货、售价、服务及改动工作量等综合因素考虑选型。下面，先对直流调速原理及系统电路做简要介绍。

1　直流调速系统

1.1直流调速原理

直流电动机转速调节有三种控制方法：变阻调速、弱磁调速和调压调速。变阻调速是采用调节电枢回路电阻值使转速发生变化，属于有级调速，调速曲线平滑性不好；弱磁调速是在一定基速基础上通过降低励磁电压，使励磁磁通减少导致电机转速增大，这种方法调速范围有限；调压调速通过连续改变电机电枢电压值实现无级调速，具有调速指标（调速范围、静差率）优异，调速曲线平滑等特点［1-2］，是直流调速的首选方案。

直流电动机电枢调压调速见图1.

图1　直流电动机电枢回路

直流电动机转速：n=（Ud-IdRd）/CeΦ（1）

直流电动机反电动势：E=CeΦn（2）

式（1）中，Ud为加在电枢两端的直流电压；Rd为电枢回路直流电阻，理想情况下Rd值很小，IdRd可以忽略不计；Ud为电枢回路直流电流；CeΦ为直流电动机反电动势常数。由式（1）、式（2）可知，在磁通Φ恒定、电枢回路直流电阻Rd忽略不计的理想情况下，直流电动机电枢端电压Ud与转速n成正比，即Ud∝n.所以，连续改变Ud即可实现直流电动机转速n的无级调节。

1.2调速系统电路

挤出设备调速系统电路见图2.

图2　挤出设备调速系统电路图

直流电动机工作时，合上三相动力电源，使调速器控制电源、电机冷却风扇及励磁回路处于工作状态，随后按下“开机”按钮，在回路相应保护装置（如磁场电流继电器、冷却风机电流继电器、压力传感器、调速器内部安全开关等现场保护元器件）检测正常后，延时数秒回路主接触器5C2.1吸合并自保，通过三相平波电抗器2K2.1平波，三相动力电源经AK1、AK3、AK5端送入直流调速器内部。主接触器吸合后，将转换开关5b3.1至“调速”位（转速“上升”/“下降”），调速电位器伺服驱动机构5m4.1得电工作，带动电位器RP滑动端转动，输出变化的给定电压。驱动机构5m4.1可以看作是两个单相小电机的复合，当转换开关5b3.1处于“上升”状态时，控制“增速”的伺服电机转动，电位RP器给定电压增加，调速器内可控硅导通角加大，整流输出电压增大，电机转速上升，测速反馈电压与给定电压之差为零时，电机工作在稳定转速状态；当转换开关5b3.1处于“下降”状态时，控制“减速”的伺服电机转动，电位器RP给定电压下降，调速器内可控硅导通角减小，整流输出电压降低，电机转速下降，测速反馈电压与给定电压之差为零时，电机工作在稳定转速状态。为预防调速电位器RP动端转动至极限位置发生“堵转”情况，伺服电机控制回路中设有“上限”与“下限”微动开关，确保RP滑动端到极限位时伺服驱动停止。回路主接触器5C2.1断开时，其常闭控制触点吸合，“回零”电路接通，控制“减速”的伺服电机工作，使调速电位器动端转动至零给定处，此时速度给定信号为零，直流电动机停转。

2　系统改造方案

2.1调速器选型

故障调速系统直流电动机铭牌定额如下：额定电枢电压440 V，额定电流426 A，功率175 kW；经过性价比对照，并充分考虑现场实际，最后决定选用英国欧陆（Eurotherm）传动装置有限公司生产的SS1-591直流调速器。针对直流电动机铭牌定额参数，新直流调速器容量为190 kW，额定电流450 A.

2.2新系统结构

欧陆SS1-591直流调速器采用的是静、动态性能优异的转速、电流双闭环调速系统，有ASR、ACR两个PI（比例积分）调节器，分别用于转速和电流调节，二者串级连接。系统工作时，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制可控硅的触发装置。从闭环结构看，电流调节环在里面，称为内环；转速调节环在外边，称为外环。转速、电流双闭环调速系统有以下优点：直流电动机通电后，由于主回路电感的作用，电枢电流不能突变，起动时间较长。为了实现在允许过载条件下的最快加速度起动，缩短起动时间，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，因此采用电流负反馈就应能得到近似的恒流过程［1］；当电动机转动到一定速度后，按控制要求电枢电流应立即降低下来，使输出转矩与负载相平衡，进入稳态运行，此时仅需要转速负反馈。为解决转速和电流两种负反馈分别在不同阶段各自起的主导作用，转速、电流双闭环结构是最佳的控制模型，它通过电流内环负反馈可得到理想的起动特性，通过转速外环负反馈获得优异的调速静态和动态指标。

新调速系统结构框图见图3.

图3　欧陆SS1-591直流调速器结构框图

系统结构框图中，ASR表示转速调节器；ACR表示电流调节器；TG表示测速发电机；TA表示电流互感器；GT表示触发装置分别表示转速给定电压信号、转速反馈电压信号分别表示电流给定电压信号、电流负反馈电压信号。

2.3电路改动

新系统在选型时充分考虑了原有电路组成情况，本着节约原则，系统改造过程中工作正常的元器件仍加以使用。但是，新、旧直流调速器差异较大，对应的外围电路需做必要改动。

新系统改造后的电路组成见图4.

图4　新系统整改电路

新系统上电后，在安全监控一切正常条件下，调速控制器B1-B6端输出直流24 V电压，新增中间继电器KA2得电吸合，原控制电路中“工作允许”继电器4d5.1得电吸合，使调速器C5-C9端短接，建立调速器工作“使能允许”条件；4d5.1吸合同时时间继电器5d1.1也得电，5d1.1常开时间触点闭合，使新增时间继电器KT的线圈得电吸合，延时3～4 s后其常开触点闭合，调速器C9-C3端短接，建立调速器“起动/运行”条件；此时如接上电机负载，调速器D5-D6端就输出交流220 V电压，使新增中间继电器KA1得电吸合，由于KA1的常开触点串接在主接触器5C2.1线圈支路中，故当KA1常开触点闭合时，主接触器5C2.1得电吸合，调速系统动力回路接通。此时，操作人员通过改变电位器RP给定电压，就可控制实现直流电动机转速的连续调节。

2.4现场调试

新直流调速器到货后，相关人员应认真阅读产品使用说明资料。系统第一次上电前，调试人员必须先对调速器内部控制板上的拨码开关进行预置，使调速器输出的电枢电压、电枢电流、励磁电压、励磁电流以及反馈系统测速发电机种类、测速发电电压等指标与现场直流电动机铭牌数据相匹配。另外，调试时还必须注意接直流电动机（或假负载），否则调速器内部零电流检测保护会动作，调速器报警显示，输出封锁。

3　结束语

本文对某橡胶挤出设备直流驱动故障进行了一次调速系统改造，新系统改造完后投入使用，设备控制正常，直流电动机转速稳定，橡胶制品挤出截面形状符合工艺要求，调速系统重新恢复可靠运行。至此，密实橡胶挤出设备直流调速系统改造取得圆满成功，并为后续类似系统的技改革新提供了借鉴。

［1］阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统──运动控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］冯秀清，邓星钟.机电传动控制［M］.武汉：华中理工大学出版社，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，山东莱州人，硕士，高级工程师，研究方向：自动化技术应用。