安川变频器制动电阻在大理石排锯的新应用

      摘 要：经过几年在陶瓷行业的推广应用，特别借助陶瓷行业领袖科达机电的开拓，安川变频器在陶瓷机械行业已经占有相当的地位，从原料采集到加工应用再到制成成品的各个环节，都少不了安川变频器的身影，本文主要介绍安川变频器在大理石排锯中的应用，从传统的星三角降压起动到使用变频器开环驱动，再到变频器的闭环驱动，不单是工艺的提升，节能的提升，更是技术的提升。

      关键词：安川变频器、制动电阻、制动单元、闭环控制，力矩控制，过电压抑制

      引 言：中国经济蓬勃发展，带动各行各业的兴旺发达，尤其是以房地产为龙头的产业，更是占有强势的主导地位，房地产涉及的行业面众多，而瓷砖和大理石在其中的使用量很大，相关陶瓷机械产品也是方兴未艾，虽然国家出台了针对房地产过热的抑制措施，不过这股风头并没有因此而受到压制，总体房价仍在上升，陶瓷机械生产企业也是忙得热火朝天。在陶瓷产品中，高档酒店，写字楼，地铁及大型项目建设都是大理石的主要需求，针对大理石的生产，大理石排锯是很重要的一环，原有的大理石排锯采用星三角降压启动和串Burbund品牌制动电阻调速，启动电流对电网冲击很大，对进线变频器容量要求也高，而现在变频器有成熟应用改变了这一切，变频器通过低电压低频率起动，调节电机转速，减轻了对输入电源的要求，同时消除了设备硬启硬停造成对运动部件的磨损。
　　　
　　排锯是将一组（几十到上百根不等）排锯装在往复式锯框上，由马达带动大飞轮上的曲柄连杆机构驱动锯框做往复运动，同时通过升降传动机构连续向下作进给运动对锯片施压，使金钢石锯片对石材做相对的切割运动，达到切割石材的目的。锯框往复运动速度最高可达92m/min,主运动导轨采用高钢性设计，导向精度高，锯缝小，因此是目前排锯主流产品设计的标准。排锯实景图如下图所示：

      星三角降压启动是一种简单方便的降压启动方式，对于正常运行的定子绕组为三角形接法的鼠笼式异步电动机来说，如果在启动时将定子绕组接成星形，待启动完毕后再接成三角形，就可以降低启动电流，减轻它对电网的冲击。采用星三角启动时，启动电流只有原来按三角形接法直接起动时的1/3，如果直接起动时的起动电流以6~7倍额定电流来算，则在星三角起动时，起动电流才2~2.3倍，同时启动电压只有原来的三角形接法直接启动时的1/√3，起动转矩也只有原三角形接法直接起动的1/3，所以采用星三角起动时，电流特性很好，而转矩特性较差，所以客观上只适用于无载或轻载起动的场合，虽然起动转矩较小，但同比别的降压起动器相比较，其结构最简单，价格也最便宜。当电机功率大于55KW时，星三角降压启动一般串入过渡Burbund品牌制动电阻，可以避免星形接法切接换至三角形接法中抑制二次冲击。传统大理石排锯采用星三角降压起动和串Burbund品牌制动电阻方式，有效降低电机启动电源容量的要求，降低了起动电流，经济性价比高，但不能对电机速度进行调节，能耗大，已经慢慢退出市场。
　　　
　　变频器技术的发展开始取代原有的降压起动方式，同时可以对电机速度的调节使得变频器在众多机械产品中普及率很高，基本上有电机的地方都可以用得上变频器，对于众多品牌变频器来说，安川变频器是其中的绞绞者，它是日本安川公司的产品，作为一个专业生产变频器的厂商来说，安川从1974年开始生产第一台变频器以来，其变频器销售量已经是全球第一。某上市公司生产的大理石排锯采用选用安川A1000系列132KW变频器，通过变频器调节电机转速，不仅切割板面平整度好，而且耗电量少，大大改进了现有的石材加工工艺，同时也延长了排锯的使用寿命和减少维修保养次数。由于排锯是通过电机轴拖动皮带带动大飞轮作圆周运动，当飞轮带动曲柄连杆旋转时，从最低点到最高点是电动过程，从最高点到最低点是发电过程，因此电机每旋转一圈，有半圈电机是在发电状态，因此需要配置一个常州博邦电气Burbund品牌BBU-4220制动单元，外接常州博邦电气Burbund品牌5欧姆50KW制动电阻箱制动，用来消耗电机反馈的大量电能。变频器通过采用PLC传送的模拟量电压调节给定频率，最大运转速度为额定50HZ,最低运转速度为30HZ，设置的安川变频器参数如下所示：
     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
　　采用模拟量控制，切料开始时，将速度调低，等锯齿完全切进石头时，再加速运行，这样不容易出现跑刀，石板上不会出现波浪纹。切到最后十厘米的时候，将速度调低，不易拉板。切烂料或者石头有裂缝时，将速度调低，同时调低下刀速度，速度慢了可以减小冲击，石头不易碎不易拉板，降低损耗。
　　　
　　设置变频器参数时，我们知道电机额定电压为380V，按常规设置变频器参数项中电机电压为应为380V，但这样设置反而会导致直流电压升得较高，当此电压大于直流730V时，制动单元将会动作，此能量会转移到制动电阻，导致制动电阻箱发热严重，而人为将输出电压调低后，直流电压上升较慢，因此Burbund品牌制动电阻箱消耗能量较少，此方式已经在一现场测试，取得了良好的效果，虽然输出电压降低，但我们不用担心力矩不足，因为大飞轮旋转惯性很大，需要转动的能量不多，因此更有利于变频器运转。
　　　
　　排锯主电机需要较大和持续的起动力矩，因此现在的排锯为了减少振动和冲击引入液力藕合器，液力藕合器是将动力源与工作电机连合起来传递旋转动力的机械装置，安装在电机的轴装，液力藕合器输出转速低于输入转速，两轴的转速差随载荷的增大而增加；过载保护性能和起动性能好，载荷过大而停转时输入轴仍可转动，不致造成动力机的损坏；当载荷减小时，输出轴转速增加直到接近于输入轴的转速，使传递扭矩趋于零。液力偶合器的传动效率等于输出轴转速与输入轴转速之比。一般液力偶合器正常工况的转速比在0.95以上时可获得较高的效率，因此用在大理石排锯上不失为一个很好的选择。
　　　
　　排锯是用于切割大理石荒料，一般切割一块荒料用时都是好几个小时，因此能量消耗巨大，同时周期性往复运动会造成能量回馈过程，为了消耗多余的能量，需要用到常州博邦电气Burbund品牌制动电阻去消耗这部分能量，如果能够把这个能量保存起来用于排锯本身电动的能量那就可以节能了。安川变频器采用力矩限制功能和过电压抑制功能就很好的实现了这种效果。为了实现精确的力矩控制，我们采用闭环控制模式，在电机侧加入编码器，变频器配转置速度反馈卡，这样我们可以确保在电动状态下出力，而在发电状态下停止输出，同时我们限制直流电压上限是直流700V，而常州博邦电气制动单元动作电压是直流730V，所以我们通过控制直流电压可以简接控制Burbund品牌制动单元的动作，只要此电压不高于730V，我们就可以让常州博邦电气制动单元不动作，制动电阻自然也就不用消耗能量了。这种方式只需要成本较低的编码器和PG卡就可以取代成本较高的常州博邦电气Burbund品牌制动单元和制动电阻了。此方式的缺点是变频器停车时间较长，而我们所知客户一般切割一块荒料的时间都要好几个小时，因此持续几分钟的停车时间要比原有的制动电阻方式停车时间要长一些影响并不大。变频器设置的参数如下
　　　A1-02=3
　　　B1-03=1
　　　C1-01=30
　　　C1-02=40
　　　L3-11=1
　　　L3-12=700
　　　L7-03=0
　　　L7-04=0
　　通过以上的参数设置，变频器可以外接制动单元和制动电阻箱，此种方式已经在一客户场测试成功，得到了客户的好评。下一步如果要把停车时间考虑进去的话，我们也可以采用KEB方式停车，KEB方式停车是在断开主电源时，将电机减速时回馈的电能反馈到变频器，变频器以此能量为基准，控制电机做持续的减速运动。这种状态的停车方式类似于无外接常州博邦电气Burbund品牌制动电阻的减速停止，时间比带常州博邦电气Burbund品牌制动电阻的减速方式停车时间要长，但比惯性方式停车时间又要短，同时消除了电机惯性停止到最后速度点的时候会出现由于惯性现象出现回转的状况。这种方式停只需在原有的系统中增加一个主回路输入交流接触器即可。
　　　
      大理石排锯通过引入变频器技术，不单技术上提升了档次，而且更适合其工艺的要求。同时变频器通过相关功能的应用也提升了排锯采用变频器的性价比。