CT直流调速装置在“一拖二”控制中的应用

0前言 CT全数字式直流调速驱动装置（MENTOR Ⅱ）是英国CT公司生产的较新的、全微机化工业用DC电动机可控硅数字直流调速驱动器，输出电流范围25A~1850A。MENTOR Ⅱ分单向和四象限两种配置，单向驱动器只能实现正向运行，四象限驱动器完全可逆，可对直流电机正反向运行进行全面控制，故后者在工厂的电气自动化控制中应用较多。 随着CT全数字式直流调速驱动装置在工厂机床自动控制中的不断大量使用，伴之而来的各种各样的、有待解决的问题也接踵而至。这就迫使我们努力去思考、学习CT驱动装置的诸多功能，有针对性地分析、解决出现的问题，并加以灵活应用，充分发挥其作用，更好地挖掘机床设备的潜力，延长其使用寿命，提高它的加工效率。 1 CT全数字式直流调速驱动装置的基本原理 单相电源给一个可控硅全控桥供电，在电阻负载上所产生的电流是断续的。当可控硅被触发时有电流，当电源电压在每半个周期过零时电流消失。当触发角完全推前时，整流桥得到最大电压输出。触发角后移时电流输出减少。当负载是感性时，如电机，或者触发角充分推前时电流变为连续。电流的波形滞后于电压的波形，一部分是负载的电感特性的原因，另一部分是由于触发角延迟的缘故。 速度、输出转矩和转向是直流电机在实际运用中必须控制的量。速度与电枢的反电势成正比，与磁通成反比。转矩与电枢电流和磁通成正比。转向由电枢和励磁电压的相对极性决定。反电势是电枢电压的一部分，假定磁场不变，控制电枢电压就能控制速度直到电枢的额定值。电枢电流也是电枢电压的函数。在速度能达到的范围内，转矩也由电压控制。只要磁场是完全激励的，电机从零速到最大电枢电压（基速）一般都能保持最大转矩。磁场电压取决于磁通量。如果磁场电压能独立于电枢电压的变化，在满功率（满电枢电压）下速度可以超过电枢电压提供的基准点并且电流为最大值。因为转矩直接与磁通成正比，速度由于弱磁而增加时最大转距减少。总体上说，直流调速是控制电枢的端电压从而控制送入电机。如要求速度超过基速，则驱动器必须有控制磁场的能力，独立的控制也会使工作在基速范围的系统从中得到益处，比如对于更复杂的电机应用可得到较广泛的速度和转距控制方式。 1.1直流电动机的反向 有两种方法使电机反向，这就依赖于驱动装置整流桥的配置了。最简单的三相全控桥没有使输出极性反向的能力，我们称之为单象限或单向，若要反向必须在外部切换电机端子。对于要求能在两个方向完全控制电机，能够快速频繁地改变转矩方向的应用场合来说，则必须采用双桥反并联系统才能达到上述目的。该配置不需要倒向接触器，能完全控制电机的正反转以及正反向制动，称为4象限或可逆驱动器。单向驱动器若要求制动，必须外加电路，采用能耗制动的方式。制动时，减速既可控又不线性。 1.2直流电动机的控制 不管驱动器是单象限还是四象限的，直流电机的响应都基本上是电压输出的函数，电压输出又由可控硅的触发角决定，而触发角又是可以精确控制的。CT内部的一系列指令帮助完成访问、处理及触发控制信号产生的全过程。指令以数据形式提供，根据电机应用的特定操作要求，数据又分解为各个数值即参数。在给定的工业应用中，驱动器的特性由用户设定的参数及内部监视参数决定。 1. 3典型的接线应用 CT的用户手册上为我们分别提供了单象限和四象限驱动装置的典型接线应用，在多年的工厂实际应用中，我们自行总结、探索出一种四象限的典型接线应用（如下图所示）。 图中37#（公共点）、38#（常闭点）、39#（常开点）端子被定义为“装置准备好继电器”。可外接冷却直流电机的风机的自动空气开关常开点或风机过热元件的常闭点，又或者接诸如所控电机运动部分的润滑压力点、温度开关等中间过渡元件，用来监视装置的准备情况。在CT运行过程中上述条件一旦因出现故障而发生变化时，CT将停止正常工作，处于报警状态，装置准备好指示灯闪烁，从而起到一定的提醒、保护作用。8#与40#端子之间用线短接，是由于现在所用直流电机都不带热敏电阻，如果不短接，CT将无法正常启动和工作。经过实践运用，下图适用于绝大多数的电机应用。 2“一拖二”的应用思路和解决方案 上图为一般的应用，适于一台直流电机的拖动。但是，我们在大量的工厂应用中会面对这样的问题：一台大中型设备（如镗铣床、龙门刨床、龙门铣床等）的各进给运动都由直流电机拖动，如果它们都用CT进行技术改造、革新，特别是有些机床的运动并不是要求同时工作的，把所有进给运动的驱动装置都把合到电气柜内有一定的难度（安装尺寸的要求上），而且CT装置较贵，改造老设备存在资金成本问题。反过来说，增加了装置也增加了维修的工作量及难度。能不能少用一台或两台CT装置来完成设备的电气改造工作，同时还能达到原机床的使用要求，性能上又有所提高？而要想实现这个目标，又要怎么去做才能解决我们所面临的困难呢？通过自己的摸索和实践，总结出以下一些经验和思路，使得完全能够满足各个方面的要求。 2.1“一拖二”问题的提出 所谓“一拖二”，就是采用改变外部接线和更改CT内部参数的办法，来实现用一套CT直流调速装置拖动两台直流电机，它常常出现在不要求两个或两个以上的进给运动同时进行的情况下。在“一拖二”方案中的两台电机又有下列几种情况（基本上也是最常见的）：两台电机的电枢电压（流）、磁场电压（流）都一样；电枢电压、磁场电压相同，但电枢电流、磁场电流不同（即电机只是功率大小不同）；磁场电压相同或近似，磁场电流大小很接近，但电枢电压（流）不同；电枢电压（流）、磁场电压（流）均不相同。其中第一种情况最简单，也很容易实现；最复杂的是第四种情况，涉及修改的参数多，所需外部元件也多，且外围线路也有大的改动。限于篇幅，本文将对第二种情况的思路及解决方案进行说明，相信大家能够扩展思路，举一反三，相互提高。 2.2应用思路 对电枢电压、磁场电压相同，但电枢电流、磁场电流不同这种情况，我们首先应根据电机最大的电流值来确定CT装置的大小，然后才是具体的实际改造工作。我们知道：CT接线端子的4#、5#、6#、7#是可编程模拟输入端，22#~30#是可编程数字输入端，既然如此，我们就可以利用来实现我们的目的。由于四象限可逆系统的电流限幅值由参数04.05和04.06设定，因此可将4#、5#端分别重新定义为正、反桥电流给定的最大限值；27#端编程定义为06.14（最大励磁2选择），励磁电流不同的问题也有了对策，随后就可以考虑进行CT外部元件的接入了。 2.3解决方案及说明 如图A所示接线，1为CT内部提供的+10V电源，20为CT的0V端。KA线圈吸合时，其常开点闭合，常闭点断开，接通一台电机，监视参数04.05和04.06，分别调整RP1、RP3阻值，使04.05和04.06的值等于根据该电机额定电枢电流换算出来的值；然后断开KA，接通另一台电机，重复上述过程，只是这次是分别调整RP2、RP4，这样就完成了两台电机电枢电流的设定。在KA接通时，调整06.09（最大励磁电流2）至合适值；KA不通时，调整06.08（最大励磁电流1）至合适值，具体计算方法参见CT提供的用户手册，这里不再赘述。 3实现方案过程中应注意的问题 在实施上述过程中，应注意一个可能会出现的问题：由于CT的1#电源驱动能力只有10mA，而4个电位器为5.1K或5.6K，加上还有一个给定电位器，这样装置在运行时，可能会因内部电源过载而报“PS”（内部电源故障）导致不能正常工作，此时可将给定电位器的电源用CT的2#，即-10V来驱动，一般就可以解决这个问题。 4结论 参照本方案，2003年我们对分厂6672龙门铣床的垂直、水平铣头进给运动进行了改造，不同之处在于两者进给电机的电枢电压也不相同，我们增加了两个电位器，将CT6#端定义为03.15（最大电枢电压），同样进行分别调整，试车一次就获得成功，设备运转至今，工作稳定，减少了故障停机时间，降低了维修难度，创造了较好的社会和经济效益。 据此成功经验，我们认为通过适当改变，用一套CT拖动3台以上电机的设想是完全可以实现的。 参考文献： Mentor Ⅱ User Guide