钢轨刨床直流发电机组改全数字直流调速系统的绩效分析

1 前言　　我公司道岔车间现有两台120KW钢轨刨床，其电气传动采用的是我国上世纪六十年代流行的交磁扩大机控制的直流发电机组传动方案，运行三十多年来，为工厂的发展也发挥了重要的作用，但是，随着技术的不断发展，老设备的占地面积大、电能浪费严重、噪音大、备件不易等缺点日趋明显。当今大型龙门刨床成熟的直流传动方案是采用全数字晶闸管可逆直流调速系统，它采用微型计算机进行控制，从而使整个电控系统装置不但体积小，而且高效、节能，运行可靠性也大为提高。2 电气传动系统改造方案　　鉴于以上原因，我们在2005年8月先对其中的1#钢轨刨床进行了改造，新改的电气传动采用PLC（可编程逻辑控制器）控制的全数字晶闸管可逆直流调速系统。电控系统的PLC选用日本OMRON公司的CPM2A型整体式PLC，它负责完成全数字直流调速装置外围的给定信号处理、机床按钮站信号、各种限位信号和系统故障信号的逻辑控制与处理。全数字晶闸管可逆直流调速装置选用英国欧陆公司的590+系列500A四象限逻辑无环流（可逆）全数字直流电机调速装置，它的内部主电路是由两组反并联的三相全控晶闸管整流单元组成，两者通过触发脉冲逻辑互锁构成四象限逻辑无环流（可逆）直流调速电气传动系统。它所有的控制算法都由高速16位微处理器完成，以获得优越的动态控制性能；自整定算法可自动计算出电流环的P、I常数及电流断续点，使系统获得最佳动态性能；其电流环的自适应功能使系统变化较大时，也可获得平稳的速度响应。此次改造调速系统采用光电编码器构成转速负反馈速度闭环控制，用以提高电气调速系统的速度平稳性、扩大系统调速范围、减小转速静差率。3 新旧两种调速系统的技术指标对比下面就新旧两种调速系统的技术性能做以详细比较。3.1调速范围　　钢轨刨床交磁扩大机控制的直流发电机组拖动方式（JF—F—D）采用电压负反馈、电流正反馈控制方式，其调速范围D≤20。全数字晶闸管可逆直流调速拖动方式（KZ—D）采用光电编码器做转速负反馈，其调速范围D≤50。3.2稳态精度　　JF—F—D系统的稳态精度只能达到1%，而KZ—D系统的稳态精度却能达到0.1%（光电编码器反馈）。3.3 运行可靠性　　JF—F—D系统由于调整电阻多，采用的继电器逻辑控制方式固有连接接点多，从而造成电路虚接的故障几率很高。JF—F—D系统的直流发电机、交磁扩大机、励磁机均有换向器和电刷，因电刷接触不良造成的故障颇多。高速微处理器控制的KZ—D系统采用可编程序控制器（PLC）后，由于整个控制系统是适用于恶劣工业环境的工业计算机来完成所有控制算法，所以整个电控系统比JF—F—D系统大为简化，原控制电路中的继电器逻辑控制硬触点代之以PLC的软触点，原主电路中的直流发电机组、交磁扩大机、励磁机、启动电阻等代之以电路简练的全数字晶闸管整流装置。控制电路的简化、大电流接点的减少，必将进一步提高钢轨刨床电气传动系统的运行可靠性。3.4 可维修性　　JF—F—D系统可调电阻多，控制电机多，需调整的部位多，调试难度大，维修不易。高速微处理器控制的KZ—D系统采用全数字装置，充分发挥了计算机软件灵活的优势，具有完善的数字控制和保护功能；数字控制调整点少，调试参数自整定，发生故障后有准确的故障信息显示，缩短了维修时间。3.5 效率及设备体积　　JF—F—D系统交流异步电动机拖动的直流发电机组效率仅能达到93%左右；其电气传动系统除了电气控制柜以外，还有占地面积达3平方米的直流发电机组、交磁扩大机、励磁机、启动电阻箱等外围设备，而且机组运行噪音大。高速微处理器控制的KZ—D电气传动系统效率高达98%以上；其全部控制装置均安装在原电气控制柜内，无其它外围装置，而且运行无噪音。12米钢轨刨床改造后操作人员反映，以前扰人的机组噪音没有了，工作环境大为改善。3.6 节能分析及投资效益　　2005年8月27日，我们分别在已改造的1#钢轨刨床和未改造的2#钢轨刨床上各安装了一台三相四线有功电度表和一台三相四线无功电度表进行节电数据的采集。两台钢轨刨床的班次安排和所加工产品均接近相同。2005年9月28日，时隔一月后记录电度表读数。已改造的1#钢轨刨床月耗电：有功为43×60（电流互感器变比）=2580KW•h，无功为120×60（电流互感器变比）=7200KVar•h; 未改造的2#钢轨刨床月耗电：有功为98×60（电流互感器变比）=5880KW•h，无功为398×60（电流互感器变比）=23880KVar•h。　　由以上数据可知，采用全数字晶闸管可逆直流调速系统的钢轨刨床比采用直流发电机组电气传动的钢轨刨床平均月节电：有功为3300KW•h，无功为16680KVar•h。有功节电的意义在于每年可直接节约电费：3300（KW•h/月）×12（月）×0.5（元/ KW•h）=19800（元），按此估算就改造后直接节约电费一项，此次改造的9.3万元投资就可5年完全回收。无功节电的意义在于降低车间供电母线的线路损耗，降低车间配电变压器的二次电流，节约的无功电流可以出让给电网中新安装的设备，从而化解了新增设备后的车间配电变压器增容问题。由以上节电数据可以看出，钢轨刨床改造后节约的无功远比有功大的多，无功节电给车间电网带来的间接收益也是十分明显的。4 结束语　　综上所述，用PLC控制的全数字晶闸管可逆直流调速系统改造交磁扩大机控制的直流发电机组调速系统，钢轨刨床的调速范围、稳态精度、调速平滑性等技术指标均有所提高，运行可靠性有技术保证，可维修性较好，效率高而且占地面积小，无噪音运行，投资回收期短，这是一项经济、可行的设备节能改造方案。钢轨刨床节能改造后，机床操作者认为这项改造既有利于公司的节电和设备性能的提高，又有利于对操作者工作环境的改善，是一项利国利民的好事。参考文献：EUROTHERM•590+Integrator Series DC Digital Drive Product Manual•HA466461U003•2003作者简介：段苏振（1974—），男，陕西凤翔人，中铁宝桥股份有限公司工程师，研究方向为机电一体化技术、PLC和交流变频调速技术在起重机械中的应用。近年来，先后在国内核心、重要科技期刊《电气传动》、《电气传动自动化》、《起重运输机械》、《变频技术应用》、《机床电器》和《电世界》等杂志，公开发表了8万多字的技术论文20篇。 　 作者单位：中铁宝桥股份有限公司 　地址：陕西宝鸡清姜路80号　721006　Email：dszdpf@163.com