滚切式双边剪单电机切换技术的研究
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[摘 要]通过对4300mm宽厚板滚切式双边剪主电动机转矩输出能力、机械机构合理使用、传动变频装置性能要求、自动化逻辑控制四个方面分析改进从而实现双边剪单机自由切换，达到降低设备故障率、电气设备降容使用、提高设备稳定性的目的。
中图分类号：TQ241.11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0031-01
一、概况
滚切式双边剪剪刃电气传动部分为固定侧、移动侧共计4台525 kW电机。通过主从控制方式实现同侧两台电机以大转矩、高速度启动，实现双边剪快速剪切，通过ABB DriverWindow软件监测两侧电机同时启动时正常剪切转矩及速度反馈情况分析，电机起动过程中电机最大转矩87% ，最大电流588A。同时双边剪主电机控制系统为剪切线控制系统中最复杂系统之一，其中逆变模块共计12套，设备故障点多，处理时间较长。目前设备故障率、维修费用逐年增高，双边剪高故障率、高能耗等问题，将直接影响剪切线正常生产及生产成本。
二、主要内容和做法
（一）技术分析
1. 电动机使用性能分析
双边剪固定侧、移动侧主电机（4台）同时投入运行时，电机正常剪切过程中电机最大转矩87% ，最大电流588A。通过分析双边剪主电机电机数据（见表1）及电机过载使用性能分析情况，若双边剪固定侧、移动侧单台电机运行过载情况为180%额定转矩 ，以目前电机风机强迫风冷冷却方式，能够快速降低电机内部绕组温度，启动过程中短时间过载运行，电机绕组绝缘性能不会受到影响。电机传动变频器转矩输出限幅值300% 额定转矩，能够符合单台电机运行限值要求，同时能够满足大转矩、高速度运行等生产工艺要求。
2.机械机构适应性分析
双边剪采用了三轴三偏心滚切式，由一台固定剪和一台移动剪组成。这两台剪机相对地安装在同一底座上，每台剪机都由2台525KW交流主电机经过齿轮传动装置及三根平行的轴带动。滚切剪是装有半径为R的弧形上刀片的上刀架，在具有不同相位角和偏心半径的两个曲轴及连杆带动下，并在控制杆的约束下，上刀片沿一个水平基面实现理想的滚动运动中，将钢板的两边剪断。
通过对双边剪对极限厚度规格钢板剪切时电机转矩分析，主电机大转矩主要存在于起动过程，剪切过程中由于机械机构运动动能，电机输出转矩降低。分析双边剪主剪刃机械机构，采用单电机运行模式后，运行过程中主电机齿轮较双电机齿轮运行转矩加大。单机切换技术实施后，电机转矩输出理论值为174%额定转矩，一般异步电动机过载倍数为1.8―3。双边剪齿轮传动装置齿轮、传动电机输出轴机械强度符合设计要求。
3.传动装置特性分析
双边剪主传动系统动作频繁，每块钢板都要快速连续的剪切才能保证生产线的顺行。这就要求传动系统具备动态特性好、转矩输出稳定、电气同步性要求高等特性。我们选用了ABB？ACS800系列变频器，并采用直接转矩控制（DTC）方式对主传动电机进行控制。
3.1直接转矩控制（DTC）原理
直接转矩控制原理交流电机的直接转矩控制（DTC）是通过控制电机定子磁通的方式来实现对电机转矩的控制。
电机控制系统要求测量功率回路输出的中间直流电压和电机的相电流。按定子磁通的空间适量关系，对电机电压进行积分运算，而电机转矩则是定子磁通和转子电流的矢量积。通过电机辨识可以提高定子磁通的估测水平，而不需要进行轴转速的测量。与传统的电机控制方法相比，直接转矩控制的最大不同之处是转矩控制的时间达到与功率器件相同的开关时间水平（25μs），具有很高的控制精度和速度响应。
直接转矩控制的特点
（1）低速转矩输出。在电机低速甚至是零速的情况下，能够提供电机的额定转矩。
（2）输出转矩大。ACS800变频器能够输出平稳的最大转矩。在大负载情况下可以最大输出额定转矩的200% 额定转矩，还可以在短时间内输出并保持额定转矩的250%额定转矩。并且转矩相应时间低。
（3）速度控制精确，启动特性好。在无编码器状态下速度误差为0.3%，在有编码器状态下误差为0.1%。能在0.5秒内迅速启动？。
在综合分析双边剪机械结构、电动机、传动装置前提下，由单电机运行模式下电机自身过载能力及转矩输出能力、主剪刃齿轮传动装置机械机构、变频器高转矩输出、速度控制精确等性能特点分析推断，突破双边剪4台电机主从控制系统模式，通过电机控制系统优化、现场电气元器件改造等措施，实现双边剪单台电机模式下运行。
（二）技术方案
1.电机控制系统优化 主从控制模式改为主备控制模式
双边剪主电机电气控制系统主要通过主从控制系统实现两台电机同时启动、负载合理分配。主机通过一条光纤串行通信连接控制着从机。主机是典型的速度控制，其他的传动系统跟随它的转矩或转速。主/从传动系统通过RMIO 板的通道 2 （CH2） 进行连接。在通讯中，一个传动系统可以被设置为主机或者从机。
实现双边剪单主备电机运行，需优化控制模式，取消主从控制模式。通过主从电机转矩控制方框图分析变频器部分参数需要优化更改从电机参数。
通过参数修改，优化双边剪移动侧、固定侧主电机控制模式，将主从控制模式改为直接转矩控制模式。直接转矩控制模式是以定子磁通方式对电机转矩直接控制（DTC）来实现的。通过调控变频器的半导体元件（开关），从而达到要求的定子磁通和电机转矩。只有在实际的转矩值和定子磁通值与它们给定值的偏差超过了规定值之后，功率模块的“开关给定”才会改变。
2.双边剪传动上位机控制系统优化
双边剪主电机变频控制系统采用PROFIBUS通讯进行运行状态控制。通过控制字、状态字形式进行信息交换。信号源和目标都已经被固定。
根据DP-Fieldbus及DDCS 协议形式及特点，按照双边剪主备电机控制模式控制要求，双边剪主备电机变频控制系统参数将适应调整。 备用电机变频控制系统通讯参数进行如下调整。
3.硬件改造
双边剪实现单电机运行模式后从电机系统闲置状态，将从电机系统通过软件优化，硬件改造后作为主电机系备用系统，双边剪固定、移动侧两侧电机实现互为备用电气系统。通过加装编码器控制模块RTAC-01、编码器，确保单电机控制系统电机速度精准反馈。
4.单电机运行模式下运行效果跟踪改进；
双边剪主电机起动过程完全满足高速度、大转矩起动要求，起动过程中速度偏差保持在3%以内，电机最大转矩120%额定转矩。如图4所示。
三、结束语
通过研究与分析，将双边剪主电机运行模式有主从控制模式改为主备控制模式，实现了双边剪单电机运行模式，单电机运行模式节电率49%，大大降低生产成本。同时避免长时间停机，提高剪切线剪切效率。
双边剪单机自由切换技术为国内目前较早实现主机单电机运行模式。创新性地解决了成本与效率的矛盾。双边剪单机自由切换技术设计，简单巧妙。
参考文献
[1] 王建军，潘璐，滚切式双边剪机构动力学方程及仿真分析，热加工工艺 2013年1月.
[2] 宋章明，滚切式双边剪问题分析及措施，机械设计与制造工程，2013年4月.
[3] 崔风平，刘彦春，中厚板生产知识问答，冶金职业技能培训，2010年2月.
作者简介：
韩磊 （1983-）男，2006年毕业于沈阳工业大学自动化专业。工程师，主要从事现场电气设备维护技术工作。