工程型變頻器機械制動控制功能應(yīng)用研究

　　隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及電機控制技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，變頻器向單元化、數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。西門子公司6se70/6se71系列矢量型（vc）變頻器和abb公司acs800/acc800系列直接轉(zhuǎn)矩型（dtc）變頻器都具備了單元化、數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的特點，是目前高性能工程型變頻器的代表。針對位能型負載的特點，6se70/6se71系列變頻器和acs800/acc800系列變頻器都設(shè)計了機械制動控制功能，也就是常說的抱閘控制功能，該控制功能的主要作用是：在傳動單元停止或未通電時，可以通過機械制動將電機和被驅(qū)動設(shè)備鎖停在零速狀態(tài)，保證了位能型負載和傳動單元及設(shè)備的安全。

2　變頻器機械制動控制功能的目的及應(yīng)用

　　2.1 機械制動控制功能的目的

　　對于位能型負載來說，由于重物具有重力的原因，如沒有專門的制動裝置，重物在空中是停不住的。為此，電動機軸上必須加裝機械制動器，常用的有電磁鐵制動器和液壓電磁制動器等。多數(shù)制動器都采用常閉式的，即：線圈斷電時制動器依靠彈簧的力量將軸抱?。痪€圈通電時松開。在重物開始升降或停住時，要求制動器和電動機的動作之間，必須緊密配合。由于制動器從抱緊到松開，以及從松開到抱緊的動作過程需要時間（約0.6s，因電動機的容量大小而異），而電動機轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生或消失，是在通電或斷電瞬間就立刻反映的。因此，兩者在動作的配合上極易出現(xiàn)問題。如電動機已經(jīng)通電，而制動器尚未松開，將導(dǎo)致電動機的嚴重過載；反之，如電動機已經(jīng)斷電，而制動器尚未抱緊，則重物必將下滑，出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象。

　　2.2 通用型變頻器機械制動控制的應(yīng)用

　　2.2.1　通用型變頻器機械制動控制

　　自變頻器開始應(yīng)用在位能型負載領(lǐng)域，其機械制動控制功能就是設(shè)計、維護的重點，由于通用型變頻器本身的局限性，可以使用的資源并不是很多，在實際應(yīng)用中，一般有以下控制方法：

　　（1）應(yīng)用變頻器的可定義開關(guān)量輸出信號和故障輸出信號構(gòu)成機械制動控制信號；

　?。?）應(yīng)用變頻器的運行信號和故障輸出構(gòu)成機械制動控制信號；

　?。?）變頻器的運行信號、開關(guān)量輸出信號和故障輸出信號、電流模擬量信號輸入到plc，應(yīng)用plc的編程控制功能設(shè)計機械制動控制條件，plc輸出信號控制機械制動器。

　　以上三種方法中，前兩種一般應(yīng)用在控制要求不高，簡單的系統(tǒng)中，第三種應(yīng)用在稍復(fù)雜系統(tǒng)中，控制精度要求較高，而且一般應(yīng)用需要有plc系統(tǒng)。在90年代中期，濟鋼第一煉鋼廠氧槍控制系統(tǒng)變頻改造中，設(shè)計者充分應(yīng)用了變頻器可以使用的信號來完成機械制動的控制，是plc系統(tǒng)參與機械制動的一個典型例子。其控制思想是：plc系統(tǒng)采集變頻器的運行信號、可定義開關(guān)量輸出信號、故障輸出信號和電流模擬量信號，其中可定義開關(guān)量輸出信號定義為大于3hz輸出；利用電流模擬量信號和plc的比較功能，設(shè)定開關(guān)機械制動的電流門檻值，plc系統(tǒng)綜合以上條件設(shè)計出開關(guān)機械制動的條件，通過plc的輸出控制機械制動器的線圈。plc系統(tǒng)參與通用變頻器機械制動的電氣原理圖如圖1所示。

　　2.2.2　通用型變頻器機械制動控制過程

　　下面就以通用變頻器可定義的開關(guān)量信號和電流信號為主信號的機械制動控制為例，來描述在啟動停止中通用變頻器機械制動控制的具體工作過程：

　?。?） 負載啟動時機械制動控制過程

　　設(shè)定一個“升降起始頻率”fsd當變頻器的工作頻率上升到fsd時，將暫停上升。為了確保當制動電磁鐵松開后，變頻器已能控制住重物的升降而不會溜鉤，所以，在工作頻率到達fsd的同時，變頻器將開始檢測電流，并設(shè)定檢測電流所需時間tsc；發(fā)出“松開指令”當變頻器確認已經(jīng)有足夠大的輸出電流時，將發(fā)出一個“松開指令”，使機械制動控制器開始通電；設(shè)定一個frd的維持時間trd，trd的長短應(yīng)略大于機械制動控制器從通電到完全松開所需要的時間；變頻器將工作頻率上升至所需頻率

　　負載啟動的機械制動控制過程如圖2所示。

　　（2）負載停止時機械制動控制過程

　　設(shè)定一個“停止起始頻率”fbs

　　當變頻器的工作頻率下降到fbs（如3hz）時，變頻器將輸出一個“頻率到達信號”，發(fā)出機械制動控制器斷電指令；

　　設(shè)定一個fbs的維持時間tbb

　　tbb的長短應(yīng)略大于機械制動控制器從開始釋放到完全抱住所需要的時間；

　　變頻器將工作頻率下降至0

　　負載停止時機械制動控制過程過程如圖3所示。

　　2.3　工程型變頻器機械制動控制的應(yīng)用

　　2.3.1　工程型變頻器機械制動的方法

　　隨著高性能微處理器技術(shù)的發(fā)展以及dsp技術(shù)在變頻器中的應(yīng)用，變頻器不僅具備了優(yōu)越的控制性能而且擁有了強大數(shù)字編程處理能力。西門子公司6se70/6se71變頻器和abb公司acs800/acc800變頻器在內(nèi)部功能上都設(shè)計了機械制動控制功能，機械制動控制邏輯集成在變頻器的應(yīng)用中，用戶通過簡單的定義和硬線連接就可以實現(xiàn)復(fù)雜的機械制動控制功能。工程型變頻器的機械制動控制思想是：變頻器應(yīng)用其采集到的各種信號，例如電流轉(zhuǎn)矩信號、速度信號、故障信號等在內(nèi)部通過邏輯計算得出一個開關(guān)機械制動控制器的信號，直接輸出信號控制機械制動控制器，同時產(chǎn)生一些控制信號（例如內(nèi)部給定使能、逆變器使能）來控制變頻器的運行配合機械制動器的動作，該功能也可以利用機械制動控制器的檢測元件來檢測機械制動器是否正常。圖4所示為一個工程型變頻器機械制動控制的應(yīng)用原理圖。

　　2.3.2 　工程型變頻器機械制動的控制過程

　　下面就以工程型變頻器機械制動控制功能實現(xiàn)的機械制動為例，描述負載在啟動、停止時機械制動器的運行過程，工程型變頻器機械制動控制的過程如圖5所示。

　?。?）負載啟動時機械制動控制過程

　　設(shè)定一個“制動器打開時的啟動轉(zhuǎn)矩”ts

　　當變頻器的啟動指令以及外部速度給定使能信號都具備，變頻器開始工作，為保證開機械制動時電機有足夠的力矩，負載不至于下滑，設(shè)定一個打開制動器的門檻轉(zhuǎn)矩值ts，門檻信號也可以應(yīng)用電流信號；

　　發(fā)出“制動器打開指令”

　　當變頻器確認已經(jīng)有足夠大的輸出轉(zhuǎn)矩（電流）時，其他邏輯條件都具備時將發(fā)出一個“制動器打開指令”，使機械制動控制器開始通電；

　　設(shè)定一個“制動器打開時間”tod

　　當變頻器確認機械制動器已經(jīng)打開，經(jīng)過“制動器打開時間”tod后，通過控制功能控制內(nèi)部給定使能，使變頻器開始沿速度曲線升至所需速度。

　　負載啟動的機械制動控制過程見圖5中1到4所示過程。

　?。?） 負載停止時機械制動控制過程

　　設(shè)定一個“制動器閉合的轉(zhuǎn)速”ncs

　　變頻器設(shè)定一個“制動器閉合的轉(zhuǎn)速”ncs，為保證制動器閉合時電機有足夠的力矩，負載不至于下滑，設(shè)定一個關(guān)閉制動器的門檻轉(zhuǎn)矩值ncs，制動器閉合的門檻信號一般使用速度信號；

　　發(fā)出“制動器閉合指令”

　　變頻器停止運行時，當外部給定使能和外部速度信號停止后，速度沿變頻器速度曲線下降，當變頻器檢測到ncs（如5%額定速度）時，變頻器將輸出一個“制動器閉合”信號，發(fā)出制動器斷電指令；

　　設(shè)定一個“制動器閉合時間”tcd

　　當變頻器確認機械制動器已經(jīng)閉合，經(jīng)過“制動器打開閉合”tcd后，通過控制功能封鎖變頻器內(nèi)部給定使能（電機勵磁）以及逆變器使能，變頻器立即停止工作。

　　負載停止時的機械制動控制過程見圖5中5到7所示過程。

　　2.4　 通用變頻器機械制動與工程型變頻器的比較

　　工程型變頻器的機械制動控制功能與通用型變頻器機械制動控制功能相比，其優(yōu)點主要有以下三個方面：

　　2.4.1　控制方法及思想

　　通用型變頻器由于本身的局限性，其可以應(yīng)用的資源并不多，應(yīng)用變頻器提供的輸出點對于設(shè)計開關(guān)機械制動功能，這些也只是同級別控制信號；而工程型變頻器具有的可編程性，內(nèi)部采集到的各種信號可以直接或編程后提供給機械制動功能使用，工程型內(nèi)部有專門的機械制動功能模塊，其采用rs觸發(fā)控制器，關(guān)機械制動條件優(yōu)先，對于機械制動功能來說是最為合理和安全的，所以工程型變頻器機械制動功能的控制方法及思想更為合理。

　　2.4.2　控制性能及精度

　　通用型變頻器機械制動功能采用plc控制，也可以使機械制動功能考慮更多的條件，但是plc通過通訊等方式采集變頻器的數(shù)據(jù)，然后做機械制動邏輯控制，系統(tǒng)至少一個循環(huán)的時間執(zhí)行plc程序并運算出結(jié)果，然后通過輸出模塊控制機械制動控制器，加起來就算200ms，對于高精度要求的負載（比如電梯系統(tǒng)）來說，也是難以容忍的。對于工程型變頻器，機械制動邏輯控制的運算時間，只是一個硬件運算的時間，工程型變頻器機械制動功能可以讓變頻器的控制性能和精度達到最高。

　　2.4.3　安全性能

　　通用型變頻器機械制動控制的控制僅采集變頻器的信號，而不給變頻器任何信息和控制，工程型變頻器的機械制動控制功能提供變頻器的內(nèi)部給定使能和逆變器使能兩個控制信號，通過這兩個信號控制變頻器的內(nèi)部給定啟動和逆變器停止，在機械制動器打開和關(guān)閉時變頻器配合機械制動器的運行，保護變頻器以及負載的安全，工程型變頻器機械制動功能使變頻器具有更高的安全性能。

3　西門子6se70變頻器的特點及機械制動功能

　　3.1　西門子6se70變頻器的特點

　　西門子6se70全數(shù)字矢量控制變頻裝置屬于simovertmasterdriv系列，是西門子目前高性能變頻器杰出產(chǎn)品，其全數(shù)字化和強大的軟件控制功能、監(jiān)視功能、記錄功能和保護功能，為其裝置運行的穩(wěn)定性、可靠性提供了保證。其可選擇的控制功能，既可以選擇壓頻控制，也可以選擇矢量控制，標量控制，適合于各種不同負載特性的要求；靈活的參數(shù)設(shè)置，可以方便修改參數(shù)、控制方式；兼容的通訊功能，可以與其它控制系統(tǒng)進行通訊；通過參數(shù)選擇，變頻器既可在本地控制，也可以通過現(xiàn)場總線構(gòu)成的通訊網(wǎng)進行遠程控制。

　　3.2　西門子6se70變頻器機械制動功能

　　西門子6se70系列變頻器機械制動功能非常強大，工程型變頻器的可編程的優(yōu)點顯示的淋漓盡致，機械制動功能控制有：沒有外部機械制動器的控制、有外部機械制動器不帶機械制動器檢測的控制和有外部機械制動器帶機械制動器檢測的控制三種方式，而且利用機械制動功能可以控制變頻器的給定使能、逆變器使能使變頻器快速停止，其控制原理框圖如圖6所示。

　　3.3　西門子6se70變頻器機械制動功能的實現(xiàn)

　　3.3.1　機械制動控制功能原理

　　西門子機械制動控制是利用rs觸發(fā)器原理，開機械制動器（s）的關(guān)系是“與”，所有條件都具備才能開機械制動器，關(guān)機械制動器（r）的關(guān)系是“或”，有一個關(guān)機械制動器的條件到就關(guān)機械制動器，而且rs觸發(fā)器復(fù)位優(yōu)先，在機械制動器實際應(yīng)用中也就是機械制動器閉合優(yōu)先，這種控制方式對于機械制動器控制更為安全。通過rs觸發(fā)器可以得到兩個內(nèi)部開關(guān)量信號，其連接到變頻器的開關(guān)量輸出點就可以實現(xiàn)控制機械制動控制器；同時機械制動控制功能產(chǎn)生變頻器內(nèi)部給定使能和逆變器使能控制信號，可以根據(jù)實際需要選擇使用控制變頻器內(nèi)部給定和逆變器的開通和關(guān)斷。

　　3.3.2　機械制動控制的組成

　　如圖6所示的是西門子變頻器機械制動功能框圖，可以分為7個部分：開機械制動條件、關(guān)機械制動條件、開關(guān)機械制動控制信號、控制給定積分使能信號、控制逆變器使能信號、開機械制動檢測功能的報警信號、關(guān)機械制動檢測功能的報警信號。其主要的部分分述如下：

　?。?）開機械制動條件

　　開機械制動器的邏輯關(guān)系是“與”，也就是所有條件都具備才能開機械制動器，在該功能中，一共有四個條件，其中電機勵磁為固定條件，其他三個條件可以設(shè)定。參數(shù)p608可以設(shè)定兩個開關(guān)量控制信號，一般使用一個變頻器的運行信號（b104）即可；在該功能設(shè)定中最重要的是開機械制動器門檻控制的設(shè)定，參數(shù)p610是定義選擇的參考量，常選用電流信號（kk242），p611是參考信號額定數(shù)值的百分數(shù)，根據(jù)實際需要定義，一般為20%左右，開機械制動條件的原理見圖6中1所示部分。

　　（2）關(guān)機械制動條件

　　關(guān)機械制動器（r）的條件是“或”，有一個關(guān)機械制動器的條件到就關(guān)機械制動器，在該功能中，一共有6個條件，其中電源停止為固定條件，其他5個條件可以設(shè)定。參數(shù)p609可以設(shè)定四個開關(guān)量控制信號，一般使用一個變頻器的未運行信號（b105）即可；在該功能設(shè)定中最重要的是關(guān)機械制動器門檻控制的設(shè)定，參數(shù)p615是定義選擇的參考量，常選用速度信號（kk148或kk91），p616是參考信號額定數(shù)值的百分數(shù)，根據(jù)實際需要定義，一般為10%左右，需要注意的是參數(shù)p617，應(yīng)用該參數(shù)可以把關(guān)機械制動器的信號由一個下跳沿信號變成一個寬脈沖信號，常定義為0.5s，關(guān)機械制動器門檻信號還需在停止信號、無故障信號和參數(shù)p614中的一個為常1時有效。關(guān)機械制動條件的原理見圖6中2所示部分。

　　（3）開關(guān)機械制動控制信號

　　經(jīng)rs觸發(fā)器處理后，得到兩個機械制動控制信號開機械制動控制信號（b0275）和關(guān)機械制動控制信號（b0276），開關(guān)機械制動控制信號的原理見圖6中3所示部分。

　?。?）控制給定積分使能信號

　　西門子變頻器可以通過參數(shù)p605選擇三種機械制動功能控制模式，當選擇為無機械制動（p605=0）時，給定積分使能信號（b0277）為常1；當選擇有機械制動不帶檢測信息模式（p605=1）時，當機械制動信號打開時，通過參數(shù)p606設(shè)定的時間后，啟動內(nèi)部給定使能，停止時，當機械制動信號閉合時，通過參數(shù)p606設(shè)定的時間后，封鎖內(nèi)部給定使能；當選擇有機械制動帶檢測信息模式（p605=2）時，當機械制動信號打開時，通過參數(shù)p606設(shè)定的時間并檢測到制動器打開信號后，啟動內(nèi)部給定使能，當機械制動信號閉合時，通過參數(shù)p606設(shè)定的時間并檢測到機械制動器返回信息后，封鎖內(nèi)部給定使能。應(yīng)用該功能控制字p564需定義為b0277，機械制動控制給定積分使能原理見圖6中4所示部分

　?。?）控制逆變器使能信號

　　控制逆變器使能信號主要來自關(guān)機械制動條件中關(guān)機械制動器門檻控制信號，系統(tǒng)啟動后逆變器使能信號（b0278）為1信號，變頻器選擇為無機械制動（p605=0）時，當關(guān)機械制動門檻控制信號條件具備，立即封鎖逆變器使能信號；選擇有機械制動不帶檢測信息模式（p605=1）時，當關(guān)機械制動條件具備時，通過參數(shù)p607設(shè)定的時間后，延時封鎖內(nèi)部逆變器使能信號；選擇有機械制動帶檢測信息模式（p605=2）時，當關(guān)機械制動門檻控制信號條件具備時，通過參數(shù)p607設(shè)定的時間并檢測到機械制動器返回信號后，立即封鎖內(nèi)部逆變器使能信號。應(yīng)用該功能控制字p561需定義為b0278，機械制動控制逆變器使能原理見圖6中5所示部分

　　3.3.3　機械制動控制信號的輸出

　　西門子變頻器機械制動控制信號可以應(yīng)用三種方式的輸出：

　　（1） 使用x101的開關(guān)量輸出點（+24v）；

　?。?） 通過擴展eb2板的開關(guān)量信號輸出（+24v）；

　?。?）利用x9端子的4，5（一對220v的無源點）進行輸出。實際應(yīng)用中，機械制動控制器的控制電壓一般采用220v，使用前兩種輸出，控制信號還需要用中間繼電器轉(zhuǎn)換，增加中間環(huán)節(jié)就是增加控制時間和故障點。

　　在以上三種輸出方法中，應(yīng)用控制信號x9（4，5）輸出直接參與機械制動控制器為最好。

4　西門子6se70變頻器機械制動功能在濟鋼副槍中的應(yīng)用［4］

　　4.1　濟鋼副槍起升變頻控制系統(tǒng)

　　濟鋼三煉鋼工程是濟鋼集團做強做大的重點工程，其轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)應(yīng)用了達涅利-康樂斯公司的副槍技術(shù)。副槍電氣傳動控制系統(tǒng)包括副槍起升驅(qū)動系統(tǒng)、副槍旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)、apc系統(tǒng)（探頭自動裝卸裝置）。

　　4.1.1　副槍起升驅(qū)動設(shè)備

　　副槍起升設(shè)備位于卷揚平臺上，包括一55kwac電機，dc抱閘，齒輪箱，卷揚筒，用于速度控制的測速發(fā)生器和兩個用于高度測量的脈沖發(fā)生器（第二個脈沖發(fā)生器是出于安全角度考慮安裝的）。一旦脈沖發(fā)生器間出現(xiàn)不允許誤差，只能以低速進行停止降槍和提槍操作。事故方式下，副槍可以通過事故dc蓄電池從轉(zhuǎn)爐中提出，除此之外，沒有其它任何動作。副槍起升控制的工藝要求如表1所示。

　　4.1.2　副槍起升變頻控制系統(tǒng)

　　副槍起升電氣控制系統(tǒng)由兩套變頻控制器組成：正常模式變頻器、應(yīng)急模式變頻器。正常模式主要完成副槍的手動、半自動、計算機控制三種模式的操作；應(yīng)急模式完成事故狀態(tài)下操作。副槍起升驅(qū)動電機是55kw，正常模式選擇的是西門子75kw變頻器（6se7031-2ef60），制動單元選擇的是50kw（6se7028-0ea87-2da0），反饋裝置選擇的是脈沖編碼器（1024p/r），因為現(xiàn)場距離設(shè)備將近100m，選擇數(shù)字測速機dt1（6se7090-0xx84-3db0）對信號進行放大、修復(fù)。應(yīng)急模式選擇的是西門子75kw變頻器（6se7031-2ef60），不帶制動單元和反饋裝置。正常模式、應(yīng)急模式變頻器均帶輸入、輸出電抗器消除諧波、抑制尖峰電壓。

　　4.2　機械制動控制功能在副槍變頻器系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　在副槍起升控制中，正常模式使用的是有外部機械機械制動帶機械制動信號檢測的功能，應(yīng)急模式應(yīng)用的是有外部機械機械制動不帶機械制動檢測的控制模式，而且應(yīng)急模式未設(shè)計制動單元，在此種模式下利用具有的機械制動信號控制變頻器給定使能和逆變器信號使能對變頻器進行控制。

　　4.2.1 正常模式

　　正常模式的開機械制動條件是變頻器運行信號和變頻器電流等于電機額定電流的20%，在這兩個條件都具備才開機械制動，保證開機械制動時電機有足夠的力矩，負載不至于下滑。關(guān)機械制動的條件有變頻器停止和電機速度等于額定速度5%，利用速度檢測信號來實現(xiàn)關(guān)機械制動，其控制安全性優(yōu)于利用檢測的電流信號，因為對于雙環(huán)控制系統(tǒng)來說，速度環(huán)是穩(wěn)定的，在系統(tǒng)停止過程中速度信號是穩(wěn)定變化。

　　正常模式變頻器機械制動控制使用了機械制動檢測功能，外部機械制動上安裝一限位（x101，6開關(guān)量輸入）作為檢測機械制動是否到位信號，開機械制動時，在開機械制動條件到而在1.0s內(nèi)機械制動檢測信號未到則認為是故障狀態(tài)，封鎖變頻器（逆變器信號使能），并報警a036；關(guān)機械制動時關(guān)機械制動條件到而在1.6s內(nèi)機械制動信號一直保持則認為是故障狀態(tài)，封鎖變頻器（給定使能），并報警a037。

　　在副槍正常模式下，機械制動控制信號利用x9（4，5）輸出直接參與機械制動接觸器控制。

　　4.2.2　應(yīng)急模式

　　應(yīng)急模式的變頻器機械制動控制基本上與正常模式變頻器機械制動控制相同，由于在應(yīng)急控制方式下，沒有使用制動單元，所以關(guān)機械制動的速度閥值很低，以免大的回饋電壓沖擊變頻器。應(yīng)急模式使用無機械制動檢測信號控制方式，該控制方式應(yīng)用的是控制開關(guān)機械制動信號在定義時間內(nèi)不動作，則封鎖變頻器的給定使能和逆變器信號使能。副槍應(yīng)急模式下，機械制動控制信號利用x9（4，5）輸出直接參與機械制動接觸器控制。

　　4.3　副槍機械制動控制參數(shù)應(yīng)用

　　副槍提升正常模式變頻器、應(yīng)急模式變頻器的機械制動控制參數(shù)分別選用帶機械制動檢測信號模式和不帶機械制動檢測模式，其變頻器機械制動控制參數(shù)如表2所示。

5　結(jié)束語

　　應(yīng)用工程型變頻器的機械制動控制功能，能很好地實現(xiàn)位能型負載在開始升降或停止時，要求制動器和電動機的動作之間，必須緊密配合的要求，該功能的實現(xiàn)保證了位能型負載和傳動單元及設(shè)備的安全。但是需要注意的是，在各種安全規(guī)定和相關(guān)標準（iec61800-2）中變頻器被定義完全驅(qū)動單元和基本驅(qū)動單元，沒有列為安全器件，因此不能將安全完全依賴于變頻器的制動器控制功能性能上，而應(yīng)嚴格執(zhí)行特殊的安全規(guī)定［3］。