唐 勝，張玉瑜，段 虎

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412000）

繞線機是電機制造企業(yè)的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備之一。在生產(chǎn)中，由于梭型線圈的形式、匝數(shù)、電磁線截面、并繞根數(shù)等的不同，特別是對品種多數(shù)量少的各種規(guī)格電機線圈的繞制，更是要求繞線機的速度可調(diào)范圍大，調(diào)節(jié)方便，并具有較平穩(wěn)的起動特性和制動特性，在以不同的速度繞制時，都應(yīng)具有足夠的轉(zhuǎn)矩。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的成熟，繞線機已逐步采用變頻調(diào)速替代傳統(tǒng)機械變速箱調(diào)速的趨勢，如何掌握變頻調(diào)速在繞線機應(yīng)用的特點，對保證設(shè)備安全與正常運行尤為重要。且交流變頻調(diào)速方案由于費用低、可無級平滑調(diào)速、維護方便等優(yōu)良的調(diào)速性能，目前已取代直流調(diào)速系統(tǒng)，成為調(diào)速方案的首選。

1 變頻調(diào)速與電磁制動的基本原理

1.1 變頻調(diào)速的基本原理

變頻調(diào)速就是通過改變電動機定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。要使異步電動機的供電頻率可變，就必須有一套變頻電源。變頻調(diào)速設(shè)備就是將恒壓、恒頻電源轉(zhuǎn)換為變壓、變頻調(diào)速的變頻電源裝置。

變頻器基本原理如圖1所示：

交流電經(jīng)整流橋變換成直流后，通過大容量電容C濾波輸出直流電壓U0,控制電路采用PWM或PAM方式有序控制V1—V6的導通與關(guān)斷， U、V、W輸出端輸出頻率可調(diào)的接近正弦波電壓。限流電阻起到電流取樣的作用，當出現(xiàn)過流情況時，限流電阻上取樣電壓升高，通過設(shè)置保護閾值的大小，可實現(xiàn)多種形式的過流保護。當電機在實現(xiàn)制動時，反饋的能量會使電容端U0升高，通過檢測U0的大小來開啟開關(guān)管V，投入制動電阻，保證制動回饋的能量消耗在制動電阻上。

由公式E=4.44*K*F*N*Φ 可以看出，在變頻調(diào)速時，如果電壓恒定不變，電動機的磁通Φ隨著運行頻率f在相當大的范圍內(nèi)變化，它極容易使電動機的磁路嚴重飽和，導致勵磁電流的波形嚴重畸變，產(chǎn)生峰值很高的尖峰電流。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，保證V/f一定，就可以使電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

1.2 電磁離合器的基本原理

電磁離合器是一種將主動側(cè)扭力傳達給被動側(cè)的連接器,可以據(jù)需要自由的結(jié)合,切離或制動,因使用電磁力來作動,稱之電磁離合器,制動器,具有響應(yīng)速度快,結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。

圖1 變頻器基本原理圖

其原理是：激磁線圈通電時形成磁場，磁粉在磁場作用下磁化,形成磁粉鏈,并在固定的導磁體與轉(zhuǎn)子間聚合，靠磁粉的結(jié)合力和摩擦力實現(xiàn)制動。激磁電流消失時磁粉處于自由松散狀態(tài)，制動作用解除。這種制動器體積小，重量輕,激磁功率小,而且制動力矩與轉(zhuǎn)動件轉(zhuǎn)速無關(guān)，但磁粉會引起零件磨損。它便于自動控制，適用于各種機器的驅(qū)動系統(tǒng)。

電磁離合器的選型一般以所需傳達最大轉(zhuǎn)矩為依據(jù)來選定，并同時注意保證實際滑差功率小于電磁離合器、制動器的允許滑差功率。

圖3 傳統(tǒng)系統(tǒng)比較圖

圖4 主電路和控制電路

圖2 電磁離合器結(jié)構(gòu)圖

計算公式如下：實際滑差功率P=2×3.14×M×n/60=F*V(單位：W)公式中：M 為實際工作轉(zhuǎn)矩（N/m）； F為張力（N）；n為 滑差轉(zhuǎn)速（r/min） ,V 為 線速度（m/s）

電磁離合、電磁制動器在散熱條件一定時，其滑差功率是一定值，因此其實際工作轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速可以相互補償，即滑差轉(zhuǎn)速提高時，則許用轉(zhuǎn)矩將相應(yīng)下降，但最高轉(zhuǎn)速不得高于其許可轉(zhuǎn)速。

2 繞線機的電路改造

2.1 主電機控制電路中的變頻調(diào)速應(yīng)用

根據(jù)梭型線圈在繞制過程中對速度、轉(zhuǎn)矩、起動特性和制動特性等要求及我部門使用的梭型線圈繞線機的技術(shù)參數(shù)和性能的分析，經(jīng)研究決定利用變頻器對繞線機進行速度調(diào)節(jié)和制動，替代傳統(tǒng)的齒輪變速箱調(diào)速。

由于繞制線圈要求主軸平緩啟動以最短的時間達到額定轉(zhuǎn)速，線圈繞制完后，要求主軸轉(zhuǎn)速迅速平緩的降到零，導致主軸電機需在短時間內(nèi)反復的啟停。運轉(zhuǎn)或是正反運轉(zhuǎn)，故其驅(qū)動采用三菱通用型變頻器（FR-F740-15K-CHT）進行正反轉(zhuǎn)的運行控制，并在變頻器的三相交流電源輸入端（R、S、T）加入交流電抗器，其作用是擬制輸入電流的高次諧波，改善和提高功率因素，以保證變頻器的安全運行。變頻制動部分采用能耗式制動單元并配備鋁合金外殼電阻，這樣可以將電機在減速過程中所產(chǎn)生的再生電能以熱能的形式消耗在電阻上，達到很好的制動效果，而擁有全密封填充材料和高散熱性鋁合金外殼的制動電阻，具有極強的耐振性、散熱性及長期穩(wěn)定性，保證了變頻器控制電機時的正常運轉(zhuǎn)。其原理圖如下：

電器控制部分主電路和控制電路如圖4所示。它們由三菱通用型變頻器(FR-F740-15K-CHT)、按扭開關(guān)（SB）、接觸器(KM)、熱繼電器(FR)、腳踏開關(guān)J、精密電位器

圖5 直流可調(diào)電源

RP，中間繼電器（KA）、計數(shù)器H等組成。當開關(guān)KI、限位開關(guān)J(腳踏調(diào)速器控制)閉臺耐，接觸器C常開觸點吸臺，經(jīng)接觸器KM1吸合將50Hz380V三相交流電壓加在變頻器的R、S、T三個輸入端上，并對其進行整流、濾波，變成平滑的直流電壓，通過變頻器的大功率晶體管逆變成可變電壓、可變頻率的三相交流電壓，并在變頻器的U、V、W端輸出。精密電位器RP為變頻器頻率給定電位器，通過調(diào)節(jié)電位器值來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率（5～50Hz）．腳踏開關(guān)經(jīng)過中間繼電器控制變頻器的正反向運轉(zhuǎn)，，達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速(速度調(diào)節(jié)范圍：10～1500r／min)的目的。制動由變頻器外接制動單元與制動電阻(R—3000W60Ω)進行直流能耗制動。匝數(shù)計數(shù)器由直接與主軸相聯(lián)的編碼器和計數(shù)器組成。

2.2 電磁制動電路的改造

電磁制動器的張力控制采用手動控制,在放線過程中進行調(diào)整離合器或制動器的扭矩，從而獲得所需的張力，這要求使用者檢查被控材料的張力，確定調(diào)節(jié)輸出力矩，這種方案可使本次改造節(jié)約一定的設(shè)備成本，并且在不增加操作者難度的情況下也能保證工藝技術(shù)要求。

兩個供線盤的電磁制動器相同，采用兩套相對獨立的穩(wěn)壓可調(diào)電源，電壓調(diào)整范圍0―15VDC、電流≥3A，就能保證電磁制動器的張力大小可調(diào)，并滿足線圈的繞制。我們用的穩(wěn)壓可調(diào)電源是基于LT1083系列大功率低壓差三端穩(wěn)壓芯片的高穩(wěn)定度低紋波直流穩(wěn)壓電源。其穩(wěn)壓器件LT1083CP系列可調(diào)穩(wěn)壓器的效率大大高于現(xiàn)有器件，可以提供7.5A輸出電流（需要足夠大的散熱器），并能在低至1V的壓差條件下運行，壓降在最大電流條件下保證在1.5V以內(nèi)，其具有輸出電壓穩(wěn)定度高、輸出電流大、低紋波、低功耗等特點，濾波電路更是采用大容量電解電容濾波，增加了輸出電壓的穩(wěn)定性，同時本套電源做成之后具有過熱、過載、短路等多種保護。為電磁制動器長時間的工作提供了更加安全、穩(wěn)定的保障。

通過圖5的電源原理圖，接觸器KM2吸合將50Hz220V交流電經(jīng)變壓器降壓輸出15VAC，再通過橋式整流電路，大容量濾波電路送入三端穩(wěn)壓模塊LT1083CP,由精密電阻RP調(diào)節(jié)輸出的直流電壓（0-15VDC）來控制電磁離合器張力大小。

2.3 改造后的效果

（1）故障率：

改造前 改造后平均每月一次 基本無故障

（2）主軸啟動平緩符合工藝要求：

改造前 改造后

3 接線注意事項

（1）變頻器的控制回路(圖中為控制回路端子)的控制線必須采用屏蔽線(圖中為屏蔽線)并且遠離主回路(圖中為主回路端子)接線，屏蔽線僅一端接地。

（2）為防止意外事故發(fā)生,接地端子E或 必須可靠接地(接地阻抗應(yīng)在100歐以下),否則會有漏電狀況發(fā)生。

（3）電機容量應(yīng)等于或小于變頻器容量。

（4）主回路配線時,其線徑規(guī)格的選擇請按照國家電工法規(guī)有關(guān)規(guī)定實行配線。

（5）為盡量減少電磁干擾的影響,電磁接觸器要遠離變頻器,或加裝浪涌吸收裝置。

（6）勿將交流輸入電源RST端子接到變頻器輸出端子UVW。

（7）變頻器部分功能參數(shù)設(shè)置如下：Pr 1 上限頻率0～120Hz 設(shè)置為50 Hz，Pr 2 下限頻率0～120Hz 設(shè)置為5 Hz，Pr 7加速時間0～3600 設(shè)置為5s，Pr 7減速時間0～3600 設(shè)置為1.5s，Pr 9電子過電流保護0～3600A設(shè)置為20A，Pr 79運行模式選擇 0～7 設(shè)置為2，其它參數(shù)采用出產(chǎn)默認值。

4 結(jié)語

整套電器柜改造完成后，經(jīng)試運行，主軸電機起動平緩了，消除了沖擊電流，電磁場干擾也大大降低了，工作時的轉(zhuǎn)速也可在限制范圍內(nèi)隨意調(diào)整，供線盤的張力調(diào)整比改造前也更加平滑穩(wěn)定。

[1]岳慶來. 變頻器、可編程程序控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2006.

[2]韓安榮 . 通用變頻器及應(yīng)用[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2000.