1 前言
我公司道岔車間現有兩臺120KW鋼軌刨床，其電氣傳動采用的是我國上世紀六十年代流行的交磁擴大機控制的直流發電機組傳動方案，運行三十多年來，為工廠的發展也發揮了重要的作用，但是，隨著技術的不斷發展，老設備的占地面積大、電能浪費嚴重、噪音大、備件不易等缺點日趨明顯。當今大型龍門刨床成熟的直流傳動方案是采用全數字晶閘管可逆直流調速系統，它采用微型計算機進行控制，從而使整個電控系統裝置不但體積小，而且高效、節能，運行可靠性也大為提高。
2 電氣傳動系統改造方案
鑒于以上原因，我們在2005年8月先對其中的1#鋼軌刨床進行了改造，新改的電氣傳動采用PLC（可編程邏輯控制器）控制的全數字晶閘管可逆直流調速系統。電控系統的PLC選用日本OMRON公司的CPM2A型整體式PLC，它負責完成全數字直流調速裝置外圍的給定信號處理、機床按鈕站信號、各種限位信號和系統故障信號的邏輯控制與處理。全數字晶閘管可逆直流調速裝置選用英國歐陸公司的590+系列500A四象限邏輯無環流（可逆）全數字直流電機調速裝置，它的內部主電路是由兩組反并聯的三相全控晶閘管整流單元組成，兩者通過觸發脈沖邏輯互鎖構成四象限邏輯無環流（可逆）直流調速電氣傳動系統。它所有的控制算法都由高速16位微處理器完成，以獲得優越的動態控制性能；自整定算法可自動計算出電流環的P、I常數及電流斷續點，使系統獲得最佳動態性能；其電流環的自適應功能使系統變化較大時，也可獲得平穩的速度響應。此次改造調速系統采用光電編碼器構成轉速負反饋速度閉環控制，用以提高電氣調速系統的速度平穩性、擴大系統調速范圍、減小轉速靜差率。
3 新舊兩種調速系統的技術指標對比
下面就新舊兩種調速系統的技術性能做以詳細比較。
3.1調速范圍
鋼軌刨床交磁擴大機控制的直流發電機組拖動方式（JF—F—D）采用電壓負反饋、電流正反饋控制方式，其調速范圍D≤20。全數字晶閘管可逆直流調速拖動方式（KZ—D）采用光電編碼器做轉速負反饋，其調速范圍D≤50。
3.2穩態精度
JF—F—D系統的穩態精度只能達到1%，而KZ—D系統的穩態精度卻能達到0.1%（光電編碼器反饋）。
3.3 運行可靠性
JF—F—D系統由于調整電阻多，采用的繼電器邏輯控制方式固有連接接點多，從而造成電路虛接的故障幾率很高。JF—F—D系統的直流發電機、交磁擴大機、勵磁機均有換向器和電刷，因電刷接觸不良造成的故障頗多。高速微處理器控制的KZ—D系統采用可編程序控制器（PLC）后，由于整個控制系統是適用于惡劣工業環境的工業計算機來完成所有控制算法，所以整個電控系統比JF—F—D系統大為簡化，原控制電路中的繼電器邏輯控制硬觸點代之以PLC的軟觸點，原主電路中的直流發電機組、交磁擴大機、勵磁機、啟動電阻等代之以電路簡練的全數字晶閘管整流裝置。控制電路的簡化、大電流接點的減少，必將進一步提高鋼軌刨床電氣傳動系統的運行可靠性。
3.4 可維修性
JF—F—D系統可調電阻多，控制電機多，需調整的部位多，調試難度大，維修不易。高速微處理器控制的KZ—D系統采用全數字裝置，充分發揮了計算機軟件靈活的優勢，具有完善的數字控制和保護功能；數字控制調整點少，調試參數自整定，發生故障后有準確的故障信息顯示，縮短了維修時間。
3.5 效率及設備體積
JF—F—D系統交流異步電動機拖動的直流發電機組效率僅能達到93%左右；其電氣傳動系統除了電氣控制柜以外，還有占地面積達3平方米的直流發電機組、交磁擴大機、勵磁機、啟動電阻箱等外圍設備，而且機組運行噪音大。高速微處理器控制的KZ—D電氣傳動系統效率高達98%以上；其全部控制裝置均安裝在原電氣控制柜內，無其它外圍裝置，而且運行無噪音。12米鋼軌刨床改造后操作人員反映，以前擾人的機組噪音沒有了，工作環境大為改善。
3.6 節能分析及投資效益
2005年8月27日，我們分別在已改造的1#鋼軌刨床和未改造的2#鋼軌刨床上各安裝了一臺三相四線有功電度表和一臺三相四線無功電度表進行節電數據的采集。兩臺鋼軌刨床的班次安排和所加工產品均接近相同。2005年9月28日，時隔一月后記錄電度表讀數。已改造的1#鋼軌刨床月耗電：有功為 43×60（電流互感器變比）=2580KW•h，無功為120×60（電流互感器變比）=7200KVar•h; 未改造的2#鋼軌刨床月耗電：有功為 98×60（電流互感器變比）=5880KW•h，無功為398×60（電流互感器變比）=23880KVar•h。
由以上數據可知，采用全數字晶閘管可逆直流調速系統的鋼軌刨床比采用直流發電機組電氣傳動的鋼軌刨床平均月節電：有功為3300KW•h，無功為 16680KVar•h。有功節電的意義在于每年可直接節約電費：3300（KW•h/月）×12（月）×0.5（元/ KW•h）=19800（元），按此估算就改造后直接節約電費一項，此次改造的9.3萬元投資就可5年完全回收。無功節電的意義在于降低車間供電母線的線路損耗，降低車間配電變壓器的二次電流，節約的無功電流可以出讓給電網中新安裝的設備，從而化解了新增設備后的車間配電變壓器增容問題。由以上節電數據可以看出，鋼軌刨床改造后節約的無功遠比有功大的多，無功節電給車間電網帶來的間接收益也是十分明顯的。
4 結束語
綜上所述，用PLC控制的全數字晶閘管可逆直流調速系統改造交磁擴大機控制的直流發電機組調速系統，鋼軌刨床的調速范圍、穩態精度、調速平滑性等技術指標均有所提高，運行可靠性有技術保證，可維修性較好，效率高而且占地面積小，無噪音運行，投資回收期短，這是一項經濟、可行的設備節能改造方案。鋼軌刨床節能改造后，機床操作者認為這項改造既有利于公司的節電和設備性能的提高，又有利于對操作者工作環境的改善，是一項利國利民的好事。
參考文獻：
EUROTHERM•590+Integrator Series DC Digital Drive Product Manual•HA466461U003•2003
作者簡介：段蘇振（1974—），男，陜西鳳翔人，中鐵寶橋股份有限公司工程師，研究方向為機電一體化技術、PLC和交流變頻調速技術在起重機械中的應用。近年來，先后在國內核心、重要科技期刊《電氣傳動》、《電氣傳動自動化》、《起重運輸機械》、《變頻技術應用》、《機床電器》和《電世界》等雜志，公開發表了8萬多字的技術論文20篇。