论抱闸控制在变频调速系统中的重要性

王超

摘要：三鼓一次法成型机中的成型鼓和卸胎机构往往由带有电磁抱闸机构的三相异步交流电机作为动力来源，由变频器调速。由于前者旋转时转动惯量较大，后者的负载重力较大，所以抱闸的控制与电机动作配合时机非常关键。本文通过分析成型鼓和卸胎机构不同工作段时的力矩表现，论证了抱闸控制在变频调速系统中的重要性，以罗克韦尔40变频器为例，简单介绍变频器内部抱闸控制逻辑及如何设置参数的问题。

关键词：变频调速;抱闸控制;参数

在工业自动化行业中，带有抱闸机构的电机占据了比较大的比例，抱闸控制投入的时机直接关系到设备的运行性能。在一些特定应用场景下，不正确的抱闸控制甚至会引发严重的安全事故。相较于能耗制动、直流制动、第三方制动等制动手段，由变频器自带的抱闸控制功能具有更高效、更便捷、更节能等优势。

1 成型鼓和卸胎机构简介

三鼓一次法成型机是轮胎企业生产胎坯的专用设备，是轮胎经硫化出成品前的最后一道工艺。成型鼓是成型工艺的最后一步滚压成型的设备，卸胎器是将成型后的胎坯运载至胎坯车的设备。具体工艺流程及功能如下：

1.1成型鼓：将贴合鼓产出的胎筒和辅助鼓产出的胎面符合滚压的设备，。其工作形式类似于金属加工机床的主轴，主要功能是变速旋转，由三相交流异步电机传动，不同滚压部位对应不同转速，鼓体具有较大质量。

1.2 卸胎器：胎坯在成型鼓上压合完毕后，卸胎器平移至成型鼓轴端，胎面传递环夹持胎坯放至卸胎器悬臂上，卸胎器将胎坯提升平移至卸胎车，之后下降将胎坯卸载。常见类型为悬臂型，由两个三相交流异步电机分别作为平移和提升的动力来源。

2 抱闸控制逻辑分析

2.1 成型鼓

成型鼓旋转时转动惯量较大，即使没有精准定位的需求，仍然不能采用自由滑行的停车方式，在旋转开始和旋转停止时需要抱闸控制介入。其负载类型属于恒功率负载，此类负载特性为：功率保持不变，随着转速增加，转矩减小;随着转速减小，转矩增大。

旋转开始和停止时，抱闸动作应同步于电机启动和停止，不能滞后或超前。加速时低转速状态下的成型鼓需要的启动转矩较大，减速时成型鼓对电机作用的力矩随转速降低而逐渐增大，此时若加速状态抱闸打开滞后于电机启动，和减速时抱闸闭合超前于电机停止，那么成型鼓的旋转对电机作用的力矩可能超过电机的过载能力，出现堵转和变频器报警，影响正常工作。斜坡时间设置的越短，滞后或超前时间越长，越容易出现故障，影响电机和变频器的使用寿命。

2.2 卸胎机构

悬臂卸胎器的平移和提升动作代表了恒转矩负载包含的两个分类：反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载，因此我们分开说明：

2.2.1 卸胎机构平移

此类反抗性恒转矩负载的标志特性为：电机转矩随旋转方向变化而变化。其抱闸控制与恒功率负载相似。

短距离平移类动作一般包含着精准定位的要求，电机的启停要尽量精准，所以抱闸的控制要与电机的启停同步，满足定位精准的要求的同时，也避免了抱闸超前或滞后造成平移机构动能对电机作用的力矩超过电机的过载能力，或出现溜车现象，引发堵转或增强机械冲击，频繁引发变频器报警，影响正常工作和缩短设备使用寿命。

2.2.2 卸胎机构升降

此类位能性恒转矩负载的标志特性为：电机转矩不随旋转方向变化而变化。在提升机上升或下降时，负载（悬臂及胎坯重量）力矩与电机转矩的方向保持不变。以下通过分析提升电机的不同动作确定抱闸控制的时机：

2.2.2.1 负载上升和下降初始

负载对电机有反向力矩，提升电机停止时，抱闸闭合，负载重力由机械结构及抱闸承担，电机运行时，抱闸打开，负载重力会转而传导作用在升降电机上。由于抱闸本身动作带有一定迟滞，电机加速存在响应时间，若抱闸打开后一瞬间电机没有输出大于等于负载力矩的有效转矩，那么负载会下滑或坠落，造成变频器报警，也容易引发安全事故。为防止此类问题出现，需启用变频器自带的抱闸控制功能，抱闸打开滞后一定时间，即变频器以设定最小频率运行设定时间后抱闸打开，保证转矩过渡平稳。滞后时间应尽量缩短，以负载不出现下滑或坠落为准。

2.2.2.2 上升停止和下降停止

手动控制卸胎机构升降停止或自动运行至限位传感器，变频器转矩输出即将停止，负载力矩保持不变，由于抱闸动作的迟滞性，如果抱闸闭合同步或滞后于电机停止，电机转矩输出停止时抱闸未能完全闭合，那么负载就会下滑或坠落。所以此时应启用变频器抱闸控制功能，且抱闸闭合应超前于电机停止，之后变频器以设定最小频率运行至设定时间后停止，负载力矩作用对象转移前保持电机平稳输出转矩。超前时间应尽量缩短，以负载不出现下滑或坠落为准。

3 抱闸电路设计

图3.1示意了变频器的抱闸控制原理，抱闸机构由交流220V驱动，经电机内部抱闸整流单元整流后控制抱闸线圈，变频器DO点输出直流24V经过中间继电器控制交流220V电源的通断，变频器输出信号可选择继电器输出或光电耦合输出。

4 变频器参数设置

以罗克韦尔40变频器为例，通过RSNetWorx软件设置关键参数。设置变频器停止模式P037为Ramp+EM Brk（斜坡+电磁闸制动），设置P034最小频率为2Hz，A058光电耦合输出1设置为EM Brk Cntrl（电磁抱闸制动控制），A160和A161电磁闸制动关闭和开启延迟设置为0.5秒。

启用了变频器的抱闸控制功能后，在一个完整运动周期内抱闸的控制时序如图4.1。变频器以P034设置的最小频率启动直到A160设置的时间到达，抱闸开启，此时电机已稳定输出转矩，负载不会下滑;经过斜坡加速、稳定频率和斜坡减速后，抱闸关闭，变频器保持P034设置的最小频率输出，直至A161设置的时间到达，变频器完全停止。

其它品牌變频器抱闸控制功能的参数设置与本例相似，均可实现电机输出转矩与抱闸动作配合无缝衔接的目的。

5 总结

启用了变频器的抱闸控制功能以后，设备工作性能及可靠性有了很大改善。如果忽略了抱闸控制时机，仅由变频器的启停或PLC程序来简单控制抱闸，轻则不能实现既定目标任务，导致变频器报警，影响正常作业，重则具有一定重量的负载无法停车或保持停止状态，引发人身伤害等安全事故。由此可见，精准的抱闸控制时机对变频调速系统非常重要。

参考文献

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