超频运行电机在车轮生产线中的应用

设定值 卷筒速度 卷筒速度 设备速度 电机转速
Ｈｚ ｒ／ｍｉｎ ｒ／ｍｉｎ ｍ／ｍｉｍ ｒ／ｍｉｎ
１０
３４３ ３４１ ６９６
２７０
２０
６８２ ６８２ １３９２ ５７０
NNJO


yx

R




)[ )[ NNJO
８７０ １１７０ １４７０ １６２０ １７７０ １９２０ ２０７０ ２２２０ ２３７０
图 ４ 超频运行时返回线装置小车速度性能 ５ 结论
经过上述试验与数据分析可以得出如下结论：回火炉 返回线运输设备在电机超频运行的情况下，电机可以大幅 超过额定转速，并且可靠稳定，电机电流在小于额定电流 的合理范围。电机超过额定频率时由于铁耗成比例的增 加，所以实际输出扭矩会下降，但本应用中超频运行后的 负载扭矩下降，所以输出扭矩与负载相匹配，满足了设备 运行的要求。同时发现，超频运行后电机的不利因素为噪 声相对变大。这次应用尝试也为同类的应用需求提供了 参考，最大化地发掘出电机的性能，达到一定的经济效益。
恒定的转矩，则可使用电机的 ８７Ｈｚ超频运行特性。 同时，８７Ｈｚ超频运行时需要满足下面几个条件：①电
机必须为角形连接；②电机电压可以为 ４００Ｖ；③电机的机 械性能满足 ８７Ｈｚ运行速度；④适用于 ４５ｋＷ 以下的小功 率电机。 ２ 回火炉区返回线
太原重工轨道交通设备有限公司是太原重工股份有 限公司从事轨道交通车辆关键零部件研发、设计、制造和 服务的专业化子公司，是目前国内外唯一能够实现轨道交 通用车轮、车轴、齿轮箱及轮对的全流程生产基地。其中 公司的车轮热处理生产线由德国 ＬＯＩ设计制造，实现了高 度的自动化与信息化，由退火炉、淬火炉及两个回火炉组 成，退火炉与淬火炉各有一个返回线装置，两个回火炉共 用一个返回线装置，返回线装置需要将出炉后的台车再运 输至入炉口，由于生产步序的不同，所以回火炉返回线装 置与其它两个炉的返回线装置有较大区别。其它两个炉
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭｏｔｏｒｓａｔＨｉｇｈｅｒＦｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｉｎｔｈｅＷｈｅｅｌＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＬｉｎｅ
ＳｏｎｇＺｈｉｗｅｉ ＬｉｕＲｕｉｊｕｎ ＺｈａｎｇＫａｉ
（ＴａｉｙｕａｎＨｅａｖｙＩｎｄｕｓｔｒｙＲａｉｌｗａｙＴｒａｎｓｉｔＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ０３００３２）
功率：７５ｋＷ；Ｓ１；电压：２２０△ ／３８０Ｙ．Ｖ； 额定电流：２７００△ ／１５６０Ｙ．Ａ；电机转速：１４７０／２３０ｒ／ ｍｉｎ；功率因数：０８２；安装方式：Ｍ１。 超频运行时需要将电机连接方式由星形接法改为三 角形接法。同时在控制电机的 Ｇ１２０变频器参数调整，启 用 ８７Ｈｚ超频功能。超频运行时部分参数如下设置： Ｐ０３０４Ｒａｔｅｄｍｏｔｏｒｖｏｌｔａｇｅ：４００Ｖ； Ｐ０３０５Ｒａｔｅｄｍｏｔｏｒｃｕｒｒｅｎｔ：２７０Ａ； Ｐ０３０７Ｒａｔｅｄｍｏｔｏｒｐｏｗｅｒ：１３ｋＷ； Ｐ０３０８ＭｏｔｏｒｃｏｓＰｈｉ：０８２； Ｐ０３１０Ｍｏｔｏｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：８７Ｈｚ； Ｐ０３１１Ｒａｔｅｄｍｏｔｏｒｓｐｅｅｄ：２５６６Ｕ／ｍｉｎ； Ｐ１０８２Ｍａｘ．ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：８７Ｈｚ。 ４ 试验数据分析 在变频器的参数设置完成后，检查设备的连接安全性 等，开始空载试验。具体为分别设定不同的电机频率，记 录对应装置 －终端卷筒的转速，再以之计算出最终小车的 运行速度。 分别在启用超频功能之前进行两次试验记录，分别为 原始 ５０Ｈｚ频率设定值时的试验和启用 ８７Ｈｚ超频功能后 的试验。记录试验数据如表 １所示。 （ａ）由减速电机的参数可知，减速电机集成的减速机 速比为：ｉ＝１４７０／２３０＝６３９。 由 试 验 记 录 数 据 可 分 析 出 卷筒端转速与电机输出端转速如关系如下所示，线性拟合 可得出整个设备的速比 ｉ＝８５４６。二级减速机速比 ｉ＝ ８５４６／６３９＝１３３７。 （ｂ）由试验 数 据 可 得 出 超 频 运 行 时 返 回 线 装 置 小 车 与电机频率设定值的关系如下图 ４所示。 由此可分析出：决定系数 Ｒ２＝０９９８６，可以看出超频 运行时返回线 装 置 小 车 运 行 变 速 平 稳；８５Ｈｚ运 行 时 的 速 度约为 ６０ｍ／ｍｉｎ，是目前机械结构下超频运行的最大速 度；频率设定值超过 ８０Ｈｚ后，小车速度增加变缓，实际应 用中频率设定不应超过 ８０Ｈｚ的速度。 （ｃ）验证：试验中，返回线装置向前推进需时 ４５ｓ，运 行距离 ｄ＝３６５０ｍｍ，电机频率设定值 ｓｅｔｐｏｉｎｔ＝７６４Ｈｚ，代 入图 ４中拟合的线性曲线，可得小车推进速度 ｓ＝０７１５８ ×７６４－０６５０６＝４８１８ｍ／ｍｉｎ。理论计算需时 ｔ＝ｄ／ｓ＝
图 １ 回火炉区返回线装置驱动部分结构 随着生产工艺的不断改进与生产成本节能降耗的需 求，热处理生产线回火炉区双层布料生产方式的改造升级 日益迫切。为了实现车轮热处理线回火炉区双层布料后 的工艺要求，需要能驱动双层车轮时的台车负载。同时， 车轮热处理线回火炉区双层布料要求回火炉区返回线装 置的运行行程距离由原先的 ３６５０ｍｍ，增加为 ３１６５０ｍｍ， 如下图 ２和图 ３所示。小车运行周期最大为 ２０６ｓ，才能满 足改造后生产节拍要求。
图 ２ 改造前回火炉返回线示意图
图 ３ 改造后台车后回火炉返回线示意图
３ 电机参数与变频器调试
电机输出转速与频率的关系如下所示，由于本电机转
差率 ｓ＝００２很小，所以电机转出转速 ｎ与 ｆ设定视为正
比关系。
ｎ＝（ｆ／ｐ）×６０（１－ｓ）
（１）
式中：ｎ—电机的转速，ｒｐｍ；
ｓ—转差率；
ｐ—磁极的对数；
ＥＴｘｔｏｒｔａａｌｅＮｄｉｏｔｉ．ｏ２ｎ７８２０２２ ＭＥ ＴＡ Ｌ冶ＬＵ ＲＧ金ＩＣ Ａ设Ｌ ＥＱ备ＵＩＰＭＥＮＴ ２ ０２总２第年增２７８刊期（１）
超频运行电机在车轮生产线中的应用
宋志伟① 刘芮君 张凯
（太原重工轨道交通设备有限公司 山西太原 ０３００３２）
)[ NNJO
３０ ４０ ５０ ５５ ６０ ６５ ４７０ ７５ ８０
１０１７ １３６４ １８７５ ２０６９ ２２２２ ２４００ ２６０９ ２８５７
２０７６ ２７８５ ３４５０ ３８２８ ４２２４ ４５３７ ４９０１ ５３２７ ５８３４
的返回线装置，负载只有一个空台车，但是动作距离远，所 以其功率较小，输出扭矩小，但是输出速度高。
热处理生产线回火炉区返回线装置正好相反，由于在 返回线通道内有 ２７个台车，每个台车目前有单次车轮，但 是运动距离较短，目前只有 ４米左右的距离。所以目前热 处理生产线回 火 炉 区 返 回 线 装 置 输 出 速 度 低，输 出 扭 矩 大，整体功率大。热处理生产线回火炉区返回线装置驱动 装置的结构如下图 １所示。
８５
－
２９２７ ５９７７ ２５２０
参考文献
（ｄ）通过驱动调试软件 ＳＴＡＲＴＥＲ在线监控电机在超 频运行时的电流与扭矩，可以看出，平稳运行过程中电流 保持于 ７５Ａ，返回线装置接触台车的过程中，电流峰值不 超过 １３５Ａ，均小于电机的额定电流 ２７Ａ。同时由于台车 数量减少后，电机的扭矩负载有所下降，电机的扭矩值与 之相匹配，保持在较低水平。
ｆ—电源的频率，Ｈｚ。
由式 １可知，可以通过调整表达式中的三个变量来实
现电机转速的调节，其中，表达式中的三个变量分别为转
差率，磁极的对数以及电源的频率。从式 １中可以看出，
随着转差率和磁极对数的增大，电机转速有降低趋势；随
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着电源频率的增大，电机转速有增大趋势，因此可以通过 调节三个变量的大小实现电机转速的改变［３］。在此基础 上，变频调速技术还衍生出了许多控制策略，其中一种比 较简单且应用较为广泛的控制方式就是 Ｖ／Ｆ控制方法。 Ｖ／Ｆ控制方式一般被应用于那些对转速控制精度要求不 高且动态较为平稳的场合［４］。热处理生产线回火炉区返 回线装置 即 采 用 了 Ｖ／Ｆ变 频 调 速 方 式，使 用 了 西 门 子 Ｇ１２０系统的变频器和 ＳＥＷ 的减速电机。减速电机参数 如下：
ＫＥＹＷＯＲＤＳ Ｈｉｇｈｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌ
１ 前言 社会经济不断发展，电力资源在我国经济发展中具有
重要作用，电气化程度也是衡量国家经济发展水平的一个 重要指标。电机拖动中的变频调速技术促进了电气化水 平的提升［１］。变频调速技术的基本原理是根据电机转速 与工作电源输入频率成正比的关系，通过改变电动机工作 电源频率达到改变电机转速的目的。通过大量的实践证 明，变频器可以很好应用于电机拖动及控制领域，将变频 调速技术应用于电机拖动有一定的价值和优势，在维护电 力系统的安全运行方面有一定的意义［２］。
① 作者简介：宋志伟，男，１９８９年生，毕业于合肥工业大学，全国技术能手，主要从事智能制造工程技术相关工作，邮箱：ｃｗｕｙｏｕ＠ ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ
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总第 ２７８期 冶 金 设 备
２０２２年增刊（１）
［１］蒋威，朱群 峰．电 机 拖 动 中 变 频 调 速 技 术 的 应 用 研 究 ［Ｊ］．南方农机，２０１８，４９（９）：１．
［２］吕小强．变频器在电机拖动及其控制领域的应用分析 ［Ｊ］．山东工业技术，２０１９（９）：１．
［３］李卫国．论变频调速技术在电机拖动中的应用［Ｊ］．军 民两用技术与产品，２０１４，０００（０１９）：７５－７６．
摘 要 交流变频调速技术因其优越的调速性能和显著的节能效果，使其成为现代电气传动的主要发 展方向之一。介绍了超频运行电机在车轮生产线中的应用，并通过试验与数据分析，得出超频运行状态下， 电机运行可靠稳定，得到了理想的高速性能效果。
关键词 超频运行 变频调速 电机控制 Ｄｏｉ：１０３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－１２６９２０２２Ｚ１０３３
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宋志伟等：超频运行电机在车轮生产线中的应用
２０２２年增刊（１）
（３６５０／４８１８）×６０＝４５４５ｓ可 以 看 出 理 论 计 算 的 时 间 与实际生产中测量时间基本一致。
表 １ 空载试验数据
频率
５０Ｈｚ ８７Ｈｚ ８７Ｈｚ ８７Ｈｚ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ ＡＣｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎｖｅｒｔｅｒｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｃｏｍｅｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｍｏｄｅｒｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｓｕｐｅｒｉｏｒｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｏｔｏｒｓａｔｈｉｇｈｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｉｎｔｈｅｗｈｅｅｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｅｓｔａｎｄｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｏｔｏｒｓａｔｈｉｇｈｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｉｓｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄｓｔａｂｌｅ， ａｎｄｔｈｅｉｄｅａｌｈｉｇｈｓｐｅｅｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｆｆｅｃｔｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．
三相鼠笼异步电机连接到供电线路，并以恒定电压和 频率运行，也 可 以 连 接 到 变 频 器 并 以 可 变 电 压 和 频 率 运 行。当异步电机变频运行时，除了最高为额定转速的可变 速度外，还可提供超过额定值的转速。通常，为了达到更 高转速，会适当增大变频器的输出频率；这样带来的不利 因素是电机的转矩下降。如果在（相对）高速时需要一个