Mentor II全数字驱动器在钳型吊电气系统中的应用
导语：本文系统描述了直流调速原理、Mentor II全数字驱动器的特点
钳型吊是钢铁企业初轧开坯工序中的主要设备。本文系统描述了直流调速原理、Mentor II全数字驱动器的特点,将Mentor II应用在钳型吊电气系统上，改造后的系统结构简洁、维护容易,系统损耗减少,生产率大大提高。具有良好的市场推广前景。 1 前言 钳型吊是初轧开坯工序中的主要设备，用于在均热炉上方吊装冷热钢胚，温度高、金属粉尘大、负载重、震动大，因而对电控设备的要求高。舞阳钢铁公司轧钢厂钳型吊电气系统原为6KV/170V通过固定整流成220V直流,引上滑道,再送往钳型吊控制柜。各机构通过串接电阻分段调速，电机正反向及各段速度通过司机室的主令驱动各段主接触器及中继来实现。该方式接触器多，电阻多，接触器频繁操作故障率高。电阻多能耗大，温度高。我国现有的钳型吊均采用直流滑道串电阻调速，控制电路简单，但切换电阻的开关故障率高，能耗大，且速度调节非平滑，运行不稳定。在当前的生产形势下，该控制方式已经远远满足不了高效大规模生产的需要。 钳型吊电气系统全数字改造的整体思想是：取消原所有的接触器，调速电阻，制动电阻。在钳型吊上直接安装MentorII全数字驱动器直流调速装置，通过调节加在各电机两端的电压来调节速度。从而使系统改造为数字系统，硬件结构简洁，性能稳定，抗高温，抗粉尘，抗震动，平滑调节速度，运行稳定。 2 直流调速原理 单相电源给一个可控硅全控桥供电，在电阻负载上所产生的电流是断续的。当可控硅被触发时有电流，当电源电压在每半个周期过零时电流消失。当触发角完全推前时整流桥得到最大电压输当触发角完全推前时整流桥得到最大电压输出，即图1中的α变为0。触发角后移时电流输出减少。当负载是感性时，如电机，或者触发角充分推前时电流变为连续，见图1。电流基波滞后于电压，一部分原因是负载的电感特性，另一部分原因是触发角延迟。
图1 给高感抗负载供电的单相可控硅全控桥特性 α=可控硅触发角 有两种方法使电机反向，这依赖于驱动器整流桥的配置。最简单的三相全控桥没有输出极性反向的能力。此种类型叫单象限或不可逆。对于要求能在两个方面完全控制电机，能快速频繁地改变转矩方向的应用来说，必须采用双桥反并联系统，见图2。此配置不需要倒向接触器，能完全控制电机正反转及正反向制动，称为4象限或可逆驱动器，见图3。若不可逆驱动器要求制动，必须外加能耗制动电路。 不管驱动器是单象限还是四象限的，电机响应都基本上是输出电压的函数，输出电压又由可控硅桥的触发角决定，而触发角可以精确控制。电机响应的质量依赖与驱动逻辑接收、解释和处理与电机当前状态及其要求状态相关的全部数据的能力。这些数据有些来自外部源，如速度给定、转矩给定、速度反馈等，有些来自驱动逻辑本身，如输出电压和电流电压和电流，以及不同阶段逻辑系统要求的条件。逻辑系统需要一系列指令使得它能够完成访问、处理及触发控制信号产生的全过程。指令以数据形式提供，根据电机应用的特定操作要求，数据又分解为各个数值即参数。在给定的工业应用中，驱动器的特性由用户设定参数及内部监视参数设定，参数包含了所以与电机性能相关的重要因素，因而用户通过设置驱动器能准确地满足具体应用的要求。参数还可进一步提供通讯、保密和的功能。 3 MentorII全数字驱动器的特点及参数设置 MentorII是英国CT（CONTROL TECHNIQUES）公司最新的工业用全数字化直流驱动器，是把可控硅、驱动电路、单片微机等分层集于一体的控制装置,体积小,功能强。它采用微处理器为核心，操作指令及运行参数可由面板或串型口输入、设定及修改，并受密码字保护，所有模拟输入及大多数数字量输入用户可自编程。Mentor II全数字驱动器作为控制电动机进行两象限（单向） 或四象限（可逆） 运行的核心部件, 其结构紧凑, 控制功能完全由微处理器实现, 属于全新概念的第二代全数字直流调速传动产品。与模拟系统相比具有许多先进的功能, 复杂的控制算法是模拟系统所无法实现的。它具有传动应用所需的功能和模块: 卷取控制模块、PID 控制模块、数字斜率功能、多机拖动控制、点动/爬行控制、零速位置环等; 具有失相、过流、失磁、反馈丢失、可控硅模块超温、电机超温等故障自诊断以及记忆和显示装置内部状态的能力; 三种反馈方式（电枢电压、测速发电机、光电编码器） 可供选择; 还可以通过串行口（RS485） 受上位机（计算机或PLC） 控制, 与多台传动装置进行组态、通信, 形成集中控制等网络系统。它同时具有完善的故障自诊断功能,高可靠性和好的价格性能比。可实现转矩均衡、张力、位置等多种复杂控制。 全数字系统的控制是通过对其参数赋值来实现的, 一般参数涉及的数量很大。Mentor II全数字直流调速驱动器输出电流范围为25～1850A,将参数按功能以菜单目录的形式分为十六项（00.XX - 16. XX） , 这十六项小数点后的XX表示每一功能的具体项。例如: 01. 06, 01 表示给定, 06 代表最大正向速度（数值范围: 0-+ 1000, 缺省值01. 06= + 1000） 也就是说每个菜单都涉及一组详细功能或逻辑。由于机内提供一整套自定算法, 可自动计算出控制装置和电机组成一体后的电流环的P参数、I参数、电机的机电常数及电流断续点, 从而使系统能获得最佳的动态特性, 这就大大地缩短了调试时间。这一功能的实现,只需在操作键上作一些相应的设置就行。同时通过装置控制面板或上位机经标准配置的通讯接口可容易地设置驱动装置，通过设定10个或更少的参数可快速设置标准的应用，并且利用控制面板上的5个按键配合功能菜单可全面显示驱动装置的技术参数，驱动器还设置了各种故障的代码，若驱动器发生故障，索引窗口将显示故障码，数据信息将闪烁，数据窗口显示故障原因的英文缩写。
图2 晶闸管反并联电路用
图3 四象限运行的直流电机的力矩-速度 4 MentorII在钳型吊电气系统上的应用 4.1 系统构成 舞阳钢铁公司轧钢厂钳型吊电气系统包括主钩、副钩、大车、小车、夹钳回转、夹钳开闭、主钩紧急提升等系统，各传动机构都使用直流电机。选用的Mentor II直流驱动器其额定电流应放大一至两挡。如125KW直流电机，其额定电流约315A,应选用输出额定连续电流为825A的M825R。钳型吊电气系统控制柜图如图4所示。 4.2 MentorII选型 （1）主钩两台电机型号为ZZJ-812，90KW。额定电流410A，额定电压220V。改造采用额定电流改造采用额定电流为825A的装置M825R。两台电机串联运行，输出电压从0∽440V可调。最大电流可以达到1250A 30S。（2）大车四台电机型号为ZZ0-62，48KW。额定电流218A，额定电压220V。改造采用额定电流为825A的装置M825R两台。两台电机串联一组由一个控制运行，输出电压从0∽440V可调。最大电流可以达到1250A 30S。（3）副钩一台电机型号为ZZJ-62，50KW。额定电流227A，额定电压220V。改造采用额定电流为550A的装置M550R一台。电机由一个控制运行，输出电压从0∽220V可调。最大电流可以达到825A 30S。（4）小车一台电机型号为ZZJH-72，48KW。额定电流218A，额定电压220V。改造采用额定电流为550A的装置M550R一台。电机由一个控制运行，输出电压从0∽220V可调。最大电流可以达到825A 30S。（5）夹钳回转一台电机型号为ZZY-42，23KW。额定电流105A，额定电压220V。改造采用额定电流为550A的装置M550R一台。电机由一个控制运行，输出电压从0∽220V可调。最大电流可以达到825A 30S。（6）夹钳开闭一台电机型号为ZZJH-72KW。额定电流318A，额定电压220V。改造采用额定电流为825A的装置M825R一台。电机由一个控制运行，输出电压从0∽220V可调。最大电流可以达到1250A 30S。
图4 钳型吊电气系统控制柜图
控制系统程序菜单 4.3 定义速度给定 参数（07.15） = 01.17，端子3 给定值送参数01.17,参数（08116）= 01.14 , （01.14） = 1 （负逻辑） ,01.18 作为速度给定（ 零速给定） , 设定（ 01.18） = 0,（01.14） = 0 ,01.17 作为速度给定,利用端子接（0 V） 控制正反转和正反向点动。控制系统程序菜单如图5所示。 4.4 现场调试及菜单流程分析 对MentorII进行调试前，应搜集电机有关参数，如电机满载电流、电枢电压、励磁电流、基速、速度反馈方式等，然后方可进行参数设置与修改。利用面板上的小键盘进行参数调整。（1）电流信号4～20mA给定模拟端子3输入，电位器信号0～10V由端子4输入，通过菜单7对模拟信号进行编辑至1.17～1.20,速度值也可通过Mentor II控制键输入数字。（2）02.24，02.25，02.26，02.27参数：设定加速、减速时间，根据工艺要求，设定四个参数分别为26、26、27、28。（3）03.09参数：设定速度调节器比例因子P，增加该参数则增加了系统阻尼及动态响应时间，对一定负载的系统，P太大则引起不稳定，最优设定值即是将要不稳定的临界值40。（4）03.10参数：为速度环的积分因子I，增加该参数则增加系统受干扰后的恢复速率，加大灵活性，I太大则速度趋震荡，最优设定值为震荡前的临界值30。（5）03.15参数：电压限。设定为440V （6）03.13参数：反馈选择，考虑工艺要求，将反馈方式设为电枢电压反馈，设定值为1。（7）08.16，08.17，08.18，08.19参数：定义外部逻辑输入的目的参数，仅当RESET后该设定才有效。分别设为112，114，115，113。（8）08.26参数：对F6输入逻辑取反，设定值为1。（9）10.29参数：当检测到失磁时不切断驱动器，设定值为1。（10）12.03，12.04，12.05，12.07参数：可编程阈值。分别设定为707，086，002，1034。（11）07.07参数：环境温度设定为40。（12）通过菜单10可以随时观测系统状态和故障信息，10.25-10.28是最近4次的故障代码。 5 使用中应注意的问题 MentorII全数字直流驱动器额定环境温度为40c,额定最高海拔高度为1000m,湿度要求无凝结。驱动器应安装于金属柜内，驱动器四周至少留出100mm的空间以利撒热；柜内要求安装风机。驱动器的电源输入端、输出端、控制线及其内部某些部分存在高电压，只要驱动器上过电，应至少等待2min，让电容器完全放电后再工作，以免被电击。 直流驱动器会在电源中产生谐波，对电网造成不良影响，应在装置交流侧安装进线电抗器抑制谐波，并在进线侧安装可控硅专用快速熔断器保护可控硅。 6.结语 改造后的系统采用MentorII全数字智能直流驱动器和可编程（PLC）完成工艺逻辑，所有控制过程采用控制算法软件编程完成，控制过程简单，采用位能发电回馈控制方式，系统结构简洁、快速、准确、节能、维护量小。故障率明显降低,维护容易,系统损耗减少,生产率大大提高。该技术不仅可以在全国钳型吊上应用，还可以推广至其他大型吊车，其市场前景十分广阔。
图1 给高感抗负载供电的单相可控硅全控桥特性 α=可控硅触发角 有两种方法使电机反向，这依赖于驱动器整流桥的配置。最简单的三相全控桥没有输出极性反向的能力。此种类型叫单象限或不可逆。对于要求能在两个方面完全控制电机，能快速频繁地改变转矩方向的应用来说，必须采用双桥反并联系统，见图2。此配置不需要倒向接触器，能完全控制电机正反转及正反向制动，称为4象限或可逆驱动器，见图3。若不可逆驱动器要求制动，必须外加能耗制动电路。 不管驱动器是单象限还是四象限的，电机响应都基本上是输出电压的函数，输出电压又由可控硅桥的触发角决定，而触发角可以精确控制。电机响应的质量依赖与驱动逻辑接收、解释和处理与电机当前状态及其要求状态相关的全部数据的能力。这些数据有些来自外部源，如速度给定、转矩给定、速度反馈等，有些来自驱动逻辑本身，如输出电压和电流电压和电流，以及不同阶段逻辑系统要求的条件。逻辑系统需要一系列指令使得它能够完成访问、处理及触发控制信号产生的全过程。指令以数据形式提供，根据电机应用的特定操作要求，数据又分解为各个数值即参数。在给定的工业应用中，驱动器的特性由用户设定参数及内部监视参数设定，参数包含了所以与电机性能相关的重要因素，因而用户通过设置驱动器能准确地满足具体应用的要求。参数还可进一步提供通讯、保密和的功能。 3 MentorII全数字驱动器的特点及参数设置 MentorII是英国CT（CONTROL TECHNIQUES）公司最新的工业用全数字化直流驱动器，是把可控硅、驱动电路、单片微机等分层集于一体的控制装置,体积小,功能强。它采用微处理器为核心，操作指令及运行参数可由面板或串型口输入、设定及修改，并受密码字保护，所有模拟输入及大多数数字量输入用户可自编程。Mentor II全数字驱动器作为控制电动机进行两象限（单向） 或四象限（可逆） 运行的核心部件, 其结构紧凑, 控制功能完全由微处理器实现, 属于全新概念的第二代全数字直流调速传动产品。与模拟系统相比具有许多先进的功能, 复杂的控制算法是模拟系统所无法实现的。它具有传动应用所需的功能和模块: 卷取控制模块、PID 控制模块、数字斜率功能、多机拖动控制、点动/爬行控制、零速位置环等; 具有失相、过流、失磁、反馈丢失、可控硅模块超温、电机超温等故障自诊断以及记忆和显示装置内部状态的能力; 三种反馈方式（电枢电压、测速发电机、光电编码器） 可供选择; 还可以通过串行口（RS485） 受上位机（计算机或PLC） 控制, 与多台传动装置进行组态、通信, 形成集中控制等网络系统。它同时具有完善的故障自诊断功能,高可靠性和好的价格性能比。可实现转矩均衡、张力、位置等多种复杂控制。 全数字系统的控制是通过对其参数赋值来实现的, 一般参数涉及的数量很大。Mentor II全数字直流调速驱动器输出电流范围为25～1850A,将参数按功能以菜单目录的形式分为十六项（00.XX - 16. XX） , 这十六项小数点后的XX表示每一功能的具体项。例如: 01. 06, 01 表示给定, 06 代表最大正向速度（数值范围: 0-+ 1000, 缺省值01. 06= + 1000） 也就是说每个菜单都涉及一组详细功能或逻辑。由于机内提供一整套自定算法, 可自动计算出控制装置和电机组成一体后的电流环的P参数、I参数、电机的机电常数及电流断续点, 从而使系统能获得最佳的动态特性, 这就大大地缩短了调试时间。这一功能的实现,只需在操作键上作一些相应的设置就行。同时通过装置控制面板或上位机经标准配置的通讯接口可容易地设置驱动装置，通过设定10个或更少的参数可快速设置标准的应用，并且利用控制面板上的5个按键配合功能菜单可全面显示驱动装置的技术参数，驱动器还设置了各种故障的代码，若驱动器发生故障，索引窗口将显示故障码，数据信息将闪烁，数据窗口显示故障原因的英文缩写。 图2 晶闸管反并联电路用 图3 四象限运行的直流电机的力矩-速度 4 MentorII在钳型吊电气系统上的应用 4.1 系统构成 舞阳钢铁公司轧钢厂钳型吊电气系统包括主钩、副钩、大车、小车、夹钳回转、夹钳开闭、主钩紧急提升等系统，各传动机构都使用直流电机。选用的Mentor II直流驱动器其额定电流应放大一至两挡。如125KW直流电机，其额定电流约315A,应选用输出额定连续电流为825A的M825R。钳型吊电气系统控制柜图如图4所示。 4.2 MentorII选型 （1）主钩两台电机型号为ZZJ-812，90KW。额定电流410A，额定电压220V。改造采用额定电流改造采用额定电流为825A的装置M825R。两台电机串联运行，输出电压从0∽440V可调。最大电流可以达到1250A 30S。（2）大车四台电机型号为ZZ0-62，48KW。额定电流218A，额定电压220V。改造采用额定电流为825A的装置M825R两台。两台电机串联一组由一个控制运行，输出电压从0∽440V可调。最大电流可以达到1250A 30S。（3）副钩一台电机型号为ZZJ-62，50KW。额定电流227A，额定电压220V。改造采用额定电流为550A的装置M550R一台。电机由一个控制运行，输出电压从0∽220V可调。最大电流可以达到825A 30S。（4）小车一台电机型号为ZZJH-72，48KW。额定电流218A，额定电压220V。改造采用额定电流为550A的装置M550R一台。电机由一个控制运行，输出电压从0∽220V可调。最大电流可以达到825A 30S。（5）夹钳回转一台电机型号为ZZY-42，23KW。额定电流105A，额定电压220V。改造采用额定电流为550A的装置M550R一台。电机由一个控制运行，输出电压从0∽220V可调。最大电流可以达到825A 30S。（6）夹钳开闭一台电机型号为ZZJH-72KW。额定电流318A，额定电压220V。改造采用额定电流为825A的装置M825R一台。电机由一个控制运行，输出电压从0∽220V可调。最大电流可以达到1250A 30S。 图4 钳型吊电气系统控制柜图 控制系统程序菜单 4.3 定义速度给定 参数（07.15） = 01.17，端子3 给定值送参数01.17,参数（08116）= 01.14 , （01.14） = 1 （负逻辑） ,01.18 作为速度给定（ 零速给定） , 设定（ 01.18） = 0,（01.14） = 0 ,01.17 作为速度给定,利用端子接（0 V） 控制正反转和正反向点动。控制系统程序菜单如图5所示。 4.4 现场调试及菜单流程分析 对MentorII进行调试前，应搜集电机有关参数，如电机满载电流、电枢电压、励磁电流、基速、速度反馈方式等，然后方可进行参数设置与修改。利用面板上的小键盘进行参数调整。（1）电流信号4～20mA给定模拟端子3输入，电位器信号0～10V由端子4输入，通过菜单7对模拟信号进行编辑至1.17～1.20,速度值也可通过Mentor II控制键输入数字。（2）02.24，02.25，02.26，02.27参数：设定加速、减速时间，根据工艺要求，设定四个参数分别为26、26、27、28。（3）03.09参数：设定速度调节器比例因子P，增加该参数则增加了系统阻尼及动态响应时间，对一定负载的系统，P太大则引起不稳定，最优设定值即是将要不稳定的临界值40。（4）03.10参数：为速度环的积分因子I，增加该参数则增加系统受干扰后的恢复速率，加大灵活性，I太大则速度趋震荡，最优设定值为震荡前的临界值30。（5）03.15参数：电压限。设定为440V （6）03.13参数：反馈选择，考虑工艺要求，将反馈方式设为电枢电压反馈，设定值为1。（7）08.16，08.17，08.18，08.19参数：定义外部逻辑输入的目的参数，仅当RESET后该设定才有效。分别设为112，114，115，113。（8）08.26参数：对F6输入逻辑取反，设定值为1。（9）10.29参数：当检测到失磁时不切断驱动器，设定值为1。（10）12.03，12.04，12.05，12.07参数：可编程阈值。分别设定为707，086，002，1034。（11）07.07参数：环境温度设定为40。（12）通过菜单10可以随时观测系统状态和故障信息，10.25-10.28是最近4次的故障代码。 5 使用中应注意的问题 MentorII全数字直流驱动器额定环境温度为40c,额定最高海拔高度为1000m,湿度要求无凝结。驱动器应安装于金属柜内，驱动器四周至少留出100mm的空间以利撒热；柜内要求安装风机。驱动器的电源输入端、输出端、控制线及其内部某些部分存在高电压，只要驱动器上过电，应至少等待2min，让电容器完全放电后再工作，以免被电击。 直流驱动器会在电源中产生谐波，对电网造成不良影响，应在装置交流侧安装进线电抗器抑制谐波，并在进线侧安装可控硅专用快速熔断器保护可控硅。 6.结语 改造后的系统采用MentorII全数字智能直流驱动器和可编程（PLC）完成工艺逻辑，所有控制过程采用控制算法软件编程完成，控制过程简单，采用位能发电回馈控制方式，系统结构简洁、快速、准确、节能、维护量小。故障率明显降低,维护容易,系统损耗减少,生产率大大提高。该技术不仅可以在全国钳型吊上应用，还可以推广至其他大型吊车，其市场前景十分广阔。
