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案例頻道 摘 要 介紹肯尼亞COMPLY INDUSTRIES公司木板中密度纖維板生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)中，熱磨機采用高壓變頻調(diào)速和控制的理論依據(jù)及其調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計；總結(jié)高壓變頻調(diào)速在熱磨機應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)點，以及實際運行效果。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器； 中密度纖維板； 熱磨機； 繞線電機； 鼠籠電機
一、前言
Comply Industries公司是肯尼亞最大的木材原料生產(chǎn)公司，此公司生產(chǎn)肯尼亞大部分膠合板、電線桿、中密度纖維板、木芯板、硬紙板、齊邊拉門、層壓板、木質(zhì)制品等木材原料制品，并且在非洲多個國家有分公司，為整個非洲提供高質(zhì)量的木材產(chǎn)品。
MDF板材廠為中密度纖維板生產(chǎn)基地，是Comply Industries 位于肯尼亞奈庫魯（Nakuru）西部的一個工廠。此工廠為肯尼亞提供高質(zhì)量的中密度纖維木板；生產(chǎn)工藝包括從處理原始木材到木板生產(chǎn)的整套生產(chǎn)環(huán)節(jié)。此生產(chǎn)基地通過PLC300實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的自動化控制，實現(xiàn)多個大型設(shè)備的協(xié)調(diào)工作，完成切割、粉磨、壓縮、制板和運輸?shù)壬a(chǎn)環(huán)節(jié)。在整個生產(chǎn)工藝過程中使用了切割機、皮帶機、磨機、提升機、送風(fēng)機、引風(fēng)機等多種電機。其中低壓電機已經(jīng)采用變頻技術(shù)進行控制；熱磨機高壓電機為繞線電機，采用水阻啟動方式啟動，使用過程中不進行調(diào)速。由于繞線電機LRS控制調(diào)速、控制性能差，用戶需要對熱磨機電機進行變頻控制改造。
二、 熱磨機采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的理論依據(jù)
2.1中密度纖維板簡介
中密度纖維板是以小徑級原木、采伐、加工剩余物以及非木質(zhì)的植物纖維原料，經(jīng)切片、蒸煮、纖維分離、干燥后施加脲醛樹脂或其他適用的膠粘劑，再經(jīng)熱壓后制成的一種人造板材。其密度一般在500－880公斤/立方米范圍，厚度一般為2－30毫米。
中密度纖維板是六十年代中期發(fā)展起來的產(chǎn)品，是20世紀(jì)林產(chǎn)工業(yè)的重大發(fā)明之一，其優(yōu)異的性能具有其他板種不可替代的地位，近年來產(chǎn)量高速發(fā)展。原因是它具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能、裝飾性能和加工性能等。
中密度纖維板圖片如圖1所示。
圖1 中密度纖維板
2.2熱磨機介紹及變頻控制原理
熱磨機是直接分離纖維的設(shè)備，纖維分離是在一個高溫、高壓、高速和完全封閉的系統(tǒng)中完成的。纖維是中密度纖維板的質(zhì)量基礎(chǔ)，熱磨工序是整個生產(chǎn)過程中十分重要的工序。此用戶使用熱磨機為浙江福馬公司生產(chǎn)，熱磨機電機為繞線式異步電機型號：YRKS560-1-4，額定電壓3300V，額定電流283.4A，額定功率為1400kW，額定頻率50Hz，功率因數(shù)0.9，額定轉(zhuǎn)速1485r/min。
熱磨機為中密度纖維板生產(chǎn)的熱磨設(shè)備，完成將木塊分解成粉末狀任務(wù)，熱磨機轉(zhuǎn)動快慢決定生產(chǎn)質(zhì)量。在生產(chǎn)過程中需要根據(jù)入料多少，控制熱磨機轉(zhuǎn)動速度；而且在生產(chǎn)線其它設(shè)備出現(xiàn)故障時，工人需要短時間降低磨機轉(zhuǎn)速甚至停機；且在故障解除后，需要立即啟動磨機。所以，熱磨機在生產(chǎn)過程中，需要頻繁啟動、停止和轉(zhuǎn)速改變，變頻控制是實現(xiàn)熱磨機控制的首選控制策略。
熱磨機圖片如圖2所示。
圖2 熱磨機
2.3繞線式電機改造鼠籠電機
由于現(xiàn)場原有電機為繞線電機，原啟動方式采用水阻啟動方式，且無串電機調(diào)速裝置，無法進行調(diào)速，要將繞線電機改造成鼠籠電機。鼠籠式轉(zhuǎn)子用銅條安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)，兩端用端環(huán)焊接，形狀像鼠籠。繞線式轉(zhuǎn)子的繞組和定子繞組相似，三相繞組連接成星形，三根端線連接到裝在轉(zhuǎn)軸上的三個銅滑環(huán)上，通過一組電刷與外電路相連接。
電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，調(diào)速的平滑性差；低速時機械特性較軟，靜差率較大；電阻上消耗的轉(zhuǎn)差功率大，節(jié)能較差；變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交－直－交變頻器。其特點：效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動機；調(diào)速范圍大，特性硬，精度高。
為克服傳統(tǒng)交流繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造風(fēng)機傳動系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全頻率（0-50Hz）范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制。采用變頻調(diào)速需改為鼠籠式運行，轉(zhuǎn)子繞組已沒有必要外接電組。為避免電刷與集電環(huán)之間因接觸不良引起故障，將與集電環(huán)相接的三根線之間用導(dǎo)線短接，并將電刷舉起。將繞線式電機轉(zhuǎn)子三根引出線短接，并將電刷舉起，即可將繞線式異步電機改造成鼠籠式電機。
三、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的裝置設(shè)計
3.1 高壓變頻器系統(tǒng)原理
按照電機學(xué)的基本原理，已知交流異步電動機的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： n=(1-s)60f/p式中： s-滑差； p-電機極對數(shù)； f -電機供電頻率。由上述公式可以看出，只要改變滑差s、或者電機極對數(shù)p、或者電機運行頻率f，都可以達(dá)到調(diào)整電機本身速度的目的。
HARSVERT-VA系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高－高電壓源型變頻器。變頻器主要由移相變壓器、功率模塊和控制器三部分組成。變頻器輸入側(cè)采用多重化移相變壓器實現(xiàn)隔離和諧波抵消。無須功率因數(shù)補償、諧波抑制裝置，多脈沖整流技術(shù)的應(yīng)用使得變頻器電網(wǎng)側(cè)諧波可滿足IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)和GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)。變頻器輸出采用多個功率單元移相式PWM波形輸出串聯(lián)疊加，得到多電平高壓，實現(xiàn)較低的輸出電壓諧波、共模電壓和dv/dt。無須附加輸出濾波裝置，不會對電機的絕緣、軸承造成損害，可直接驅(qū)動普通鼠籠式、繞線式異步電機和同步電機。
移相變壓器：電網(wǎng)電壓經(jīng)過干式移相變壓器降壓后給變頻器功率單元供電，變壓器采用移相多重化設(shè)計，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。
功率柜： 功率柜為三組輸入、單組輸出的交一直一交電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，功率單元通過整流、逆變過程實現(xiàn)對驅(qū)動電機供電電源的頻率調(diào)節(jié)。變頻器采用8個獨立功率單元串聯(lián)的方式來實現(xiàn)高壓輸出。有利于改善輸出波形，由諧波引起的電機發(fā)熱，噪音和轉(zhuǎn)矩脈動都大大降低，所以這種變頻器對電機沒有特殊要求，可直接用于普通異步電機，不需要輔出濾波器。
控制器：控制器是變頻器的控制中心，它完成變頻器頻率調(diào)節(jié)的全過程控制、變頻器電氣保護功能實現(xiàn)、以及變頻器的人機交互與通訊接口功能實現(xiàn)。
3.2 北京利德華福高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點
由于采用了高性能DSP芯片和新型一體化計算機，在秉承HARSVERT-A系列產(chǎn)品完美無諧波、高可靠性、功率/電壓等級覆蓋范圍廣、控制接口靈活等優(yōu)良品質(zhì)的基礎(chǔ)上，HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)功能更為豐富、性能更高的高壓大容量交流傳動控制。目前，HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制產(chǎn)品的性能指標(biāo)為：調(diào)速范圍100:1，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度0.5%，動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間小于200ms，啟動轉(zhuǎn)矩150%額定轉(zhuǎn)矩，基本達(dá)到國際先進水平。
圖3 北京利德華福高壓變頻器
目前，HARSVERT-VA系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有以下功能：
恒壓頻比控制
這種控制方式最顯著特點是簡單易行，因而成為目前國內(nèi)大多數(shù)變頻器生產(chǎn)廠家所采用的電機控制方式。對于大多數(shù)對轉(zhuǎn)矩響應(yīng)、控制精度要求不高的場合，如風(fēng)機、水泵類負(fù)載，可以滿足一般應(yīng)用要求。
無速度傳感器矢量控制
無需安裝復(fù)雜且不易維護的測速裝置，HARSVERT-VA系列變頻器僅需對輸出三相電壓、兩相電流進行檢測，即可根據(jù)預(yù)先自動測定的電機模型，進行異步電動機的磁通和轉(zhuǎn)矩解耦控制，實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載啟動和運行。適合礦井提升機、皮帶機等特殊負(fù)載使用。
速度閉環(huán)矢量控制
在調(diào)速精度、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要求更高的場合，安裝轉(zhuǎn)速傳感器后，可進一步提高HARSVERT-VA系列速度閉環(huán)矢量控制變頻器的控制精度。
電機參數(shù)自動整定
要實現(xiàn)矢量控制，需要檢測電機的定轉(zhuǎn)子電阻電感參數(shù)。HARSVERT-VA系列變頻器可對異步電機自動進行電機學(xué)堵轉(zhuǎn)試驗和空載試驗，實現(xiàn)電機參數(shù)的自動整定。
高壓掉電恢復(fù)自動重啟
在某些用戶場合，給變頻器供電的高壓電網(wǎng)可能會發(fā)生短時電壓跌落或缺失，為了盡可能不影響正常生產(chǎn)，在設(shè)定時限內(nèi)，當(dāng)高壓掉電恢復(fù)時，HARSVERT-VA系列產(chǎn)品能自動快速識別并跟蹤當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速，恢復(fù)正常運行。
旋轉(zhuǎn)啟動
如果電機被負(fù)載拖動仍在旋轉(zhuǎn)甚至反轉(zhuǎn)，變頻器能識別跟蹤電機轉(zhuǎn)速并拖動負(fù)載到設(shè)定頻率運行。
四、熱磨機采用變頻調(diào)速的使用效果
高壓變頻器對交流電動機進行交流控制有許多優(yōu)勢，如節(jié)能，容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速控制，可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換，可以進行高頻度的起停運轉(zhuǎn)，可以對電動機進行高速驅(qū)動，可以適應(yīng)各種工作環(huán)境，電源功率因數(shù)大，所需電源容量小，可以組成高性能的控制系統(tǒng)等等。
經(jīng)實際運行發(fā)現(xiàn)，使用高壓變頻器的皮帶機有以下優(yōu)點：
（1）高壓變頻器具有高可靠性、穩(wěn)定性、防護性；
（2）高壓變頻器能夠完成熱磨機頻繁啟動、停止；
（3）高壓變頻器實現(xiàn)按照入料多少控制磨機轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)工藝；
（4）滿足木材廠生產(chǎn)線電控系統(tǒng)的功能接口和監(jiān)控要求；
（5）熱磨機在利用高壓變頻器根據(jù)實際情況對電機進行調(diào)速，既符合工藝要求，又達(dá)到節(jié)能降耗目的；
（6）變頻器啟動過程平穩(wěn)，無沖擊，體積小，好搬運；
（7）高壓變頻器在磨機工作過程中承受40A-50A電流波動而正常運行；
（8）電機滿載時，變頻調(diào)速系統(tǒng)效率≧96％；
（9）變頻器輸入側(cè)功率因數(shù)≧97％；
（10）變頻器輸入諧波小于4%；
（11）變頻器自保護功能：過電流限制，過電壓限制，過負(fù)荷預(yù)警，過電流跳閘，功率單元故障跳閘，過負(fù)荷跳閘，接地故障跳閘，過熱跳閘等；
（12）變頻器數(shù)據(jù)顯示：輸出頻率，電機轉(zhuǎn)速，輸入輸出電流，輸入輸出電壓，電機輸出功率，運行時間，故障查詢，變頻器溫度等；
（13）電機在啟動和調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，電流沒有任何沖擊，消除了大啟動電流對電機、傳動系統(tǒng)和主機的沖擊應(yīng)力，大大降低了日常的維護保養(yǎng)費用。
五、結(jié)束語
此次北京利德華福高壓變頻調(diào)速技術(shù)在肯尼亞Comply Industries熱磨機的實踐應(yīng)用表明：電機在配備高壓變頻器后大大降低了日常的維護保養(yǎng)費用，取得了較好的運行效果，提高了中密度纖維板生產(chǎn)的自動化生產(chǎn)水平。由此可見，高壓變頻調(diào)速技術(shù)在中密度纖維板使用對其它皮帶機設(shè)備進行變頻改造起到了示范作用。
參考文獻
1. 高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應(yīng)用 倚鵬 主編 人民郵電出版社，2008.2第一版
2. 北京利德華福高壓變頻調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)品手冊 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號