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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工藝環節中，熱磨機采用高壓變頻調速和控制的理論依據及其調速系統的設計；總結高壓變頻調速在熱磨機應用的技術優點，以及實際運行效果。
關鍵詞：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公司，此公司生產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量的木材產品。
MDF板材廠為中密度纖維板生產基地，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量的中密度纖維木板；生產工藝包括從處理原始木材到木板生產的整套生產環節。此生產基地通過PLC300實現生產工藝的自動化控制，實現多個大型設備的協調工作，完成切割、粉磨、壓縮、制板和運輸等生產環節。在整個生產工藝過程中使用了切割機、皮帶機、磨機、提升機、送風機、引風機等多種電機。其中低壓電機已經采用變頻技術進行控制；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速。由于繞線電機LRS控制調速、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速技術的理論依據
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的植物纖維原料，經切片、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展起來的產品，是20世紀林產工業的重大發明之一，其優異的性能具有其他板種不可替代的地位，近年來產量高速發展。原因是它具有優良的物理力學性能、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備，纖維分離是在一個高溫、高壓、高速和完全封閉的系統中完成的。纖維是中密度纖維板的質量基礎，熱磨工序是整個生產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，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0.9，額定轉速1485r/min。
熱磨機為中密度纖維板生產的熱磨設備，完成將木塊分解成粉末狀任務，熱磨機轉動快慢決定生產質量。在生產過程中需要根據入料多少，控制熱磨機轉動速度；而且在生產線其它設備出現故障時，工人需要短時間降低磨機轉速甚至停機；且在故障解除后，需要立即啟動磨機。所以，熱磨機在生產過程中，需要頻繁啟動、停止和轉速改變，變頻控制是實現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，且無串電機調速裝置，無法進行調速，要將繞線電機改造成鼠籠電機。鼠籠式轉子用銅條安裝在轉子鐵芯槽內，兩端用端環焊接，形狀像鼠籠。繞線式轉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軸上的三個銅滑環上，通過一組電刷與外電路相連接。
電機串電阻調速系統屬于有級調速，調速的平滑性差；低速時機械特性較軟，靜差率較大；電阻上消耗的轉差功率大，節能較差；變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。變頻調速系統主要設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，目前國內大都使用交－直－交變頻器。其特點：效率高，調速過程中沒有附加損耗；應用范圍廣，可用于籠型異步電動機；調速范圍大，特性硬，精度高。
為克服傳統交流繞線式電機串電阻調速系統的缺點，采用變頻調速技術改造風機傳動系統，可以實現全頻率（0-50Hz）范圍內的恒轉矩控制。采用變頻調速需改為鼠籠式運行，轉子繞組已沒有必要外接電組。為避免電刷與集電環之間因接觸不良引起故障，將與集電環相接的三根線之間用導線短接，并將電刷舉起。將繞線式電機轉子三根引出線短接，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、高壓變頻調速系統的裝置設計
3.1 高壓變頻器系統原理
按照電機學的基本原理，已知交流異步電動機的轉速表達式為： n=(1-s)60f/p式中： s-滑差； p-電機極對數； 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p、或者電機運行頻率f，都可以達到調整電機本身速度的目的。
HARSVERT-VA系列高壓變頻調速系統采用功率單元串聯多電平技術，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。變頻器輸入側采用多重化移相變壓器實現隔離和諧波抵消。無須功率因數補償、諧波抑制裝置，多脈沖整流技術的應用使得變頻器電網側諧波可滿足IEEE519-1992標準和GB/T14549-93標準。變頻器輸出采用多個功率單元移相式PWM波形輸出串聯疊加，得到多電平高壓，實現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：電網電壓經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計，以達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構，功率單元通過整流、逆變過程實現對驅動電機供電電源的頻率調節。變頻器采用8個獨立功率單元串聯的方式來實現高壓輸出。有利于改善輸出波形，由諧波引起的電機發熱，噪音和轉矩脈動都大大降低，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節的全過程控制、變頻器電氣保護功能實現、以及變頻器的人機交互與通訊接口功能實現。
3.2 北京利德華福高壓變頻調速系統優點
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、控制接口靈活等優良品質的基礎上，HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制高壓變頻調速產品能夠實現功能更為豐富、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品的性能指標為：調速范圍100:1，穩態轉速精度0.5%，動態轉矩響應時間小于200ms，啟動轉矩150%額定轉矩，基本達到國際先進水平。
圖3 北京利德華福高壓變頻器
目前，HARSVERT-VA系列高壓變頻調速系統具有以下功能：
恒壓頻比控制
這種控制方式最顯著特點是簡單易行，因而成為目前國內大多數變頻器生產廠家所采用的電機控制方式。對于大多數對轉矩響應、控制精度要求不高的場合，如風機、水泵類負載，可以滿足一般應用要求。
無速度傳感器矢量控制
無需安裝復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，即可根據預先自動測定的電機模型，進行異步電動機的磁通和轉矩解耦控制，實現低速大轉矩負載啟動和運行。適合礦井提升機、皮帶機等特殊負載使用。
速度閉環矢量控制
在調速精度、轉矩響應要求更高的場合，安裝轉速傳感器后，可進一步提高HARSVERT-VA系列速度閉環矢量控制變頻器的控制精度。
電機參數自動整定
要實現矢量控制，需要檢測電機的定轉子電阻電感參數。HARSVERT-VA系列變頻器可對異步電機自動進行電機學堵轉試驗和空載試驗，實現電機參數的自動整定。
高壓掉電恢復自動重啟
在某些用戶場合，給變頻器供電的高壓電網可能會發生短時電壓跌落或缺失，為了盡可能不影響正常生產，在設定時限內，當高壓掉電恢復時，HARSVERT-VA系列產品能自動快速識別并跟蹤當前電機轉速，恢復正常運行。
旋轉啟動
如果電機被負載拖動仍在旋轉甚至反轉，變頻器能識別跟蹤電機轉速并拖動負載到設定頻率運行。
四、熱磨機采用變頻調速的使用效果
高壓變頻器對交流電動機進行交流控制有許多優勢，如節能，容易實現對現有電動機的調速控制，可以實現大范圍內的高效連續調速控制，容易實現電動機的正反轉切換，可以進行高頻度的起停運轉，可以對電動機進行高速驅動，可以適應各種工作環境，電源功率因數大，所需電源容量小，可以組成高性能的控制系統等等。
經實際運行發現，使用高壓變頻器的皮帶機有以下優點：
（1）高壓變頻器具有高可靠性、穩定性、防護性；
（2）高壓變頻器能夠完成熱磨機頻繁啟動、停止；
（3）高壓變頻器實現按照入料多少控制磨機轉速的生產工藝；
（4）滿足木材廠生產線電控系統的功能接口和監控要求；
（5）熱磨機在利用高壓變頻器根據實際情況對電機進行調速，既符合工藝要求，又達到節能降耗目的；
（6）變頻器啟動過程平穩，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，變頻調速系統效率≧96％；
（9）變頻器輸入側功率因數≧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，過負荷預警，過電流跳閘，功率單元故障跳閘，過負荷跳閘，接地故障跳閘，過熱跳閘等；
（12）變頻器數據顯示：輸出頻率，電機轉速，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）電機在啟動和調節過程中，轉速平穩變化，電流沒有任何沖擊，消除了大啟動電流對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低了日常的維護保養費用。
五、結束語
此次北京利德華福高壓變頻調速技術在肯尼亞Comply Industries熱磨機的實踐應用表明：電機在配備高壓變頻器后大大降低了日常的維護保養費用，取得了較好的運行效果，提高了中密度纖維板生產的自動化生產水平。由此可見，高壓變頻調速技術在中密度纖維板使用對其它皮帶機設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原理與應用 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速調速系統產品手冊 北京利德華福電氣技術有限公司
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號