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(jī)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(jì)；總結(jié)高壓變頻調(diào)速在熱磨機(jī)應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，以及實(shí)際運(yùn)行效果。
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(xiàn)桿、中密度纖維板、木芯板、硬紙板、齊邊拉門(mén)、層壓板、木質(zhì)制品等木材原料制品，并且在非洲多個(gè)國(guó)家有分公司，為整個(gè)非洲提供高質(zhì)量的木材產(chǎn)品。
MDF板材廠(chǎng)為中密度纖維板生產(chǎn)基地，是Comply Industries 位于肯尼亞奈庫(kù)魯（Nakuru）西部的一個(gè)工廠(chǎng)。此工廠(chǎng)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(guò)PLC300實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)大型設(shè)備的協(xié)調(diào)工作，完成切割、粉磨、壓縮、制板和運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)環(huán)節(jié)。在整個(gè)生產(chǎn)工藝過(guò)程中使用了切割機(jī)、皮帶機(jī)、磨機(jī)、提升機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等多種電機(jī)。其中低壓電機(jī)已經(jīng)采用變頻技術(shù)進(jìn)行控制；熱磨機(jī)高壓電機(jī)為繞線(xiàn)電機(jī)，采用水阻啟動(dòng)方式啟動(dòng)，使用過(guò)程中不進(jìn)行調(diào)速。由于繞線(xiàn)電機(jī)LRS控制調(diào)速、控制性能差，用戶(hù)需要對(duì)熱磨機(jī)電機(jī)進(jìn)行變頻控制改造。
二、 熱磨機(jī)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(jiǎn)介
中密度纖維板是以小徑級(jí)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(shù)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(lái)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(lái)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下：
圖1.1 中密度纖維板
2.2熱磨機(jī)介紹及變頻控制原理
熱磨機(jī)是直接分離纖維的設(shè)備，纖維分離是在一個(gè)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(gè)生產(chǎn)過(guò)程中十分重要的工序。此用戶(hù)使用熱磨機(jī)為浙江福馬公司生產(chǎn)，熱磨機(jī)電機(jī)為繞線(xiàn)式異步電機(jī)型號(hào)：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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢決定生產(chǎn)質(zhì)量。在生產(chǎn)過(guò)程中需要根據(jù)入料多少，控制熱磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度；而且在生產(chǎn)線(xiàn)其它設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，工人需要短時(shí)間降低磨機(jī)轉(zhuǎn)速甚至停機(jī)；且在故障解除后，需要立即啟動(dòng)磨機(jī)。所以，熱磨機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中，需要頻繁啟動(dòng)、停止和轉(zhuǎn)速改變，變頻控制是實(shí)現(xiàn)熱磨機(jī)控制的首選控制策略。
熱磨機(jī)圖片如下：
圖1.2熱磨機(jī)
2.3繞線(xiàn)式電機(jī)改造鼠籠電機(jī)
由于現(xiàn)場(chǎng)原有電機(jī)為繞線(xiàn)電機(jī)，原啟動(dòng)方式采用水阻啟動(dòng)方式，且無(wú)串電機(jī)調(diào)速裝置，無(wú)法進(jìn)行調(diào)速，要將繞線(xiàn)電機(jī)改造成鼠籠電機(jī)。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(xiàn)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(xiàn)連接到裝在轉(zhuǎn)軸上的三個(gè)銅滑環(huán)上，通過(guò)一組電刷與外電路相連接。
電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)屬于有級(jí)調(diào)速，調(diào)速的平滑性差；低速時(shí)機(jī)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(dòng)機(jī)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(lèi)，目前國(guó)內(nèi)大都使用交－直－交變頻器。其特點(diǎn)：效率高，調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗；應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)；調(diào)速范圍大，特性硬，精度高。
為克服傳統(tǒng)交流繞線(xiàn)式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，可以實(shí)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(yùn)行，轉(zhuǎn)子繞組已沒(méi)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(xiàn)之間用導(dǎo)線(xiàn)短接，并將電刷舉起。將繞線(xiàn)式電機(jī)轉(zhuǎn)子三根引出線(xiàn)短接，并將電刷舉起，即可將繞線(xiàn)式異步電機(jī)改造成鼠籠式電機(jī)。
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三、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的裝置設(shè)計(jì)
3.1 高壓變頻器系統(tǒng)原理
按照電機(jī)學(xué)的基本原理，已知交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： n=(1-s)60f/p式中： s-滑差； p-電機(jī)極對(duì)數(shù)； f -電機(jī)供電頻率。由上述公式可以看出，只要改變滑差s、或者電機(jī)極對(duì)數(shù)p、或者電機(jī)運(yùn)行頻率f，都可以達(dá)到調(diào)整電機(jī)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(shí)現(xiàn)隔離和諧波抵消。無(wú)須功率因數(shù)補(bǔ)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(mǎn)足IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)和GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)。變頻器輸出采用多個(gè)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(shí)現(xiàn)較低的輸出電壓諧波、共模電壓和dv/dt。無(wú)須附加輸出濾波裝置，不會(huì)對(duì)電機(jī)的絕緣、軸承造成損害，可直接驅(qū)動(dòng)普通鼠籠式、繞線(xiàn)式異步電機(jī)和同步電機(jī)。
移相變壓器：電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)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(jì)，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(guò)整流、逆變過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電電源的頻率調(diào)節(jié)。變頻器采用8個(gè)獨(dú)立功率單元串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出。有利于改善輸出波形，由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱，噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都大大降低，所以這種變頻器對(duì)電機(jī)沒(méi)有特殊要求，可直接用于普通異步電機(jī)，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(guò)程控制、變頻器電氣保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)、以及變頻器的人機(jī)交互與通訊接口功能實(shí)現(xiàn)。
3.2 北京利德華福高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
由于采用了高性能DSP芯片和新型一體化計(jì)算機(jī)，在秉承HARSVERT-A系列產(chǎn)品完美無(wú)諧波、高可靠性、功率/電壓等級(jí)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(wú)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(dòng)控制。目前，HARSVERT-VA系列無(wú)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(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間小于200ms，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩150%額定轉(zhuǎn)矩，基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
圖2.1 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(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，因而成為目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)家所采用的電機(jī)控制方式。對(duì)于大多數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)、控制精度要求不高的場(chǎng)合，如風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載，可以滿(mǎn)足一般應(yīng)用要求。
?無(wú)速度傳感器矢量控制
無(wú)需安裝復(fù)雜且不易維護(hù)的測(cè)速裝置，HARSVERT-VA系列變頻器僅需對(duì)輸出三相電壓、兩相電流進(jìn)行檢測(cè)，即可根據(jù)預(yù)先自動(dòng)測(cè)定的電機(jī)模型，進(jìn)行異步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩解耦控制，實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載啟動(dòng)和運(yùn)行。適合礦井提升機(jī)、皮帶機(jī)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(chǎng)合，安裝轉(zhuǎn)速傳感器后，可進(jìn)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(jī)參數(shù)自動(dòng)整定
要實(shí)現(xiàn)矢量控制，需要檢測(cè)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子電阻電感參數(shù)。HARSVERT-VA系列變頻器可對(duì)異步電機(jī)自動(dòng)進(jìn)行電機(jī)學(xué)堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)和空載試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)整定。
?高壓掉電恢復(fù)自動(dòng)重啟
在某些用戶(hù)場(chǎng)合，給變頻器供電的高壓電網(wǎng)可能會(huì)發(fā)生短時(shí)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(shí)限內(nèi)，當(dāng)高壓掉電恢復(fù)時(shí)，HARSVERT-VA系列產(chǎn)品能自動(dòng)快速識(shí)別并跟蹤當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，恢復(fù)正常運(yùn)行。
?旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)
如果電機(jī)被負(fù)載拖動(dòng)仍在旋轉(zhuǎn)甚至反轉(zhuǎn)，變頻器能識(shí)別跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速并拖動(dòng)負(fù)載到設(shè)定頻率運(yùn)行。
四、熱磨機(jī)采用變頻調(diào)速的使用效果
高壓變頻器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行交流控制有許多優(yōu)勢(shì)，如節(jié)能，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)，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(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，使用高壓變頻器的皮帶機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）高壓變頻器具有高可靠性、穩(wěn)定性、防護(hù)性；
（2）高壓變頻器能夠完成熱磨機(jī)頻繁啟動(dòng)、停止；
（3）高壓變頻器實(shí)現(xiàn)按照入料多少控制磨機(jī)轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)工藝；
（4）滿(mǎn)足木材廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)電控系統(tǒng)的功能接口和監(jiān)控要求；
（5）熱磨機(jī)在利用高壓變頻器根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電機(jī)進(jìn)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(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，無(wú)沖擊，體積小，好搬運(yùn)；
（7）高壓變頻器在磨機(jī)工作過(guò)程中承受40A-50A電流波動(dòng)而正常運(yùn)行；
（8）電機(jī)滿(mǎn)載時(shí)，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(hù)功能：過(guò)電流限制，過(guò)電壓限制，過(guò)負(fù)荷預(yù)警，過(guò)電流跳閘，功率單元故障跳閘，過(guò)負(fù)荷跳閘，接地故障跳閘，過(guò)熱跳閘等；
（12）變頻器數(shù)據(jù)顯示：輸出頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸入輸出電流，輸入輸出電壓，電機(jī)輸出功率，運(yùn)行時(shí)間，故障查詢(xún)，變頻器溫度等；
（13）電機(jī)在啟動(dòng)和調(diào)節(jié)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，電流沒(méi)有任何沖擊，消除了大啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力，大大降低了日常的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。
五、結(jié)束語(yǔ)
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(jī)的實(shí)踐應(yīng)用表明：電機(jī)在配備高壓變頻器后大大降低了日常的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，取得了較好的運(yùn)行效果，提高了中密度纖維板生產(chǎn)的自動(dòng)化生產(chǎn)水平。由此可見(jiàn)，高壓變頻調(diào)速技術(shù)在中密度纖維板使用對(duì)其它皮帶機(jī)設(shè)備進(jìn)行變頻改造起到了示范作用。
參考文獻(xiàn)
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(cè) 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
（轉(zhuǎn)載）
