變頻器在金屬鎂業(yè)對輥壓球機上的應用

0 引言

對輥壓球機(以下簡(jiǎn)稱(chēng)壓球機)是皮江法煉鎂工藝過(guò)程中不可或缺的原料加工設備。壓球機由預壓螺旋機(俗稱(chēng)次機)、對輥機(俗稱(chēng)主機)、篩分機和油壓機等四部分構成，其目的在于將煉鎂原粉料壓制成工藝所需的球團，以減少粉塵，控制容重，改進(jìn)反應過(guò)程，返回利用及改善運輸條件，其工藝過(guò)程如圖1所示。

1 壓球機工頻運行存在的問(wèn)題

壓球機在工頻運行時(shí)，操作工通過(guò)調整次機轉速亦即調節粉料的供給量來(lái)控制主機電流，使之達到最高產(chǎn)能與質(zhì)量合格的成球率。

原工頻運行存在的問(wèn)題如下：

1)壓球機的主、次機均由電磁調速電機驅動(dòng)，生產(chǎn)設備一次性投資較大，而且，每臺壓球機每班需要兩名操作人員，勞動(dòng)強度大，勞動(dòng)力使用率很低;

2)主機電機的使用效率低，存在“大馬拉小車(chē)”的現象;

3)主、次機均為直接啟動(dòng)，有5~7 倍的啟動(dòng)電流，對供電電網(wǎng)沖擊較大，影響供電系統的穩定性;

4)直接啟動(dòng)產(chǎn)生的巨大轉矩對設備沖擊很大，影響設備使用壽命;

5)工頻運行時(shí)不僅浪費電能，而且噪音對環(huán)境有污染。

2 解決方案淺析

為了節能，我們將原主、次機的電磁調速驅動(dòng)電機均改為Y系列普通電機，并采用矢量變頻器對其進(jìn)行控制。

2.1 變頻器調速原理

眾所周知，電動(dòng)機的同步轉速取決于其極對數和供電頻率。在未考慮轉差率時(shí)，同步轉速公式為

2.2 變頻器的選擇

壓球機屬于線(xiàn)性重負載，其阻轉矩與轉速成正比。當次機預壓螺旋的轉速加快時(shí)，被壓入主機對輥間的粉料量連續增多。由于對輥間隙受油壓機控制，推動(dòng)壓力基本保持不變，致使主機和次機的運行電流上升，阻轉矩增大。而且，粉料中有時(shí)會(huì )夾帶硬物，其被壓至對輥中心線(xiàn)時(shí)，主機時(shí)有瞬間重過(guò)載現象。

由此，我們選擇較主、次機電機功率均高一級，且過(guò)載能力強的日普SY3300型矢量變頻器。

2.3 變頻調速的PID控制

合格球團要有一定硬度。為滿(mǎn)足此要求，主、次機電機均采用變頻調速，而且次機還采用了PID 自動(dòng)控制功能。PID控制是一種過(guò)程閉環(huán)控制，它是將被控量的反饋信號(即由傳感器測得的實(shí)際值)與目標量信號的差量進(jìn)行比例(P)、積分(I)、微分(D)運算比較，實(shí)時(shí)調整變頻器的輸出頻率，以構成負反饋系統，使被控量能夠迅速而準確地穩在目標量上。

壓球機變頻調速裝置電氣原理如圖2所示。在本方案中，我們將主機的實(shí)時(shí)運行電流設定為被控量，把主機的理想工作電流設定為目標量，采用電流互感器TAV和無(wú)源電流變送器DLB 組成被控量的測量和反饋系。該系統把主機的實(shí)時(shí)運行電流變換成DC 4~20 mA的反饋信號傳至次機變頻器，次機變頻器的內置PID調節器將反饋量與數字給定目標量的差量進(jìn)行PID運算比較后，實(shí)時(shí)調整其輸出頻率來(lái)改變電機轉速，亦即調節粉料的供給量，使壓球機達到自動(dòng)控制運行的目的。

2.4 遠程控制操作臺

為了實(shí)現遠程集中控制，改善工作環(huán)境和降低勞動(dòng)強度，我們設計制作了一臺遠程控制操作臺。在操作臺上可以實(shí)現變頻/ 工頻- 自動(dòng)/ 手動(dòng)功能切換、頻率調節、頻率- 電壓- 電流顯示、故障聲光報警、運行-停止操作、與上位機連接并完成遠程集控的RS485通訊接口端子等多種功能。

2.5 順序控制功能

根據工藝要求，我們設計使用了順序閉鎖控制功能。開(kāi)機順序是油壓機→主機→篩分機→次機→外部供料，越級操作無(wú)效。停機順序與開(kāi)機順序相反。

其操作順序控制圖如圖3所示。

3 注意事項

由于煉鎂行業(yè)的工作環(huán)境比較特殊，灰塵具有腐蝕作用，在使用變頻器時(shí)應該注意以下事項。

1)變頻器要做防腐處理，并選擇防灰塵且耐腐蝕較好的電器元件;

2)信號傳輸線(xiàn)要使用RVVP 屏蔽電纜，并將屏蔽層的一端可靠接地;

3)每臺變頻器要獨立、可靠接地;

4)信號傳輸距離很長(cháng)時(shí)，要使用DC 4~20 mA的電流信號;

5)變頻器要安裝在防灰塵、防霉變、通風(fēng)良好的控制柜內;

6)如果主、次機變頻器安裝于同一個(gè)柜內，要采取防止互相干擾的屏蔽措施;

7)主、次機傳動(dòng)系統中采用減速裝置，其傳動(dòng)比應根據變頻運行的實(shí)際情況予以適當調整。本方案中，主機的傳動(dòng)比是4.5∶1，次機的傳動(dòng)比為6∶1。

4 建議方案

根據煉鎂生產(chǎn)工藝需要，變頻調速裝置應具有如下功能：

1)具有工頻/變頻兩套主回路，各自獨立工作，且互為備用;

2)具有手動(dòng)/自動(dòng)控制切換功能，即閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制切換;

3)具有PID閉環(huán)控制所需要的測量反饋系統;

4)要設置外部報警提示功能;

5)應滿(mǎn)足目前生產(chǎn)工況和將來(lái)生產(chǎn)的擴展需求;

6)為了有效抑制變頻器對電網(wǎng)和其他設備的干擾以及電機的溫升和噪音，建議在變頻器輸入輸出端加裝電抗器和濾波器;

7)具有順序閉鎖控制功能。

5 應用效果

對輥壓球機使用變頻器調速后得到以下的應用效果。

1)節約用電量降低生產(chǎn)成本僅以一臺壓球機節電計算。改造后，主機的變頻運行頻率是45.8 Hz，次機的變頻自動(dòng)運行頻率在26.8~31.6 Hz 范圍內。

用功率法測量主機得出，使用變頻器調速后的實(shí)際節電率為25.2%。根據改造前運行記錄取平均值，每臺主機原來(lái)每年用電量=32.72 kW·h×24 h/d×30 d/m×11m/y=259 142.4 kW·h/y，現在每臺主機每年節約電費=259 142.4 kW·h/y×0.43 元/ kW·h×25.2%=28 081.00元/年。

2)節約勞動(dòng)力成本原來(lái)4臺壓球機需要8 個(gè)操作工/ 班(三班制)，而現在僅需要2 個(gè)操作工/班。以節省1個(gè)操作工計算，節省勞動(dòng)力成本=工資(元/ 月)×12 月/ 年=560 元/ 月×12 月/ 年=6 720.00元/年?，F在按減員18 人計算(減員6人/班、天)，每年共節省勞動(dòng)力成本=6 720.00元/人、年×18 人=120 960.00元/年。顯然，一臺壓球機節省勞動(dòng)力成本為30 240.00元/年。

所以，改造后一臺壓球機節電和節省勞動(dòng)力成本共58 321.00元/年。

3)實(shí)現軟啟動(dòng)設備沒(méi)有5~7倍的啟動(dòng)沖擊電流，減少了對供電電網(wǎng)和配電變壓器的沖擊。延長(cháng)了設備的使用壽命和維修周期，降低了維修成本。變頻器的多種保護功能使壓球機運行更加安全可靠。改善了操作工的工作環(huán)境，降低了操作工的勞動(dòng)強度。

提高了供電系統的功率因數和配電變壓器的富裕量，并減少了電壓波動(dòng)。實(shí)現了自動(dòng)控制運行，操作簡(jiǎn)單方便，運行可靠安全。通過(guò)RS485通訊接口與上位PC機連接實(shí)現了遠程控制。

綜合上述，不到12個(gè)月即可收回一臺壓球機改造的投資成本，取得了非常好的經(jīng)濟效益。