變頻器在金屬鎂業(yè)對輥壓球機上的應(yīng)用

0 引言

對輥壓球機(以下簡稱壓球機)是皮江法煉鎂工藝過程中不可或缺的原料加工設(shè)備。壓球機由預(yù)壓螺旋機(俗稱次機)、對輥機(俗稱主機)、篩分機和油壓機等四部分構(gòu)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，改進反應(yīng)過程，返回利用及改善運輸條件，其工藝過程如圖1所示。

1 壓球機工頻運行存在的問題

壓球機在工頻運行時，操作工通過調(diào)整次機轉(zhuǎn)速亦即調(diào)節(jié)粉料的供給量來控制主機電流，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題如下：

1)壓球機的主、次機均由電磁調(diào)速電機驅(qū)動，生產(chǎn)設(shè)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，勞動強度大，勞動力使用率很低;

2)主機電機的使用效率低，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象;

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

4)直接啟動產(chǎn)生的巨大轉(zhuǎn)矩對設(shè)備沖擊很大，影響設(shè)備使用壽命;

5)工頻運行時不僅浪費電能，而且噪音對環(huán)境有污染。

2 解決方案淺析

為了節(jié)能，我們將原主、次機的電磁調(diào)速驅(qū)動電機均改為Y系列普通電機，并采用矢量變頻器對其進行控制。

2.1 變頻器調(diào)速原理

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

2.2 變頻器的選擇

壓球機屬于線性重負(fù)載，其阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)次機預(yù)壓螺旋的轉(zhuǎn)速加快時，被壓入主機對輥間的粉料量連續(xù)增多。由于對輥間隙受油壓機控制，推動壓力基本保持不變，致使主機和次機的運行電流上升，阻轉(zhuǎn)矩增大。而且，粉料中有時會夾帶硬物，其被壓至對輥中心線時，主機時有瞬間重過載現(xiàn)象。

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

2.3 變頻調(diào)速的PID控制

合格球團要有一定硬度。為滿足此要求，主、次機電機均采用變頻調(diào)速，而且次機還采用了PID 自動控制功能。PID控制是一種過程閉環(huán)控制，它是將被控量的反饋信號(即由傳感器測得的實際值)與目標(biāo)量信號的差量進行比例(P)、積分(I)、微分(D)運算比較，實時調(diào)整變頻器的輸出頻率，以構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，使被控量能夠迅速而準(zhǔn)確地穩(wěn)在目標(biāo)量上。

壓球機變頻調(diào)速裝置電氣原理如圖2所示。在本方案中，我們將主機的實時運行電流設(shè)定為被控量，把主機的理想工作電流設(shè)定為目標(biāo)量，采用電流互感器TAV和無源電流變送器DLB 組成被控量的測量和反饋系。該系統(tǒng)把主機的實時運行電流變換成DC 4~20 mA的反饋信號傳至次機變頻器，次機變頻器的內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器將反饋量與數(shù)字給定目標(biāo)量的差量進行PID運算比較后，實時調(diào)整其輸出頻率來改變電機轉(zhuǎn)速，亦即調(diào)節(jié)粉料的供給量，使壓球機達到自動控制運行的目的。

2.4 遠(yuǎn)程控制操作臺

為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，改善工作環(huán)境和降低勞動強度，我們設(shè)計制作了一臺遠(yuǎn)程控制操作臺。在操作臺上可以實現(xiàn)變頻/ 工頻- 自動/ 手動功能切換、頻率調(diào)節(jié)、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(yuǎn)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(jù)工藝要求，我們設(shè)計使用了順序閉鎖控制功能。開機順序是油壓機→主機→篩分機→次機→外部供料，越級操作無效。停機順序與開機順序相反。

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，在使用變頻器時應(yīng)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)信號傳輸距離很長時，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(nèi);

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

7)主、次機傳動系統(tǒng)中采用減速裝置，其傳動比應(yīng)根據(jù)變頻運行的實際情況予以適當(dāng)調(diào)整。本方案中，主機的傳動比是4.5∶1，次機的傳動比為6∶1。

4 建議方案

根據(jù)煉鎂生產(chǎn)工藝需要，變頻調(diào)速裝置應(yīng)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/自動控制切換功能，即閉環(huán)與開環(huán)控制切換;

3)具有PID閉環(huán)控制所需要的測量反饋系統(tǒng);

4)要設(shè)置外部報警提示功能;

5)應(yīng)滿足目前生產(chǎn)工況和將來生產(chǎn)的擴展需求;

6)為了有效抑制變頻器對電網(wǎng)和其他設(shè)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(yīng)用效果

對輥壓球機使用變頻器調(diào)速后得到以下的應(yīng)用效果。

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

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

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

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

3)實現(xiàn)軟啟動設(shè)備沒有5~7倍的啟動沖擊電流，減少了對供電電網(wǎng)和配電變壓器的沖擊。延長了設(shè)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強度。

提高了供電系統(tǒng)的功率因數(shù)和配電變壓器的富裕量，并減少了電壓波動。實現(xiàn)了自動控制運行，操作簡單方便，運行可靠安全。通過RS485通訊接口與上位PC機連接實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。

綜合上述，不到12個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。