森兰sb70变频器在氧化铝生产线中的应用
    

有色金属行业对变频器的要求较高,森兰sb70变频器在该行业的大面积的成功使用,在国产变频器中尚属首次,这标志国产变频器的技术水平有了极大的提高。在实际应用中,森兰sb70变频器与国外变频器相比毫不逊色,在氧化铝行业成功地替代了国外品牌变频器,而且价格要便宜。

一、氧化铝生产流程

从铝矾土矿石生产出合格的氧化铝需要经过原料、溶出、沉降、分解、焙烧等几大个生产流程,按工艺流程的次序组织为原料、溶出、沉降、分解、焙烧等几大车间,为充分利用母液,再设置一个蒸发工序车间。原料车间用以制备粒度、成份比例等指标都符合要求的原矿浆;溶出车间通过多级预热套管及压煮器为原矿浆提供高温、高压环境,并保证足够的溶出时间,以使原矿浆中的氧化铝成份溶出至铝酸钠溶液中。沉降车间通过沉降和多次反向洗涤,将料浆中的粗液及附着碱与各种杂质构成的赤泥进行分离,分离出的粗液经叶滤机过滤后制得精液,再送至分解车间与晶种混合,逐级进入各分解槽进行降温、搅拌,以充分析出氢氧化铝,析出的氢氧化铝浆液经分级后,细料进种子过滤制备晶种,粗料送焙烧车间经过滤后进行高温焙烧,最终制得成品氧化铝。蒸发车间用于对循环母液进行浓缩处理,以除去在流程中进入母液中的多余水分,达到工艺要求的母液浓度。

二、氧化铝生产对变频器的要求

整个氧化铝生产过程对物料的运送由浆泵、进料泵、出料泵、母液泵、碱液泵、循环泵等各种各样的泵承担。生产过程中,物料及反应容器的温度、压力、配料流量等指标的控制非常严格;同时为保证分解槽搅拌等要求不间断运转设备的连续运行,以及隔膜泵、压煮器等高温、高压、高碱设备和焙烧系统易燃易爆设备的安全运行,要求对运送物料的各种泵能够在dcs的控制下变速运行。氧化铝生产工序比较复杂,生产环境差,温度高,粉尘多,对变频器的主要要求有:

1、浆泵、进料泵、出料泵等的工作介质是非常粘稠的矿浆,其负载特性接近恒转矩负载特性。由于某种原因使生产短时停顿,粘稠的矿浆会产生沉降,恢复生产再次起动时,这些泵的起动力矩非常大,因此要求变频器有足够大的起动力矩和较高的过载能力。

2、氧化铝生产线占地的面积很大,其电气控制设备和变频器均安装在配电房内,大部分的电机与变频器的距离在100-300米,要求变频器的输出接上100-300米电缆能够正常工作。

3、变频器的输出含有高次谐波,现场使用的变频器的数量多,必须考虑谐波对dcs控制系统和现场控制仪表干扰,要求变频的输出谐波含量较低,低于国家标准gb12668-2.2002、gb12668-3.2003所要求的谐波含量。

4、氧化铝生产具有连续性,生产过程中因某台设备故障引起全线停产,将带来极大的损失,因此,对变频器的可靠性要求极高。

三、sb70系列变频器在氧化铝生产线上的应用

由上可见,氧化铝生产对变频器提出了很高的要求,铝镁设计院在做设计时,都毫无例外地选用abb、施耐德、西门子、ab等国外变频器。近几年来,国产变频器技术有了长足的进步,转子磁链定向无速度传感器矢量控制已研发成功,其技术性能接近国外变频器先进水平,再加上工艺技术和管理水平的提高,生产出满足氧化铝生产线要求的高性能、高可靠的矢量控制变频器也不是难事,且与国外变频器比较价格较低,在与国外变频器竞争中有一定优势。

河南三门峡铝业有限公司,年生产氧化铝120万吨,根据生产工艺的要求,选用森兰sb70无速度传感器矢量控制变频器,对其生产过程的每一道工序提供变频调速(功率从22kw到450kw),共安装使用78台,具体使用工位如下表:

变频器功率(kw)设备名称
450晶种泵
250稀释泵、出料泵、过料泵、蒸发器进料泵、蒸发器出料泵、外排泵、单极双吸离心泵、精液泵
220泥浆泵、过料泵
200矿浆泵、过料泵、蒸发原液泵、粗液泵
160液体碱储槽/合格碱液泵、合格碱液泵/母液泵、卧式循环水泵
132热水站洗水泵、料浆调速泵
110溢流泵、过料泵、沉没式变速泵、中间降温泵
90常压脱硅配电室循环泵、沉降送水泵、种分母液泵
55强滤液泵、弱滤液泵、母液泵
45热水泵
37盐底流泵
22盐底流泵
sb70系列变频器为希望森兰科技股份有限公司自主开发的新一代低噪音、高性能、可靠性高、功能强大的工程型变频器,采用转子磁场定向的矢量控制方式,实现了对电机大转矩高精度的控制。其操作面板具有编程、操作、参数复制、热拔插功能,大大方便了操作人员对参数的修改(仅对一台变频器设置参数,其它均可进行参数复制,减少调试过程中的工作量),速定给定可通过端子切换,减少了外部繁锁的连接线。瞬时掉电时,通过母线电压控制,实现不间断运行;还可根据负载特性和环境温度,自动调整载波频率。

针对氧化铝生产对变频器的主要要求,高性能的sb70无速度传感器矢量控制变频器1hz时的转矩可达200%,无需闭环运行;考虑到过载因素,在实际应用时电动机的容量会加大一档,变频器的容量也适当增大;sb70变频器采用了多种谐波抑制技术,总谐波含量已低于国家标准。考虑到整个生产线使用变频器较多,还需要在变频器的输入侧加装输入电抗器和输入滤波器,保证在任何情况下都不会对计算控制系统和数字仪表造成干扰;变频器输出电缆的限制距离一般在50米内,输出电缆的长度增加,分布电容和分布电感也相应增加,对某次谐波可能会引起震荡或形成驻波,这将严重影响电动机的运行。设计变频控制系统时在变频器的输出侧加装输出电抗器或再加输出滤波器,平抑变频器输出的du/dt尖脉冲。

四、变频器接线图及功能设置

1、变频器端子功能如下表:

序号端子号功能注释
1p10近地速度调节电源;
2ai1近地速度给定;
3ai2集中控制(dcs系统)速度给定;
4gnd模拟信号共公地端;
5fwd变频器启动/停止;
6x1模拟电流/电压切换;
7com数字信号地端;
8ta1继电器输出(变频运行)至dcs系统
9tb1
10ta2继电器输出(变频故障)至dcs系统
11tb2
2、变频器功能设置表:
功能码功能说明备注
f0-01=3运行主通道速度给定方式由dcs系统控制
f0-02=1运行命令通道选择外部端子控制
f1-00=30加速时间
f1-01=30减速时间
f4-00=42多功能数字输入选择给定频率通道切换
f5-02=1t1继电器输出功能变频器运行中
f5-02=1t2继电器输出功能变频器故障输出
f6-00=2模拟电流输入由dcs给定速度
f6-14=0模拟电流输入由dcs给定速度
f6-15=1模拟电流输出提供给dcs显示转速
每个工序的变频器控制原理基本相同,因此只画一张图作为代表。另外,工段和工序不同,功能设置也有一些差别,表中仅列出泥浆泵sb70g220变频器功能设置参数,仅供参考。

五、结语

sb70变频器在氧化铝生产线安装投入运行到现在已近一年,未出现过任何故障,可靠率达到100%,具有非常高的可靠性,与国外变频器相比毫不逊色。森兰sb70在氧化铝行业成功地替代了国外品牌变频器,而且价格要便宜的多,深得用户的满意。

摘要:本文介绍建材行业的变频调速改造,首先叙述水泥制管机的工艺过程,然后着重介绍改造情况及注意事项和改造后的节能进行了定量的分析。

abstract: this article is about the speed-adjusting innovation in the building material industry by using variable frequency drives. it introduces the technological process of making cement pipes, the innovation details and cautions, and then makes a quantitative energy-saving analysis after the innovation.

关键词:水泥制管机,变频调速,电磁调速器, 耗能的分析与计算

key words: cement pipe machine, variable frequency speed-adjustment, electromagnetic speed regulator, analysis and calculation of energy consumption

一. 概述

随着国民经济的快速发展,水泥及其制品在基础建设领域中发挥了巨大的作用,其行业呈现出一派朝气勃勃的兴旺景象。但由于该行业设备从国外学习和引进的时间较早,设备国产化的的时间也早,大约在上世纪70年代已经定型。多年来,大部分的设备厂商未调整产品结构,没有进行深入的开发,而且又不继续引进新技术,沿用上世纪70年代的技术进行生产,调速的方式大部分都以电磁调速为主,造成大批能耗高、性能低的水泥制品设备继续进入市场,并且这些能效比很低的设备一直在运行,大量消耗电能。

水泥管加工容易、原材料来源广泛、价格低、使用寿命长,并且,在建筑、市政施工中得到了广泛的应用。水泥管桩因其施工方便快捷,省时、省工且质量可靠,造价相对低廉,大量用于高速公路,桥梁,房屋基础,河堤,码头的基础设施中。

二. 水泥制管的工艺过程

水泥管桩是众多的水泥制成品之一,它的生产工艺有多种,为保证水泥管管壁厚薄的均匀性、致密性,其中使用最普遍的生产加工工艺是离心成型法。离心成型是将完成配料好的混凝土注入模腔中,首先进行低速搅拌,搅拌均匀后电机升速到中速,在离心力的作用下基本成形,且混凝土逐渐密实,再经过高速成型脱水,整个工艺过程结束。水泥电杆的生产也是用类似的离心浇注法,其生产工艺与此大体相同。

离心成型法对电气传动设备要求较高,首先要求满载启动,启动力矩应在电机100%额定力矩以上;其次低速运转的时间长,要求低速力矩大;最后由于制管机调速范围大,为保证水泥管桩的质量,要求在整个工作速度范围内,转速基本稳定。早期的调速方式有机械式分级调速、整流子电机调速、直流调速、电磁调速等。由于电磁调速结构简单,使用简便价格相对较低,因此,近年来在水泥制管设备中,电磁调速用得较多。但电磁调速效率低,最高转速时效率为85%,速度越低效率也越低。水泥管离心成形工艺低速的时间占50%左右,电磁调速速度低速时耗能相当大。

水泥制管机负载机械特性为大惯性负载,起动前模腔内需加足一根水泥管桩定量的混凝土,启动后低速运行,显然是重载起动。电磁调速器低速运行时机械特性软,低速转矩较差,要保证生产的正常进行,电动机的容量选得较大,这又使耗能进一步增加。一般制管机的电气传动由1台75kw(55kw)的电磁调速电机驱动。电磁调速电机的调速的范围有限,而低速力矩又较差,但混凝土进行低速搅拌要求力矩大,不能满足时转速会出现不稳定现象,甚至可能无法启动。转速的不稳定性对产品质量有一定的影响。另外,4极交流异步电动机的额定转速为1440r/min,但电磁调速器最高只能调到1200r/min。速度高,对水泥管的质量的提高有益。从以上制管机对电气传动的要求上看,用电磁调速器是一种无奈的选择。现在变频器的价格已经下降到合理的水平,以变频器的优异性能完全可满足制管工艺要求,用变频调速代替电磁调速是最佳的选项。

三. 水泥制管的变频调速

根据以上的情况,变频器的机械特性近似为恒转矩,电机在5hz便可运行,高速50hz时可达1440r/min,调速比1:10,极大地满足了水泥制管的工艺要求。东莞市大岭山鸿基管桩厂有4台离心浇注机,电机的型号和功率分别为y260m-4-75kw 2台,y250m-4-55kw 2台,全部采用电磁调速。将电磁调速改造为变频调速,简单的方法是用变频器驱动电磁调速电机,将电磁调速器杯型转子的励磁调到最大,如前所述效率为85%。为达到最高的节能效率,将电磁调速电机换为普通y系列三相鼠笼电机,变频器用森兰sb40s75kw 2台,bt40s55kw 2台。变频器设置为外控端子操作,电位器调节变频器的频率。加速和减速时间设定比较长,均为120s,降速到变频器的输出频率5hz时,启用直流制动,操作十分方便。使用了变频器后,转速稳定性好,管桩的成型的质量有了较大的提高。变频调速后,考虑到电机运行在低速的时间比较长,电机的散热受到一些影响,温度会升高。在改造过程中,将电磁调速电机换为y系列交流异步电动机时,如果是等容量的代换,由于原来电机的容量就选得比较大,改造后电机的温升不会超过额定值,不必加恒速风扇降温;如果是非等容量代换,代换电机的容量比电磁调速电机小时,那就需在电机尾罩上加恒速风机,以利于电机的散热。

四. 节能分析

水泥制管机是采用55kw或75kw的电磁调速电机,转速通常控制在300-1200r/min,这是根据离心制管工艺情况,对电机速度进行控制。实践证明,采用变频调速的方法取代电磁调速平均节能量50%左右。为什么对电磁调速进行变频改造会有如此大的节能效果呢,因为利用电磁调速方法是的一种耗能的低效调速方法,如公式(1)电磁电机主电机轴输出功率:

p0=t0×n0 (1)

式中:

p0:表示轴输出功率 (kw)

t0:表示负载转矩 (n·m)

n0:表示主电机转速 (r/min)

杯形转子输出功率:

p1 t0·n1 (2)

式中:

p1:表示输出功率(kw)

n1:表示杯形转子转速(r/min)

损耗功率:

△p p0-p1=t0(n0-n1) (3)

由损耗功率公式(3)可以清楚看到,电磁调速电机的转速越低,浪费能源越大。电磁调速方式虽然简单,设备价格便宜,但调速以高耗能为代价。水泥制管机低速运行的时间占50%,即在300r/min左右运行,因此改用变频调速的方式后理论上节能为:

p0-p1=t0(1440-300)=1140t0

(p0-p1)/p0 100%=(1140t0/1440t0) 100%=39.6%

考虑到低速运行的时间占50%,则节能率应为39.6%。据厂家透露,四台制管机月节电费在20,000元左右,一年内可收全部投资,经济效益十分显著。

参考文献:(1)sb40系列变频调速器使用手册[z]. 成都希望森兰变频器制造有限公司

(2)刘美俊 变频器应用技术 福建科学技术出版社2004

the application of sen lan inverter in the electrical transmission system of paper machine

陈景文

chen jingwen

(陕西科技大学 咸阳712081)

shanxi university of science & technology (shanxi xianyang 712081)

摘要 本文应用森兰sb80系列变频器和西门子s7-200plc组成的文化纸机传动控制系统,通过软、硬件设计,较好的实现了纸机电气传动控制系统中的负荷分配、速度链、张力控制等功能。这种基于s7-200plc的全数字控制系统适用中、高速纸机的速度、可靠性等控制性能的需要。

abstract the paper applies sen lan sb80 series inverters and simens the s7-200plc composition cultural paper engine drive control system, through is soft, the hardware design, good realization paper machine electricity transmission function and so on in control system load assignment, speed chain, tensity control. this kind of based on the s7-200plc entire numerical control system is suitable of middle, high speed paper machine,s speed, reliability control performance and so on the need.

关键词 造纸机 森兰变频器 传动系统 设计

.keywords paper machine sen lan inverter transmission system design

引言 随着我国经济的发展,制浆造纸业已经成为我国工业经济增长的重要支柱,早期的造纸生产产量较低,对电控没有太高要求,随着造纸规模的扩大,对造纸机的产量及速度要求越来越高,从而对纸机配套电控系统的要求也越来越高。

本文采用森兰sb80系列变频器和西门子s7-200 plc组成一套文化纸机传动控制系统。通过可编程逻辑控制器(plc)和变频器之间的通信,控制传动点的启动、停止、增速、减速、紧纸等操作,由软件自动实现负荷分配、速度链等功能,充分满足造纸工艺及电控的需要。

1 纸机对电气传动控制系统的要求

1.1 该机结构简图如图1示。纸机为1760/250 m/min长网多缸文化纸机,生产40~65g/m2高级文化用纸,稳态精度≤0.01%。

[img]20066516194696709.jpg[/img]

图1 结构简图

1.2为了能生产出质量标准较高的产品,纸机对电气传动系统提出如下的要求:

(1) 纸机工作速度要有较大的调节范围,为了使造纸机具有较强的产品、原料的适应性(如打浆度、浆料配比与种类、定量、纸种等),纸机传动可在较大的范围内均匀的调节速度,调节范围为1:8;

(2) 车速要有较高的稳定裕度,总车速提升、下降要平稳。为了稳定纸页的定量和和质量、减少纸幅断头,要求纸机稳速精度为±0.05~0.01%;

(3) 速差控制,速比可调、稳定。纸幅在网部和压榨部时,其纵向伸长横向收缩,而在烘干部时,两向都收缩,因此纸机各分部的线速度稍有差异,即速差。速差在一定范围内变化不引起纸页质量的突变。此时的速差对成纸来说,主要影响纸页的克重。误差应控制在0.1%以内保持纸张不被拉断。纸机各分部的速比的最大波动值与浆料配比、定量、车速、生产工艺、纸页收缩率及分部之间的纸幅无承托引段的张力等因素有关。因此,造纸机各相邻分部间应有适当的速差来形成良好的纸页。纸机各分部的速度必须是可以调节的,为±10~15%。利于工作时调整。为了生产较高质量的纸幅和减少断头率,还要保持各分部间速比的稳定;

(4) 各分部点具有速度微升、微降功能,引纸操作时的紧纸、松纸功能。具有刚性联结或软联结的传动分部,如网部、压榨部、施胶部,能进行负荷动态调节。防止某点的速度发生变化而引起负荷在分部内动态转移,如不及时进行自动的调节(因为现在使用的变频器基本上都不具备长期四象限运行能力),有的传动点负载可能超过它自身的功率范围引起过流发生,有的传动点被拖动而引起过高的泵升电压,导致变频器过压而保护跳闸,甚至损坏变频器和损坏毛布。同时在这些分部中,应具有单动、联动功能,并可以同时起动、停止。必要的显示功能,如线速度、电流或转矩、运行信号、故障信号等;

(5) 爬行速度。 为了检修和清洗聚酯网、压榨毛毯、干网以及各分部的运行工况,各分部应有15~50m/min可调的爬行速度,但不宜在此速度下长时间运行;

(6) 纸机为恒转矩负载性质,要选择具有恒转矩控制性能的变频器,并具有较高的分辨率,良好的通讯能力,并采用plc作为控制单元,实现对整个控制系统的可靠、协调的控制,以满足纸机控制系通正常工作的需要。

2 控制系统组成

系统原理图如图2所示 。该纸机传动系统采用由s7-226小型plc作为系统的控制中心;由功能较强大的森兰sb80系列变频器为驱动单元,频率分辨率为0.01hz以上;变频专用电机作为执行单元;欧姆龙编码器提供速度反馈信号,使纸机传动在速度闭环运行模式下,从而使控制系统稳速精度达到0.01%。由plc通过西门子modubus协议、rs485网络与变频器实现速度链功能、速差控制、负荷分配功能、总车速升、降、各分部点的速度升、降及紧纸、松纸等功能,较理想地满足纸机正常工作的需求。

[img]20066516195247430.jpg[/img]

图2系统原理图

森兰sb80系列变频器采用ti推出的32位150mips的高速电机控制专用dsp和自主开发的嵌入式实时软件操作系统;电机控制理论的先进性——转子磁场定向和精确磁通观测器的闭环电流矢量控制;整机设计的先进性——高启动转矩、高过载能力、高速电流限制等。森兰sb80能满足各种苛刻工况下的电机控制,广泛应用于恒转矩控制、位置控制、张力和卷绕控制、纺织应用等领域。

3 控制系统软件设计

控制系统的软件设计基于以下原则:1 程序模块化结构化设计,其中负荷分配、速度增减、初始化、紧纸、速比计算、校验、数据发送、接收等作为子程序调用;2 程序采用循环扫描的方式对传动点进行处理,简化程序,提高程序执行效率;3 采用中断子程序进行数据的发送、接收;确保数据的准确快速的传输;4 必要的软件保护措施,以免造成重大机械损害。

因此该程序通用性强,可移植性好,使用不同的变频器,只须进行相应协议的格式的定义。即数据发送、接收、校验程序的相应修改即可,满足纸机运行的需要。主程序流程图如图3所示

[img]20066516195797308.jpg[/img]

图3主程序流程图

3.1 速度链设计及速差控制

速度链结构采用二叉树数据结构算法,完成数据传递功能。首先对各传动点位置进行数学抽象,确定速度链中各传动点编号,此编号应与变频器内部地址一致。然后根据二叉树数据结构,确定各结点的上下、左或右编号。即任一传动点由3个数据(“父子兄”或“父子弟”)确定其在速度链中的位置,填入位置寄存器数值。如图4所示。

[img]2006651620257136.jpg[/img]

图4 位置寄存器示意图

该传动点速度给变频器后,访问位置寄存器,确定子寄存器结点号,若不为0,则对该经点进行相应处理,直到该链完全处理完;再查兄弟寄存器结点号,处理另一支链。所以只须对位置寄存器初始化,即可构成具有任意分支结构的速度链。

算法设计采用了调节变比的控制方法。如图五所示,纸机二压点作为速度链中的主节点,它的速度就是整个纸机的工作车速。在 plc内,我们通过通信检测到车速调节信号则改变车速单元值,同时送给驱网、吸移、真压、一压分部,其速度值乘以相应的速比,即是该传动点的速度运行值。若某一分部速度不满足运行要求,说明该分部变比不合适,可通过操作该分部的加速、减速按钮实现,plc检测到按钮信号后调整了变比,使其适应传动点间的速差控制要求。相当于在plc内部有一个高精度的齿轮变速箱,可以任意无级调速。

若正常生产中变比合适,需要紧纸、松纸操作时,按下该分部紧纸、松纸按钮,plc将对应在速度链上附加一正或负的偏移量则实现紧纸、松纸功能。同时送下一级计算,依此类推,构成速度链及速差控制系统。前一级车速调整,后面跟随调整,后级调整不影响前级,适应纸机操作引纸的顺序要求。

速度链的传递关系由图5来体现,由plc软件实现。

[img]2006651620813465.jpg[/img]

图5 纸机速度链结构图

3.2 负荷分配设计

该纸机传动结构上有柔性联结的传动点,烘缸部和压榨部。它们之间不仅要求速度同步还需要负载率均衡,否则会造成一个传动点由于过载而过流,而另一传动点则由于被带动而过压,影响正常抄纸,甚至可能撕坏毛布,损坏变频器、机械设备。因此这两个传动部分的传动点之间需要负荷分配自动控制。

负荷分配工作原理:假设p1e、p2e为两台电机额定功率,pe为额定总负载功率,pe= p1e+p2e 。p为实际总负载功率,p1、p2为电机实际负载功率,则p= p1+ p2。系统工作要求 p1=p*p1e/pe ,p2=p*p2e/pe,两个值相差≤3%。

由于电机功率是一间控制接量。实际控制以电机定子转矩代替电机功率进行计算。

plc采样各分部电机的转矩,计算每一组的总负荷转矩,根据总负荷转矩计算负载平衡时的期望转矩值。计算平均负荷转矩方法如下公式所示。

m=

其中: ml1 、ml2 是压榨、烘缸电机实际输出转矩;

pe1 、pe2 是压榨、烘缸台电机额定功率;

m 为负荷平均期望转矩

plc通过modbus总线得到电机转矩,利用上述原理再施以pid算法,调节变频器的输出,使两电机转矩百分比一致。即完成负荷自动分配的目标。

设置最大限幅值,如果负荷偏差超过该设定值,要停机处理,以防机械、电气损害发生。负荷分配控制实现的前提是合理的速度链结构,使负荷分配的传动点组处于子链结构上,该部负荷调整时,不影响其它的传动点,因此速度链结构是采用主链与子链相结合的形式。

3.3辅助控制的机、电、液一体化设计

辅助部分的机、电、液一体化、连锁及保护、卷纸机自动换卷控制、稀油站润滑系统等辅助电气系统协调工作,以保证系统正常运行和设备安全。

4变频器部分主要参数设置

变频器主要参数设置如下表所示,本表适合各系列森兰变频器,所以未列出代码,实际只需找到相应功能设置好即可:

[img]20066516201380169.jpg[/img]

对表中部分参数注释如下:加减速时间,在造纸机传动系统中,由于传动点数目较多,即变频器数量较多,所以负载不近相同。这就要求加减速时间设定不同,对烘缸类大惯性负载加减速时间要长一些,否则会导致变频器过载报警,对其他辊类负载则加减速时间可稍短一些。通讯参数中地址设定一般从一侧设置至另一侧,即由1至最后。本表为主要参数,还有一些其他参数需据现场情况作相应改动,本文不一一复述。

4 结 语

造纸机传动系统各个传动点既要保持一定的速度一致性,又要有一定的速差。同时具有机械相联系的传动点又要有负荷平衡即负荷分配功能。森兰sb80系列变频器具有很高的可靠性和和完善的功能实现,通过丰富的参数组态与plc通过modubus协议通讯、协调工作可满足中、高速造纸机对传动系统要求大速比变化、高稳态精度等控制性能的需要。

参考文献:

[1] siemens step7 v5.1 编程手册 西门子股份有限公司 1998

[2] 王丹利 赵景辉 可编程序控制器原理与应用 西北工业大学出版社 西安 1997.6

[3] 森兰sb80 使用手册

摘要:造纸生产流程中,各分部之间需要速度协调控制;在某些分部,如压榨部压榨形式采用真空辊带k式压榨时,为使k式压榨各传动电机根据各自的功率配置合理承担负荷功率输出,需采用负荷分配控制形式.整个生产线的速度协调问题可以选用plc作为上位机,利用通讯实现对变频器的控制。森兰sb80变频器提供了丰富的串口协议,可方便组网控制。

关键词:sb80变频器,组网控制,负荷分配, uss协议,rs-485接口

1. 应用背景

在普通的造纸多电机分部传动控制系统中,以速度控制为基础,各分部之间的速度需要协调控制。根据工艺要求,在网部采用k式压榨的分部需结合负荷分配控制,对电气传动自动化控制有如下要求:

1) 起动要求

纸机中存在传动惯量较大的分部,如烘缸,需要平稳起动,避免引起机械连轴的损坏。

2) 速度要求

造纸机由纸浆到成纸,需经过压力喷浆上浆、压榨、干燥、压光和卷绕等多个分部,是一个多单元的速度协调控制系统,各个分部间的速度有着较严谨的速度比例关系,否则会造成断纸或者过度松弛,影响成纸的物理指标,而且不能稳定纸页的定量控制,影响产品质量。因此纸机的各分部都要有精度较高稳速性能。

纸机正常工作时,工艺上的变化速度的调节范围不大,一般只在10-15%;在纸机调整时,如检查调整网笼、毛毯,烘干部预热时要低速爬行,车速约为20m/min,对稳速没有要求。

3) 各分部调速的要求

如图1所示的造纸机工艺流程平面图,纸机上的纸受到牵引力的作用,在网部和压榨部产生纵向伸长,在干燥部纵向继续伸长,当纸张含水量降低后,纸张减少纵向伸长变形,在纸张进入压光机和卷纸机时,纸张再度牵引而伸长,因此在整个纸机生产线中,各个分部的速度是不同的,这样可以保持纸幅张力。同时,纸机各分部的速度必须是可以调节的,这样可以避免纸幅松弛或过度绷紧而断纸。由于造纸机无须频繁起动,且工艺要求的变速范围不大,所以稳速是纸机电气传动自控的最主要目标。

[img]200662913575086056.jpg[/img]

图1 造纸机工艺流程平面示意图

在控制系统中,由于需要多电机同步控制,采用西门子s7-200plc的uss协议进行组网来控制不同分部的变频器实现对电机变频调速,从而达到纸机传动的协调控制。具体配置为cpu226plc,操作控制台、di/do扩展模块、屏蔽双绞线、兼容uss协议的sb80变频器等。

森兰sb80变频器具有丰富的控制功能,可以满足大多数行业的驱动控制需求,在本控制系统中,采用无pg矢量控制方式及v/f控制模式来驱动各分部电机,并且实现压榨部负荷链的负荷分配;强大的通讯功能方便与上位机通讯,支持modbus厂家协议和uss协议; 强大的可编程算术逻辑单元,用户可以灵活地组合设计,满足复杂工艺的控制要求;多种频率给定方式:基本操作面板、通讯设置、多段频率设置、mop给定、模拟给定等。

2. 纸机的电气控制

2.1纸机速度控制

由于各分部传送着生产过程中的纸张,根据造纸工艺的要求,保持后一级张力略大于前一级,需要各分部间线速度比例协调控制,高精度、可靠地保持这个比例系数就能保证产品产量、质量。同时,纸机的这种速度比例协调关系应在改变车速或停机后重新开机继续保持,不需重新调节。各分部独立控制,且具有灵敏的微升.微降及绷紧等调节功能,便于操作调节与前后两分部间的速差,避免纸张在传送过程中的过度松弛和绷紧断纸现象,其关系式如下:

[img]20066291464668761.jpg[/img] (1)

式中: 为第i级的转速; 为第i级与前一级的速比; 为第i级的微调量。

在纸机控制中,采用uss协议通讯结合plc程序来完成速度链的控制,便于实现变频器给定的数字化控制,避免了模拟控制器速度链给定环节的信号漂移,提高了稳定性。

本例中的纸机主要生产包装用纸,对速度的稳定性及动态响应有较高的要求。由于sb80工程型变频器具有良好的矢量控制特性,较高的频率给定分辨率和输出频率精度,很高的静态和动态的控制精度,可以满足连续、高效生产应用的需求。

2.2主从负荷分配控制

在造纸传动控制中多个传动点带动一块网布或多个传动对象,相互施压合成一定力矩且同步运转的情况,要使各关联传动电机根据各自的配置按比例合理承担功率输出,需采用负荷分配控制形式,如果负荷分配调节不好,将会造成整个负荷环路各传动点负载失衡,线速不同步,无法正常运行.负荷分配控制如图2所示。在本例中,网部的复压下辊作为主传动,真空压榨为辅传动。主传动采用基本的速度控制方式,从传动采用负荷分配控制。在从机控制中,运用sb80内部pid修正频率主给定,以主传动的转矩输出作为从机pid给定值,从传动的转矩输出经低通滤波后作为pid反馈值。为了提高控制精度,可以调节pid给定量和反馈量的增益,如200%。这样做保证了控制精度,提高了系统稳定性。

[img]200662913581797509.jpg[/img]

图2. 负荷分配控制

3. 调试和系统参数设置

3.1 rs-485接线

1) 使用屏蔽双绞线,屏蔽层浮地,避免干扰从地线引入;

2) 利用屏蔽线的屏蔽层构成通讯的低阻信号回路,仅对高阻型共模干扰有效;

3) 电机和变频器可靠接地,减少电机对变频器的干扰;

4) 变频器的gnd、pe接线不要形成环路。

[img]20066291359248983.jpg[/img]

图3. 基本接线接地图

3.2 各变频器参数设置

表1. 各变频器基本的参数设置表

[img]20066291404911708.jpg[/img]

表2. 负荷分配的从机参数设定表(本例中真空压榨机为辅传动)

[img]20066291411864052.jpg[/img]

需要注意的是主控板上的ai1、ao1、ao2跳线要改成电流型.

[img]20066291442026105.jpg[/img]

图4 森兰sb80现场安装图

通过一段时间的生产运行验证,整个系统运行稳定,调节控制灵活自如。我们在1#、3#大缸及卷纸传动分部试改装置西门子mm440变频器做兼容uss通讯协议混合通讯控制运行。结果证明,在一般应用上完全可以兼容混合使用。

4. 结论

1) sb80变频器高性能的矢量控制,实现了负荷分配,克服纸机由于工艺参数的变化引起的速度波动,保证纸机速度的稳定性;

2) sb80强大的通讯功能,可以方便地与西门子plc组网、与上位机通讯等;

3) 本例提供了变频器及plc组网在造纸行业内的应用实例,使得国内更多的中小型造纸企业可以实现节能的变频控制。

参考文献:

[1] 池年虎. mm440变频器在2400/160薄页纸机中的应用

[2] sb80工程型矢量控制变频器用户手册(v1.0)

[3] simatic s7-200可编程控制器系统手册(版本02)

作者:魏迪生 男 1953.8 福建华发包装集团华发(福建)实业有限公司 电话:0596-6709181 13850528392

自动扶梯是商场﹑车站﹑机场普遍使用的一种载人提升设备。青岛飞拉利家具广场有两台自动上下扶梯,使用11kw(四极)交流电机传动,经减速箱减速后拖动自动扶梯运转。

两台扶梯一台作为上行,另一台作为下行,运行一段时间后就人为地进行交换,即上行的交换为下行,下行的交换为上行运转。在运行过程中,顾客的流量在不同时段有较大的差别,有时乘自动扶梯可能一个人也没有,由于顾客到来具有随机性,也不可能在无人乘坐时将自动扶梯停止运转,未进行调速控制的自动扶梯只能以额定速度空转,这样运行很不经济,浪费大量的电能,而且,链条、皮带磨损大、维修周期短,给正常使用带来了不少麻烦。因此对自动扶梯进行变频调速改造,在无人乘坐时降低速度运转,有人乘坐时再平稳地加速到额定速度运转。这样,可减低链条、皮带的磨损;转速降低后,电机的输出功率大幅度减少,带来了一定的节能效果。无人乘坐的时间越长,节能的效果越显著。

一﹑改造方案

用两台森兰sb80c-11t4矢量型变频器控制自动扶梯的电机,载客运行时变频器设置为外端子控制,速度控制设置为多段方式,即设置正常运行频率(50hz)﹑减速运行频率(15hz)。检修(爬行)时,运行频率较低,大约在25hz左右。

1﹑传感器

传感器为红外线传感器,安装在自动扶梯的入口处离地面2.5m高的位置上,聚焦镜头对准来客的方向上,并略向下倾斜。由于上﹑下扶梯的运行方式要定时交换,因此,每一台自动扶梯的入口﹑出口都要安装红外传感器。将这两个传感器的输出接到变频器内定时器的输入端上。自动扶梯运行时,断开出口传感器的信号。

2﹑无人乘坐时电梯的减速运行

假定,传感器监测到有人走向扶梯,一般传感器的监测距离为6m,地面距离大约为4.2m,人走过这段距离约需要t0=5s左右,这段时间内,变频器从15hz运转加速到50hz,为安全考虑,必须在人踏上扶梯之前应完成加速,加速时间为2s。人踏上到走下扶梯的时间为t1。如果在(t0+t1)时段内无人到来,经过t2=5s延时后,变频器降速到15hz运行。希望森兰sb80系列变频器是一款矢量控制型高性能变频器,非常适合类似于电梯类的恒转矩位能负载,另外,无需用plc而利用变频器内置的计时单元,设置计时单元的计时时间为(t0+t1+t2),有人走进入口时,传感器信号送到计时器,计时器开始计时,在(t0+t1+t2)秒内,无人走进入口时,经过(t0+t1+t2)秒扶梯自动转换到低速运行;如在(t0+t1+t2)秒内有人走进入口,传感器输入的信号对计时器复位并重新开始计时,扶梯就一直以正常速度运行。

3﹑再生能量的处理

自动扶梯在做下行运行时,电机会进入再生发电状态,载客量越多,产生的再生能量越大。如果不对再生能量进行处理,将导致变频器频繁“过压”停机,有可能对乘客造成伤害。考虑到两台扶梯的变频安装在同一个控制室内,并且上行运行的扶梯永远是电动做功。于是将两台变频器的直流母线经交流接触器连接起来构成直流母线式,下行扶梯产生的再生能量送到直流母线上全部被上行扶梯利用,没有能量浪费。但考虑到有时可能以一台扶梯单独做下行运行,这时就采用能耗制动的方式处理再生能量。sb80变频器有内置制动单元,只需在dc﹑db端子上接入15?、7kw制动电阻即可。

4﹑电磁抱闸

当某种原因发生紧急停车时,不必考虑重新起动为带载起动(即人站在扶梯上起动),为安全起见,扶梯在静止时必须有制动装置,在运转时又不起制动作用。

二、改造后的功能

1﹑保持原有电梯的“长期运行”模式和增加的“自动载客运行”模式并存,用户可随时选择采用其中一种模式运行,当选择原有电梯“长期运行”模式时,变频器控制线路完全撤出。这样可使用户需要选择原有模式或变频器控制线路需要维护时,都可方便切换,保证了电梯正常运行。

2﹑线路改造后,保证在任何工作模式下都能符合国家gb—16899关于扶手电梯安全标

准的要求。

3﹑“自动载客运行”模式运行时,起动、停止或速度转换平稳顺畅,无跳动感觉,舒

适感较好。

4﹑延长设备的使用寿命,减少材料的自损耗。如:电机寿命、链条的损耗、皮带磨损等。

5﹑无乘客时,电梯低速运行,当有乘客到达入口时,电梯自动转入全速运行。乘客离

开电梯后若再无乘客,经延时后电梯自动转回到低速运行。

三、控制原理框图

注:up、dn选用欧姆龙光电传感器

图1示出了自动扶梯基本的功能连线,将自动扶梯上、下两端的光敏接收信号并联接到

sb80主控板的x5端子(将e1-04设置为00,取消内部软连接),再利用定时器1的下降沿延时功能(通过cl-17设置),将接收到的光敏信号下降沿延时,延时时间为(t0+t1+t2),定时器的输出可以在内部选择为多段频率选择(设置cl-19为01~04,具体参考e2和f7菜单相关部分)。

通过将x2端子接为有效状态,实现低速运行。x3端子有效时,可以使扶梯运行于检修

频率,一般为额定运行速度的50%。x8为急停按钮,应对于故障状态或一些突发事件的停机控制。

变频器的起停及方向控制,采用两线式运转模式2(e2-14),可作并联,请参见sb80用

户手册。

变频器的故障输出可以用于报警等指示,采用变频器的运行中信号输出作抱闸信号,这

两者都是通过继电器输出,触点常开或常闭形式可根据实际需要进行更改。

四、功能码设置

五、节能与优点

1﹑节电

设备安装调试一次开车成功,运行平稳、节能效果明显。改造前工频运行时每部扶梯每

天耗电高达80度左右,变频改造后由原来的全速运行变为有人时全速运行,运行频率50hz,无人时低速爬行,运行频率15hz,其每天用电28度左右度,大大降低了能耗,其节电率为65%。

2﹑投资回报期

自动扶梯的运转时间长,空载率高,变频调速改造后,节电非常显著,而商业用电的电

价又比较高,因此投资回报期短,本项目可在8个月内收回投资。

水泥管加工容易、原材料来源广泛、价格低、使用寿命长,并且,在建筑、市政施工中得到了广泛的应用。水泥管桩因其施工方便快捷,省时、省工且质量可靠,造价相对低廉,大量用于高速公路,桥梁,房屋基础,河堤,码头的基础设施中。

二.水泥制管的工艺过程

水泥管桩是众多的水泥制成品之一,它的生产工艺有多种,为保证水泥管管壁厚薄的均匀性、致密性,其中使用最普遍的生产加工工艺是离心成型法。离心成型是将完成配料好的混凝土注入模腔中,首先进行低速搅拌,搅拌均匀后电机升速到中速,在离心力的作用下基本成形,且混凝土逐渐密实,再经过高速成型脱水,整个工艺过程结束。水泥电杆的生产也是用类似的离心浇注法,其生产工艺与此大体相同。

离心成型法对电气传动设备要求较高,首先要求满载启动,启动力矩应在电机100%额定力矩以上;其次低速运转的时间长,要求低速力矩大;最后由于制管机调速范围大,为保证水泥管桩的质量,要求在整个工作速度范围内,转速基本稳定。早期的调速方式有机械式分级调速、整流子电机调速、直流调速、电磁调速等。由于电磁调速结构简单,使用简便价格相对较低,因此,近年来在水泥制管设备中,电磁调速用得较多。但电磁调速效率低,最高转速时效率为85%,速度越低效率也越低。水泥管离心成形工艺低速的时间占50%左右,电磁调速速度低速时耗能相当大。

水泥制管机负载机械特性为大惯性负载,起动前模腔内需加足一根水泥管桩定量的混凝土,启动后低速运行,显然是重载起动。电磁调速器低速运行时机械特性软,低速转矩较差,要保证生产的正常进行,电动机的容量选得较大,这又使耗能进一步增加。一般制管机的电气传动由1台75kw(55kw)的电磁调速电机驱动。电磁调速电机的调速的范围有限,而低速力矩又较差,但混凝土进行低速搅拌要求力矩大,不能满足时转速会出现不稳定现象,甚至可能无法启动。转速的不稳定性对产品质量有一定的影响。另外,4极交流异步电动机的额定转速为1440r/min,但电磁调速器最高只能调到1200r/min。速度高,对水泥管的质量的提高有益。从以上制管机对电气传动的要求上看,用电磁调速器是一种无奈的选择。现在变频器的价格已经下降到合理的水平,以变频器的优异性能完全可满足制管工艺要求,用变频调速代替电磁调速是最佳的选项。

三.水泥制管的变频调速

根据以上的情况,变频器的机械特性近似为恒转矩,电机在5hz便可运行,高速50hz时可达1440r/min,调速比1:10,极大地满足了水泥制管的工艺要求。东莞市大岭山鸿基管桩厂有4台离心浇注机,电机的型号和功率分别为y260m-4-75kw2台,y250m-4-55kw2台,全部采用电磁调速。将电磁调速改造为变频调速,简单的方法是用变频器驱动电磁调速电机,将电磁调速器杯型转子的励磁调到最大,如前所述效率为85%。为达到最高的节能效率,将电磁调速电机换为普通y系列三相鼠笼电机,变频器用森兰sb40s75kw2台,bt40s55kw2台。变频器设置为外控端子操作,电位器调节变频器的频率。加速和减速时间设定比较长,均为120s,降速到变频器的输出频率5hz时,启用直流制动,操作十分方便。使用了变频器后,转速稳定性好,管桩的成型的质量有了较大的提高。变频调速后,考虑到电机运行在低速的时间比较长,电机的散热受到一些影响,温度会升高。在改造过程中,将电磁调速电机换为y系列交流异步电动机时,如果是等容量的代换,由于原来电机的容量就选得比较大,改造后电机的温升不会超过额定值,不必加恒速风扇降温;如果是非等容量代换,代换电机的容量比电磁调速电机小时,那就需在电机尾罩上加恒速风机,以利于电机的散热。

四.节能分析

水泥制管机是采用55kw或75kw的电磁调速电机,转速通常控制在300-1200r/min,这是根据离心制管工艺情况,对电机速度进行控制。实践证明,采用变频调速的方法取代电磁调速平均节能量50%左右。为什么对电磁调速进行变频改造会有如此大的节能效果呢,因为利用电磁调速方法是的一种耗能的低效调速方法,如公式(1)电磁电机主电机轴输出功率:

参考文献:(1)《sb40系列变频调速器使用手册》[z].成都希望森兰变频器制造有限公司

(2)刘美俊《变频器应用技术》福建科学技术出版社2004

工业上常见的薄膜卷绕主要包括布、纸张、塑料薄膜等,对于张力的精度要求高,而且卷径的变化范围大,张力要求是随卷径增大而不断变化的,即需要张力锥度控制,防止损伤卷轴或造成内部褶皱。森兰sb70系列变频器完全可以通过对其自身功能模块进行设置,充分利用算术单元和计数器等功能,实现薄膜卷绕所要求的张力锥度控制。方案如下:

由代表薄膜线速度的主机(加工机)运行频率和卷绕薄膜的实时卷径,计算出相应的从机(收卷机)主给定频率,以此作为前馈;同时用pid调节器控制薄膜的张力pid输出,对给定频率进行不断修正,将修正后的频率作为收卷电机的给定频率。这种前馈和反馈共用的复合控制方法控制精度很高,很多张力控制专用的变频器都使用了这种方法。

第一部分:收卷机给定频率的计算

用户需要知道三个值,分别是初始卷径、最终卷径和薄膜厚度。根据这三个值,计算出参数设置所需要的几个数值。

假设薄膜的最终卷径为1000mm,初始卷径为100mm,薄膜厚度为0.05mm,则:

初始卷径百分比值d0=100/1000=10%;

计数器设定值=1000/(0.05×2)=20000;

计数器预置值=100/(0.05×2)=2000。

此时计数器计数值(以设定计数值为100%)就相当于一个卷径传感器的输出信号,即为实时的卷径值d(以最终卷径为100%)。

主机频率为f0,从机频率为f,当前卷径值为d(以最终卷径为100%),则可以知道:

f0×d0=f×d;

即可以算出f=f0×(d0/d);

先通过算术单元3算出d0/d的值;再通过算术单元2计算f0(即ai1)乘以算术单元3的输出,即为f的值。此时算数单元2的结果即为收卷机的主给定频率,所以将收卷机的频率给定通道设成算术单元2给定。这样就完成了收卷机主给定频率的设定。

第二部分:pid的给定计算

采用闭环张力控制的方法,pid的给定值应该设定为用户需要的张力值。但是,用户需要的张力值并不是一个常数,而是一个随着卷径变化而不断变小的值,即张力有一个锥度。如下图:

张力的锥度公式为:

t=t0×[1-k×(1-d0/d)]

=t0×(1-k)+t0×k×(d0/d)

其中t——实际的理想张力(以张力传感器最大张力值为100%);

t0——初始张力值(以张力传感器最大张力值为100%);

k——张力锥度系数,范围为0~100%;

d0——初始卷径(以最终卷径为100%);

d——实时卷径(以最终卷径为100%)。

其中t0×(1-k)和t0×k都是常量。

于是由算术单元4算出t0×k×(d0/d)的值,其中d0/d为算数单元3的结果,t0×k为数字设定;再由算术单元1计算出t,即t0×(1-k)+t0×k×(d0/d),其中t0×k×(d0/d)为算术单元4的结果,t0×(1-k)为数字设定。

此时,算术单元1的结果即为用户需要的实时张力值,将pid的给定通道选择为算术单元1给定。这就完成了pid给定通道的设定。至此,就完成了张力控制方案设计。

现场运行情况如下:当主机开始起动后,从机接受起动信号开始起动,并根据卷径的变化和张力传感器的反馈不断调整输出频率,使张力传感器以基准位置按张力锥度要求随卷径变化,卷绕电机一直稳定运行。减速过程中张力传感器也没有大的偏移,直至停机(如果需要在停机时保持张力可以采用森兰sb70的零伺服功能)。整个过程中没有变形或松弛现象发生。

本文介绍建材行业的变频调速改造,首先叙述水泥制管机的工艺过程,然后着重介绍改造情况及注意事项和改造后的节能进行了定量的分析。

一. 概述

随着国民经济的快速发展,水泥及其制品在基础建设领域中发挥了巨大的作用,其行业呈现出一派朝气勃勃的兴旺景象。但由于该行业设备从国外学习和引进的时间较早,设备国产化的的时间也早,大约在上世纪70年代已经定型。多年来,大部分的设备厂商未调整产品结构,没有进行深入的开发,而且又不继续引进新技术,沿用上世纪70年代的技术进行生产,调速的方式大部分都以电磁调速为主,造成大批能耗高、性能低的水泥制品设备继续进入市场,并且这些能效比很低的设备一直在运行,大量消耗电能。

水泥管加工容易、原材料来源广泛、价格低、使用寿命长,并且,在建筑、市政施工中得到了广泛的应用。水泥管桩因其施工方便快捷,省时、省工且质量可靠,造价相对低廉,大量用于高速公路,桥梁,房屋基础,河堤,码头的基础设施中。

二. 水泥制管的工艺过程

水泥管桩是众多的水泥制成品之一,它的生产工艺有多种,为保证水泥管管壁厚薄的均匀性、致密性,其中使用最普遍的生产加工工艺是离心成型法。离心成型是将完成配料好的混凝土注入模腔中,首先进行低速搅拌,搅拌均匀后电机升速到中速,在离心力的作用下基本成形,且混凝土逐渐密实,再经过高速成型脱水,整个工艺过程结束。水泥电杆的生产也是用类似的离心浇注法,其生产工艺与此大体相同。

离心成型法对电气传动设备要求较高,首先要求满载启动,启动力矩应在电机100%额定力矩以上;其次低速运转的时间长,要求低速力矩大;最后由于制管机调速范围大,为保证水泥管桩的质量,要求在整个工作速度范围内,转速基本稳定。早期的调速方式有机械式分级调速、整流子电机调速、直流调速、电磁调速等。由于电磁调速结构简单,使用简便价格相对较低,因此,近年来在水泥制管设备中,电磁调速用得较多。但电磁调速效率低,最高转速时效率为85%,速度越低效率也越低。水泥管离心成形工艺低速的时间占50%左右,电磁调速速度低速时耗能相当大。

水泥制管机负载机械特性为大惯性负载,起动前模腔内需加足一根水泥管桩定量的混凝土,启动后低速运行,显然是重载起动。电磁调速器低速运行时机械特性软,低速转矩较差,要保证生产的正常进行,电动机的容量选得较大,这又使耗能进一步增加。一般制管机的电气传动由1台75kw(55kw)的电磁调速电机驱动。电磁调速电机的调速的范围有限,而低速力矩又较差,但混凝土进行低速搅拌要求力矩大,不能满足时转速会出现不稳定现象,甚至可能无法启动。转速的不稳定性对产品质量有一定的影响。另外,4极交流异步电动机的额定转速为1440r/min,但电磁调速器最高只能调到1200r/min。速度高,对水泥管的质量的提高有益。从以上制管机对电气传动的要求上看,用电磁调速器是一种无奈的选择。现在变频器的价格已经下降到合理的水平,以变频器的优异性能完全可满足制管工艺要求,用变频调速代替电磁调速是最佳的选项。

三. 水泥制管的变频调速

根据以上的情况,变频器的机械特性近似为恒转矩,电机在5hz便可运行,高速50hz时可达1440r/min,调速比1:10,极大地满足了水泥制管的工艺要求。东莞市大岭山鸿基管桩厂有4台离心浇注机,电机的型号和功率分别为y260m-4-75kw 2台,y250m-4-55kw 2台,全部采用电磁调速。将电磁调速改造为变频调速,简单的方法是用变频器驱动电磁调速电机,将电磁调速器杯型转子的励磁调到最大,如前所述效率为85%。为达到最高的节能效率,将电磁调速电机换为普通y系列三相鼠笼电机,变频器用森兰sb40s75kw 2台,bt40s55kw 2台。变频器设置为外控端子操作,电位器调节变频器的频率。加速和减速时间设定比较长,均为120s,降速到变频器的输出频率5hz时,启用直流制动,操作十分方便。使用了变频器后,转速稳定性好,管桩的成型的质量有了较大的提高。变频调速后,考虑到电机运行在低速的时间比较长,电机的散热受到一些影响,温度会升高。在改造过程中,将电磁调速电机换为y系列交流异步电动机时,如果是等容量的代换,由于原来电机的容量就选得比较大,改造后电机的温升不会超过额定值,不必加恒速风扇降温;如果是非等容量代换,代换电机的容量比电磁调速电机小时,那就需在电机尾罩上加恒速风机,以利于电机的散热。

四. 节能分析

水泥制管机是采用55kw或75kw的电磁调速电机,转速通常控制在300-1200r/min,这是根据离心制管工艺情况,对电机速度进行控制。实践证明,采用变频调速的方法取代电磁调速平均节能量50%左右。为什么对电磁调速进行变频改造会有如此大的节能效果呢,因为利用电磁调速方法是的一种耗能的低效调速方法,如公式(1)电磁电机主电机轴输出功率:

p0=t0×n0 (1)

式中:

p0:表示轴输出功率 (kw)

t0:表示负载转矩 (n·m)

n0:表示主电机转速 (r/min)

杯形转子输出功率:

p1 t0·n1 (2)

式中:

p1:表示输出功率(kw)

n1:表示杯形转子转速(r/min)

损耗功率:

△p p0-p1=t0(n0-n1) (3)

由损耗功率公式(3)可以清楚看到,电磁调速电机的转速越低,浪费能源越大。电磁调速方式虽然简单,设备价格便宜,但调速以高耗能为代价。水泥制管机低速运行的时间占50%,即在300r/min左右运行,因此改用变频调速的方式后理论上节能为:

p0-p1=t0(1440-300)=1140t0

(p0-p1)/p0 100%=(1140t0/1440t0) 100%=39.6%

考虑到低速运行的时间占50%,则节能率应为39.6%。据厂家透露,四台制管机月节电费在20,000元左右,一年内可收全部投资,经济效益十分显著。

1.前言

变频器从上个世纪80年代在中国推出以后,在国民经济和日常生活中发挥着日益重要作用,已经被广泛的应用于企业的工业生产以及人们的日常生活中。变频器广泛应用,主要得益于其优良的节能特性和调速特性。中国产值能耗是世界上最高的国家之一。要解决产品能耗问题,除其它相关的技术问题需要改进外,变频调速已成为节能及提高产品质量的有效措施。油田作为一个特殊行业,有其独特的背景,在油田中以风机、泵类负载为主,因而决定了变频器在油田中的应用,以节能为第一目标。油田中变频器的应用主要集中在游梁式抽油机控制、潜泵控制、注水井控制和油气集输控制等几个场合。下面从这个方面对变频器在油田中应用情况进行简单的说明。

2变频器在游梁式抽油机控制中的应用

目前,在陕北、甘肃和宁夏等地,油田采用的抽油设备中,有一部分为游梁式抽油机,数量也比较多。一方面,游梁式抽油机运动为反复地上下提升,一个冲程提升一次,其动力来自于电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块,当滑块提升时,类似于杠杆的作用,将采油机杆送入井中,滑块下降时,采油杆提出带油至井口,由于电机转速一定,在滑块下降过程中,负荷减轻,电机拖动产生的能量无法被负载吸引,势必会寻找能量消耗的渠道,导致电机进入再生发电状态,将多余的能量反馈到电网,引起主回路母线电压的升高,这样会对整个电网产生冲击,导致电网供电质量下降,功率因数降低,为了不被供电企业罚款的危险;频繁的高压冲击会损坏电机,对电动机没有可靠的保护功能,一旦电机损害,造成生产效率降低、维护量加大,极不利于抽油设备的节能降耗,给企业造成较大的经济损失。另一方面,游梁式抽油机引入两个大质量的钢质滑块,导致抽油机的起动冲击大等诸多问题。除了上述两方面问题之外,油田采油的特殊地理环境决定了采油设备有其自有的运行特点,在油井开采前期储油量大,供液足,为提高功效可采用工频运行,保证较高的产油量;在中、后期,由于石油储量减少,易造成供液不足,电机若仍工频运行,势必浪费电能,造成不必要的损耗,这时须考虑实际工作情况,适当降低电机转速,减少冲程,有效提高充盈率。为了解决上述问题,可将变频技术引入到游梁式抽油机控制中去。根据电机理论可知,其转速公式为:

其中:p为电动机的极对数,s为转差率,f为供电电源频率,n为电动机的实际转速。从式可以看出,电机转速与频率近似成正比,改变频率即可以平滑地调节电机转速,从而可以连续地改变提油机的抽油速度。根据电动机工作电流的大小确定电动机的工作频率,这样可以根据井况的变化,方便的调节抽油机的冲程,达到节能和提高电网功率因数的目的。同时变频调速器具有低速软启动,转速可以平滑地大范围调节,对电动机保护功能齐全,如短路、过载、过压、欠压及失速等,可有效地保护电机及机械设备,保证设备在安全的电压下工作,具有运行平稳、可靠,提高功率因数等诸多优点,是采油设备改造的理想方案。

目前,对此抽油机的变频器改造主要有以下几个方面:

(1) 以提高电网质量,减小对电网影响为目标的变频改造。这主要集中在供电企业对电网质量要求较高的场合,为了避免电网质量的下降,需引入变频控制,其主要目的就是减小抽油机工作过程对电网的影响。这种应用在胜利油田的临盘采油厂已经提上应用日程。

(2) 以节能为第一目标的变频改造。这一点比较普遍,一方面,油田的抽油机为了克服大的起动转矩,采用的电动机远远大于实际所需功率,工作时电动机的利用率一般在20%-30%之间,最高不会超过50%,电动机常常处于轻载状态,造成了电动机资源的浪费。另一方面,抽油机的工作情况是连续变化的,这些都取决于地底下的状态,若始终处于工频运行,势必也会造成电能的浪费。为了节能,提高电动机的工作效率,需进行变频改造。

(3) 以提高电网质量和节能为目的的变频改造。这种情况综合了上面两种改造的优点,是应用中的一个重要发展方向。

在实际的应用过程中却出现了许多问题,这些问题主要集中在游梁式抽油机的发电状态产生的能量的处理上。对于第一种情况,采用普通变频器加能耗制动单元可比较方便的实现,这是以多耗电能为代价的,

这主要是因为发电能量不能回馈电网造成的。在未采用变频器时,电动机处于电动状态时,电动机从电网吸收电能(电表正转);电动机处于发电状态时,电动机释放能量(电表反转),电能直接回馈电网的,并没有在本地设备上耗费掉。综合表现为抽油机的供电系统的功率因数较低,对电网质量影响较大。但是在使用普通变频器时,情况发生了变化。普通变频器的输入是二极管整流,能量不可反方向流动。上述这部分电能没有流回电网的通路,必须用电阻来就地消耗,这就是必须使用能耗制动单元的原因。对于第二种情况和第三种情况,必须妥善的处理电动机发电状态产生的电能,必须将其反馈到电网,否则通过调节抽油机的冲程节省的电能可能不能抵消变频器制动单元消耗的电能,造成变频运行时反而耗能,与节能的目标背道而驰。在控制方法引入自适应控制以适应游梁式抽油机多变的工作环境。

目前我公司已在陕北、甘肃和宁夏等地油田上成功的将变频器应用在此设备上,得到很好的使用效果。

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    收录时间:2014年10月14日 12:45:55 来源:希望森兰科技股份有限公司 作者:不详
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