高压变频调速技术在热磨机的应用
2018-06-20
一、前言
Comply Industries公司是肯尼亚最大的木材原料生产公司，此公司生产肯尼亚大部分胶合板、电线杆、中密度纤维板、木芯板、硬纸板、齐边拉门、层压板、木质制品等木材原料制品，并且在非洲多个国家有分公司，为整个非洲提供高质量的木材产品。
MDF板材厂为中密度纤维板生产基地，是Comply Industries 位于肯尼亚奈库鲁（Nakuru）西部的一个工厂。此工厂为肯尼亚提供高质量的中密度纤维木板；生产工艺包括从处理原始木材到木板生产的整套生产环节。此生产基地通过PLC300实现生产工艺的自动化控制，实现多个大型设备的协调工作，完成切割、粉磨、压缩、制板和运输等生产环节。在整个生产工艺过程中使用了切割机、皮带机、磨机、提升机、送风机、引风机等多种电机。其中低压电机已经采用变频技术进行控制；热磨机高压电机为绕线电机，采用水阻启动方式启动，使用过程中不进行调速。由于绕线电机LRS控制调速、控制性能差，用户需要对热磨机电机进行变频控制改造。
2.1中密度纤维板简介
中密度纤维板是以小径级原木、采伐、加工剩余物以及非木质的植物纤维原料，经切片、蒸煮、纤维分离、干燥后施加脲醛树脂或其他适用的胶粘剂，再经热压后制成的一种人造板材。其密度一般在500－880公斤/立方米范围，厚度一般为2－30毫米。
中密度纤维板是六十年代中期发展起来的产品，是20世纪林产工业的重大发明之一，其优异的性能具有其他板种不可替代的地位，近年来产量高速发展。原因是它具有优良的物理力学性能、装饰性能和加工性能等。
图1.1 中密度纤维板
2.2热磨机介绍及变频控制原理
热磨机是直接分离纤维的设备，纤维分离是在一个高温、高压、高速和完全封闭的系统中完成的。纤维是中密度纤维板的质量基础，热磨工序是整个生产过程中十分重要的工序。此用户使用热磨机为浙江福马公司生产，热磨机电机为绕线式异步电机型号：YRKS560-1-4，额定电压3300V，额定电流283.4A，额定功率为1400kW，额定频率50Hz，功率因数0.9，额定转速1485r/min。
热磨机为中密度纤维板生产的热磨设备，完成将木块分解成粉末状任务，热磨机转动快慢决定生产质量。在生产过程中需要根据入料多少，控制热磨机转动速度；而且在生产线其它设备出现故障时，工人需要短时间降低磨机转速甚至停机；且在故障解除后，需要立即启动磨机。所以，热磨机在生产过程中，需要频繁启动、停止和转速改变，变频控制是实现热磨机控制的首选控制策略。
热磨机图片如下：
图1.2热磨机
2.3绕线式电机改造鼠笼电机
由于现场原有电机为绕线电机，原启动方式采用水阻启动方式，且无串电机调速装置，无法进行调速，要将绕线电机改造成鼠笼电机。鼠笼式转子用铜条安装在转子铁芯槽内，两端用端环焊接，形状像鼠笼。绕线式转子的绕组和定子绕组相似，三相绕组连接成星形，三根端线连接到装在转轴上的三个铜滑环上，通过一组电刷与外电路相连接。
电机串电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大；电阻上消耗的转差功率大，节能较差；变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高。
为克服传统交流绕线式电机串电阻调速系统的缺点，采用变频调速技术改造风机传动系统，可以实现全频率（0-50Hz）范围内的恒转矩控制。采用变频调速需改为鼠笼式运行，转子绕组已没有必要外接电组。为避免电刷与集电环之间因接触不良引起故障，将与集电环相接的三根线之间用导线短接，并将电刷举起。将绕线式电机转子三根引出线短接，并将电刷举起，即可将绕线式异步电机改造成鼠笼式电机。
三、高压变频调速系统的装置设计
3.1 高压变频器系统原理
按照电机学的基本原理，已知交流异步电动机的转速表达式为： n=(1-s)60f/p式中： s-滑差； p-电机极对数； f -电机供电频率。由上述公式可以看出，只要改变滑差s、或者电机极对数p、或者电机运行频率f，都可以达到调整电机本身速度的目的。
HARSVERT-VA系列高压变频调速系统采用功率单元串联多电平技术，属高－高电压源型变频器。变频器主要由移相变压器、功率模块和控制器三部分组成。变频器输入侧采用多重化移相变压器实现隔离和谐波抵消。无须功率因数补偿、谐波抑制装置，多脉冲整流技术的应用使得变频器电网侧谐波可满足IEEE519-1992标准和GB/T14549-93标准。变频器输出采用多个功率单元移相式PWM波形输出串联叠加，得到多电平高压，实现较低的输出电压谐波、共模电压和dv/dt。无须附加输出滤波装置，不会对电机的绝缘、轴承造成损害，可直接驱动普通鼠笼式、绕线式异步电机和同步电机。
移相变压器：电网电压经过干式移相变压器降压后给变频器功率单元供电，变压器采用移相多重化设计，以达到降低输入谐波电流的目的。
功率柜： 功率柜为三组输入、单组输出的交一直一交电压源型逆变器结构，功率单元通过整流、逆变过程实现对驱动电机供电电源的频率调节。变频器采用8个独立功率单元串联的方式来实现高压输出。有利于改善输出波形，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机，不需要辅出滤波器。
控制器：控制器是变频器的控制中心，它完成变频器频率调节的全过程控制、变频器电气保护功能实现、以及变频器的人机交互与通讯接口功能实现。
3.2 北京利德华福高压变频调速系统优点
由于采用了高性能DSP芯片和新型一体化计算机，在秉承HARSVERT-A系列产品完美无谐波、高可靠性、功率/电压等级覆盖范围广、控制接口灵活等优良品质的基础上，HARSVERT-VA系列无速度传感器矢量控制高压变频调速产品能够实现功能更为丰富、性能更高的高压大容量交流传动控制。目前，HARSVERT-VA系列无速度传感器矢量控制产品的性能指标为：调速范围100:1，稳态转速精度0.5%，动态转矩响应时间小于200ms，启动转矩150%额定转矩，基本达到国际先进水平。
图2.1 北京利德华福高压变频器
目前，HARSVERT-VA系列高压变频调速系统具有以下功能：
l 恒压频比控制
这种控制方式最显著特点是简单易行，因而成为目前国内大多数变频器生产厂家所采用的电机控制方式。对于大多数对转矩响应、控制精度要求不高的场合，如风机、水泵类负载，可以满足一般应用要求。
l 无速度传感器矢量控制
无需安装复杂且不易维护的测速装置，HARSVERT-VA系列变频器仅需对输出三相电压、两相电流进行检测，即可根据预先自动测定的电机模型，进行异步电动机的磁通和转矩解耦控制，实现低速大转矩负载启动和运行。适合矿井提升机、皮带机等特殊负载使用。
l 速度闭环矢量控制
在调速精度、转矩响应要求更高的场合，安装转速传感器后，可进一步提高HARSVERT-VA系列速度闭环矢量控制变频器的控制精度。
l 电机参数自动整定
要实现矢量控制，需要检测电机的定转子电阻电感参数。HARSVERT-VA系列变频器可对异步电机自动进行电机学堵转试验和空载试验，实现电机参数的自动整定。
l 高压掉电恢复自动重启
在某些用户场合，给变频器供电的高压电网可能会发生短时电压跌落或缺失，为了尽可能不影响正常生产，在设定时限内，当高压掉电恢复时，HARSVERT-VA系列产品能自动快速识别并跟踪当前电机转速，恢复正常运行。
l 旋转启动
如果电机被负载拖动仍在旋转甚至反转，变频器能识别跟踪电机转速并拖动负载到设定频率运行。
四、热磨机采用变频调速的使用效果
高压变频器对交流电动机进行交流控制有许多优势，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。
经实际运行发现，使用高压变频器的皮带机有以下优点：
（1）高压变频器具有高可靠性、稳定性、防护性；
（2）高压变频器能够完成热磨机频繁启动、停止；
（3）高压变频器实现按照入料多少控制磨机转速的生产工艺；
（4）满足木材厂生产线电控系统的功能接口和监控要求；
（5）热磨机在利用高压变频器根据实际情况对电机进行调速，既符合工艺要求，又达到节能降耗目的；
（6）变频器启动过程平稳，无冲击，体积小，好搬运；
（7）高压变频器在磨机工作过程中承受40A-50A电流波动而正常运行；
（8）电机满载时，变频调速系统效率≧96％；
（9）变频器输入侧功率因数≧97％；
（10）变频器输入谐波小于4%；
（11）变频器自保护功能：过电流限制，过电压限制，过负荷预警，过电流跳闸，功率单元故障跳闸，过负荷跳闸，接地故障跳闸，过热跳闸等；
（12）变频器数据显示：输出频率，电机转速，输入输出电流，输入输出电压，电机输出功率，运行时间，故障查询，变频器温度等；
（13）电机在启动和调节过程中，转速平稳变化，电流没有任何冲击，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低了日常的维护保养费用。
五、结束语
此次北京利德华福高压变频调速技术在肯尼亚Comply Industries热磨机的实践应用表明：电机在配备高压变频器后大大降低了日常的维护保养费用，取得了较好的运行效果，提高了中密度纤维板生产的自动化生产水平。由此可见，高压变频调速技术在中密度纤维板使用对其它皮带机设备进行变频改造起到了示范作用。