變頻器在金屬鎂業對輥壓球機上的應用

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備。壓球機由預壓螺旋機(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，操作工通過調整次機轉速亦即調節粉料的供給量來控制主機電流，使之達到最高產能與質量合格的成球率。

原工頻運行存在的問題如下：

1)壓球機的主、次機均由電磁調速電機驅動，生產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，對供電電網沖擊較大，影響供電系統的穩定性;

4)直接啟動產生的巨大轉矩對設備沖擊很大，影響設備使用壽命;

5)工頻運行時不僅浪費電能，而且噪音對環境有污染。

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 變頻器調速原理

眾所周知，電動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，同步轉速公式為

2.2 變頻器的選擇

壓球機屬于線性重負載，其阻轉矩與轉速成正比。當次機預壓螺旋的轉速加快時，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)與目標量信號的差量進行比例(P)、積分(I)、微分(D)運算比較，實時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，我們將主機的實時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，次機變頻器的內置PID調節器將反饋量與數字給定目標量的差量進行PID運算比較后，實時調整其輸出頻率來改變電機轉速，亦即調節粉料的供給量，使壓球機達到自動控制運行的目的。

2.4 遠程控制操作臺

為了實現遠程集中控制，改善工作環境和降低勞動強度，我們設計制作了一臺遠程控制操作臺。在操作臺上可以實現變頻/ 工頻- 自動/ 手動功能切換、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

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

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、通風良好的控制柜內;

6)如果主、次機變頻器安裝于同一個柜內，要采取防止互相干擾的屏蔽措施;

7)主、次機傳動系統中采用減速裝置，其傳動比應根據變頻運行的實際情況予以適當調整。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

根據煉鎂生產工藝需要，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/自動控制切換功能，即閉環與開環控制切換;

3)具有PID閉環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)應滿足目前生產工況和將來生產的擴展需求;

6)為了有效抑制變頻器對電網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)節約勞動力成本原來4臺壓球機需要8 個操作工/ 班(三班制)，而現在僅需要2 個操作工/班。以節省1個操作工計算，節省勞動力成本=工資(元/ 月)×12 月/ 年=560 元/ 月×12 月/ 年=6 720.00元/年。現在按減員18 人計算(減員6人/班、天)，每年共節省勞動力成本=6 720.00元/人、年×18 人=120 960.00元/年。顯然，一臺壓球機節省勞動力成本為30 240.00元/年。

所以，改造后一臺壓球機節電和節省勞動力成本共58 321.00元/年。

3)實現軟啟動設備沒有5~7倍的啟動沖擊電流，減少了對供電電網和配電變壓器的沖擊。延長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境，降低了操作工的勞動強度。

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。實現了自動控制運行，操作簡單方便，運行可靠安全。通過RS485通訊接口與上位PC機連接實現了遠程控制。

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，取得了非常好的經濟效益。