變頻器在金屬鎂業(yè)對(duì)輥壓球機(jī)上的應(yīng)用

0 引言

對(duì)輥壓球機(jī)(以下簡(jiǎn)稱壓球機(jī))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(jī)由預(yù)壓螺旋機(jī)(俗稱次機(jī))、對(duì)輥機(jī)(俗稱主機(jī))、篩分機(jī)和油壓機(jī)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(tuán)，以減少粉塵，控制容重，改進(jìn)反應(yīng)過程，返回利用及改善運(yùn)輸條件，其工藝過程如圖1所示。

1 壓球機(jī)工頻運(yùn)行存在的問題

壓球機(jī)在工頻運(yùn)行時(shí)，操作工通過調(diào)整次機(jī)轉(zhuǎn)速亦即調(diào)節(jié)粉料的供給量來控制主機(jī)電流，使之達(dá)到最高產(chǎn)能與質(zhì)量合格的成球率。

原工頻運(yùn)行存在的問題如下：

1)壓球機(jī)的主、次機(jī)均由電磁調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，生產(chǎn)設(shè)備一次性投資較大，而且，每臺(tái)壓球機(jī)每班需要兩名操作人員，勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)力使用率很低;

2)主機(jī)電機(jī)的使用效率低，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象;

3)主、次機(jī)均為直接啟動(dòng)，有5~7 倍的啟動(dòng)電流，對(duì)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(dòng)產(chǎn)生的巨大轉(zhuǎn)矩對(duì)設(shè)備沖擊很大，影響設(shè)備使用壽命;

5)工頻運(yùn)行時(shí)不僅浪費(fèi)電能，而且噪音對(duì)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(jī)的電磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)電機(jī)均改為Y系列普通電機(jī)，并采用矢量變頻器對(duì)其進(jìn)行控制。

2.1 變頻器調(diào)速原理

眾所周知，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速取決于其極對(duì)數(shù)和供電頻率。在未考慮轉(zhuǎn)差率時(shí)，同步轉(zhuǎn)速公式為

2.2 變頻器的選擇

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

由此，我們選擇較主、次機(jī)電機(jī)功率均高一級(jí)，且過載能力強(qiáng)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(tuán)要有一定硬度。為滿足此要求，主、次機(jī)電機(jī)均采用變頻調(diào)速，而且次機(jī)還采用了PID 自動(dòng)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(hào)(即由傳感器測(cè)得的實(shí)際值)與目標(biāo)量信號(hào)的差量進(jìn)行比例(P)、積分(I)、微分(D)運(yùn)算比較，實(shí)時(shí)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(jī)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(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行電流設(shè)定為被控量，把主機(jī)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(cè)量和反饋系。該系統(tǒng)把主機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行電流變換成DC 4~20 mA的反饋信號(hào)傳至次機(jī)變頻器，次機(jī)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(jìn)行PID運(yùn)算比較后，實(shí)時(shí)調(diào)整其輸出頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，亦即調(diào)節(jié)粉料的供給量，使壓球機(jī)達(dá)到自動(dòng)控制運(yùn)行的目的。

2.4 遠(yuǎn)程控制操作臺(tái)

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，改善工作環(huán)境和降低勞動(dòng)強(qiáng)度，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一臺(tái)遠(yuǎn)程控制操作臺(tái)。在操作臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)變頻/ 工頻- 自動(dòng)/ 手動(dòng)功能切換、頻率調(diào)節(jié)、頻率- 電壓- 電流顯示、故障聲光報(bào)警、運(yùn)行-停止操作、與上位機(jī)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?cè)O(shè)計(jì)使用了順序閉鎖控制功能。開機(jī)順序是油壓機(jī)→主機(jī)→篩分機(jī)→次機(jī)→外部供料，越級(jí)操作無效。停機(jī)順序與開機(jī)順序相反。

其操作順序控制圖如圖3所示。

3 注意事項(xiàng)

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(yīng)該注意以下事項(xiàng)。

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(hào)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(tái)變頻器要獨(dú)立、可靠接地;

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

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(jī)變頻器安裝于同一個(gè)柜內(nèi)，要采取防止互相干擾的屏蔽措施;

7)主、次機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中采用減速裝置，其傳動(dòng)比應(yīng)根據(jù)變頻運(yùn)行的實(shí)際情況予以適當(dāng)調(diào)整。本方案中，主機(jī)的傳動(dòng)比是4.5∶1，次機(jī)的傳動(dòng)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(dú)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)與開環(huán)控制切換;

3)具有PID閉環(huán)控制所需要的測(cè)量反饋系統(tǒng);

4)要設(shè)置外部報(bào)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(kuò)展需求;

6)為了有效抑制變頻器對(duì)電網(wǎng)和其他設(shè)備的干擾以及電機(jī)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(duì)輥壓球機(jī)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(tái)壓球機(jī)節(jié)電計(jì)算。改造后，主機(jī)的變頻運(yùn)行頻率是45.8 Hz，次機(jī)的變頻自動(dòng)運(yùn)行頻率在26.8~31.6 Hz 范圍內(nèi)。

用功率法測(cè)量主機(jī)得出，使用變頻器調(diào)速后的實(shí)際節(jié)電率為25.2%。根據(jù)改造前運(yùn)行記錄取平均值，每臺(tái)主機(jī)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(tái)主機(jī)每年節(jié)約電費(fèi)=259 142.4 kW·h/y×0.43 元/ kW·h×25.2%=28 081.00元/年。

2)節(jié)約勞動(dòng)力成本原來4臺(tái)壓球機(jī)需要8 個(gè)操作工/ 班(三班制)，而現(xiàn)在僅需要2 個(gè)操作工/班。以節(jié)省1個(gè)操作工計(jì)算，節(jié)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(xiàn)在按減員18 人計(jì)算(減員6人/班、天)，每年共節(jié)省勞動(dòng)力成本=6 720.00元/人、年×18 人=120 960.00元/年。顯然，一臺(tái)壓球機(jī)節(jié)省勞動(dòng)力成本為30 240.00元/年。

所以，改造后一臺(tái)壓球機(jī)節(jié)電和節(jié)省勞動(dòng)力成本共58 321.00元/年。

3)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)設(shè)備沒有5~7倍的啟動(dòng)沖擊電流，減少了對(duì)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(hù)功能使壓球機(jī)運(yùn)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(qiáng)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(dòng)。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制運(yùn)行，操作簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行可靠安全。通過RS485通訊接口與上位PC機(jī)連接實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。

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