变频器在金属镁业对辊压球机上的应用

0 引言

对辊压球机(以下简称压球机)是皮江法炼镁工艺过程中不可或缺的原料加工设备。压球机由预压螺旋机(俗称次机)、对辊机(俗称主机)、筛分机和油压机等四部分构成，其目的在于将炼镁原粉料压制成工艺所需的球团，以减少粉尘，控制容重，改进反应过程，返回利用及改善运输条件，其工艺过程如图1所示。

1 压球机工频运行存在的问题

压球机在工频运行时，操作工通过调整次机转速亦即调节粉料的供给量来控制主机电流，使之达到最高产能与质量合格的成球率。

原工频运行存在的问题如下：

1)压球机的主、次机均由电磁调速电机驱动，生产设备一次性投资较大，而且，每台压球机每班需要两名操作人员，劳动强度大，劳动力使用率很低;

2)主机电机的使用效率低，存在“大马拉小车”的现象;

3)主、次机均为直接启动，有5~7 倍的启动电流，对供电电网冲击较大，影响供电系统的稳定性;

4)直接启动产生的巨大转矩对设备冲击很大，影响设备使用寿命;

5)工频运行时不仅浪费电能，而且噪音对环境有污染。

2 解决方案浅析

为了节能，我们将原主、次机的电磁调速驱动电机均改为Y系列普通电机，并采用矢量变频器对其进行控制。

2.1 变频器调速原理

众所周知，电动机的同步转速取决于其极对数和供电频率。在未考虑转差率时，同步转速公式为

2.2 变频器的选择

压球机属于线性重负载，其阻转矩与转速成正比。当次机预压螺旋的转速加快时，被压入主机对辊间的粉料量连续增多。由于对辊间隙受油压机控制，推动压力基本保持不变，致使主机和次机的运行电流上升，阻转矩增大。而且，粉料中有时会夹带硬物，其被压至对辊中心线时，主机时有瞬间重过载现象。

由此，我们选择较主、次机电机功率均高一级，且过载能力强的日普SY3300型矢量变频器。

2.3 变频调速的PID控制

合格球团要有一定硬度。为满足此要求，主、次机电机均采用变频调速，而且次机还采用了PID 自动控制功能。PID控制是一种过程闭环控制，它是将被控量的反馈信号(即由传感器测得的实际值)与目标量信号的差量进行比例(P)、积分(I)、微分(D)运算比较，实时调整变频器的输出频率，以构成负反馈系统，使被控量能够迅速而准确地稳在目标量上。

压球机变频调速装置电气原理如图2所示。在本方案中，我们将主机的实时运行电流设定为被控量，把主机的理想工作电流设定为目标量，采用电流互感器TAV和无源电流变送器DLB 组成被控量的测量和反馈系。该系统把主机的实时运行电流变换成DC 4~20 mA的反馈信号传至次机变频器，次机变频器的内置PID调节器将反馈量与数字给定目标量的差量进行PID运算比较后，实时调整其输出频率来改变电机转速，亦即调节粉料的供给量，使压球机达到自动控制运行的目的。

2.4 远程控制操作台

为了实现远程集中控制，改善工作环境和降低劳动强度，我们设计制作了一台远程控制操作台。在操作台上可以实现变频/ 工频- 自动/ 手动功能切换、频率调节、频率- 电压- 电流显示、故障声光报警、运行-停止操作、与上位机连接并完成远程集控的RS485通讯接口端子等多种功能。

2.5 顺序控制功能

根据工艺要求，我们设计使用了顺序闭锁控制功能。开机顺序是油压机→主机→筛分机→次机→外部供料，越级操作无效。停机顺序与开机顺序相反。

其操作顺序控制图如图3所示。

3 注意事项

由于炼镁行业的工作环境比较特殊，灰尘具有腐蚀作用，在使用变频器时应该注意以下事项。

1)变频器要做防腐处理，并选择防灰尘且耐腐蚀较好的电器元件;

2)信号传输线要使用RVVP 屏蔽电缆，并将屏蔽层的一端可靠接地;

3)每台变频器要独立、可靠接地;

4)信号传输距离很长时，要使用DC 4~20 mA的电流信号;

5)变频器要安装在防灰尘、防霉变、通风良好的控制柜内;

6)如果主、次机变频器安装于同一个柜内，要采取防止互相干扰的屏蔽措施;

7)主、次机传动系统中采用减速装置，其传动比应根据变频运行的实际情况予以适当调整。本方案中，主机的传动比是4.5∶1，次机的传动比为6∶1。

4 建议方案

根据炼镁生产工艺需要，变频调速装置应具有如下功能：

1)具有工频/变频两套主回路，各自独立工作，且互为备用;

2)具有手动/自动控制切换功能，即闭环与开环控制切换;

3)具有PID闭环控制所需要的测量反馈系统;

4)要设置外部报警提示功能;

5)应满足目前生产工况和将来生产的扩展需求;

6)为了有效抑制变频器对电网和其他设备的干扰以及电机的温升和噪音，建议在变频器输入输出端加装电抗器和滤波器;

7)具有顺序闭锁控制功能。

5 应用效果

对辊压球机使用变频器调速后得到以下的应用效果。

1)节约用电量降低生产成本仅以一台压球机节电计算。改造后，主机的变频运行频率是45.8 Hz，次机的变频自动运行频率在26.8~31.6 Hz 范围内。

用功率法测量主机得出，使用变频器调速后的实际节电率为25.2%。根据改造前运行记录取平均值，每台主机原来每年用电量=32.72 kW·h×24 h/d×30 d/m×11m/y=259 142.4 kW·h/y，现在每台主机每年节约电费=259 142.4 kW·h/y×0.43 元/ kW·h×25.2%=28 081.00元/年。

2)节约劳动力成本原来4台压球机需要8 个操作工/ 班(三班制)，而现在仅需要2 个操作工/班。以节省1个操作工计算，节省劳动力成本=工资(元/ 月)×12 月/ 年=560 元/ 月×12 月/ 年=6 720.00元/年。现在按减员18 人计算(减员6人/班、天)，每年共节省劳动力成本=6 720.00元/人、年×18 人=120 960.00元/年。显然，一台压球机节省劳动力成本为30 240.00元/年。

所以，改造后一台压球机节电和节省劳动力成本共58 321.00元/年。

3)实现软启动设备没有5~7倍的启动冲击电流，减少了对供电电网和配电变压器的冲击。延长了设备的使用寿命和维修周期，降低了维修成本。变频器的多种保护功能使压球机运行更加安全可靠。改善了操作工的工作环境，降低了操作工的劳动强度。

提高了供电系统的功率因数和配电变压器的富裕量，并减少了电压波动。实现了自动控制运行，操作简单方便，运行可靠安全。通过RS485通讯接口与上位PC机连接实现了远程控制。

综合上述，不到12个月即可收回一台压球机改造的投资成本，取得了非常好的经济效益。