變頻器在塑料編織行業(yè)中的應(yīng)用與節(jié)能
0 引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201808/387327.htm塑料編織行業(yè)在我國已有近三十年的歷史了,塑編行業(yè)從無到有、從小到大,已成為國民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的一部分,在產(chǎn)品包裝中占有著舉足輕重的地位。
傳動(dòng)技術(shù)被廣泛的運(yùn)用在工業(yè)設(shè)備中,塑編設(shè)備也不例外,隨著我國制造水平,國內(nèi)外傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,塑編設(shè)備已從早期的單電機(jī)機(jī)械連軸傳動(dòng)向多電機(jī)獨(dú)立調(diào)速發(fā)展,從最早的滑差電機(jī)向直流電機(jī)發(fā)展,隨著變頻技術(shù)的飛躍發(fā)展,變頻調(diào)速已經(jīng)成了一種潮流、一種趨勢,三相異步電機(jī)已經(jīng)可以運(yùn)用到塑編設(shè)備的各個(gè)動(dòng)力環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的全變頻控制方式。
變頻調(diào)速具有體積小,重量輕,精度高,通用性強(qiáng),工藝先進(jìn),功能豐富,保護(hù)齊全,可靠性高,操作簡便等優(yōu)點(diǎn),優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式,在維護(hù)上也比其他控制方式簡單,方便。我國工業(yè)雖然近年來發(fā)展迅猛,但電力資源的發(fā)展相對于工業(yè)發(fā)展來說還存在滯后,直接影響了我國工業(yè)的發(fā)展,電力消耗也是企業(yè)生產(chǎn)中能耗的重要組成部分,直接影響著企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
塑編企業(yè)電能的80%左右消耗在各個(gè)電機(jī)拖動(dòng)上,交流電動(dòng)機(jī)不僅可以拖動(dòng)各工藝傳動(dòng)輥還可以拖動(dòng)風(fēng)機(jī)負(fù)荷,具有相當(dāng)?shù)墓?jié)電潛力,這也就為變頻技術(shù)在塑編設(shè)備上的應(yīng)用提供了較為廣闊的應(yīng)用天地。
1 變頻調(diào)速的原理
變頻調(diào)速是根據(jù)三相異步電機(jī)的工作原理而采用的一種調(diào)速形式,其電機(jī)調(diào)速公式為n= 60 f(1-s)/ p,其中:n 為電機(jī)的轉(zhuǎn)速;p 為電機(jī)定子繞組的磁極對數(shù);f 為電機(jī)供電電源的頻率;s 為轉(zhuǎn)差率。塑編行業(yè)中應(yīng)用的電機(jī)一般為4 極,其磁極對數(shù)為2。我國的電源頻率為50 Hz,通過公式計(jì)算可知,這種電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。因此在電機(jī)極對數(shù)不變的情況下進(jìn)行調(diào)速,根據(jù)公式,只有改變電機(jī)的供電頻率f。而異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與同步電機(jī)轉(zhuǎn)速相對應(yīng),改變電機(jī)的供電頻率即改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電源頻率增加,同步轉(zhuǎn)速n 增加,實(shí)際轉(zhuǎn)速也增加;電源頻率下降,電機(jī)同步轉(zhuǎn)速下降,電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速也下降。這種通過改變電機(jī)電壓頻率的調(diào)速方式即為變頻調(diào)速。在整個(gè)變頻調(diào)速過程中,在一固定的轉(zhuǎn)矩T 下,轉(zhuǎn)差率s 基本不變,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速n 的下降,電機(jī)磁場角速度鬃也減小,電機(jī)的輸入功率PM=T鬃和輸出功率P=PM(1-s)也降低。而損耗沒有增加,由此可見,變頻調(diào)速是電機(jī)控制中較為高效的調(diào)速方法。電機(jī)變頻調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速功能,而且根據(jù)不同的負(fù)載類型,可以靈活地調(diào)節(jié)V 與f 的關(guān)系,滿足各種場合的運(yùn)用。
2 變頻調(diào)速的應(yīng)用
2.1 變頻調(diào)速在塑編設(shè)備擠出機(jī)中的應(yīng)用塑編設(shè)備擠出機(jī)的種類很多,用途也多種多樣,但它們的原理基本一樣,即把塑料熔融擠出。
其工作原理為通過螺桿在機(jī)筒里旋轉(zhuǎn),經(jīng)過固體輸送、熔融輸送、熔體輸送三個(gè)環(huán)節(jié)后,熔體從機(jī)筒進(jìn)入模頭。如果是圓模頭,熔體擠出模后被牽引、切割分絲,生產(chǎn)成扁絲,也可以吹膜。如是平模頭,熔體擠出后被牽引,切割分絲,同樣可以生產(chǎn)扁絲。也可以在擠出平模后和編織布、紙等涂模,生產(chǎn)復(fù)合布。擠出機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)由調(diào)速電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、機(jī)座、軸承等組成。它的作用是給螺桿提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和扭據(jù),它為擠出機(jī)提供動(dòng)力和傳遞扭矩。出于工藝的需求,對于擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速有兩方面要求,一要求是無級調(diào)速,二是要有一定的調(diào)節(jié)范圍,這樣才能控制擠出量,以滿足不同的原料和加工要求。由于擠出機(jī)在啟動(dòng)時(shí)其機(jī)頭壓力較大,那么在螺桿從靜態(tài)到轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候就需要一個(gè)加速的過程,螺桿速度會(huì)由慢逐步加快,因而需要調(diào)速器控制電機(jī)啟動(dòng)時(shí)低速平穩(wěn)運(yùn)行。在使用過程中,螺桿的壓力和擠出機(jī)電機(jī)的速度也不是一成不變的,在一個(gè)工作周期內(nèi)也存在波動(dòng),這在工藝上也是不允許的。這是因?yàn)檫@樣一方面造成了動(dòng)力的浪費(fèi),另一方面增加了料筒與螺桿之間的摩擦,產(chǎn)生了大量的熱量,這就需要加裝冷卻風(fēng)機(jī),從而進(jìn)一步浪費(fèi)了能量。同時(shí)電機(jī)工作在低速的負(fù)載上時(shí),功率因數(shù)低,電網(wǎng)的無功消耗也大。綜合起來,傳統(tǒng)的控制方式存在著能量浪費(fèi),最佳的工作方式還是采用變頻調(diào)速方案,其具有負(fù)載變化響應(yīng)快,短時(shí)過載能力強(qiáng)的特點(diǎn),并可以精確控制螺桿的壓力。以施耐德變頻器ATV71為例,利用內(nèi)置PID調(diào)節(jié)回路,實(shí)時(shí)地控制料筒內(nèi)的熔體壓力,在保證工作需要壓力的情況下,大幅度降低了工作能耗,有效改善了電網(wǎng)的質(zhì)量,并節(jié)省了無功功率。
2.2 變頻調(diào)速在牽伸輥上的應(yīng)用
牽伸輥是塑編設(shè)備的重要組成部分,牽伸比的控制,決定著扁絲相對拉斷力和斷裂伸長率這兩個(gè)重要指標(biāo)的控制。同時(shí),它也決定是否劈絲,線密度是否均勻等問題。牽伸比調(diào)節(jié)控制圖如圖1 所示。
以圖1 為例,實(shí)現(xiàn)牽伸比就是在牽引輥和牽伸輥之間形成速差,使得扁絲在兩輥之間拉伸,滿足工藝的要求。為了保證產(chǎn)品的品質(zhì),需要牽伸輥和牽引輥電機(jī)具有很高的控制精度,并在同步升速降速時(shí),具有良好的同步效果。變頻調(diào)速系統(tǒng)是高效率和高性能的調(diào)速系統(tǒng),完全滿足工藝要求。
通過改變定子供電頻率,電機(jī)轉(zhuǎn)速可得到寬范圍的無級調(diào)節(jié)。對定子電壓(或電源)以及頻率按一定規(guī)律進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,可提高傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性和快速響應(yīng)特性。如果采用閉環(huán)控制系統(tǒng),整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)可獲得精度高且優(yōu)良的傳動(dòng)特性。根據(jù)圖1可以看出,該類負(fù)載屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,即不管生產(chǎn)線的速度如何變化,負(fù)載的扭矩是不變的。根據(jù)公式P=KTn(式中P為軸功率,K 為系數(shù),T 為負(fù)載扭矩,n 為電機(jī)速度),可以看出利用變頻調(diào)速后,當(dāng)線速度為電機(jī)速度的50%時(shí),電機(jī)能耗也只有原先的50%,其節(jié)能效果顯著。
2.3 變頻調(diào)速在塑編設(shè)備風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用
塑編設(shè)備在生產(chǎn)過程中經(jīng)常使用烘箱,作為扁絲的加熱設(shè)備,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,一般采用調(diào)節(jié)風(fēng)門來調(diào)節(jié)烘箱的風(fēng)流量。通過物理力學(xué)原理我們知道此類負(fù)載屬于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載,其風(fēng)流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比,壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比,當(dāng)需要減小風(fēng)流量時(shí),降低電機(jī)速度,電機(jī)功耗將大幅度的降低。例如當(dāng)流量降為原先流量的80%時(shí),電機(jī)功率為原先的51%,下降了一半,因此變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)上的節(jié)能效果是顯著的。
3 變頻調(diào)速在塑編設(shè)備中的注意事項(xiàng)
在塑編設(shè)備中經(jīng)常采用電壓型變頻器作為變頻調(diào)速設(shè)備,但在塑編設(shè)備中,各牽引輥為了達(dá)到一定的拉伸倍數(shù),使得部分調(diào)速電機(jī)處在電動(dòng)和發(fā)電兩種狀態(tài)下,而普通的電壓型變頻器前端不具有電源逆變回路,因此當(dāng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí),電機(jī)的反饋能量通過續(xù)流二級管流入了變頻器的直流側(cè),使得濾波電容電壓上升,如電壓過高會(huì)引起變頻器過壓保護(hù)動(dòng)作,導(dǎo)致設(shè)備故障跳停,甚至燒毀開關(guān)變流器件。加裝制動(dòng)回路能夠解決這一問題,此時(shí)電機(jī)反饋的能量消耗在制動(dòng)電阻上。為了節(jié)約能量,可以把相近功率的調(diào)速器的直流母線相連,這樣當(dāng)某個(gè)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí),電機(jī)反饋回來的能量流入其它變頻器的直流母線中,被其它電機(jī)所利用,防止了能量的浪費(fèi)。當(dāng)然如果條件允許,可給整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)加設(shè)直流電源裝置來為系統(tǒng)供電,這也是節(jié)能的一個(gè)不錯(cuò)的選擇,但成本太大,一般不采用。
4 結(jié)語
現(xiàn)在,變頻調(diào)速已經(jīng)成為節(jié)約能源的一個(gè)重要手段,引起了人們的普遍關(guān)注。不僅因?yàn)榻涣魍蟿?dòng)負(fù)荷在企業(yè)的總用電量中占有很大的分量,對該種負(fù)荷進(jìn)行能源優(yōu)化,可以獲得十分可觀的節(jié)電效益;而且交流拖動(dòng)系統(tǒng)具有很大的節(jié)電潛力。
在設(shè)備拖動(dòng)設(shè)計(jì)中,交流電機(jī)及其所拖動(dòng)的機(jī)械往往都留有一定的裕量,而且一般也不總是在最大負(fù)荷下運(yùn)行;輕載時(shí),通過對電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制改變某些工作機(jī)械的工況,就可達(dá)到節(jié)電的目的。
交流電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)今調(diào)速系統(tǒng)的趨勢,它具有體積小、重量輕、精度高、通用性強(qiáng)、工藝先進(jìn)、功能豐富、保護(hù)出色、可靠性高、操作簡便等優(yōu)于以往任何調(diào)速方式的特點(diǎn)。并且隨著電子技術(shù)的發(fā)展,變頻器的制造成本明顯降低,它的經(jīng)濟(jì)效益也越來越大。
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