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變頻調速在紙機方面的應用和效益分析

http://www.jualalatsexsualitas.com 2003-07-16 景華紙業網
 

  造紙機是由一系列配套設備組成的聯合機,分濕部和干部兩大部分。造紙是一個連續生產的過程,因此生產線的連續和有序控制成為了制約成品紙質量和產量的瓶頸。直流調速系統在紙機的發展史上占有重要的地位,但由于直流電機存在維護難、抗環境能力差,主要表現如下:
  
  1. 整流子磨損嚴重, 燒毀整流子的故障, 導致停機時間長;
  
  2. 直流電機維修困難多, 要求高, 修理費用也高;
  
  3. 測速發電機易磨損,造成傳動系統精度低;
 
  4. 直流調速控制系統復雜, 調試困難, 一般技工很難調出好的機器。

  交流變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節電以及在國民經濟領域的廣泛適用性,而被公認為是一種最有前途的交流調速方式。它不但具有直流電機優良的調速性能,同時具有交流電機簡單、可靠,因而逐漸被廣泛應用。它具有自診斷、自保護能力,使用維護簡單,運行可靠,擴展性能強,若應用微機程序控制不但可以獲得良好的調速性能,而且還可采用計算機現場總線結構,可以實現自動化過程控制,計算機群控等。為了更好地發揮變頻調速在紙機傳動上的傳動精度、穩定性和可靠性,筆者根據實踐,認為從以下幾個方面著手:

  在選型之前,應首先確定控制方案,必須詳細地了解設備的整體工藝要求,不清楚整體工藝要求,斷定是做不好傳動系統的整體控制,方案中盡量照顧到操作人員的操作習慣和現場生產環境的特點。

  一、主要器件的選型:

  1.選擇適用于紙機傳動控制的變頻器——VaconCX4變頻器。

  我們公司的改造的紙機是一臺長網紙機,有兩個分部:一個是烘缸(干部),一個是網部(濕部)。根據工藝要求抄紙速度為20-100m/min,紙頁定量為9-30g/m2。一般紙機的傳動精度要求達到1-3‰,由于速度變化范圍大,最低定量為9g/m2,要求紙機的傳動精度更高。因此,選擇紙機的傳動控制方案閉環系統。

  我們選用Vacon CX4型變頻器,它不僅具有矢量控制高功能變頻器的優點,而且自帶PID調節裝置和可編程接口控制器,使構成控制系統簡捷方便,可靠性高,并具有130多個應用宏,適用范圍大,用戶界面好,使得組成系統成本低。矢量控制高功能變頻器,具有傳動精度高,動態性能好,響應速度快的,然而,其開環精度僅為5‰,不能滿足抄造薄頁紙的要求,因此采用閉環控制系統,為此應配套選用變頻擴展卡。

  2.選擇合適的變頻擴展卡——VaconCX107OPT。

  針對矢量變頻器光靠矢量控制傳動精度為5‰。對于造紙機來說速度誤差還太大,直接影響抄造質量。為此,需考慮選擇擴展卡,以適應造紙傳動的精度要求。
我們選用Vacon CX107OPT。該擴展卡具有以下特點:

 、倏梢杂脕硖岣呓咏闼贂r和靜止時的速度響應精度。

 、陂]環控制模式是基于“電機轉子模糊電流矢量控制”。這種控制原理把相電流分為轉矩電流部分和磁通電流部分。這樣鼠籠式電機的控制就可以達到直流電機的控制效果。

 、坶]環應用采用快速動態操作,響應時間可以達到10ms,伺服閉環應用利用了擴展卡上的快速模擬輸入,這使其響應精度達到1ms以內。從而使閉環精度達到0.3‰以上。

  3.選用速度傳感器——光電非接觸脈沖編碼器(1000線的旋轉編碼器)。

  傳感器是我們的眼睛,要是沒有一個良好的傳感器,要保證傳動精度是不可能的。因此,我們選用光電非接觸脈沖編碼器,它具有取樣精度高,工作可靠,壽命長,確保傳動精度。

  4.選擇合適的電動機——變頻調速專用電機YVP型電機。

  由于變頻器的輸出均采用PWM對電動機供電,不可避免地含有高次諧波,電動機帶負載運行時鐵耗會有所增加,在額定負載下電動機電流增加8%,溫升增高20%左右,對長時間工作在滿載或接近滿載狀態下的電動機而言,是個不可忽視的問題,因此應根據負載情況,選準電機容量并采用強迫風冷(水冷卻等)或增加輸出濾波裝置。在變頻調速系統中若選用普通異步電動機,其運行工況隨著頻率的變化而變化,使運行時振動噪聲增大,尤其是低速時散熱能力變得更差,極易造成電機損壞,故普通異步電動機不是變頻調速系統中最理想的配套電機。

  變頻電動機具有磁隙小損耗小,效率高,發熱量低,對調速裝置的頻率適應性大,為6-60Hz,考慮到變頻電機的轉速根據生產工藝的變化而變化,尤其是低速啟動階段,因此,在電機中加裝散熱風扇并不與變頻電機共用電源,即散熱風扇獨立供電。確保變頻電機低速運行時的可靠性。

  二、系統的主要特點:

  1.速度給定采用數字脈沖給定。

  在變頻調速系統中一般均采用模擬電壓給定,由于模擬信號較容易受到外界的電氣干擾,直接影響紙機的傳動精度和穩定性,為了提高系統的穩定性,增強抗干擾能力,為此,利用變頻器中的PLC進行簡單的編程,將變頻系統中的給定裝置選定為脈沖計數給定,即數字給定。采用脈沖計數給定后,紙機的傳動控制幾乎不受外界干擾,從而使紙機傳動的穩定性和抗干擾能力得以提高。

  2.在變頻調速控制系統中設置了速度鎖定指令開關。

  在紙機的抄造過程中,不可避免地會出現一些操作,這給直接影響到抄造紙頁的質量,按工藝調整好的車速,如果誤操作,使車速改變,使得紙張的定量也隨之改變。因此,為了避免誤操作,在變頻調速系統中設置了速度鎖定指令開關,保證給定信號的可靠性,提高了紙機的傳動精度和穩定性。

  3.速度級聯控制。

  多傳動控制通常采用分步傳動。即選取一個主速度控制點,其余傳動點采用相對速度增量控制。根據工藝要求,我們選取干部烘缸為主速度控制點,濕部(網部)伏輥為從動點,通過現場操作臺增量按鈕的操作,可以隨意設定各傳動點的相對增量值,保證所有傳動的同步性,并實時顯示該傳動的實際車速。

  4.在安全方面的考慮。

  為了使本系統具有快速響應,又具有快速制動功能(以防萬一,如設備、人身發生異外須緊急停車等),為此必須在變頻器中加裝制動電阻,避免再生電流損壞變頻器。

  5.設置現場操作臺。

  設置機旁現場操作操作臺是為了盡量照顧到操作人員的已有的操作習慣和現場生產環境的特點,使操作方便。為了便于操作人員控制工藝參數,將所有紙機傳動的控制按鈕和顯示儀表都安置在操作臺上,有利于工人觀察紙機的運行情況, 有利于控制生產工藝。

  三、安裝調試中應注意的事項:

  為了保證設計的有效性,達到設計應有的要求,安裝調試工作是必不可少的。這是因為:

  1.變頻器是精密的電力電子設備,為了確保其穩定運行,安裝過程需做好下述事項:

 、僮冾l器應安裝在干燥、清潔、無振動及通風良好的場所。

 、诮泳時應仔細進行,切忌將三相電源連接到電動機接線端U、V、W上?刂贫俗咏^不可與強電相連,電源側和電動機側電纜尺寸應保證最大電流時線壓降不超過額定電壓的2%,弱電控制與電力電源線分開布線,控制回路應采用屏蔽線布線,以防止干擾。與變頻器裝在同一控制柜內的接觸器等線圈必要時要并接RC浪涌吸收器,其引線不可超過20cm,對于電源引入的干擾問題可通過連接進線電源予以抑制,盡量減少干擾。

 、酃╇娫O備的功率因數校正應選用功率因數校正DC電抗器,決不可在電動機側連接補償電容器,否則極易損壞變頻器的功率模塊。

  因此,為了防止變頻器輸出的電磁輻射,我們在強電上采用鎧裝式4芯銅芯電纜,在弱電上傳感器和顯示儀表等信號線采用雙層屏蔽電纜線進行放置,避免干擾信號影響控制精度。變頻控制柜內的布線采用動力線和控制線分開布置。

  2.變頻傳動系統的調試:

  變頻傳動系統的調試一般分為兩部分,一是根據電動機參數、負載性質預調變頻器參數;二是系統聯動調試。

 、僮冾l器正式投入運行前應先驅動電動機空轉運行幾分鐘,可多選幾點頻率進行,同時注意檢查電動機轉向,溫升情況及加減速是否平滑等。

 、诩訙p速時間的設定應同時滿足兩方面的要求:一是設備控制的快速性要求,二是不應在正常加減速狀態下出現變頻器過流過壓等跳閘現象。如果不能同時滿足上述兩個方面要求時,應考慮加大變頻器容量或增加選用制動單元。

 、蹖τ诘退僦刎摵傻暮戕D矩負載,起動時變頻器經常出現電流封鎖,位能負載出現溜車現象?蓴喽槠饎恿夭粔。起動電流大并不說明起動力矩大,解決的方法是提高低頻時的起動力矩。不可盲目調大轉矩的提升值(實際為低頻電壓補償),否則低速鐵芯過飽和容易引起電動機異常發熱。

 、茏冾l器到電動機的電纜線長度不能超過變頻器允許的最大布線距離(一般為100m),否則電纜分布寄生電容過大,易導致變頻器功率開關器件開通瞬間產生過大的尖峰電流。該尖峰電流將使變頻器工況惡化,甚至損壞逆變功率模塊。對于這一問題的應急措施,可以降低變頻器的載波頻率,以增加分布電容的容抗,減小尖峰電流,這時會使電動機的工作噪聲有所增加,解決的根本升旗是加裝輸出電抗器以補償分布電容引起的尖峰放電電流。

  四、變頻調速控制系統的維護和保養:

  變頻調速控制系統是集計算機技術和電力電子逆變技術于一身的新型傳動控制系統。為了使系統充分發揮其控制功能,延長設備的壽命,維護保養工作必不可少。

  1.變頻器的維護保養。不定期地檢查變頻控制柜內的散熱風扇以及變頻器內的散熱情況,散熱風機是否良好,散熱器有無積塵,變頻器的輸出電流有無異常,有無異樣的聲音。若變頻器停用半年以上,啟用時,還應檢查變頻器內的濾波電容是否良好,容量有無減少。

  2.變頻電機的維護保養。與一般常規的異步電動機相同,但須增加檢查變頻電機的散熱風扇運行是否良好,速度編碼器是否正?煽,有無松動。

  3.控制線路的維護保養。與常規的控制柜檢查相同。還應經常檢查控制線路的接線端有無松動,接觸是否可靠,這直接影響系統的可靠性和傳動精度。還應加強檢查大功率輸出的接線端有無松動,如空氣開關、接觸器和變頻器等輸入輸出端,如松動或接觸不好極易造成控制器件或開關器件的損壞,甚至造成變頻器的損壞。

  五、效益分析:

  1.直接節能效果
根據我廠改造前和改造后紙機能耗對比,如下:
改造前的電功率:90米的車速P90=74A×180V+3×220=13980W=13.98kW
按一年生產300天計:整機用電=300×24×13.98=100656(kWh)
改造后的電功率:90米的車速P90=1.732×16A×380V=10530W=10.53(kW)
整機用電=300×24×10.53=75816(kWh)
全年可節電=100656-75816=24840(kWh)
全年可節電費=24840×0.53=13165(元)
實際節能為:25%

  2.間接效益分析

  改造前后的產質量情況(見表):

日期         2002年6月-10月份         2003年1月-2月份
產品名稱   毛紙   凈紙   成品率   合格率    毛紙   凈紙    成品率  合格率
醫用紙    28953  26363  91.05%   96.8%   22993  21692   94.34%  100%
吸塵袋紙   23412  21457  91.6%    93.5%   31481  29946   95.12%  93.8%
棉襯紙    29794  26101  87.36%    100%    8975   7951    88.5%  99.8%
電池棉紙   24372  24053  98.69%   99.45%    6236    6057   97.12%  98.8%
薄包紙    24970  24222   97%    98.9%   7952   7724    97.13%  100%
合計     131501  122196   92.9%   97.73%   77637   73370   94.50%  98.48%
月平均產量  26300                  38818   

  由上表可以看出:

 、偌垯C的運轉率提高:27%以上(由月平均產量得到,已排除其他因素)可增產值:120噸×13000元=156萬元 增利:3.6萬元

 、诔善仿侍岣撸1.6% 增利:14.4萬元,全年可間接節能:1000(kWh)。

  綜合效益:

  變頻調速改造費用為3.5萬元?僧a生效益約為20萬元。

  六、結論

  綜上所述,要使變頻器應用于造紙傳動控制上,提高系統的傳動精度、穩定性和可靠性,必須詳細地了解設備的整體工藝要求,并應盡量照顧到操作人員的操作習慣和現場生產環境的特點。須熟知電氣傳動方面的新技術、新器件以及控制理論,了解造紙機械方面的工藝要求和生產工藝要求。根據工藝要求,綜合各種因素確定系統控制方案,對控制設備進行合理、經濟、簡捷地選型,盡量多考慮一些影響傳動精度、穩定性、可靠性等方面的因素。如布線要求,強、弱電干擾問題,線路布局方面等問題。本系統經實際使用,傳動精度達0.3‰,調速范圍大,穩定性和可靠性都較好,操作比較方便。隨著變頻技術的發展和成熟,變頻器以其優良的調速性能、操作簡單、功能完善、易于實現自動調節等諸多優點,必將取代紙機上傳統的直流調速系統,而成為紙機電氣傳動的佼佼者。提高機器運轉性能, 提高了經濟效率。(勵覺平)



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