變頻器為中密度纖維板生產的開啟工業自動化改革

一、前言

在非洲某地有一家主要從事生產膠合板、電線桿、中密度纖維板、木芯板、硬紙板、沿邊推拉門、夾芯板、木制品等大部分以木材為原料大型木材加工生產企業。他們的中密度纖維板生產基地，能夠生產提供高質量的中密度纖維板。該生產基地配備包含了整個生產工藝流程的原木處理到木板生產的一整套生產環節的配套設備。該生產基地通過PLC實現生產過程的自動化控制，實現多臺大型設備的協同工作，完成切割、研磨、壓縮、制版、運輸等生產環節。整個生產過程中使用了切割機、帶式輸送機、研磨機、升降機、鼓風機和引風機等各種電機。其中，低壓電機已采用變頻技術控制； 熱磨機的高壓電機為繞線電機，采用水阻啟動，使用時不調速。由于繞線電機LRS調速控制性能差，用戶需要對熱磨機電機進行變頻控制改造。

二、熱磨機采用高壓變頻調速技術的理論基礎

1、中密度纖維板的介紹

中密度纖維板是20世紀60年代中期發展起來的產品，是20世紀林產工業的偉大發明之一。其優異的性能在其他種類的板材中具有不可替代的地位，其產量近年來發展迅速。原因是它具有優異的物理機械性能、裝飾性能和加工性能。中密度纖維板是以小直徑原木、伐木加工剩余物和非木材植物纖維為原料，經切片、煮制、纖維分離、干燥、涂脲醛樹脂或其他合適的膠粘劑，然后熱壓而成的一種人造板。其密度一般在500-880 kg/m3范圍內，厚度一般為2-30mm。

2、熱磨機介及變頻控制原理

熱磨機是直接分離纖維的裝置，纖維分離是在高溫、高壓、高速的完全封閉系統中完成的。纖維是中密度纖維板的質量基礎，熱磨是整個生產過程中非常重要的工序。該熱磨機電機為繞線式異步電機，額定電壓3300V，額定電流283.4A，額定功率1400kW，額定頻率50Hz，功率因數0.9，額定轉速1485r/min。

熱磨機是生產中密度纖維板的熱磨設備，完成將木塊分解成粉末的任務，熱磨機的轉速決定了生產質量。在生產過程中，需要根據進料量控制熱磨機的轉速；而且，當生產線上的其他設備出現故障時，工人需要降低磨機的速度，甚至短時間停機；故障排除后，需要立即啟動磨機。因此，在生產過程中，熱磨機需要頻繁啟停和變速，變頻控制是控制熱磨機的首選。

熱磨機圖片如下:

3、鼠籠式電機與繞線式電機的改造

由于現場原電機為繞線電機，原啟動方式采用水阻啟動方式，沒有串聯電機調速裝置，無法調速。因此，繞線式電機應改造成鼠籠式電機。鼠籠式轉子用銅棒安裝在轉子鐵芯槽內，兩端焊接端環，形狀像鼠籠。繞線轉子的繞組與定子繞組相似。三相繞組連接成星形，三根端線連接在安裝在轉軸上的三個銅滑環上，三個銅滑環通過一套電刷與外部電路相連。

電機串聯電阻調速系統屬于步進調速，調速的平順性差；低速時，機械特性軟，靜態誤差率大；電阻上消耗的滑差功率大，節能性差；變頻調速是通過改變電機定子電源的頻率，從而改變其同步速度的調速方法。變頻調速系統的主要設備是提供變頻電源的變頻器。變頻器可分為交流-DC-交流變頻器和交流-交流變頻器。目前國內多采用交流-DC-交流變頻器。其特點:效率高，調速過程中無額外損耗；適用范圍廣，可用于籠型異步電動機；調速范圍寬，特性硬，精度高。

為了克服傳統交流繞線電機串聯電阻調速系統的缺點，采用變頻調速技術對風機驅動系統進行改造，可實現全頻(0-50Hz)范圍內的恒轉矩控制。需要將變頻調速改為鼠籠式運行，不再需要將轉子繞組與外部電源單元連接。為避免電刷與集電環接觸不良造成故障，用導線將與集電環連接的三根導線短路，提起電刷。繞線式異步電動機可以通過短路繞線式電動機轉子的三根引出線并提起電刷而轉變成鼠籠式電動機。

三、重載變頻調速系統的裝置設計

1、重載變頻系統原理

根據電氣工程的基本原理，已知交流異步電動機的轉速表達式為:n=(1-s)60f/p，其中:s-轉差率；P-電機極數；f-電機電源頻率。從上面的公式可以看出，電機本身的速度可以通過改變滑差s，或者極數p，或者電機的運行頻率f來調節。

三科SKI600變頻調速系統采用功率單元串聯多電平技術，屬于大功率重載變頻產品。主要由移相變壓器、功率模塊和控制器組成。輸入側采用多個移相變壓器，實現隔離和諧波消除。在沒有功率因數補償和諧波抑制裝置的情況下，多脈沖整流技術的應用使電網側的諧波符合IEEE519-1992標準和GB/T14549-93標準。輸出采用多個功率單元移相PWM波形輸出的串聯疊加，獲得多電平高電壓，從而實現更低的輸出電壓諧波、共模電壓和dv/dt。無需增加輸出濾波裝置，不會損壞電機的絕緣和軸承，可以直接驅動普通鼠籠式和繞線式異步電機和同步電機。

移相變壓器:干式移相變壓器將電網電壓降壓，為逆變電源單元供電。變壓器采用移相多路設計，降低輸入諧波電流。

電源柜:電源柜為交流-DC-交流電壓源逆變器結構，三組輸入，一組輸出。功率單元可以通過整流和逆變來調節驅動電機的電源頻率。逆變器采用8個獨立的功率單元串聯，實現高壓輸出。有利于改善輸出波形，大大降低了電機發熱、噪聲和諧波引起的轉矩脈動。因此，這種變頻器對電機沒有特殊要求，可以直接用于普通異步電機，無需輔助輸出濾波器。

控制器:控制器是變頻器的控制中心，完成頻率調節的全過程控制，實現變頻器的電氣保護功能，實現變頻器的人機交互和通訊接口功能。

2、三科變頻調速系統的優勢

采用高性能DSP芯片和新型集成計算機，再加上SKI600系列產品無諧波、可靠性高、功率/電壓等級覆蓋廣、控制接口靈活等優良品質的基礎上，實現產品功能的豐富性、性能更高的高壓大容量交流傳動控制。目前SKI600的性能指標為:轉速范圍100:1，穩態轉速精度0.5%，動態轉矩響應時間小于200ms，啟動轉矩150%額定轉矩，基本達到國際先進水平。

目前，SKI600系列重載變頻調速系統具有以下功能:

恒壓頻率比控制

這種控制方式最顯著的特點是簡單易行，因此成為目前國內大多數變頻器廠商采用的電機控制方式。對于大多數對轉矩響應和控制精度要求不高的場合，如風機、水泵負載等，都能滿足一般的應用要求。

無速度傳感器矢量控制

無需安裝復雜難維護的測速裝置，SKI600系列產品只需檢測輸出的三相電壓和兩相電流，就能根據預先自動確定的電機型號進行異步電機的磁鏈和轉矩解耦控制，實現低速大轉矩負載的啟動和運行。適用于特殊負載，如礦井提升機和帶式輸送機。

速度閉環矢量控制

當對速度控制精度和轉矩響應要求較高時，安裝速度傳感器后，可以進一步提高SKI600系列速度閉環矢量控制變頻器的控制精度。

電機參數的自動調節

為了實現矢量控制，需要檢測定子和轉子的電阻和電感參數。三科SKI600系列產品可以自動對異步電機進行機電堵轉試驗和空載試驗，實現電機參數的自動整定。

重載電源故障恢復自動重啟

在一些用戶場合，由變頻器供電的大功率電網可能會出現短期壓降或損耗。為了盡可能不影響正常生產，SKI600系列產品能夠在設定時限內恢復高壓停電時，自動快速識別并跟蹤當前電機轉速，恢復正常運行。

旋轉開始

如果電機被負載拖動后仍在旋轉甚至反轉，變頻器可以識別并跟蹤電機轉速，拖動負載以設定的頻率運行。

四、熱磨機變頻調速的使用效果

SKI600重載變頻器在交流電機的交流控制中具有節能、現有電機調速容易、大范圍高效連續調速、電機正反切換容易、高頻啟停運行、電機高速驅動、適應各種工作環境、電源功率因數大、供電容量小、控制系統高性能等諸多優點。

通過實際運行發現，采用重載變頻器的帶式輸送機具有以下優點:

(1)高壓變頻器可靠性、穩定性和保護性高；

（2）幫助熱磨機進行頻繁啟停；

(3)實現了根據給料量控制磨機轉速的生產過程；

(4)滿足木材廠生產線電子控制系統的功能接口和監控要求；

(5)熱磨機根據實際情況采用高壓變頻器對電機進行調速，既滿足了工藝要求，又達到了節能降耗的目的；

(6)變頻器啟動過程平穩，無沖擊，體積小，便于攜帶；

(7)磨機工作過程中，高壓變頻器在40A-50A的電流波動下運行正常；

(8)電機滿載時，變頻調速系統效率≧96%；

(9)變頻器輸入側功率因數≧97%；

(10)變頻器輸入諧波小于4%；

(11)變頻器自保護功能:過流限制、過壓限制、過載報警、過流跳閘、功率單元故障跳閘、過載跳閘、接地故障跳閘、過熱跳閘等。

(12)變頻器數據顯示:輸出頻率、電機轉速、輸入輸出電流、輸入輸出電壓、電機輸出功率、運行時間、故障查詢、變頻器溫度等。

(13)SKI600重載三相變頻器在啟動和調整過程中，電機轉速變化平滑穩定，電流無影響，消除了大啟動電流對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低了日常維護成本。