一、前言

    Comply Industries公司是肯尼亞最大的木材原料生產(chǎn)公司，此公司生產(chǎn)肯尼亞大部分膠合板、電線(xiàn)桿、中密度纖維板、木芯板、硬紙板、齊邊拉門(mén)、層壓板、木質(zhì)制品等木材原料制品，并且在非洲多個(gè)國家有分公司，為整個(gè)非洲提供高質(zhì)量的木材產(chǎn)品。

    MDF板材廠(chǎng)為中密度纖維板生產(chǎn)基地，是Comply Industries 位于肯尼亞奈庫魯（Nakuru）西部的一個(gè)工廠(chǎng)。此工廠(chǎng)為肯尼亞提供高質(zhì)量的中密度纖維木板；生產(chǎn)工藝包括從處理原始木材到木板生產(chǎn)的整套生產(chǎn)環(huán)節。此生產(chǎn)基地通過(guò)PLC300實(shí)現生產(chǎn)工藝的自動(dòng)化控制，實(shí)現多個(gè)大型設備的協(xié)調工作，完成切割、粉磨、壓縮、制板和運輸等生產(chǎn)環(huán)節。在整個(gè)生產(chǎn)工藝過(guò)程中使用了切割機、皮帶機、磨機、提升機、送風(fēng)機、引風(fēng)機等多種電機。其中低壓電機已經(jīng)采用變頻技術(shù)進(jìn)行控制；熱磨機高壓電機為繞線(xiàn)電機，采用水阻啟動(dòng)方式啟動(dòng)，使用過(guò)程中不進(jìn)行調速。由于繞線(xiàn)電機LRS控制調速、控制性能差，用戶(hù)需要對熱磨機電機進(jìn)行變頻控制改造。

    二、 熱磨機采用高壓變頻調速技術(shù)的理論依據  

    2.1中密度纖維板簡(jiǎn)介

    中密度纖維板是以小徑級原木、采伐、加工剩余物以及非木質(zhì)的植物纖維原料，經(jīng)切片、蒸煮、纖維分離、干燥后施加脲醛樹(shù)脂或其他適用的膠粘劑，再經(jīng)熱壓后制成的一種人造板材。其密度一般在500－880公斤/立方米范圍，厚度一般為2－30毫米。 

    中密度纖維板是六十年代中期發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)品，是20世紀林產(chǎn)工業(yè)的重大發(fā)明之一，其優(yōu)異的性能具有其他板種不可替代的地位，近年來(lái)產(chǎn)量高速發(fā)展。原因是它具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能、裝飾性能和加工性能等。 

    中密度纖維板圖片如下：

               

                            圖1.1 中密度纖維板

    2.2熱磨機介紹及變頻控制原理

    熱磨機是直接分離纖維的設備，纖維分離是在一個(gè)高溫、高壓、高速和完全封閉的系統中完成的。纖維是中密度纖維板的質(zhì)量基礎，熱磨工序是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中十分重要的工序。此用戶(hù)使用熱磨機為浙江福馬公司生產(chǎn)，熱磨機電機為繞線(xiàn)式異步電機型號：YRKS560-1-4，額定電壓3300V，額定電流283.4A，額定功率為1400kW，額定頻率50Hz，功率因數0.9，額定轉速1485r/min。

    熱磨機為中密度纖維板生產(chǎn)的熱磨設備，完成將木塊分解成粉末狀任務(wù)，熱磨機轉動(dòng)快慢決定生產(chǎn)質(zhì)量。在生產(chǎn)過(guò)程中需要根據入料多少，控制熱磨機轉動(dòng)速度；而且在生產(chǎn)線(xiàn)其它設備出現故障時(shí)，工人需要短時(shí)間降低磨機轉速甚至停機；且在故障解除后，需要立即啟動(dòng)磨機。所以，熱磨機在生產(chǎn)過(guò)程中，需要頻繁啟動(dòng)、停止和轉速改變，變頻控制是實(shí)現熱磨機控制的首選控制策略。

    熱磨機圖片如下：

               

                           圖1.2熱磨機

    2.3繞線(xiàn)式電機改造鼠籠電機

    由于現場(chǎng)原有電機為繞線(xiàn)電機，原啟動(dòng)方式采用水阻啟動(dòng)方式，且無(wú)串電機調速裝置，無(wú)法進(jìn)行調速，要將繞線(xiàn)電機改造成鼠籠電機。鼠籠式轉子用銅條安裝在轉子鐵芯槽內，兩端用端環(huán)焊接，形狀像鼠籠。繞線(xiàn)式轉子的繞組和定子繞組相似，三相繞組連接成星形，三根端線(xiàn)連接到裝在轉軸上的三個(gè)銅滑環(huán)上，通過(guò)一組電刷與外電路相連接。
電機串電阻調速系統屬于有級調速，調速的平滑性差；低速時(shí)機械特性較軟，靜差率較大；電阻上消耗的轉差功率大，節能較差；變頻調速是改變電動(dòng)機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。變頻調速系統主要設備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類(lèi)，目前國內大都使用交－直－交變頻器。其特點(diǎn)：效率高，調速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗；應用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機；調速范圍大，特性硬，精度高。

    為克服傳統交流繞線(xiàn)式電機串電阻調速系統的缺點(diǎn)，采用變頻調速技術(shù)改造風(fēng)機傳動(dòng)系統，可以實(shí)現全頻率（0-50Hz）范圍內的恒轉矩控制。采用變頻調速需改為鼠籠式運行，轉子繞組已沒(méi)有必要外接電組。為避免電刷與集電環(huán)之間因接觸不良引起故障，將與集電環(huán)相接的三根線(xiàn)之間用導線(xiàn)短接，并將電刷舉起。將繞線(xiàn)式電機轉子三根引出線(xiàn)短接，并將電刷舉起，即可將繞線(xiàn)式異步電機改造成鼠籠式電機。

    三、高壓變頻調速系統的裝置設計 

    3.1 高壓變頻器系統原理

    按照電機學(xué)的基本原理，已知交流異步電動(dòng)機的轉速表達式為： n=(1-s)60f/p式中： s-滑差； p-電機極對數； f -電機供電頻率。由上述公式可以看出，只要改變滑差s、或者電機極對數p、或者電機運行頻率f，都可以達到調整電機本身速度的目的。

    HARSVERT-VA系列高壓變頻調速系統采用功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高－高電壓源型變頻器。變頻器主要由移相變壓器、功率模塊和控制器三部分組成。變頻器輸入側采用多重化移相變壓器實(shí)現隔離和諧波抵消。無(wú)須功率因數補償、諧波抑制裝置，多脈沖整流技術(shù)的應用使得變頻器電網(wǎng)側諧波可滿(mǎn)足IEEE519-1992標準和GB/T14549-93標準。變頻器輸出采用多個(gè)功率單元移相式PWM波形輸出串聯(lián)疊加，得到多電平高壓，實(shí)現較低的輸出電壓諧波、共模電壓和dv/dt。無(wú)須附加輸出濾波裝置，不會(huì )對電機的絕緣、軸承造成損害，可直接驅動(dòng)普通鼠籠式、繞線(xiàn)式異步電機和同步電機。

    移相變壓器：電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)干式移相變壓器降壓后給變頻器功率單元供電，變壓器采用移相多重化設計，以達到降低輸入諧波電流的目的。

    功率柜： 功率柜為三組輸入、單組輸出的交一直一交電壓源型逆變器結構，功率單元通過(guò)整流、逆變過(guò)程實(shí)現對驅動(dòng)電機供電電源的頻率調節。變頻器采用8個(gè)獨立功率單元串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現高壓輸出。有利于改善輸出波形，由諧波引起的電機發(fā)熱，噪音和轉矩脈動(dòng)都大大降低，所以這種變頻器對電機沒(méi)有特殊要求，可直接用于普通異步電機，不需要輔出濾波器。

    控制器：控制器是變頻器的控制中心，它完成變頻器頻率調節的全過(guò)程控制、變頻器電氣保護功能實(shí)現、以及變頻器的人機交互與通訊接口功能實(shí)現。

    3.2 北京利德華福高壓變頻調速系統優(yōu)點(diǎn)

    由于采用了高性能DSP芯片和新型一體化計算機，在秉承HARSVERT-A系列產(chǎn)品完美無(wú)諧波、高可靠性、功率/電壓等級覆蓋范圍廣、控制接口靈活等優(yōu)良品質(zhì)的基礎上，HARSVERT-VA系列無(wú)速度傳感器矢量控制高壓變頻調速產(chǎn)品能夠實(shí)現功能更為豐富、性能更高的高壓大容量交流傳動(dòng)控制。目前，HARSVERT-VA系列無(wú)速度傳感器矢量控制產(chǎn)品的性能指標為：調速范圍100:1，穩態(tài)轉速精度0.5%，動(dòng)態(tài)轉矩響應時(shí)間小于200ms，啟動(dòng)轉矩150%額定轉矩，基本達到國際先進(jìn)水平。

               

                       圖2.1 北京利德華福高壓變頻器

    目前，HARSVERT-VA系列高壓變頻調速系統具有以下功能：

? 恒壓頻比控制
    這種控制方式最顯著(zhù)特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，因而成為目前國內大多數變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)家所采用的電機控制方式。對于大多數對轉矩響應、控制精度要求不高的場(chǎng)合，如風(fēng)機、水泵類(lèi)負載，可以滿(mǎn)足一般應用要求。

? 無(wú)速度傳感器矢量控制
    無(wú)需安裝復雜且不易維護的測速裝置，HARSVERT-VA系列變頻器僅需對輸出三相電壓、兩相電流進(jìn)行檢測，即可根據預先自動(dòng)測定的電機模型，進(jìn)行異步電動(dòng)機的磁通和轉矩解耦控制，實(shí)現低速大轉矩負載啟動(dòng)和運行。適合礦井提升機、皮帶機等特殊負載使用。

? 速度閉環(huán)矢量控制
    在調速精度、轉矩響應要求更高的場(chǎng)合，安裝轉速傳感器后，可進(jìn)一步提高HARSVERT-VA系列速度閉環(huán)矢量控制變頻器的控制精度。

? 電機參數自動(dòng)整定
    要實(shí)現矢量控制，需要檢測電機的定轉子電阻電感參數。HARSVERT-VA系列變頻器可對異步電機自動(dòng)進(jìn)行電機學(xué)堵轉試驗和空載試驗，實(shí)現電機參數的自動(dòng)整定。

? 高壓掉電恢復自動(dòng)重啟
    在某些用戶(hù)場(chǎng)合，給變頻器供電的高壓電網(wǎng)可能會(huì )發(fā)生短時(shí)電壓跌落或缺失，為了盡可能不影響正常生產(chǎn)，在設定時(shí)限內，當高壓掉電恢復時(shí)，HARSVERT-VA系列產(chǎn)品能自動(dòng)快速識別并跟蹤當前電機轉速，恢復正常運行。

? 旋轉啟動(dòng)
    如果電機被負載拖動(dòng)仍在旋轉甚至反轉，變頻器能識別跟蹤電機轉速并拖動(dòng)負載到設定頻率運行。

    四、熱磨機采用變頻調速的使用效果

    高壓變頻器對交流電動(dòng)機進(jìn)行交流控制有許多優(yōu)勢，如節能，容易實(shí)現對現有電動(dòng)機的調速控制，可以實(shí)現大范圍內的高效連續調速控制，容易實(shí)現電動(dòng)機的正反轉切換，可以進(jìn)行高頻度的起停運轉，可以對電動(dòng)機進(jìn)行高速驅動(dòng)，可以適應各種工作環(huán)境，電源功率因數大，所需電源容量小，可以組成高性能的控制系統等等。
經(jīng)實(shí)際運行發(fā)現，使用高壓變頻器的皮帶機有以下優(yōu)點(diǎn)：

    （1）高壓變頻器具有高可靠性、穩定性、防護性；
    （2）高壓變頻器能夠完成熱磨機頻繁啟動(dòng)、停止；
    （3）高壓變頻器實(shí)現按照入料多少控制磨機轉速的生產(chǎn)工藝；
    （4）滿(mǎn)足木材廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)電控系統的功能接口和監控要求；
    （5）熱磨機在利用高壓變頻器根據實(shí)際情況對電機進(jìn)行調速，既符合工藝要求，又達到節能降耗目的；
    （6）變頻器啟動(dòng)過(guò)程平穩，無(wú)沖擊，體積小，好搬運；
    （7）高壓變頻器在磨機工作過(guò)程中承受40A-50A電流波動(dòng)而正常運行；
    （8）電機滿(mǎn)載時(shí)，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(guò)電流限制，過(guò)電壓限制，過(guò)負荷預警，過(guò)電流跳閘，功率單元故障跳閘，過(guò)負荷跳閘，接地故障跳閘，過(guò)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(shí)間，故障查詢(xún)，變頻器溫度等；
    （13）電機在啟動(dòng)和調節過(guò)程中，轉速平穩變化，電流沒(méi)有任何沖擊，消除了大啟動(dòng)電流對電機、傳動(dòng)系統和主機的沖擊應力，大大降低了日常的維護保養費用。

    五、結束語(yǔ)

    此次北京利德華福高壓變頻調速技術(shù)在肯尼亞Comply Industries熱磨機的實(shí)踐應用表明：電機在配備高壓變頻器后大大降低了日常的維護保養費用，取得了較好的運行效果，提高了中密度纖維板生產(chǎn)的自動(dòng)化生產(chǎn)水平。由此可見(jiàn)，高壓變頻調速技術(shù)在中密度纖維板使用對其它皮帶機設備進(jìn)行變頻改造起到了示范作用。

    參考文獻

    1. 高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應用 倚鵬 主編 人民郵電出版社，2008.2第一版
    2. 北京利德華福高壓變頻調速調速系統產(chǎn)品手冊 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司