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      變頻器在塑料編織行業中的應用與節能

      瀏覽次數: 日期:2014年11月29日 23:14

       

        塑料編織行業在我國已有近三十年的歷史了,塑編行業從無到有、從小到大,已成為國民經濟中不可缺少的一部分,在產品包裝中占有著舉足輕重的地位。
       
        傳動技術被廣泛的運用在工業設備中,塑編設備也不例外,隨著我國制造水平,國內外傳動技術的發展,塑編設備已從早期的單電機機械連軸傳動向多電機獨立調速發展,從最早的滑差電機向直流電機發展,隨著變頻技術的飛躍發展,變頻調速已經成了一種潮流、一種趨勢,三相異步電機已經可以運用到塑編設備的各個動力環節,實現了生產線的全變頻控制方式。
       
        變頻調速具有體積小,重量輕,精度高,通用性強,工藝先進,功能豐富,保護齊全,可靠性高,操作簡便等優點,優于以往的任何調速方式,在維護上也比其他控制方式簡單,方便。我國工業雖然近年來發展迅猛,但電力資源的發展相對于工業發展來說還存在滯后,直接影響了我國工業的發展,電力消耗也是企業生產中能耗的重要組成部分,直接影響著企業的經濟效益。
       
        塑編企業電能的80%左右消耗在各個電機拖動上,交流電動機不僅可以拖動各工藝傳動輥還可以拖動風機負荷,具有相當的節電潛力,這也就為變頻技術在塑編設備上的應用提供了較為廣闊的應用天地。
       
        1 變頻調速的原理
       
        變頻調速是根據三相異步電機的工作原理而采用的一種調速形式,其電機調速公式為n=60f(1-s)/p,其中:n為電機的轉速;p為電機定子繞組的磁極對數;f為電機供電電源的頻率;s為轉差率。塑編行業中應用的電機一般為4極,其磁極對數為2。我國的電源頻率為50Hz,通過公式計算可知,這種電機的同步轉速為1500r/min。因此在電機極對數不變的情況下進行調速,根據公式,只有改變電機的供電頻率f。而異步電機的轉速與同步電機轉速相對應,改變電機的供電頻率即改變了電機的轉速。電源頻率增加,同步轉速n增加,實際轉速也增加;電源頻率下降,電機同步轉速下降,電機實際轉速也下降。這種通過改變電機電壓頻率的調速方式即為變頻調速。在整個變頻調速過程中,在一固定的轉矩T下,轉差率s基本不變,隨著電機轉速n的下降,電機磁場角速度鬃也減小,電機的輸入功率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,變頻調速是電機控制中較為高效的調速方法。電機變頻調速能夠實現無級調速功能,而且根據不同的負載類型,可以靈活地調節V與f的關系,滿足各種場合的運用。
       
        2 變頻調速的應用
       
        2.1變頻調速在塑編設備擠出機中的應用塑編設備擠出機的種類很多,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筒里旋轉,經過固體輸送、熔融輸送、熔體輸送三個環節后,熔體從機筒進入模頭。如果是圓模頭,熔體擠出模后被牽引、切割分絲,生產成扁絲,也可以吹膜。如是平模頭,熔體擠出后被牽引,切割分絲,同樣可以生產扁絲。也可以在擠出平模后和編織布、紙等涂模,生產復合布。擠出機的傳動系統由調速電機、減速機、聯軸節、機座、軸承等組成。它的作用是給螺桿提供穩定的轉速和扭據,它為擠出機提供動力和傳遞扭矩。出于工藝的需求,對于擠出機的螺桿轉速有兩方面要求,一要求是無級調速,二是要有一定的調節范圍,這樣才能控制擠出量,以滿足不同的原料和加工要求。由于擠出機在啟動時其機頭壓力較大,那么在螺桿從靜態到轉動時候就需要一個加速的過程,螺桿速度會由慢逐步加快,因而需要調速器控制電機啟動時低速平穩運行。在使用過程中,螺桿的壓力和擠出機電機的速度也不是一成不變的,在一個工作周期內也存在波動,這在工藝上也是不允許的。這是因為這樣一方面造成了動力的浪費,另一方面增加了料筒與螺桿之間的摩擦,產生了大量的熱量,這就需要加裝冷卻風機,從而進一步浪費了能量。同時電機工作在低速的負載上時,功率因數低,電網的無功消耗也大。綜合起來,傳統的控制方式存在著能量浪費,最佳的工作方式還是采用變頻調速方案,其具有負載變化響應快,短時過載能力強的特點,并可以精確控制螺桿的壓力。以施耐德變頻器ATV71為例,利用內置PID調節回路,實時地控制料筒內的熔體壓力,在保證工作需要壓力的情況下,大幅度降低了工作能耗,有效改善了電網的質量,并節省了無功功率。
       
        2.2變頻調速在牽伸輥上的應用
       
        牽伸輥是塑編設備的重要組成部分,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重要指標的控制。同時,它也決定是否劈絲,線密度是否均勻等問題。
       
        實現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。為了保證產品的品質,需要牽伸輥和牽引輥電機具有很高的控制精度,并在同步升速降速時,具有良好的同步效果。變頻調速系統是高效率和高性能的調速系統,完全滿足工藝要求。
       
        通過改變定子供電頻率,電機轉速可得到寬范圍的無級調節。對定子電壓(或電源)以及頻率按一定規律進行協調控制,可提高傳動系統的運行特性和快速響應特性。如果采用閉環控制系統,整個調速系統可獲得精度高且優良的傳動特性。根據圖1可以看出,該類負載屬于恒轉矩負載,即不管生產線的速度如何變化,負載的扭矩是不變的。根據公式P=KTn(式中P為軸功率,K為系數,T為負載扭矩,n為電機速度),可以看出利用變頻調速后,當線速度為電機速度的50%時,電機能耗也只有原先的50%,其節能效果顯著。
       
        2.3變頻調速在塑編設備風機中的應用
       
        塑編設備在生產過程中經常使用烘箱,作為扁絲的加熱設備,傳統設計中,一般采用調節風門來調節烘箱的風流量。通過物理力學原理我們知道此類負載屬于變轉矩負載,其風流量與電機轉速成正比,壓力與轉速的平方成正比,當需要減小風流量時,降低電機速度,電機功耗將大幅度的降低。例如當流量降為原先流量的80%時,電機功率為原先的51%,下降了一半,因此變頻調速在風機上的節能效果是顯著的。
       
        3 變頻調速在塑編設備中的注意事項
       
        在塑編設備中經常采用電壓型變頻器作為變頻調速設備,但在塑編設備中,各牽引輥為了達到一定的拉伸倍數,使得部分調速電機處在電動和發電兩種狀態下,而普通的電壓型變頻器前端不具有電源逆變回路,因此當電機工作在發電狀態時,電機的反饋能量通過續流二級管流入了變頻器的直流側,使得濾波電容電壓上升,如電壓過高會引起變頻器過壓保護動作,導致設備故障跳停,甚至燒毀開關變流器件。加裝制動回路能夠解決這一問題,此時電機反饋的能量消耗在制動電阻上。為了節約能量,可以把相近功率的調速器的直流母線相連,這樣當某個電機工作在發電狀態時,電機反饋回來的能量流入其它變頻器的直流母線中,被其它電機所利用,防止了能量的浪費。當然如果條件允許,可給整個調速系統加設直流電源裝置來為系統供電,這也是節能的一個不錯的選擇,但成本太大,一般不采用。
       
        4 結語
       
        現在,變頻調速已經成為節約能源的一個重要手段,引起了人們的普遍關注。不僅因為交流拖動負荷在企業的總用電量中占有很大的分量,對該種負荷進行能源優化,可以獲得十分可觀的節電效益;而且交流拖動系統具有很大的節電潛力。
       
        在設備拖動設計中,交流電機及其所拖動的機械往往都留有一定的裕量,而且一般也不總是在最大負荷下運行;輕載時,通過對電動機的速度進行控制改變某些工作機械的工況,就可達到節電的目的。
       
        交流電機采用變頻調速技術是現今調速系統的趨勢,它具有體積小、重量輕、精度高、通用性強、工藝先進、功能豐富、保護出色、可靠性高、操作簡便等優于以往任何調速方式的特點。并且隨著電子技術的發展,變頻器的制造成本明顯降低,它的經濟效益也越來越大。
       
        作者簡介:
       
        姜軍輝(1978-),男,2000年畢業于天津理工大學,本科學歷,主要從事PVC小片材機、塑料圓筒編織機、塑料扁絲拉絲機、塑料編織布覆膜機等機械成套設備的電氣設計工作。曾在塑料通訊期刊中發表過《變頻調速在放卷機上的應用》等文章。

      所屬類別: 塑編技術

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