变频器为中密度纤维板生产的开启工业自动化改革

一、前言

在非洲某地有一家主要从事生产胶合板、电线杆、中密度纤维板、木芯板、硬纸板、沿边推拉门、夹芯板、木制品等大部分以木材为原料大型木材加工生产企业。他们的中密度纤维板生产基地，能够生产提供高质量的中密度纤维板。该生产基地配备包含了整个生产工艺流程的原木处理到木板生产的一整套生产环节的配套设备。该生产基地通过PLC实现生产过程的自动化控制，实现多台大型设备的协同工作，完成切割、研磨、压缩、制版、运输等生产环节。整个生产过程中使用了切割机、带式输送机、研磨机、升降机、鼓风机和引风机等各种电机。其中，低压电机已采用变频技术控制； 热磨机的高压电机为绕线电机，采用水阻启动，使用时不调速。由于绕线电机LRS调速控制性能差，用户需要对热磨机电机进行变频控制改造。

二、热磨机采用高压变频调速技术的理论基础

1、中密度纤维板的介绍

中密度纤维板是20世纪60年代中期发展起来的产品，是20世纪林产工业的伟大发明之一。其优异的性能在其他种类的板材中具有不可替代的地位，其产量近年来发展迅速。原因是它具有优异的物理机械性能、装饰性能和加工性能。中密度纤维板是以小直径原木、伐木加工剩余物和非木材植物纤维为原料，经切片、煮制、纤维分离、干燥、涂脲醛树脂或其他合适的胶粘剂，然后热压而成的一种人造板。其密度一般在500-880 kg/m3范围内，厚度一般为2-30mm。

2、热磨机介及变频控制原理

热磨机是直接分离纤维的装置，纤维分离是在高温、高压、高速的完全封闭系统中完成的。纤维是中密度纤维板的质量基础，热磨是整个生产过程中非常重要的工序。该热磨机电机为绕线式异步电机，额定电压3300V，额定电流283.4A，额定功率1400kW，额定频率50Hz，功率因数0.9，额定转速1485r/min。

热磨机是生产中密度纤维板的热磨设备，完成将木块分解成粉末的任务，热磨机的转速决定了生产质量。在生产过程中，需要根据进料量控制热磨机的转速；而且，当生产线上的其他设备出现故障时，工人需要降低磨机的速度，甚至短时间停机；故障排除后，需要立即启动磨机。因此，在生产过程中，热磨机需要频繁启停和变速，变频控制是控制热磨机的首选。

热磨机图片如下:

3、鼠笼式电机与绕线式电机的改造

由于现场原电机为绕线电机，原启动方式采用水阻启动方式，没有串联电机调速装置，无法调速。因此，绕线式电机应改造成鼠笼式电机。鼠笼式转子用铜棒安装在转子铁芯槽内，两端焊接端环，形状像鼠笼。绕线转子的绕组与定子绕组相似。三相绕组连接成星形，三根端线连接在安装在转轴上的三个铜滑环上，三个铜滑环通过一套电刷与外部电路相连。

电机串联电阻调速系统属于步进调速，调速的平顺性差；低速时，机械特性软，静态误差率大；电阻上消耗的滑差功率大，节能性差；变频调速是通过改变电机定子电源的频率，从而改变其同步速度的调速方法。变频调速系统的主要设备是提供变频电源的变频器。变频器可分为交流-DC-交流变频器和交流-交流变频器。目前国内多采用交流-DC-交流变频器。其特点:效率高，调速过程中无额外损耗；适用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围宽，特性硬，精度高。

为了克服传统交流绕线电机串联电阻调速系统的缺点，采用变频调速技术对风机驱动系统进行改造，可实现全频(0-50Hz)范围内的恒转矩控制。需要将变频调速改为鼠笼式运行，不再需要将转子绕组与外部电源单元连接。为避免电刷与集电环接触不良造成故障，用导线将与集电环连接的三根导线短路，提起电刷。绕线式异步电动机可以通过短路绕线式电动机转子的三根引出线并提起电刷而转变成鼠笼式电动机。

三、重载变频调速系统的装置设计

1、重载变频系统原理

根据电气工程的基本原理，已知交流异步电动机的转速表达式为:n=(1-s)60f/p，其中:s-转差率；P-电机极数；f-电机电源频率。从上面的公式可以看出，电机本身的速度可以通过改变滑差s，或者极数p，或者电机的运行频率f来调节。

三科SKI600变频调速系统采用功率单元串联多电平技术，属于大功率重载变频产品。主要由移相变压器、功率模块和控制器组成。输入侧采用多个移相变压器，实现隔离和谐波消除。在没有功率因数补偿和谐波抑制装置的情况下，多脉冲整流技术的应用使电网侧的谐波符合IEEE519-1992标准和GB/T14549-93标准。输出采用多个功率单元移相PWM波形输出的串联叠加，获得多电平高电压，从而实现更低的输出电压谐波、共模电压和dv/dt。无需增加输出滤波装置，不会损坏电机的绝缘和轴承，可以直接驱动普通鼠笼式和绕线式异步电机和同步电机。

移相变压器:干式移相变压器将电网电压降压，为逆变电源单元供电。变压器采用移相多路设计，降低输入谐波电流。

电源柜:电源柜为交流-DC-交流电压源逆变器结构，三组输入，一组输出。功率单元可以通过整流和逆变来调节驱动电机的电源频率。逆变器采用8个独立的功率单元串联，实现高压输出。有利于改善输出波形，大大降低了电机发热、噪声和谐波引起的转矩脉动。因此，这种变频器对电机没有特殊要求，可以直接用于普通异步电机，无需辅助输出滤波器。

控制器:控制器是变频器的控制中心，完成频率调节的全过程控制，实现变频器的电气保护功能，实现变频器的人机交互和通讯接口功能。

2、三科变频调速系统的优势

采用高性能DSP芯片和新型集成计算机，再加上SKI600系列产品无谐波、可靠性高、功率/电压等级覆盖广、控制接口灵活等优良品质的基础上，实现产品功能的丰富性、性能更高的高压大容量交流传动控制。目前SKI600的性能指标为:转速范围100:1，稳态转速精度0.5%，动态转矩响应时间小于200ms，启动转矩150%额定转矩，基本达到国际先进水平。

目前，SKI600系列重载变频调速系统具有以下功能:

恒压频率比控制

这种控制方式最显著的特点是简单易行，因此成为目前国内大多数变频器厂商采用的电机控制方式。对于大多数对转矩响应和控制精度要求不高的场合，如风机、水泵负载等，都能满足一般的应用要求。

无速度传感器矢量控制

无需安装复杂难维护的测速装置，SKI600系列产品只需检测输出的三相电压和两相电流，就能根据预先自动确定的电机型号进行异步电机的磁链和转矩解耦控制，实现低速大转矩负载的启动和运行。适用于特殊负载，如矿井提升机和带式输送机。

速度闭环矢量控制

当对速度控制精度和转矩响应要求较高时，安装速度传感器后，可以进一步提高SKI600系列速度闭环矢量控制变频器的控制精度。

电机参数的自动调节

为了实现矢量控制，需要检测定子和转子的电阻和电感参数。三科SKI600系列产品可以自动对异步电机进行机电堵转试验和空载试验，实现电机参数的自动整定。

重载电源故障恢复自动重启

在一些用户场合，由变频器供电的大功率电网可能会出现短期压降或损耗。为了尽可能不影响正常生产，SKI600系列产品能够在设定时限内恢复高压停电时，自动快速识别并跟踪当前电机转速，恢复正常运行。

旋转开始

如果电机被负载拖动后仍在旋转甚至反转，变频器可以识别并跟踪电机转速，拖动负载以设定的频率运行。

四、热磨机变频调速的使用效果

SKI600重载变频器在交流电机的交流控制中具有节能、现有电机调速容易、大范围高效连续调速、电机正反切换容易、高频启停运行、电机高速驱动、适应各种工作环境、电源功率因数大、供电容量小、控制系统高性能等诸多优点。

通过实际运行发现，采用重载变频器的带式输送机具有以下优点:

(1)高压变频器可靠性、稳定性和保护性高；

（2）帮助热磨机进行频繁启停；

(3)实现了根据给料量控制磨机转速的生产过程；

(4)满足木材厂生产线电子控制系统的功能接口和监控要求；

(5)热磨机根据实际情况采用高压变频器对电机进行调速，既满足了工艺要求，又达到了节能降耗的目的；

(6)变频器启动过程平稳，无冲击，体积小，便于携带；

(7)磨机工作过程中，高压变频器在40A-50A的电流波动下运行正常；

(8)电机满载时，变频调速系统效率≧96%；

(9)变频器输入侧功率因数≧97%；

(10)变频器输入谐波小于4%；

(11)变频器自保护功能:过流限制、过压限制、过载报警、过流跳闸、功率单元故障跳闸、过载跳闸、接地故障跳闸、过热跳闸等。

(12)变频器数据显示:输出频率、电机转速、输入输出电流、输入输出电压、电机输出功率、运行时间、故障查询、变频器温度等。

(13)SKI600重载三相变频器在启动和调整过程中，电机转速变化平滑稳定，电流无影响，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低了日常维护成本。