一、前言

在非洲某地有一家主要從事生產(chǎn)膠合板、電線桿、中密度纖維板、木芯板、硬紙板、沿邊推拉門(mén)、夾芯板、木制品等大部分以木材為原料大型木材加工生產(chǎn)企業(yè)。他們的中密度纖維板生產(chǎn)基地，能夠生產(chǎn)提供高質(zhì)量的中密度纖維板。該生產(chǎn)基地配備包含了整個(gè)生產(chǎn)工藝流程的原木處理到木板生產(chǎn)的一整套生產(chǎn)環(huán)節(jié)的配套設(shè)備。該生產(chǎn)基地通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)大型設(shè)備的協(xié)同工作，完成切割、研磨、壓縮、制版、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)環(huán)節(jié)。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中使用了切割機(jī)、帶式輸送機(jī)、研磨機(jī)、升降機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)等各種電機(jī)。其中，低壓電機(jī)已采用變頻技術(shù)控制； 熱磨機(jī)的高壓電機(jī)為繞線電機(jī)，采用水阻啟動(dòng)，使用時(shí)不調(diào)速。由于繞線電機(jī)LRS調(diào)速控制性能差，用戶需要對(duì)熱磨機(jī)電機(jī)進(jìn)行變頻控制改造。

二、熱磨機(jī)采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的理論基礎(chǔ)

1、中密度纖維板的介紹

中密度纖維板是20世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)品，是20世紀(jì)林產(chǎn)工業(yè)的偉大發(fā)明之一。其優(yōu)異的性能在其他種類(lèi)的板材中具有不可替代的地位，其產(chǎn)量近年來(lái)發(fā)展迅速。原因是它具有優(yōu)異的物理機(jī)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(jīng)切片、煮制、纖維分離、干燥、涂脲醛樹(shù)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(nèi)，厚度一般為2-30mm。

2、熱磨機(jī)介及變頻控制原理

熱磨機(jī)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(tǒng)中完成的。纖維是中密度纖維板的質(zhì)量基礎(chǔ)，熱磨是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的工序。該熱磨機(jī)電機(jī)為繞線式異步電機(jī)，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(shù)0.9，額定轉(zhuǎn)速1485r/min。

熱磨機(jī)是生產(chǎn)中密度纖維板的熱磨設(shè)備，完成將木塊分解成粉末的任務(wù)，熱磨機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了生產(chǎn)質(zhì)量。在生產(chǎn)過(guò)程中，需要根據(jù)進(jìn)料量控制熱磨機(jī)的轉(zhuǎn)速；而且，當(dāng)生產(chǎn)線上的其他設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，工人需要降低磨機(jī)的速度，甚至短時(shí)間停機(jī)；故障排除后，需要立即啟動(dòng)磨機(jī)。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，熱磨機(jī)需要頻繁啟停和變速，變頻控制是控制熱磨機(jī)的首選。

熱磨機(jī)圖片如下:

3、鼠籠式電機(jī)與繞線式電機(jī)的改造

由于現(xiàn)場(chǎng)原電機(jī)為繞線電機(jī)，原啟動(dòng)方式采用水阻啟動(dòng)方式，沒(méi)有串聯(lián)電機(jī)調(diào)速裝置，無(wú)法調(diào)速。因此，繞線式電機(jī)應(yīng)改造成鼠籠式電機(jī)。鼠籠式轉(zhuǎn)子用銅棒安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)，兩端焊接端環(huán)，形狀像鼠籠。繞線轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸上的三個(gè)銅滑環(huán)上，三個(gè)銅滑環(huán)通過(guò)一套電刷與外部電路相連。

電機(jī)串聯(lián)電阻調(diào)速系統(tǒng)屬于步進(jìn)調(diào)速，調(diào)速的平順性差；低速時(shí)，機(jī)械特性軟，靜態(tài)誤差率大；電阻上消耗的滑差功率大，節(jié)能性差；變頻調(diào)速是通過(guò)改變電機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步速度的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要設(shè)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(guó)內(nèi)多采用交流-DC-交流變頻器。其特點(diǎn):效率高，調(diào)速過(guò)程中無(wú)額外損耗；適用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)；調(diào)速范圍寬，特性硬，精度高。

為了克服傳統(tǒng)交流繞線電機(jī)串聯(lián)電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，可實(shí)現(xiàn)全頻(0-50Hz)范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制。需要將變頻調(diào)速改為鼠籠式運(yùn)行，不再需要將轉(zhuǎn)子繞組與外部電源單元連接。為避免電刷與集電環(huán)接觸不良造成故障，用導(dǎo)線將與集電環(huán)連接的三根導(dǎo)線短路，提起電刷。繞線式異步電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)短路繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的三根引出線并提起電刷而轉(zhuǎn)變成鼠籠式電動(dòng)機(jī)。

三、重載變頻調(diào)速系統(tǒng)的裝置設(shè)計(jì)

1、重載變頻系統(tǒng)原理

根據(jù)電氣工程的基本原理，已知交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為:n=(1-s)60f/p，其中:s-轉(zhuǎn)差率；P-電機(jī)極數(shù)；f-電機(jī)電源頻率。從上面的公式可以看出，電機(jī)本身的速度可以通過(guò)改變滑差s，或者極數(shù)p，或者電機(jī)的運(yùn)行頻率f來(lái)調(diào)節(jié)。

三科SKI600變頻調(diào)速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬于大功率重載變頻產(chǎn)品。主要由移相變壓器、功率模塊和控制器組成。輸入側(cè)采用多個(gè)移相變壓器，實(shí)現(xiàn)隔離和諧波消除。在沒(méi)有功率因數(shù)補(bǔ)償和諧波抑制裝置的情況下，多脈沖整流技術(shù)的應(yīng)用使電網(wǎng)側(cè)的諧波符合IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)和GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)。輸出采用多個(gè)功率單元移相PWM波形輸出的串聯(lián)疊加，獲得多電平高電壓，從而實(shí)現(xiàn)更低的輸出電壓諧波、共模電壓和dv/dt。無(wú)需增加輸出濾波裝置，不會(huì)損壞電機(jī)的絕緣和軸承，可以直接驅(qū)動(dòng)普通鼠籠式和繞線式異步電機(jī)和同步電機(jī)。

移相變壓器:干式移相變壓器將電網(wǎng)電壓降壓，為逆變電源單元供電。變壓器采用移相多路設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)，三組輸入，一組輸出。功率單元可以通過(guò)整流和逆變來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源頻率。逆變器采用8個(gè)獨(dú)立的功率單元串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高壓輸出。有利于改善輸出波形，大大降低了電機(jī)發(fā)熱、噪聲和諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。因此，這種變頻器對(duì)電機(jī)沒(méi)有特殊要求，可以直接用于普通異步電機(jī)，無(wú)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(diào)節(jié)的全過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)變頻器的電氣保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)變頻器的人機(jī)交互和通訊接口功能。

2、三科變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

采用高性能DSP芯片和新型集成計(jì)算機(jī)，再加上SKI600系列產(chǎn)品無(wú)諧波、可靠性高、功率/電壓等級(jí)覆蓋廣、控制接口靈活等優(yōu)良品質(zhì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的豐富性、性能更高的高壓大容量交流傳動(dòng)控制。目前SKI600的性能指標(biāo)為:轉(zhuǎn)速范圍100:1，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度0.5%，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間小于200ms，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩150%額定轉(zhuǎn)矩，基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

目前，SKI600系列重載變頻調(diào)速系統(tǒng)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(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，因此成為目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)變頻器廠商采用的電機(jī)控制方式。對(duì)于大多數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和控制精度要求不高的場(chǎng)合，如風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載等，都能滿足一般的應(yīng)用要求。

無(wú)速度傳感器矢量控制

無(wú)需安裝復(fù)雜難維護(hù)的測(cè)速裝置，SKI600系列產(chǎn)品只需檢測(cè)輸出的三相電壓和兩相電流，就能根據(jù)預(yù)先自動(dòng)確定的電機(jī)型號(hào)進(jìn)行異步電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩解耦控制，實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載的啟動(dòng)和運(yùn)行。適用于特殊負(fù)載，如礦井提升機(jī)和帶式輸送機(jī)。

速度閉環(huán)矢量控制

當(dāng)對(duì)速度控制精度和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要求較高時(shí)，安裝速度傳感器后，可以進(jìn)一步提高SKI600系列速度閉環(huán)矢量控制變頻器的控制精度。

電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)

為了實(shí)現(xiàn)矢量控制，需要檢測(cè)定子和轉(zhuǎn)子的電阻和電感參數(shù)。三科SKI600系列產(chǎn)品可以自動(dòng)對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行機(jī)電堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)和空載試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)整定。

重載電源故障恢復(fù)自動(dòng)重啟

在一些用戶場(chǎng)合，由變頻器供電的大功率電網(wǎng)可能會(huì)出現(xiàn)短期壓降或損耗。為了盡可能不影響正常生產(chǎn)，SKI600系列產(chǎn)品能夠在設(shè)定時(shí)限內(nèi)恢復(fù)高壓停電時(shí)，自動(dòng)快速識(shí)別并跟蹤當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，恢復(fù)正常運(yùn)行。

旋轉(zhuǎn)開(kāi)始

如果電機(jī)被負(fù)載拖動(dòng)后仍在旋轉(zhuǎn)甚至反轉(zhuǎn)，變頻器可以識(shí)別并跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速，拖動(dòng)負(fù)載以設(shè)定的頻率運(yùn)行。

四、熱磨機(jī)變頻調(diào)速的使用效果

SKI600重載變頻器在交流電機(jī)的交流控制中具有節(jié)能、現(xiàn)有電機(jī)調(diào)速容易、大范圍高效連續(xù)調(diào)速、電機(jī)正反切換容易、高頻啟停運(yùn)行、電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)、適應(yīng)各種工作環(huán)境、電源功率因數(shù)大、供電容量小、控制系統(tǒng)高性能等諸多優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，采用重載變頻器的帶式輸送機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)高壓變頻器可靠性、穩(wěn)定性和保護(hù)性高；

（2）幫助熱磨機(jī)進(jìn)行頻繁啟停；

(3)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)給料量控制磨機(jī)轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)過(guò)程；

(4)滿足木材廠生產(chǎn)線電子控制系統(tǒng)的功能接口和監(jiān)控要求；

(5)熱磨機(jī)根據(jù)實(shí)際情況采用高壓變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，既滿足了工藝要求，又達(dá)到了節(jié)能降耗的目的；

(6)變頻器啟動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，無(wú)沖擊，體積小，便于攜帶；

(7)磨機(jī)工作過(guò)程中，高壓變頻器在40A-50A的電流波動(dòng)下運(yùn)行正常；

(8)電機(jī)滿載時(shí)，變頻調(diào)速系統(tǒng)效率≧96%；

(9)變頻器輸入側(cè)功率因數(shù)≧97%；

(10)變頻器輸入諧波小于4%；

(11)變頻器自保護(hù)功能:過(guò)流限制、過(guò)壓限制、過(guò)載報(bào)警、過(guò)流跳閘、功率單元故障跳閘、過(guò)載跳閘、接地故障跳閘、過(guò)熱跳閘等。

(12)變頻器數(shù)據(jù)顯示:輸出頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入輸出電流、輸入輸出電壓、電機(jī)輸出功率、運(yùn)行時(shí)間、故障查詢、變頻器溫度等。

(13)SKI600重載三相變頻器在啟動(dòng)和調(diào)整過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化平滑穩(wěn)定，電流無(wú)影響，消除了大啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力，大大降低了日常維護(hù)成本。