ACS550變頻器在分離機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用

   分離機(jī)械的驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般分為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)和多電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種，本文將主要介紹ACS550變頻器在作為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的典型案例三足式離心機(jī)的應(yīng)用和作為多電機(jī)取得驅(qū)動(dòng)的典型案例臥螺離心機(jī)的應(yīng)用。 
        1、前言 
        分離機(jī)械是將液體與固體顆粒混合物進(jìn)行分離的設(shè)備，主要分為離心機(jī)、分離機(jī)、壓濾機(jī)、濾油器、過(guò)濾器等設(shè)備。分離機(jī)械一般是工藝流程中的后處理設(shè)備，所以直接關(guān)系到最終產(chǎn)品的質(zhì)量。從整體上看，我國(guó)分離機(jī)械技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)水平相比存在較大差距。主要表現(xiàn)在：分離機(jī)械品種、規(guī)格少，不能完全滿足國(guó)內(nèi)生產(chǎn)需要，特別是分離物料粘度大、精度細(xì)的機(jī)械，效率高、生產(chǎn)能力大、自動(dòng)化程度高的分離機(jī)械絕大多數(shù)依賴(lài)進(jìn)口；分離機(jī)理和應(yīng)用技術(shù)研究落后，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度慢；制造工藝落后，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品可靠性、穩(wěn)定性較差，技術(shù)水平和自動(dòng)化水平較低；配套設(shè)備和材料不能滿足分離機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)的需要，尤其是產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性很不穩(wěn)定。 
        從分離機(jī)械的發(fā)展來(lái)看，數(shù)字交流變頻器將替代原來(lái)的電磁調(diào)速、直流調(diào)速、液力偶合調(diào)速、多速電機(jī)，而逐步成為分離機(jī)械的主要驅(qū)動(dòng)裝置。本文將介紹的是ABB公司的新品ACS550變頻器在分離機(jī)械的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。 
        ACS550是ABB公司最新推出的智能性變頻器，該系列變頻器用于0.75KW～355KW低壓交流傳動(dòng)。它能精確地控制速度和轉(zhuǎn)矩，能匹配現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)鼠籠異步電動(dòng)機(jī)。ACS550具有三種控制方式，即標(biāo)量V/F控制、無(wú)傳感器矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制，所以該款變頻器不僅能夠適合于最簡(jiǎn)單的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也可以應(yīng)用在復(fù)雜的工作場(chǎng)合。其可靠的過(guò)載能力設(shè)計(jì)，也可以同時(shí)滿足普通負(fù)載和重載工作。 
        分離機(jī)械的驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般分為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)和多電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種，本文將主要介紹ACS550變頻器在作為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的典型案例三足式離心機(jī)的應(yīng)用和作為多電機(jī)取得驅(qū)動(dòng)的典型案例臥螺離心機(jī)的應(yīng)用。 
        2、變頻器在三足式離心機(jī)中的應(yīng)用 
        三足式離心機(jī)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)物料的適應(yīng)性很強(qiáng)、應(yīng)用面最廣的立式離心機(jī)。分沉降型和過(guò)濾型兩大類(lèi)。應(yīng)用最多的是過(guò)濾型三足式離心機(jī)。它即能適于分離粒徑僅為數(shù)微米的細(xì)顆粒，也能用于成件物品的脫液。通過(guò)調(diào)整各操作工序的延續(xù)時(shí)間，可用于分離過(guò)濾難易程度不同的各種懸浮液，通過(guò)調(diào)節(jié)濾餅的洗滌時(shí)間，可以滿足不同的洗滌要求。這種機(jī)型主要適用于中小型的生產(chǎn)規(guī)模，但由于有上述很多長(zhǎng)處，所以廣泛應(yīng)用于制藥、化工、輕工、紡織、食品、機(jī)械制造等工業(yè)部門(mén)。 
        在本應(yīng)用中，變頻器驅(qū)動(dòng)的是離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓，啟動(dòng)平穩(wěn)，分離因數(shù)可調(diào)；徹底克服了傳統(tǒng)直流碳刷式離心機(jī)噪音大、故障率高、使用壽命短、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，是重力沉降分離設(shè)備更新?lián)Q代產(chǎn)品。交流變頻離心機(jī)在減震系統(tǒng)和變頻電機(jī)等幾項(xiàng)重要指標(biāo)上具有鮮明的特色和獨(dú)創(chuàng)性。常見(jiàn)的三足式離心機(jī)的單機(jī)驅(qū)動(dòng)功率在3KW與55KW之間，ACS550完全可以勝任。 

        圖一 ACS550在三足式離心機(jī)中的應(yīng)用原理 
       

        圖一為ACS550變頻器的原理，在其外圍線路中，主要分三個(gè)部分： 
        （1）直流母線UDC+、UDC－端接制動(dòng)單+、—端，然后根據(jù)不同的選擇（如回饋制動(dòng)接電網(wǎng)三相、能耗制動(dòng)則接制動(dòng)電阻），Tk為制動(dòng)單元的內(nèi)部繼電器，當(dāng)本單元出現(xiàn)故障時(shí)，Tk動(dòng)作，通過(guò)變頻器的端子DI4定義，瞬間封鎖U/V/W輸出。 
        （2）控制回路輸入、輸出端子中，采用宏9902＝5的定義 
         DI1：手動(dòng)/自動(dòng)起動(dòng)/ 停車(chē) ( 手動(dòng))： 得電起動(dòng) 
         DI2：正轉(zhuǎn)/ 反轉(zhuǎn)( 手動(dòng))： 得電轉(zhuǎn)向?yàn)榉崔D(zhuǎn) 
         DI3：EXT1/EXT2 選擇：得電選擇自動(dòng)控制 
         DI4：運(yùn)行允許： 一旦斷開(kāi)變頻器將停車(chē) 
         DI5：正轉(zhuǎn)/ 反轉(zhuǎn)( 自動(dòng))： 得電轉(zhuǎn)向?yàn)榉崔D(zhuǎn) 
         DI6：起動(dòng)/ 停車(chē) ( 自動(dòng))： 得電起動(dòng) 
         AI1：外部速度給定 1: 0…10 V ( 手動(dòng)控制，電位器、參考電壓 10 VDC ) 
        vAI1：外部速度給定 1: 0…10 V ( 手動(dòng)控制，參考電壓 10 VDC ) 
        AI2：外部速度給定 2: 0…20 mA ( 自動(dòng)控制，參考信號(hào)： 0…20 mA ) 
        RO2C/2B：繼電輸出2， 可編程（默認(rèn)動(dòng)作：運(yùn)行） 
        RO3C/3B：繼電輸出3， 可編程（默認(rèn)動(dòng)作：故障） 
        AO1：直流數(shù)顯儀（頻率或轉(zhuǎn)速指示） 
        離心機(jī)使用變頻器時(shí)，制動(dòng)方式應(yīng)優(yōu)先考慮向電網(wǎng)回饋能量的再生制動(dòng)，電能回饋制動(dòng)是將制動(dòng)的能量反饋回電網(wǎng)再利用，從節(jié)能的角度來(lái)看，是一種最好的方式，而且沒(méi)有熱量產(chǎn)生，非常適合安裝在易燃場(chǎng)合（因?yàn)槟芎闹苿?dòng)會(huì)有大量熱量產(chǎn)生）。在不宜采用這種再生制動(dòng)裝置的地方，如有電網(wǎng)諧波要求（因?yàn)橐话愕哪芰炕仞佒苿?dòng)單元諧波系數(shù)不盡理想），應(yīng)安裝足夠容量的制動(dòng)電阻器，并采取散熱措施；當(dāng)然在非易燃場(chǎng)合，從節(jié)省一次性安裝成本考慮，也大都采用能耗制動(dòng)。 
        一般的能耗制動(dòng)單元都具有如下的基本功能： 
        （1）參數(shù)設(shè)定 
        動(dòng)作電壓設(shè)定：通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)可以設(shè)定動(dòng)作電壓設(shè)定值660V或710V（進(jìn)線為380V級(jí)）。
制動(dòng)使用率：通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)可以設(shè)定制動(dòng)單元的工作使用率，一般的能耗制動(dòng)單元默認(rèn)值為10％，但由于系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)要求的不同，可以設(shè)置不同的制動(dòng)率，最大到100％。 
        （2）狀態(tài)結(jié)點(diǎn) 
        模塊異常：當(dāng)直流回路發(fā)生短路、過(guò)載或IGBT模塊損壞時(shí)制動(dòng)單元報(bào)警，故障繼電器Tk動(dòng)作。
散熱器過(guò)熱：制動(dòng)單元散熱器過(guò)熱報(bào)警，故障繼電器Tk動(dòng)作。
制動(dòng)單元運(yùn)行正常時(shí)，Tk閉合，變頻器處于使能狀態(tài)可以正常工作；遇故障動(dòng)作時(shí)，Tk打開(kāi)，通過(guò)對(duì)變頻器輸入端子DI4的定義,，即可瞬間封鎖U/V/W輸出，起到保護(hù)作用。
        對(duì)于直接回饋制動(dòng)，目前已經(jīng)有了成熟的產(chǎn)品，但造價(jià)普遍高出能耗制動(dòng)的幾倍。在實(shí)現(xiàn)變頻器的直流回路與進(jìn)線電網(wǎng)電源間的雙向能量傳遞，一種最有效的辦法就是采用有源逆變技術(shù)：即將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，它采用了電流追蹤型PWM整流器，這樣就容易實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，且具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。同時(shí)，這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得我們能夠完全控制交流側(cè)和直流側(cè)之間的無(wú)功和有功的交換。當(dāng)然不同的產(chǎn)品有不同的控制方式，我們必須同時(shí)注意到功率因數(shù)、諧波分量、輸出相位等。 
        3、ABB變頻器在臥螺離心機(jī)上的應(yīng)用 
        臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)臥螺離心機(jī)）廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、醫(yī)藥、食品、輕工等部門(mén)。即可用于固體脫水和分級(jí)，也可用于液體的澄清，在離心機(jī)領(lǐng)域占有重要地位。由于這種離心機(jī)具有單機(jī)處理能力大、操作方便、能連續(xù)自動(dòng)操作、勞動(dòng)強(qiáng)度低、占地面積少以及維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，所以自五十年代以來(lái)，螺旋離心機(jī)在污泥脫水中得到廣泛應(yīng)用，逐漸取代其他脫水機(jī)械成為大型城市污水處理廠污泥脫水的首選設(shè)備。懸浮液通過(guò)在螺旋輸送器中心的進(jìn)料管進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，由于離心力的作用，較重或較大的顆粒被拋向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，通過(guò)螺旋小端的噴射孔噴出轉(zhuǎn)鼓，而較輕的固體顆粒及液相通過(guò)轉(zhuǎn)鼓大頭的溢流孔溢出轉(zhuǎn)鼓。懸浮液由一臺(tái)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的螺桿泵進(jìn)料。 
        從發(fā)展趨勢(shì)看，臥螺的傳動(dòng)已經(jīng)從能耗嚴(yán)重的渦流制動(dòng)發(fā)展到目前最主流的雙電機(jī)雙變頻驅(qū)動(dòng)。如圖二所示，典型的臥螺離心機(jī)中有兩個(gè)傳動(dòng)軸：一個(gè)軸帶動(dòng)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)、另一軸帶動(dòng)筒軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者的轉(zhuǎn)速需要精確的配合。變頻矢量控制針對(duì)不同液體濃度自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載變化，高效可靠的完成離心分離過(guò)程。具體的分離控制功能則被集成在PLC離心機(jī)控制軟件中。從接線方式看，交流電網(wǎng)接到主變頻器的進(jìn)線端，兩變頻器的直流母線直接并聯(lián)輔機(jī)傳動(dòng)變頻器并不直接接駁進(jìn)線380V，這樣就可以方便而可靠地實(shí)現(xiàn)能量共享。在正常運(yùn)行情況下，輔機(jī)都是處在發(fā)電狀態(tài)，主電機(jī)則是在電動(dòng)狀態(tài)，輔機(jī)發(fā)電導(dǎo)致母線電壓泵升，然后通過(guò)母線互聯(lián)，將泵升電壓消耗在主機(jī)上，從而減少了從電網(wǎng)吸納的電能，起到了節(jié)能的作用。 
        在本方案中，由于輔機(jī)傳動(dòng)電機(jī)需要的無(wú)功勵(lì)磁電流和副電機(jī)偶爾作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行（例如啟動(dòng)階段和加減速過(guò)渡過(guò)程）時(shí)的有功電流都要由主變頻器提供，因此，選取主變頻器的功率時(shí)應(yīng)予以考慮進(jìn)線整流橋的容量，必須保證通過(guò)電流為兩電機(jī)電動(dòng)電流之和。本設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，不需要調(diào)試，動(dòng)作可靠性極高。本離心機(jī)控制的特點(diǎn)：（1）離心機(jī)速度的矢量控制方式保證了速度控制的正確性；（2）可以使用公共直流母線；（3）速度差控制，取消了編碼器，而采用開(kāi)環(huán)的無(wú)傳感器矢量控制可以解決昂貴的帶編碼器的反饋控制方案；（4）筒軸傳動(dòng)的負(fù)載補(bǔ)償。 
        綜合看來(lái)，臥螺離心機(jī)的變頻應(yīng)用具有以下特點(diǎn)： 
        （1）節(jié)能：共母線雙電機(jī)雙變頻器驅(qū)動(dòng)在臥螺離心機(jī)上廣泛應(yīng)用，即主、副電機(jī)各用一臺(tái)普通變頻器驅(qū)動(dòng)，其直流母線用適當(dāng)?shù)姆绞讲⒔樱^好的解決了這個(gè)問(wèn)題,在能源日益緊缺的今天,有特別重要的意義。現(xiàn)代離心機(jī)螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間的速差可以根據(jù)進(jìn)料的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速相對(duì)于渦流制動(dòng)和液力耦合制動(dòng)來(lái)說(shuō)對(duì)電能的利用率高，在耗能方面比較節(jié)省。 
        （2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快：差轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程從PID調(diào)節(jié)器的數(shù)分鐘減小為變頻無(wú)傳感器矢量控制的數(shù)秒鐘，速差調(diào)節(jié)精確（甚至可以達(dá)到±0.05轉(zhuǎn)/分），從而大大提高了卸料物中干物質(zhì)含量（以處理污泥而言在2%左右）。  
        （3）轉(zhuǎn)矩控制功能：利用ACS550的轉(zhuǎn)矩控制可以非常容易實(shí)現(xiàn)速度與轉(zhuǎn)矩切換，并處理突發(fā)事件造成的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)物料的堆積，從而提高工作效率。采用ACS550的離心機(jī)其有效扭矩更大，最小持續(xù)扭矩為5,000Nm，瞬間負(fù)載扭矩可達(dá)27,000Nm。

圖二 ACS550在臥螺離心機(jī)中的應(yīng)用 

        4、結(jié)束語(yǔ)
本文從常用的兩種分離機(jī)械設(shè)備的變頻使用情況出發(fā)，闡述了ACS550變頻器的具體應(yīng)用原理。根據(jù)我國(guó)分離機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)看，變頻調(diào)速的離心機(jī)將會(huì)有更廣闊的市場(chǎng)。
參考文獻(xiàn)
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