陳建軍

（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000）

1 電力節(jié)能趨勢

廣東省佛山市作為電力需求側(cè)管理試點(diǎn)城市，結(jié)合廣東省數(shù)控一代現(xiàn)場推進(jìn)大會(huì)上周院長“萬臺(tái)注塑機(jī)（含擠壓機(jī)）改造專項(xiàng)行動(dòng)”的講話精神，不僅可以提高電能利用效率，促進(jìn)電力資源優(yōu)化配置，還可以減少一次能源的消耗與污染物的排放，緩解環(huán)境壓力，從而減少社會(huì)資源的投入和自然資源的消耗，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，促進(jìn)GDP增長，降低單位GDP能耗。對用戶而言，通過實(shí)施節(jié)能改造，可以促進(jìn)擠壓機(jī)等機(jī)電設(shè)備的更新?lián)Q代，增加用戶對高能效設(shè)備的需求，降低電力消耗，減少電費(fèi)支出，降低企業(yè)的經(jīng)營成本，提高產(chǎn)品競爭力。

所以研究一種新型用電節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于大型金屬擠壓設(shè)備是勢在必行的。

2 鋁型材擠壓機(jī)在佛山的行業(yè)概況及應(yīng)用介紹

廣東省鋁材年產(chǎn)量約350萬t、其中佛山300萬t以上。在佛山地區(qū)現(xiàn)有的鋁型材成型設(shè)備眾多，初步統(tǒng)計(jì)大佛山地區(qū)規(guī)模以上的鋁廠大約有1300間、200多個(gè)品牌、建筑鋁材產(chǎn)量占全國的 70%以上、占廣東80%以上，裝機(jī)容量近185萬kW。其中50%為擠壓機(jī)耗電，每月電能消耗巨大。

電費(fèi)在企業(yè)生產(chǎn)成本中占有很大的比例，企業(yè)管理者無時(shí)不在思考如何降低產(chǎn)品成本，增加產(chǎn)品的市場競爭力，從而為企業(yè)創(chuàng)造更大的利潤空間。由于伺服電機(jī)制造技術(shù)以及電子技術(shù)的飛速發(fā)展，伺服控制技術(shù)以其優(yōu)異的控制功能而在各個(gè)行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用和推廣，在鋁型材成型行業(yè)我們做了一些應(yīng)用示范。

圖1 大型鋁型材擠壓機(jī)

3 鋁型材擠壓機(jī)工作原理

鋁型材擠壓機(jī)開始擠壓前，將擠壓盛錠筒、擠壓模具、鋁棒先進(jìn)行加熱，達(dá)到工藝溫度時(shí)由控溫儀自動(dòng)控制，使其保持恒溫。

擠壓時(shí)，裝上規(guī)格模具后合上中動(dòng)板，使模具端面與擠壓筒面鎖緊，將已加熱的鋁棒放進(jìn)擠壓筒的內(nèi)孔，放入擠壓餅，然后主缸活塞帶動(dòng)擠壓桿快速前進(jìn)，當(dāng)擠壓餅進(jìn)入擠壓筒內(nèi)孔時(shí)主缸快進(jìn)速度由于受壓力繼電器的作用上位機(jī)電腦發(fā)出指令自動(dòng)轉(zhuǎn)為擠壓速度進(jìn)行擠壓加工，擠壓速度根據(jù)鋁型材的生產(chǎn)工藝來調(diào)節(jié)，擠壓完成后開中動(dòng)板，中動(dòng)板開到中位時(shí)主缸自動(dòng)后退，中動(dòng)板開停后由剪切裝置將模具上的壓余殘料部份剪除，完成后等待下一個(gè)工作循環(huán)。

4 鋁型材擠壓機(jī)的工藝動(dòng)作流程

1）主缸快速前進(jìn)

擠壓筒預(yù)熱完成后，起動(dòng)主電動(dòng)機(jī)；變量柱塞泵提供液壓動(dòng)力。由葉片小泵125L提供5MPa的先導(dǎo)壓力。主缸前進(jìn)時(shí)，變量柱塞泵、葉片泵處于大流量，小壓力的合流狀態(tài)；主缸前進(jìn)所形成的真空力使得充液閥（Y27/KA27）打開，油液從上部大油箱經(jīng)手動(dòng)蝶閥進(jìn)入主缸內(nèi)。主缸輔助油缸、中板鎖緊油缸的液壓油由柱塞泵、葉片泵合流泵入。主缸前進(jìn)的動(dòng)作維持到擠壓軸頂緊鋁棒至模具接觸面，此時(shí)，主缸內(nèi)壓力逐漸升高，達(dá)至預(yù)設(shè)擠壓筒排氣壓力10MPa時(shí)，壓力繼電器動(dòng)作，發(fā)出分流信號(hào)，擠壓開始。

2）擠壓過程（工進(jìn)）

鋁棒在擠壓筒被擠壓敦實(shí)，中板排氣結(jié)束后，繼續(xù)鎖緊模具，擠壓軸頂緊鋁棒，使鋁棒擠壓入模具內(nèi)腔。擠壓力達(dá)到一定值時(shí)，型材被擠出。該狀態(tài)下，可調(diào)柱塞泵A7V完成對主缸、主缸輔助油缸、中板鎖緊油缸的油量泵入，形成足夠的擠壓力。擠壓時(shí)的設(shè)定壓力通常為 21MPa，超壓限制設(shè)定為23MPa；擠壓速度根據(jù)不同標(biāo)號(hào)鋁棒、不同的模具、不同的加工型材而有所不同（不同標(biāo)號(hào)的型材有相應(yīng)的出料限制速度，不能任意調(diào)節(jié)），一般在30%～90%之間變化。隨著擠壓過程的持續(xù)，主缸壓力（擠壓力）逐步下降。

3）中板移動(dòng)、剪切及主缸快速后退過程

擠壓結(jié)束，中板后退至設(shè)定位置，切余剪刀下降（完成后上升）。同時(shí)主缸后退。此時(shí)柱塞泵、葉片泵合流共同完成快速后退動(dòng)作。剪切工序完成后，中板前進(jìn)頂緊模具，等待下一個(gè)擠壓動(dòng)作循環(huán)。

4）輔助動(dòng)作

包括：托料（主缸快速前進(jìn)，機(jī)械手提升托起鋁棒，擠壓軸推動(dòng)鋁棒進(jìn)入擠壓筒）、壓餅（將擠壓墊片向鋁棒端面壓緊）換模（模具導(dǎo)入/出）等。

5 鋁型材擠壓機(jī)的節(jié)能潛力分析

對鋁型材擠出機(jī)而言，工藝過程一般分為快進(jìn)，工進(jìn)，排氣，慢速擠壓，中速擠壓，壓余，回程及輔助動(dòng)作等階段，各個(gè)階段所需要的工作壓力和流量是不同的，對于馬達(dá)而言，整個(gè)加工過程是處于不斷變化的負(fù)載狀態(tài)，而目前油壓系統(tǒng)絕大部分使用雙頭電機(jī)，一頭帶柱塞泵，另一頭帶葉片泵，其馬達(dá)以額定轉(zhuǎn)速輸出一定的流量，而在生產(chǎn)過程中有些階段只需極少的流量（如保壓），多余液壓油通過溢流閥回流至油箱，該過程稱為高壓溢流，據(jù)統(tǒng)計(jì)由高壓溢流造成的能量損失高達(dá)20%～30%。

伺服節(jié)能器從根本上克服了傳統(tǒng)油壓機(jī)的這一弊病，當(dāng)系統(tǒng)需要的流量發(fā)生變化時(shí)，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速隨流量命令大小而改變，使得泵的排出的流量發(fā)生變化，即真正做到“要多少給多少”的控制，因此在擠壓機(jī)上的節(jié)能應(yīng)用，對于減少能源浪費(fèi)具有非常重要意義。

6 伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

建議方案是根據(jù)擠壓機(jī)的工藝流程進(jìn)行優(yōu)化而制定的，傳統(tǒng)擠壓機(jī)是雙軸三相異步機(jī)兩頭帶油泵，一頭變量泵主要控制主缸系統(tǒng)，另一頭定量泵作輔助作用，全機(jī)主缸單比例變量控制，因此分析工藝時(shí)，主缸動(dòng)作擠壓階段，輔助動(dòng)作是沒有的，但實(shí)際上輔助油泵還在工作，基于這樣的考慮，把單臺(tái)電機(jī)一分為二，主缸作一套系統(tǒng)，定量泵作一套系統(tǒng)，根據(jù)工藝的需要決定是主缸系統(tǒng)起動(dòng)還是輔助動(dòng)作系統(tǒng)起動(dòng)還是兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)起動(dòng)，因?yàn)樵瓉硐到y(tǒng)輔助動(dòng)作沒有模擬量控制，完全采用高壓溢流的方式，同時(shí)調(diào)節(jié)節(jié)流閥來調(diào)整動(dòng)作快慢，毫無疑問存在很大的能源浪費(fèi)，又因?yàn)樵到y(tǒng)當(dāng)中上位機(jī)是靠幾個(gè)壓力傳感器來切換動(dòng)作速度，所以在這個(gè)方案中采用力矩限定，HMI上給定速度，電子值閉環(huán)反饋，PLC運(yùn)算調(diào)節(jié)的模式來進(jìn)行調(diào)節(jié)，它通過電子尺的速度變化率反饋到PLC，PLC經(jīng)過運(yùn)算后調(diào)節(jié)頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變流量，按需供油，在高壓擠壓未出料前，轉(zhuǎn)化為油壓模式，保證高壓擠出，自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速，減輕負(fù)載，盡量減少高壓溢流損失，達(dá)到節(jié)能效果。擠出料后，擠出壓力降低，又自動(dòng)轉(zhuǎn)化成速度模式運(yùn)行，保證擠出速度平穩(wěn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。達(dá)到高產(chǎn)節(jié)能效果，本方案采用的電動(dòng)機(jī)是同步機(jī)，其響應(yīng)要比異步電動(dòng)機(jī)快很多，完全解決了早期用變頻改造造成的產(chǎn)量下降和產(chǎn)品質(zhì)量下降的問題。

1）電氣改動(dòng)

上位機(jī)控制系統(tǒng)PLC加A/D轉(zhuǎn)換模塊，在擠出缸和定模板之間加電子尺做速度閉環(huán)反饋。原來單電機(jī)改成三電機(jī)控制，因此多了二套電路。

2）油路改動(dòng)

原有油路基本不作改動(dòng)，僅在擠出缸出口法蘭處加壓力傳感器做壓力閉環(huán)但因加了獨(dú)立先導(dǎo)泵系統(tǒng)，所以要從原葉片雙聯(lián)泵上小泵處單獨(dú)分開油路，讓先導(dǎo)油路自成一體。

3）主缸系統(tǒng)

在快速共進(jìn)時(shí)為速度模式，與輔助系統(tǒng)合流低壓大流量工作，接受HMI的指令，經(jīng)PLC運(yùn)算后的頻率工作。在慢速擠出時(shí)，擠出桿頂住鋁棒，壓力達(dá)到設(shè)定壓力的90%以上后轉(zhuǎn)入油壓控制模式，輸出信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)器做油壓PID運(yùn)算，調(diào)整降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持高壓擠出，當(dāng)型材擠出后，壓力降低到90%以下后，輸出信號(hào)，轉(zhuǎn)為速度模式，電子尺反饋速度，PLC做速度PID調(diào)節(jié)，保證速度平穩(wěn)，保證產(chǎn)品質(zhì)。

4）輔助系統(tǒng)

速度模式運(yùn)行，接收由 HMI給定，經(jīng) PLC運(yùn)算出的頻率工作。

5）先導(dǎo)控制油系統(tǒng)

獨(dú)立開來，單獨(dú)從葉片泵小泵處分開先導(dǎo)管的油路，直接控制。此時(shí)要加一個(gè)小三相異步機(jī)來驅(qū)動(dòng)一個(gè)小排量的油泵。

圖2 控制的原理和接線示意圖

6）改造所需主要設(shè)備

改造中的主要設(shè)備有：伺服電機(jī)、油泵、驅(qū)動(dòng)器、動(dòng)力單元、制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻、電箱及其他配件。

7 佛山市伺服節(jié)能技術(shù)節(jié)能效果分析

鋁型材擠壓機(jī)通過伺服節(jié)能技術(shù)的改造，節(jié)能率可達(dá) 10%～40%。實(shí)際現(xiàn)場改造案例中，多數(shù)超過了20%。

以佛山為例，按 300萬 t年產(chǎn)量，每噸耗電430kW·h計(jì)算則佛山鋁材的年耗電量為：300萬 t×430kW·h/t＝12.9億kW·h。

節(jié)能改造潛力：按12.9億kW·h年耗電量，每噸節(jié)約耗電20%計(jì)算則佛山鋁材理論上可節(jié)約的年耗電量為：12.9億kW·h×20%節(jié)電量＝2.58億kW·h。佛山市鋁型材節(jié)能空間為2.58億kW·h，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 9.0萬t，年減排 CO2達(dá)17.82萬t。

8 具體案例

案例1：鳳鋁鋁業(yè)有限公司于2012—2013年采用伺服節(jié)能技術(shù)將擠壓機(jī)進(jìn)行了節(jié)電改造，單臺(tái)節(jié)能率達(dá)20%以上，單臺(tái)每年可節(jié)約電費(fèi)20萬元，回收期為兩年。同時(shí)，鋁型材擠壓機(jī)伺服節(jié)能改造可提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品精度。

圖3 鳳鋁鋁業(yè)改造現(xiàn)場

圖4 驅(qū)動(dòng)器及改造效果圖例

案例2：佛山市金華海鋁業(yè)有限公司于2013年3月采用伺服節(jié)能技術(shù)將擠壓機(jī)進(jìn)行了節(jié)電改造，以一臺(tái) 600T的擠壓機(jī)為例，單臺(tái)節(jié)能率達(dá) 21%以上，單臺(tái)每年可節(jié)約電費(fèi)12萬元，年節(jié)省電量15萬kW·h。

圖5 金華海鋁業(yè)改造現(xiàn)場

9 結(jié)論

鋁成型行業(yè)導(dǎo)入永磁電機(jī)伺服節(jié)能控制技術(shù)在技術(shù)上可行，對降低行業(yè)能耗，提高行業(yè)競爭力具有及其重要意義。