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        變頻技術(shù)在混凝土攪拌站中的應(yīng)用研究

        2018-11-23 09:20:04章弘威姜卓希蔡營(yíng)
        商品混凝土 2018年10期
        關(guān)鍵詞:工作制攪拌站功率因數(shù)

        章弘威,姜卓希,蔡營(yíng)

        (徐州徐工施維英機(jī)械有限公司,江蘇 徐州 221004)

        1 問題的提出

        隨著我國(guó)的城市化進(jìn)程不斷向前推進(jìn)以及國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加強(qiáng),混凝土攪拌站在全國(guó)大中城市得到了迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用。但是目前國(guó)內(nèi)的攪拌站在生產(chǎn)過程中,普遍存在兩個(gè)問題,一是對(duì)電機(jī)的控制策略缺乏優(yōu)化,導(dǎo)致了攪拌站的有些電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過程中,利用率低,電能浪費(fèi)嚴(yán)重;另一方面則是在當(dāng)前的攪拌站配置下,當(dāng)客戶需要的物料很少,同時(shí)對(duì)精度要求特別高的情況下,現(xiàn)有的控制方式無法實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量,滿足客戶的特殊需求。下面將會(huì)對(duì)這兩個(gè)問題分別的進(jìn)行分析、研究以及改進(jìn)。在問題分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)的過程中,變頻器將會(huì)被用到,所以在第二部分,會(huì)簡(jiǎn)單地介紹下變頻技術(shù)的工作原理。

        2 變頻技術(shù)工作原理

        變頻技術(shù)是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源?,F(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式(VVVF 變頻或矢量控制變頻),先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源,然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。

        變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、再次整流(直流變交流)、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成的(圖1)。

        圖1 變頻器結(jié)構(gòu)圖

        3 變頻技術(shù)在攪拌站電機(jī)優(yōu)化控制和節(jié)能中的應(yīng)用

        3.1 電機(jī)分類分析

        由于攪拌站的大部分傳動(dòng),都是由電機(jī)驅(qū)動(dòng),所以攪拌站現(xiàn)場(chǎng)的電機(jī)設(shè)備比較多,以 HZS180K 為例,電機(jī)數(shù)量就有 27 個(gè)。

        大概可以分為 7 類:

        (1)振動(dòng)電機(jī)類:13 個(gè),此類電機(jī)功率為 0.9~0.1kW,工作方式為 S3:斷續(xù)周期工作制,周期性的短時(shí)間振動(dòng),利用率高、節(jié)能空間小,故本文暫不做研究。

        (2)泵類:4個(gè),工作制為 S3:斷續(xù)周期工作制,每個(gè)攪拌站生產(chǎn)周期一段時(shí)間恒定負(fù)載,一段時(shí)間停轉(zhuǎn)。電機(jī)的利用率高、節(jié)能空間小,本文不做深入地研究。

        (3)螺旋類:4 個(gè),工作方式為 S3:斷續(xù)周期工作制,每個(gè)攪拌站生產(chǎn)周期一段時(shí)間恒定負(fù)載,一段時(shí)間停轉(zhuǎn),電機(jī)的利用率高、節(jié)能空間小,本文暫不做研究。

        (4)除塵電機(jī):1 個(gè),工作方式為 S3:斷續(xù)周期工作制,每個(gè)攪拌站生產(chǎn)周期一段時(shí)間恒定負(fù)載,一段時(shí)間停轉(zhuǎn)。電機(jī)的利用率高、節(jié)能空間小,本文暫不做研究。

        (5)空壓機(jī):1 個(gè),低于壓力設(shè)定值時(shí)啟動(dòng),高于 0.8MPa 時(shí)停止運(yùn)行,屬于斷續(xù)周期工作制,電機(jī)的利用率高、節(jié)能空間小,本文暫不做研究。

        (6)皮帶類:2 個(gè),包括平皮帶和斜皮帶,工作方式近似可以看為 S6:連續(xù)周期工作制:每個(gè)攪拌站生產(chǎn)周期都有一段時(shí)間近似恒定負(fù)載,其余時(shí)間為空載。從工地實(shí)測(cè)圖(圖2 和圖3)可以看出,電機(jī)的功率因數(shù)低、利用率低,控制策略缺乏優(yōu)化,需要進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

        圖2 工地實(shí)測(cè)斜皮帶功率曲線

        圖3 工地實(shí)測(cè)斜皮帶電流曲線

        從測(cè)試的數(shù)據(jù),可以看出,斜皮帶空載的時(shí)候的電流為 27.5A,功率因數(shù)為 0.3,空載的功率為 5.72kW。一個(gè)周期以 90s 計(jì)算的話,斜皮帶空載約占 1/3 周期,也就是 30s。一個(gè)周期斜皮帶空載所消耗的電能約為0.048kW·h。

        (7)攪拌主機(jī):2 個(gè),如圖4 為工地實(shí)測(cè)的主機(jī)功率因數(shù)曲線。從圖中可以看出攪拌站主機(jī)的工作方式為每個(gè)攪拌站生產(chǎn)周期都有一段時(shí)間的可變負(fù)載,和一段時(shí)間的空載,而且空載的時(shí)間在正常生產(chǎn)期間內(nèi)很短,由于可變負(fù)載的規(guī)律性不強(qiáng),暫時(shí)先不做研究。

        圖4 工地實(shí)測(cè)主機(jī)功率因數(shù)曲線

        3.2 皮帶類控制技術(shù)改進(jìn)

        由上分析,斜皮帶電機(jī)在一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)有一段時(shí)間的可變負(fù)載,由于負(fù)載變化不大,可看作恒定負(fù)載,和一段時(shí)間的空載,且空載的時(shí)間大約占周期的 1/3,由于目前的控制方式,皮帶類的電機(jī)沒有調(diào)速方式,所以無法實(shí)現(xiàn)調(diào)速,導(dǎo)致電機(jī)依然工頻運(yùn)行,電機(jī)的利用率低,浪費(fèi)電能。改進(jìn)后變頻控制主回路如圖5。

        圖5 斜皮帶電機(jī)變頻控制主回路

        控制方式為:斜皮帶啟動(dòng)的時(shí)候?yàn)楣ゎl運(yùn)行,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)皮帶上面沒有料的時(shí)候,切換為低速運(yùn)行。皮帶上有料的時(shí)候,切換為工頻運(yùn)行,保證生產(chǎn)的效率性。速度控制表見表1。

        3.3 設(shè)計(jì)改進(jìn)效果跟蹤

        圖6 為在同鑄攪拌站的斜皮帶上使用的變頻器,圖7 功率測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖,圖8 和圖9 為斜皮帶使用變頻器實(shí)測(cè)電流和功率曲線。

        由測(cè)試曲線上可以看出,使用變頻以后,空載電流降為 7.8A,功率因數(shù)提升到 0.8。此時(shí)空載功率為4.32kW,每個(gè)配料周期,空載時(shí)間同樣以 30s 計(jì)算,每個(gè)周期空載消耗的電能為 0.036kW·h。

        斜皮帶使用變頻技術(shù)控制以后,空載電流由27.5A 降為 7.8A,功率因數(shù)由 0.3 提高為 0.8,空載功率由 5.72kW 降為 4.32kW,平均每個(gè)周期節(jié)省電能0.012kW·h,由此可見采用變頻技術(shù)控制后,空載運(yùn)行節(jié)省的電能約為原來的 1/4。

        圖6 斜皮帶試用變頻器

        圖7 工地功率測(cè)試

        圖8 同鑄攪拌站的斜皮帶使用變頻器實(shí)測(cè)電流曲線

        圖9 同鑄攪拌站的斜皮帶使用變頻器實(shí)測(cè)功率曲線

        4 變頻技術(shù)在粉料微小計(jì)量中的研究與應(yīng)用

        在當(dāng)前的攪拌站配置下,當(dāng)客戶需要的物料很少,同時(shí)對(duì)精度要求特別高的情況下,現(xiàn)有的控制方式無法實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量,滿足客戶的特殊需求。例如:HZS180K 的攪拌站,摻合料螺旋的標(biāo)準(zhǔn)配置是 273 螺旋,安裝角度為 22°,螺旋輸送量為 22kg/s,假設(shè)客戶需要的摻合料配方量為 10kg,若每一盤打 3m3,目標(biāo)值為 30kg,加上電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間,基本上螺旋電機(jī)剛轉(zhuǎn)起來,配料值就已經(jīng)超差了。類似于這類情況,當(dāng)前的控制方式就無法滿足客戶的需求了。

        針對(duì)以上情況,對(duì)當(dāng)前粉料計(jì)量控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。改進(jìn)后的變頻控制電路圖見圖10。

        改進(jìn)后的控制方案為,定義 (MI1,MI2)=(1,0) 為螺旋精稱,對(duì)應(yīng) 20HZ 輸出,(MI1,MI2)=(1,1) 為螺旋粗稱,對(duì)應(yīng) 50HZ 工頻輸出。

        改進(jìn)后的螺旋變頻控制,在低頻工作時(shí),降低螺旋每秒輸送量,有效地保證了稱量的精準(zhǔn)性。得到了客戶的認(rèn)可。

        圖10 螺旋變頻控制電路

        5 總結(jié)

        通過對(duì)斜皮帶電機(jī)控制方式的改進(jìn),成功地將變頻技術(shù)應(yīng)用于斜皮帶電機(jī)的控制。使用變頻技術(shù)控制后,控制電流下降到 7.8A,功率因數(shù)提升到了 0.8,大大地提高了電機(jī)的利用率,平均每盤斜皮帶空載階段可以節(jié)省電能為 0.012kW·h,相比之前空載耗能節(jié)省了 1/4。

        (2)通過粉料螺旋變頻的設(shè)計(jì)改進(jìn),在低頻工作時(shí),有效降低螺旋每秒地輸送量,保障了稱量的精準(zhǔn)性。并成功地應(yīng)用于濟(jì)南中鐵十局 HZS120 攪拌站,將螺旋的最小輸送量降低到 5kg/s,點(diǎn)動(dòng)可以達(dá)到最小一次 0.5kg,計(jì)量精度得到了有效的提高,得到了客戶的認(rèn)可。

        變頻調(diào)速技術(shù)作為電機(jī)節(jié)能運(yùn)行的主流控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,產(chǎn)品的選擇范圍也非常廣泛。下一步將繼續(xù)研究變頻技術(shù)在攪拌站、干混砂漿站及其他產(chǎn)品中的應(yīng)用。

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