變頻器在離心機中的應用分析
1、分離機械簡介
分離機械是將液體與固體顆粒混合物進行分離的設備，主要分為離心機、分離機、壓濾機、濾油器、過濾器等設備。分離機械一般是工藝流程中的后處理設備，所以直接關系到最終產品的質量。從整體上看，我國分離機械技術水平與國外先進水平相比存在較大差距。主要表現在：分離機械品種、規格少，不能完全滿足國內生產需要，特別是分離物料粘度大、精度細的機械，效率高、生產能力大、自動化程度高的分離機械絕大多數依賴進口；分離機理和應用技術研究落后，新產品開發速度慢；制造工藝落后，生產效率低，產品可靠性、穩定性較差，技術水平和自動化水平較低；配套設備和材料不能滿足分離機械產品生產的需要，尤其是產品的質量、可靠性很不穩定。
從分離機械的發展來看，數字交流變頻器將替代原來的電磁調速、直流調速、液力偶合調速、多速電機，而逐步成為分離機械的主要驅動裝置。本文將介紹的是ABB公司的新品ACS550變頻器在分離機械的設計和應用。
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。它能精確地控制速度和轉矩，能匹配現有的標準鼠籠異步電動機。ACS550具有三種控制方式，即標量V/F控制、無傳感器矢量控制、轉矩控制，所以該款變頻器不僅能夠適合于最簡單的電機運轉，同時也可以應用在復雜的工作場合。其可靠的過載能力設計，也可以同時滿足普通負載和重載工作。
分離機械的驅動電機一般分為單電機驅動和多電機驅動兩種，本文將主要介紹ACS550變頻器在作為單電機驅動的典型案例三足式離心機的應用和作為多電機取得驅動的典型案例臥螺離心機的應用。
2、變頻器在三足式離心機中的應用
三足式離心機是一種結構簡單、對物料的適應性很強、應用面最廣的立式離心機。分沉降型和過濾型兩大類。應用最多的是過濾型三足式離心機。它即能適于分離粒徑僅為數微米的細顆粒，也能用于成件物品的脫液。通過調整各操作工序的延續時間，可用于分離過濾難易程度不同的各種懸浮液，通過調節濾餅的洗滌時間，可以滿足不同的洗滌要求。這種機型主要適用于中小型的生產規模，但由于有上述很多長處，所以廣泛應用于制藥、化工、輕工、紡織、食品、機械制造等工業部門。
在本應用中，變頻器驅動的是離心機的轉鼓，啟動平穩，分離因數可調；徹底克服了傳統直流碳刷式離心機噪音大、故障率高、使用壽命短、轉速不穩定等缺點，是重力沉降分離設備更新換代產品。交流變頻離心機在減震系統和變頻電機等幾項重要指標上具有鮮明的特色和獨創性。常見的三足式離心機的單機驅動功率在3KW與55KW之間，ACS550完全可以勝任。
ACS550在三足式離心機中的應用原理ACS550變頻器的原理，在其外圍線路中，主要分三個部分：
（1）直流母線UDC+、UDC－端接制動單+、—端，然后根據不同的選擇（如回饋制動接電網三相、能耗制動則接制動電阻），Tk為制動單元的內部繼電器，當本單元出現故障時，Tk動作，通過變頻器的端子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/自動起動/停車(手動):得電起動
DI2：正轉/反轉(手動):得電轉向為反轉
DI3：EXT1/EXT2選擇:得電選擇自動控制
DI4：運行允許:一旦斷開變頻器將停車
DI5：正轉/反轉(自動):得電轉向為反轉
DI6：起動/停車(自動):得電起動
AI1：外部速度給定1:0…10V(手動控制，電位器、參考電壓10VDC)
AI2：外部速度給定2:0…20mA(自動控制，參考信號:0…20mA)
AI1：外部速度給定1:0…10V(手動控制，參考電壓10VDC)
AI2：外部速度給定2:0…20mA(自動控制，參考信號:0…20mA)
RO2C/2B：繼電輸出2，可編程（默認動作：運行）
RO3C/3B：繼電輸出3，可編程（默認動作：故障）
AO1：直流數顯儀（頻率或轉速指示）
離心機使用變頻器時，制動方式應優先考慮向電網回饋能量的再生制動，電能回饋制動是將制動的能量反饋回電網再利用，從節能的角度來看，是一種最好的方式，而且沒有熱量產生，非常適合安裝在易燃場合（因為能耗制動會有大量熱量產生）。在不宜采用這種再生制動裝置的地方，如有電網諧波要求（因為一般的能量回饋制動單元諧波系數不盡理想），應安裝足夠容量的制動電阻器，并采取散熱措施；當然在非易燃場合，從節省一次性安裝成本考慮，也大都采用能耗制動。
一般的能耗制動單元都具有如下的基本功能：
（1）參數設定
動作電壓設定：通過撥碼開關可以設定動作電壓設定值660V或710V（進線為380V級）。
制動使用率：通過撥碼開關可以設定制動單元的工作使用率，一般的能耗制動單元默認值為10％，但由于系統對制動要求的不同，可以設置不同的制動率，最大到100％。
（2）狀態結點
模塊異常：當直流回路發生短路、過載或IGBT模塊損壞時制動單元報警，故障繼電器Tk動作。散熱器過熱：制動單元散熱器過熱報警，故障繼電器Tk動作。
制動單元運行正常時，Tk閉合，變頻器處于使能狀態可以正常工作；遇故障動作時，Tk打開，通過對變頻器輸入端子DI4的定義,，即可瞬間封鎖U/V/W輸出，起到保護作用。
對于直接回饋制動，目前已經有了成熟的產品，但造價普遍高出能耗制動的幾倍。
在實現變頻器的直流回路與進線電網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：即將再生電能逆變為與電網同頻率同相位的交流電回送電網，從而實現制動，它采用了電流追蹤型PWM整流器，這樣就容易實現功率的雙向流動，且具有很快的動態響應速度。同時，這樣的拓撲結構使得我們能夠完全控制交流側和直流側之間的無功和有功的交換。當然不同的產品有不同的控制方式，我們必須同時注意到功率因數、諧波分量、輸出相位等。
3、ABB變頻器在臥螺離心機上的應用
臥式螺旋卸料沉降離心機（簡稱臥螺離心機）廣泛應用于石油、化工、冶金、醫藥、食品、輕工等部門。即可用于固體脫水和分級，也可用于液體的澄清，在離心機領域占有重要地位。
由于這種離心機具有單機處理能力大、操作方便、能連續自動操作、勞動強度低、占地面積少以及維護費用低等優點，所以自五十年代以來，螺旋離心機在污泥脫水中得到廣泛應用，逐漸取代其他脫水機械成為大型城市污水處理廠污泥脫水的首選設備。懸浮液通過在螺旋輸送器中心的進料管進入高速旋轉轉鼓內，由于離心力的作用，較重或較大的顆粒被拋向旋轉的轉鼓內壁，通過螺旋小端的噴射孔噴出轉鼓，而較輕的固體顆粒及液相通過轉鼓大頭的溢流孔溢出轉鼓。懸浮液由一臺可實現無級調速的螺桿泵進料。
從發展趨勢看，臥螺的傳動已經從能耗嚴重的渦流制動發展到目前最主流的雙電機雙變頻驅動。典型的臥螺離心機中有兩個傳動軸：一個軸帶動筒體轉動、另一軸帶動筒軸轉動，兩者的轉速需要精確的配合。變頻矢量控制針對不同液體濃度自動適應負載變化，高效可靠的完成離心分離過程。具體的分離控制功能則被集成在PLC離心機控制軟件中。從接線方式看，交流電網接到主變頻器的進線端，兩變頻器的直流母線直接并聯輔機傳動變頻器并不直接接駁進線380V，這樣就可以方便而可靠地實現能量共享。在正常運行情況下，輔機都是處在發電狀態，主電機則是在電動狀態，輔機發電導致母線電壓泵升，然后通過母線互聯，將泵升電壓消耗在主機上，從而減少了從電網吸納的電能，起到了節能的作用。
在本方案中，由于輔機傳動電機需要的無功勵磁電流和副電機偶爾作為電動機運行（例如啟動階段和加減速過渡過程）時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應予以考慮進??電流之和。本設計方案的特點是電路簡單，不需要調試，動作可靠性極高。本離心機控制的特點：（1）離心機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，而采用開環的無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）筒軸傳動的負載補償。
綜合看來，臥螺離心機的變頻應用具有以下特點：
（1）節能：共母線雙電機雙變頻器驅動在臥螺離心機上廣泛應用，即主、副電機各用一臺普通變頻器驅動，其直流母線用適當的方式并接，較好的解決了這個問題,在能源日益緊缺的今天,有特別重要的意義。現代離心機螺旋與轉鼓之間的速差可以根據進料的變化自動調節，變頻調速相對于渦流制動和液力耦合制動來說對電能的利用率高，在耗能方面比較節省。
（2）動態響應快：差轉速調節過程從PID調節器的數分鐘減小為變頻無傳感器矢量控制的數秒鐘，速差調節精確（甚至可以達到±0.05轉/分），從而大大提高了卸料物中干物質含量（以處理污泥而言在2%左右）。
（3）轉矩控制功能：利用ACS550的轉矩控制可以非常容易實現速度與轉矩切換，并處理突發事件造成的轉鼓內物料的堆積，從而提高工作效率。采用ACS550的離心機其有效扭矩更大，最小持續扭矩為5,000Nm，瞬間負載扭矩可達27,000Nm。
分離機械是將液體與固體顆粒混合物進行分離的設備，主要分為離心機、分離機、壓濾機、濾油器、過濾器等設備。分離機械一般是工藝流程中的后處理設備，所以直接關系到最終產品的質量。從整體上看，我國分離機械技術水平與國外先進水平相比存在較大差距。主要表現在：分離機械品種、規格少，不能完全滿足國內生產需要，特別是分離物料粘度大、精度細的機械，效率高、生產能力大、自動化程度高的分離機械絕大多數依賴進口；分離機理和應用技術研究落后，新產品開發速度慢；制造工藝落后，生產效率低，產品可靠性、穩定性較差，技術水平和自動化水平較低；配套設備和材料不能滿足分離機械產品生產的需要，尤其是產品的質量、可靠性很不穩定。
從分離機械的發展來看，數字交流變頻器將替代原來的電磁調速、直流調速、液力偶合調速、多速電機，而逐步成為分離機械的主要驅動裝置。本文將介紹的是ABB公司的新品ACS550變頻器在分離機械的設計和應用。
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。它能精確地控制速度和轉矩，能匹配現有的標準鼠籠異步電動機。ACS550具有三種控制方式，即標量V/F控制、無傳感器矢量控制、轉矩控制，所以該款變頻器不僅能夠適合于最簡單的電機運轉，同時也可以應用在復雜的工作場合。其可靠的過載能力設計，也可以同時滿足普通負載和重載工作。
分離機械的驅動電機一般分為單電機驅動和多電機驅動兩種，本文將主要介紹ACS550變頻器在作為單電機驅動的典型案例三足式離心機的應用和作為多電機取得驅動的典型案例臥螺離心機的應用。
2、變頻器在三足式離心機中的應用
三足式離心機是一種結構簡單、對物料的適應性很強、應用面最廣的立式離心機。分沉降型和過濾型兩大類。應用最多的是過濾型三足式離心機。它即能適于分離粒徑僅為數微米的細顆粒，也能用于成件物品的脫液。通過調整各操作工序的延續時間，可用于分離過濾難易程度不同的各種懸浮液，通過調節濾餅的洗滌時間，可以滿足不同的洗滌要求。這種機型主要適用于中小型的生產規模，但由于有上述很多長處，所以廣泛應用于制藥、化工、輕工、紡織、食品、機械制造等工業部門。
在本應用中，變頻器驅動的是離心機的轉鼓，啟動平穩，分離因數可調；徹底克服了傳統直流碳刷式離心機噪音大、故障率高、使用壽命短、轉速不穩定等缺點，是重力沉降分離設備更新換代產品。交流變頻離心機在減震系統和變頻電機等幾項重要指標上具有鮮明的特色和獨創性。常見的三足式離心機的單機驅動功率在3KW與55KW之間，ACS550完全可以勝任。
ACS550在三足式離心機中的應用原理ACS550變頻器的原理，在其外圍線路中，主要分三個部分：
（1）直流母線UDC+、UDC－端接制動單+、—端，然后根據不同的選擇（如回饋制動接電網三相、能耗制動則接制動電阻），Tk為制動單元的內部繼電器，當本單元出現故障時，Tk動作，通過變頻器的端子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/自動起動/停車(手動):得電起動
DI2：正轉/反轉(手動):得電轉向為反轉
DI3：EXT1/EXT2選擇:得電選擇自動控制
DI4：運行允許:一旦斷開變頻器將停車
DI5：正轉/反轉(自動):得電轉向為反轉
DI6：起動/停車(自動):得電起動
AI1：外部速度給定1:0…10V(手動控制，電位器、參考電壓10VDC)
AI2：外部速度給定2:0…20mA(自動控制，參考信號:0…20mA)
AI1：外部速度給定1:0…10V(手動控制，參考電壓10VDC)
AI2：外部速度給定2:0…20mA(自動控制，參考信號:0…20mA)
RO2C/2B：繼電輸出2，可編程（默認動作：運行）
RO3C/3B：繼電輸出3，可編程（默認動作：故障）
AO1：直流數顯儀（頻率或轉速指示）
離心機使用變頻器時，制動方式應優先考慮向電網回饋能量的再生制動，電能回饋制動是將制動的能量反饋回電網再利用，從節能的角度來看，是一種最好的方式，而且沒有熱量產生，非常適合安裝在易燃場合（因為能耗制動會有大量熱量產生）。在不宜采用這種再生制動裝置的地方，如有電網諧波要求（因為一般的能量回饋制動單元諧波系數不盡理想），應安裝足夠容量的制動電阻器，并采取散熱措施；當然在非易燃場合，從節省一次性安裝成本考慮，也大都采用能耗制動。
一般的能耗制動單元都具有如下的基本功能：
（1）參數設定
動作電壓設定：通過撥碼開關可以設定動作電壓設定值660V或710V（進線為380V級）。
制動使用率：通過撥碼開關可以設定制動單元的工作使用率，一般的能耗制動單元默認值為10％，但由于系統對制動要求的不同，可以設置不同的制動率，最大到100％。
（2）狀態結點
模塊異常：當直流回路發生短路、過載或IGBT模塊損壞時制動單元報警，故障繼電器Tk動作。散熱器過熱：制動單元散熱器過熱報警，故障繼電器Tk動作。
制動單元運行正常時，Tk閉合，變頻器處于使能狀態可以正常工作；遇故障動作時，Tk打開，通過對變頻器輸入端子DI4的定義,，即可瞬間封鎖U/V/W輸出，起到保護作用。
對于直接回饋制動，目前已經有了成熟的產品，但造價普遍高出能耗制動的幾倍。
在實現變頻器的直流回路與進線電網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：即將再生電能逆變為與電網同頻率同相位的交流電回送電網，從而實現制動，它采用了電流追蹤型PWM整流器，這樣就容易實現功率的雙向流動，且具有很快的動態響應速度。同時，這樣的拓撲結構使得我們能夠完全控制交流側和直流側之間的無功和有功的交換。當然不同的產品有不同的控制方式，我們必須同時注意到功率因數、諧波分量、輸出相位等。
3、ABB變頻器在臥螺離心機上的應用
臥式螺旋卸料沉降離心機（簡稱臥螺離心機）廣泛應用于石油、化工、冶金、醫藥、食品、輕工等部門。即可用于固體脫水和分級，也可用于液體的澄清，在離心機領域占有重要地位。
由于這種離心機具有單機處理能力大、操作方便、能連續自動操作、勞動強度低、占地面積少以及維護費用低等優點，所以自五十年代以來，螺旋離心機在污泥脫水中得到廣泛應用，逐漸取代其他脫水機械成為大型城市污水處理廠污泥脫水的首選設備。懸浮液通過在螺旋輸送器中心的進料管進入高速旋轉轉鼓內，由于離心力的作用，較重或較大的顆粒被拋向旋轉的轉鼓內壁，通過螺旋小端的噴射孔噴出轉鼓，而較輕的固體顆粒及液相通過轉鼓大頭的溢流孔溢出轉鼓。懸浮液由一臺可實現無級調速的螺桿泵進料。
從發展趨勢看，臥螺的傳動已經從能耗嚴重的渦流制動發展到目前最主流的雙電機雙變頻驅動。典型的臥螺離心機中有兩個傳動軸：一個軸帶動筒體轉動、另一軸帶動筒軸轉動，兩者的轉速需要精確的配合。變頻矢量控制針對不同液體濃度自動適應負載變化，高效可靠的完成離心分離過程。具體的分離控制功能則被集成在PLC離心機控制軟件中。從接線方式看，交流電網接到主變頻器的進線端，兩變頻器的直流母線直接并聯輔機傳動變頻器并不直接接駁進線380V，這樣就可以方便而可靠地實現能量共享。在正常運行情況下，輔機都是處在發電狀態，主電機則是在電動狀態，輔機發電導致母線電壓泵升，然后通過母線互聯，將泵升電壓消耗在主機上，從而減少了從電網吸納的電能，起到了節能的作用。
在本方案中，由于輔機傳動電機需要的無功勵磁電流和副電機偶爾作為電動機運行（例如啟動階段和加減速過渡過程）時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應予以考慮進??電流之和。本設計方案的特點是電路簡單，不需要調試，動作可靠性極高。本離心機控制的特點：（1）離心機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，而采用開環的無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）筒軸傳動的負載補償。
綜合看來，臥螺離心機的變頻應用具有以下特點：
（1）節能：共母線雙電機雙變頻器驅動在臥螺離心機上廣泛應用，即主、副電機各用一臺普通變頻器驅動，其直流母線用適當的方式并接，較好的解決了這個問題,在能源日益緊缺的今天,有特別重要的意義。現代離心機螺旋與轉鼓之間的速差可以根據進料的變化自動調節，變頻調速相對于渦流制動和液力耦合制動來說對電能的利用率高，在耗能方面比較節省。
（2）動態響應快：差轉速調節過程從PID調節器的數分鐘減小為變頻無傳感器矢量控制的數秒鐘，速差調節精確（甚至可以達到±0.05轉/分），從而大大提高了卸料物中干物質含量（以處理污泥而言在2%左右）。
（3）轉矩控制功能：利用ACS550的轉矩控制可以非常容易實現速度與轉矩切換，并處理突發事件造成的轉鼓內物料的堆積，從而提高工作效率。采用ACS550的離心機其有效扭矩更大，最小持續扭矩為5,000Nm，瞬間負載扭矩可達27,000Nm。
文章版權歸西部工控xbgk所有，未經許可不得轉載。
服務咨詢