摘    要：本文介紹了VFD-B-P系列變頻器在石油焦輸送機拖動系統(tǒng)中的應(yīng)用；詳細闡述了該系統(tǒng)控制策略、原理、調(diào)試過程和使用效果。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備拖動控制中，實現(xiàn)了電機低電流啟動、調(diào)速等功能；提高了生產(chǎn)能力和設(shè)備運行效率，延長了設(shè)備使用壽命、節(jié)約電能等好處。

關(guān)鍵詞：變頻器   調(diào)速   輸送機   節(jié)能

1 引言

      經(jīng)過二十多年的不斷發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新，變頻技術(shù)已十分成熟和完善，其應(yīng)用也已非常廣泛和普及，尤其是國產(chǎn)變頻器，在技術(shù)、性能和質(zhì)量上已完全與進口產(chǎn)品相比美，甚至部分產(chǎn)品功能超過了外國進口產(chǎn)品，只是由于過去遺留在人們腦海中的舊觀念和意識，是人們目前還對國產(chǎn)變頻器存在著不好的想法和不忍可的關(guān)念，但隨著時間的推移和國產(chǎn)變頻器的不斷地使用，人們會漫漫地重新認識國產(chǎn)品的和性能的，只要國內(nèi)眾多企業(yè)不斷地努力和完善自己的產(chǎn)品性能，作好售后服務(wù)，就會得到國內(nèi)所有企業(yè)內(nèi)工程技術(shù)人員的認可和首選。在實際企業(yè)設(shè)備改造和更新中，人們一般首選自己曾經(jīng)使用過的廠家產(chǎn)品，只要使用過國產(chǎn)變頻器，人們就會迅速改變過去觀點。

      臺達變頻器以其高質(zhì)量、性能優(yōu)越、功能多、控制精度高等特點，已得到眾多企業(yè)工程技術(shù)人員認可和接受，近多年的實際應(yīng)用效果充分證明  臺達VFD-B-P系列變頻器的質(zhì)量、性能和功能的優(yōu)越，其調(diào)速范圍大、調(diào)速精度高、節(jié)能的優(yōu)點，易于控制、維護少，工作可靠、操作方便、保護監(jiān)控功能完善、控制電路簡單、易實現(xiàn)的特點，被廣泛應(yīng)用。尤其是在較為復雜的控制中，只要合理地設(shè)定變頻器相關(guān)參數(shù)，就能完全滿足和實現(xiàn)其復雜控制系統(tǒng)和要求。

2 生產(chǎn)工藝與設(shè)備現(xiàn)狀

      在鋁電解預焙炭素陽極生產(chǎn)、成型、焙燒和組裝工藝過程中，皮帶輸送機被廣泛應(yīng)用于石油焦、瀝青和殘極等散裝物料輸送作業(yè)線上。由于設(shè)備故障、異常和生產(chǎn)工藝變化的隨機性，實際皮帶輸送料量變化很大：如煅燒鍛后焦皮帶輸送機，有時為3.5-6.5t/h之間（1臺回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)）；有時可達到18t/h（煅燒3臺回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)）以上。但普通皮帶輸送機均設(shè)計為1種速度拖動（如帶速為0.82m/s或1m/s），其輸料能力最大為12—13.5t/h。因而對于特殊狀態(tài)下的（輸料量超過14t/h以上）實際生產(chǎn)難以得到滿足，經(jīng)常會出現(xiàn)壓料或落料現(xiàn)象（因皮帶上堆料過高，皮帶在運動過程中會出現(xiàn)部分物料滑落在輸送機兩側(cè)）。清掃落料需要耗費大量人力，作業(yè)人員易被皮帶掛傷，存在著安全隱患，也會造成原料損失和生產(chǎn)環(huán)境惡化等問題。另外，因設(shè)備大修或計劃檢修，有時只有1臺回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)，皮帶機實際輸送料量很小，皮帶長期（每天24小時運行工作制）運行在超低負載狀態(tài)；其次每2個月一二期陽極成型安排1次設(shè)備計劃檢修（停產(chǎn)10-14天）。由于兩成型煅后焦原料倉單臺爬坡皮帶輸送機最大輸送能力只有13.5t/h左右。當3臺回轉(zhuǎn)窯同時生產(chǎn)時，其煅后焦只能用2條爬坡皮帶同時就近輸送、存貯。然后再通過車輛轉(zhuǎn)運平衡物料。由于上述問題，我廠提出了應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)對多條皮帶輸送機控制系統(tǒng)進行技術(shù)改造，實現(xiàn)皮帶走速調(diào)節(jié)，達到提高其輸送量，減少皮帶跑空現(xiàn)象，延長皮帶使用壽命等作用。

3 系統(tǒng)設(shè)計

      我們更好地提升我廠煅燒皮帶輸送機的輸料能力，進一步減少其能耗，實現(xiàn)皮帶走速調(diào)速控制要求，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備現(xiàn)狀，并依照經(jīng)濟性的原則，綜合考慮進行系統(tǒng)設(shè)計、配置和選型。

3.1 設(shè)備配置

      ①爬坡皮帶輸送機拖動設(shè)備為三相異步交流電動機，其主要技術(shù)參數(shù)和性能：

      a型號Y160M—4、功率11KW（3～）、23.6A、380V、50Hz、1430r/min、皮帶走速0.82m/s。

      a型號Y2200M2—4、功率15KW（3～）、29.6A、380V、50Hz、1460r/min、皮帶走速1.0m/s。

      ②皮帶秤：

      a.型號SM14（三組托輥懸浮式結(jié)構(gòu)）：由SM14型全懸浮式稱重橋架、SM12C型測速傳感器、SM2301-D型轉(zhuǎn)換器、SM2301-D積算儀組成（我廠煅燒一二期煅后焦計量）。

      b.型號SM20—1（單托輥）：由SM20型杠桿式稱重橋架、SM2012C型測速傳感器、SM2001積算器組成（我廠煅燒三期使用）。

3.2 變頻器選型

      通過對國內(nèi)外眾多廠家變頻器性價綜合比較，結(jié)合本系統(tǒng)控制要求，選擇VFD-B-P系列（臺達生產(chǎn)）的變頻器較為適宜，此系列變頻器具有功能齊全、調(diào)速精度高、穩(wěn)定性好和應(yīng)用范圍廣等特點；其次還具有質(zhì)量高、性價比高、抗干擾能力強、適合炭素惡劣環(huán)境使用、多參數(shù)控制等功能，能較好地實現(xiàn)多變量、復雜的控制系統(tǒng)需要。因此完全能滿足爬坡皮帶輸送機根據(jù)皮帶上料量大小自動調(diào)節(jié)皮帶走速控制要求。

      根據(jù)實際經(jīng)驗，變頻器的選用首先要明確其使用的目的、應(yīng)用在場合，按照生產(chǎn)機械的類型、調(diào)速范圍、控制精度、啟動轉(zhuǎn)矩等實際要求，并從容量、電壓、頻率、保護功能、電網(wǎng)穩(wěn)定性等諸方面進行綜合考慮，其次依滿足工藝和生產(chǎn)的基本條件為前提、既要考慮好用、又要經(jīng)濟、今后維修方便及備件易采購的原則，進行系統(tǒng)地選擇其機型和生產(chǎn)廠家。

      據(jù)理論要求，應(yīng)用環(huán)境海拔超過1000m時，變頻器應(yīng)降容使用，海拔每升高1000m  變頻器的實際容量會降低5%。我廠地處2400m以上的海拔，故在選擇變頻器的容量、負載能力和散熱能力時，一般應(yīng)有20%以上的余量。

      由于VFD-B-P系列變頻器具有功能齊全、調(diào)速精度高（調(diào)速誤差為0.01Hz），過載能力大（可達到250%以上）、穩(wěn)定性好和調(diào)速范圍廣（最大輸出頻率可達到400Hz）等特點；其次還具有質(zhì)量高、性價比高、抗干擾能力強、適合炭素惡劣環(huán)境使用、多參數(shù)控制等功能，適合多變量、復雜的控制系統(tǒng)。因此完全能滿足爬坡皮帶輸送機根據(jù)皮帶上料量大小自動調(diào)節(jié)皮帶走速控制要求。故選擇如下容量和型號的變頻器；

     a.型號VFD150B43P(拖動Y160M—4、11KW電動機)；

     b.型號VFD185B43P(拖動Y2200M2—4、15KW電動機)；

      由于輸料機安裝地距電磁站距離有120多米，故須增設(shè)輸出電抗器，其分別為TDL-4A001-0150（適配功率15KW）和TDL-4A001-0110（適配功率11KW）。

3.3 控制原理

      我廠3個成型石油焦儲料倉分別采用1條爬坡式皮帶輸送機，其驅(qū)動裝置采用11KW（三期為15KW）普通三相交流異步電動機拖動；其爬坡皮帶輸料機結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。由于皮帶輸送線上通常設(shè)有多個加料口。如我廠煅燒1#、2#、3#回轉(zhuǎn)窯（產(chǎn)能均為6t/h）煅后石油焦、1個物料平衡加料口和1個焙燒填充料回收投料口等原料均供給一二成型車間生產(chǎn)用料。雖然3臺回轉(zhuǎn)窯排料口2個加料口通過過橋皮帶輸送機與2個成型爬坡皮帶連通。但由于1臺爬坡皮帶輸送機原設(shè)計輸送料量為13.5t/h。若3臺窯同時給1個成型原料倉上料，則1臺爬坡皮帶輸送機就不能及時將料輸送走。在實際中，通常啟動2條爬坡皮帶同時向2個成型原料貯存?zhèn)}輸料。然后再用車輛轉(zhuǎn)運。故每月要安排50余臺·班次車輛平衡物料（轉(zhuǎn)運成型原料倉內(nèi)的石油焦）。

圖1 爬坡皮帶輸送機結(jié)構(gòu)與原理圖

      針對生產(chǎn)中存在的上述問題，2009年我廠提出了變頻改造計劃，經(jīng)過在1條爬坡皮帶輸送機控制系統(tǒng)改造試驗，并使其工作在60Hz條件下，在不同工況環(huán)境下連續(xù)運行，其電機溫度、電流等運行參數(shù)均正常；在5Hz條件下較長時間運行時，11KW異步電機溫度較高（達到58℃左右），其運行參數(shù)如表1所示。

表1 皮帶輸送機變頻控制條件下運行參數(shù)測量（環(huán)境溫度19℃）

      系統(tǒng)控制原理：每條爬坡皮帶輸送機拖動機構(gòu)由一臺交流異步電機驅(qū)動，采用VFD150B43P變頻器控制。其變頻器通過外部電位器設(shè)定值與皮帶電子稱實時測量信號相加，作為初級給定信號，并通過濾波、PID、限幅等處理后，作為實際頻率控制給定值信號，實現(xiàn)輸送機皮帶走速控制和調(diào)節(jié)，達到根據(jù)輸送機皮帶上實際料量大小自動調(diào)節(jié)控制目的。其次系統(tǒng)還設(shè)計了變頻器恒速運行模式（即面板設(shè)定速度：1臺窯下料時，頻率設(shè)為30Hz；2臺窯下料時，頻率設(shè)為45Hz；3臺窯下料時，頻率設(shè)為60Hz），當皮帶稱發(fā)生故障時（影響輸料工作），只需將變頻器給定方式修改為面板設(shè)定方式，并設(shè)定相應(yīng)的頻率，即可使系統(tǒng)投入正常運行。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制原理如圖2所示；變頻器控制接線如圖3所示。

圖2 皮帶輸送機變頻調(diào)速系統(tǒng)控制原理

圖3 變頻器主、控制線接線圖

      變頻器PID控制功功能，能很好地抑制皮帶走料不均和皮帶抖動引起的稱重系統(tǒng)信號波動，過濾能顯著降低變頻器的頻繁加減速調(diào)節(jié)的問題。通過大積分時間常數(shù)設(shè)定，使稱重系統(tǒng)信號擾動加入到系統(tǒng)瞬間，積分不起作用（因積分調(diào)節(jié)作用是滯后的，積分時間越大，調(diào)節(jié)速度越慢），有利系統(tǒng)穩(wěn)定，滯后性又減小波動，增加系統(tǒng)的抗干擾能。小的微分時間常數(shù)有利于料良突然增加后（相當于階躍輸入），能迅速提高皮帶速度的控制。只要適當?shù)倪x取這些參數(shù)，就能很好地實現(xiàn)皮帶速度的準確控制效果。

      應(yīng)用變頻器控制皮帶走速功能，實現(xiàn)了根據(jù)給料量大小采取不同的皮帶走速控制方式，達到了自動調(diào)節(jié)皮帶的輸料量的目的。如3臺回轉(zhuǎn)窯同時生產(chǎn)時，1條爬坡皮帶機的驅(qū)動電機運行在58  Hz左右就能滿足生產(chǎn)要求；2臺窯生產(chǎn)時，電機運行在46Hz左右；1臺窯生產(chǎn)時，電機工作在31Hz左右；料量低于0.8t/h或空載時，電機運行在10Hz（此值為皮帶最低工作頻率）。實際運行效果證明，采用變頻器控制后，爬坡皮帶輸送機的輸送提高了36%以上能力，使皮帶輸送機的輸料量顯著得到增加，又實現(xiàn)了其較為經(jīng)濟的運行工作效果。降低設(shè)備空耗和磨損，大幅減少了生產(chǎn)中“大馬拉小車”的現(xiàn)象。同時也能顯著延長設(shè)備使用壽命。使一線操作人員的巡視、維護、清掃作業(yè)等日常工作強度明顯地得到減少；由于輸送機的皮帶走速度由原來0.82m/s提高到1.27m/s，輸料量由原來13.5t/h增加到18.6t/h，設(shè)備的工作能力提高了近40%；每月減少平衡物料用車36臺·次（費用580元/臺·次）；清料次數(shù)減少至6個班1次（改造前為每班1次）；清料量不足0.1t/次（改造前為0.3t/次左右）。1條爬坡皮帶就能完全承擔3臺回轉(zhuǎn)窯煅后焦輸送任務(wù)。經(jīng)過1年多的使用，其效果十分良好，于是我們先后對其它2臺輸送機進行了改造，起效果均十分理想。

4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與調(diào)試

      變頻調(diào)速系統(tǒng)安裝完成后，根據(jù)實際生產(chǎn)情況進行系統(tǒng)調(diào)試，才能更加發(fā)揮其控制效果。本系統(tǒng)調(diào)試主要分為皮帶秤系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定與變頻器控制參數(shù)設(shè)置。

4.1 皮帶稱調(diào)試

      SM20—1為單托輥皮帶稱（SM14為三組托輥懸浮式結(jié)構(gòu)）、SM2001（SM2301-D）積算器具有計量、皮帶瞬時走料量、帶速、料量累加等運算功能，設(shè)有4—20mA信號輸出接口，設(shè)定積算器的輸出比例參數(shù)可得到不同走速時的信號值。

4.2 變頻器控制參數(shù)設(shè)置

      由于VFD-B-P系列變頻器具有用戶參數(shù)（00-00┅00-10）、基本參數(shù)（01-00┅01-23）、操作方式參數(shù)（02-00┅020  -15）、輔助功能參數(shù)（03-00┅03-12）、輸入功能參數(shù)（04-00┅04-25）、多段速以及自動程序運行參數(shù)（05-00┅05-34）、保護參數(shù)（06-00┅06-18）、電機參數(shù)（07-00┅07-15）、特殊參數(shù)（08-00┅08-22）、通訊參數(shù)（09-00┅09-07）、回授控制參數(shù)（10-00┅10-16）、多組電機控制參數(shù)（11-00┅11-07）等參數(shù)設(shè)置，正確設(shè)置這些參數(shù)，才能使變頻器實際運行在最佳工作狀態(tài)。在通常情況下，變頻器停止時，方可修改其控制參數(shù)；在運行中，只能修改少數(shù)監(jiān)控和查看有關(guān)工作參數(shù)（如頻率、電流、電壓、溫度等參數(shù)）。

(1)輸入設(shè)置及其它主要參數(shù)確定

      設(shè)置AVI、AIC1為信號輸入端：AVI—為主速指令給定輸入；AIC1—為輔助指令（皮帶秤量信號輸入端）。通過主輔給定求和：即AVI與ACI1信號按照一定的比例運算、放大等處理，作為變頻器的實際控制信號給定。電位器給定作為控制信號由變頻器的AVI輸入；皮帶秤的瞬時流量信號（4--20mA）作為控制信號由變頻器的ACI輸入。通過變頻器的程序處理（比例、合成），作為變頻器的最終控制信號。其主要設(shè)置方法如下：

      ①確定給定AVI輸入信號的范圍。首先斷開皮帶秤信號（或使ACI電流為4  mA），調(diào)整主速指令給定電位器至最小（一般不超過100Ω），啟動變頻器運行（帶載），緩慢增加給定電位器電阻至變頻器工作在60Hz；在調(diào)試過程中應(yīng)多選擇幾個工作點，以便準確地獲得系統(tǒng)控制曲線；實際驗證時，要在不同給料量條件下進行測試。最大輸料能力的確定是以實際最大負載（如皮帶給料量達到18-19t/h）時，其能及時輸送為原則，測取系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)。其測得的部分數(shù)據(jù)如表1所示（包括變頻器輸出頻率、皮帶秤瞬時流量值）。

注：此表內(nèi)數(shù)據(jù)為11KW爬坡皮帶輸送機的運行參數(shù)。

      ②確定皮帶秤信號比例關(guān)系：首先使變頻器運行在10Hz狀態(tài)，將皮帶稱輸出信號接入變頻器，連續(xù)、均勻地給料（皮帶秤信號從4mA開始增加，其改變量小于0.1mA，則可認為給料恒定），記錄給料量、變頻器輸出（頻率）、電機溫度等參數(shù)值（見表2所示）。分析數(shù)據(jù)，則可驗證其設(shè)定值的大小是否合理。可根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢，采取相應(yīng)的對策（必要時還可修改稱重系統(tǒng)信號輸出斜率）調(diào)整其比例系數(shù)。本系統(tǒng)最終確定其皮帶秤信號的比例系數(shù)為82%。另外若給定值修正不理想，可通過改變皮帶秤的PID參數(shù)（一般是改變比例常數(shù)），也可優(yōu)化匹配的參數(shù)修正值。

表2 皮帶秤信號技術(shù)參數(shù)測量記錄

      ③最高頻率確定：當3臺回轉(zhuǎn)窯滿負荷正常生產(chǎn)時，其1條爬坡皮帶輸料量必須達到18.6t/h（±0.2）以上，才能保證皮帶不會出現(xiàn)壓料現(xiàn)象，此時變頻器輸出必須超過58Hz以上。由于這一頻率超出工頻不多，又電機額定轉(zhuǎn)速為1460r/min（4極），其工作在58Hz時電機轉(zhuǎn)速不超過1740r/min，根據(jù)電機設(shè)計學，其小幅度的超頻運行完全可以。經(jīng)過較長時間超頻（60Hz）運行，其電機各項運行參數(shù)均正常。

      ④最低頻率確定：由于皮帶輸送機采用普通異步電動機驅(qū)動，其工作頻率低于10Hz時，電機溫度迅速升高（見表3所示），雖然實際中，這洪超低速運行現(xiàn)象較少，但對于拖動系統(tǒng)的安全性和可靠性要求，應(yīng)盡可能地避免，為此將系統(tǒng)的最低頻率定為10Hz。

表3 變頻器驅(qū)動普通異步電動機的運行參數(shù)

      系統(tǒng)投入運行后，為降低系統(tǒng)因傳感器、積算器等控制器的信號波動引起變頻器頻繁工作在加、減速調(diào)節(jié)現(xiàn)象（這會造成電機、變頻器運行溫度較高問題），可采用延長積算器信號采樣周期和增大PI積分常數(shù)等措施，就能顯著地提高變頻器的穩(wěn)定性。另外采取在變頻器的ACI端增設(shè)高頻過濾器，也可改善系統(tǒng)的波動現(xiàn)象；加速時間設(shè)定為4—7s較為適宜：加速時間過長，當皮帶料量突然較大幅度地增加時皮帶不能及時升速，造成壓料現(xiàn)象；加速時間太短，由于皮帶負載時慣性很大，會使皮帶出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。這種設(shè)置雖降低了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性，但卻能提高皮帶輸料機的正常工作穩(wěn)定性。

(2)變頻器設(shè)定的工作參數(shù)

      VFD110B43P變頻器在我廠一二期煅后焦爬坡皮帶輸送機（Y160M—4、11KW）控制系統(tǒng)中最終設(shè)定的工作參數(shù)內(nèi)容見表1所示。其余參數(shù)默認為出廠設(shè)定值（即為變頻器出廠時設(shè)定的有關(guān)數(shù)值）。

表1 VFD110B43P變頻器主要參數(shù)設(shè)定

5 系統(tǒng)運行效果

      石油焦皮帶輸送機采用VFD110B43P或VFD150B43P變頻器調(diào)速控制，能使輸料機皮帶走速實現(xiàn)較大范圍（0.3m/s～1.24m/s）調(diào)速。輸料能力大幅增加。2009～2010年我廠先后對石油焦煅燒系統(tǒng)3條皮帶輸送機控制系統(tǒng)實施了變頻調(diào)速改造。3年的實踐證明，這種小范圍內(nèi)的增加電機運行頻率，是完全可行的，其改造效果良好：皮帶輸送能力提高了38%（如爬坡皮帶輸料機的輸料量由原來13.5t/h提高到18.6t/h）；皮帶使用壽命大幅延長。由于大幅減少了皮帶跑空現(xiàn)象，其輸送機月耗電降低約26%左右；皮帶壽命平均延長1倍以上，每臺輸送機每年減少維修直接費用（如購置皮帶、棍子、潤滑油等機械備件）0.8萬多元以上。其次應(yīng)用VFD-B-P系列變頻改造，還有如下幾點好處：

      ①改造實施難度低。適合企業(yè)自己施工改造，沒有復雜的外部控制電路設(shè)計，調(diào)試方便，系統(tǒng)易實現(xiàn)。

      ②通過變頻器的有關(guān)參數(shù)設(shè)定就能實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制和各項參數(shù)優(yōu)化調(diào)整。

      ③改造成本低：只需購置變頻器就可實現(xiàn)設(shè)備改造。許多原有的電器件都得到了充分利用。如電機、皮帶稱（包括控制儀）、操作柜、動力電纜等。

      ④變頻器運行穩(wěn)定、維護工作量少（根據(jù)安裝地環(huán)境特點，適當安排清灰、檢查即可）。

      ⑤設(shè)備運行效率高。改造3年來，設(shè)備工作平穩(wěn)，皮帶未發(fā)生過撕裂、拉斷等現(xiàn)象。

      ⑤節(jié)約電能。在輸送料量相同的條件下，電機電流平均降低4.2A。

6 結(jié)語

      應(yīng)用VFD-B-P系列變頻器對石油焦皮帶輸料機控制系統(tǒng)改造，實現(xiàn)了皮帶走速根據(jù)實際給料量大小自動控制目的；提高其輸料能力，減少皮帶跑空現(xiàn)象，大幅降低了物料輸送中的能耗，節(jié)約電能，根據(jù)改造前后皮帶輸送機實際電流大小，初步計算每月單臺輸送機可節(jié)電1100KWh以上，每年節(jié)約電能1.3萬多度。

作者簡介

      韓敏（1967-）男  高工，先后在電解、炭素行業(yè)從事設(shè)備技術(shù)管理和維修工作，現(xiàn)從事設(shè)備維修、技改和大修等工作。