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SD20系列电动程控螺旋压力机节能实践

发布日期:2013-06-21

概述

    目前我国锻造行业和耐火材料成型行业广泛应用的压力机多为摩擦压力机。摩擦压力机承受的是短期冲击负荷,即压力机的负载具有强烈的冲击性,在一个完整的工作周期内只在较短的时间内承受工作载荷,而较长的时间内是空程运转;还由于压力机的工作负荷一般在设计值的60%左右,电机长时间处于空载,而一般电机空载功率因数为0.2~0.3,所以现有摩擦压力机耗能很大。

    随着我国劳动力、生产原料、燃料成本的增加,对生产机械也提出了更高的要求——自动化、智能化,其目的在于降低生产成本,提高生产效率,提高产品的竞争力。我们现在所使用的大多数摩擦压力机的技术水平处于上世纪5060年代的水平,还处于“大马拉小车、头脑简单四肢发达”的工作状态,要达到以上性能,比较困难。

    随着计算机技术、电力电子技术、数字化控制技术的发展,一种新型的动力系统--开关磁阻电动机调速系统(Switched Reluctance Driver,简称SRD)应运而生,它是以现代电力电子与微机数控技术为基础的机电一体化产品,由于其独有的性能,使其非常适用于螺旋压力机的驱动系统,解决了现有驱动系统存在的问题,提升了压力机的性能,为我国压力机技术的发展提供了强有力的技术支持。

SD系列电动程控螺旋压力机吸收了我国在大功率开关磁阻电机方面的研究成果,将开关磁阻电机的特点和螺旋压力机的要求有机的结合,采用PLC控制,实现了螺旋压力机的数字化控制,为锻造、耐火材料行业提供了专用的成型设备。

    经过我们几年来的实践,SD系列电动螺旋压力机在节能方面有着广阔的发展空间。

1  摩擦压力机和电动螺旋压力机能量传递效率的比较

    摩擦压力机承受的是短期冲击负荷,即压力机的负载具有强烈的冲击性,在一个完整的工作周期内只在较短的时间内承受工作载荷,而较长的时间内是空程运转;还由于压力机的工作负荷一般在设计值的60%左右,电机长时间处于空载,而一般电机空载功率因数为0.2~0.3,所以现有摩擦压力机耗能很大,有效能耗只占总能量的20-40%。从能量传递链来看,摩擦压力机是通过三角带将能量由电机传递到立轮,立轮通过摩擦将能量从立轮传递到平轮上,平轮驱动滑块上下运动产生冲击力。

各环节的能量传递效率

电机效率:L=96%

三角带效率:M=90%

摩擦效率:N=25-50%

螺旋副效率:Q=93%

总效率=LXMXNXQ=96%X90%X25-50%X93%=20-40%

    由于电动螺旋压力机具有最短的传动链和很高的效率。淄博桑德机械设备有限公司作为耐火材料成型领域电动螺旋压力机的开拓者,进行了有益的尝试,我们开发的SD20SD20A系列电动螺旋压力机广泛应用于锻造成型和耐火材料成型,其传动方式是电机通过联组三角带驱动螺杆频繁正反转运动,具有传动链短,效率高的特点。

各环节的能量传递效率

电机效率:L=96%

三角带效率:M=90%

螺旋副效率:Q=93%

总效率=LXMXQ=96%X90%X93%=80%

    从能量传递角度考虑,电动螺旋压力机比传统的摩擦压力机节能40-60%

 

2  开关磁阻电动机调速系统简介及节能效果

    开关磁阻电动机调速系统由电机及控制器两大部分组成,开关磁阻电机与传统电机差别很大,为双凸极结构,其定、转子均由普通硅钢片叠压而成,转子上既无绕组也无永磁体,定子齿极上绕有集中绕组。控制器包括嵌入式微处理器、可编程逻辑器件、IGBT驱动电路、电力电子器件、软件及通信接口,完成电动机的驱动与控制。如图1、图2所示。

    电机装有位置传感器,位置信号反馈给控制器,控制器按程序数字化控制电机运转。如图2所示,当绝缘栅双极晶体管(IGBTS1S2导通时,A相绕组从直流电源U吸收电能,而当S1S2关断时,绕组电流经续流二极管D1D2继续流通,并回馈给电源U。因此,SRD的特点是具有再生作用,系统节电、效率高。因此开关磁阻电动机调速系统可以数字化控制设备的工作执行机构,属于数控调速和数控伺服系统。

           

1  SRD控制器系统框图               

 

2  SRM控制原理图

 

    开关磁阻电动机调速系统与传统的调速电机相比,其特点在于:

1、可频繁起停及正反转切换。

2、高起动转矩,低起动电流,对电网冲击小。当起动转矩达到额定转矩的150%时,起动电流仅为额定电流 的30%

3、系统效率高,在宽广的调速范围内比其它调速系统效率高10%以上,功率因数0.98以上。

4、调速范围宽,低速下可长期运转。可以在503000/分钟范围内无级调速。

5、过载能力强,可靠性高,三相输入电源缺相或堵转时不烧电机和控制器。

6、制动力巨大,可以满足快速停止所需制动力矩的要求。

    从开关磁阻调速电动机的特点看,不论在高速、低速状态都能保持高效率,所以国家发改委、科技部和环保总局2006年联合发文《国家鼓励发展的资源节约综合利用和环境保护技术》资源节约部分第三十二项推广该电机,原文件如下:

    开关磁阻电机系统是一种机电一体化节能型调速电机系统。它由开关磁阻电动机、功率变换器及控制器组成。同传统的直流及交流电机调速系统比较,具有以下优点:电机结构坚固;效率高,不仅在额定输出状态下,而且在宽广的调速范围内也能保持高效率运行;一般系统效率达80%以上;启动转矩大、启动电流小;制动性能好,能实现再生制动,节约电能效果显著;系统调控性能好,四象限控制灵活;具有无刷结构,适合于在高粉尘、高速、易燃易爆等恶劣环境下运行;可以在各行各业应用。

 

3 SD20A系列电动程控螺旋压力机的节能优势

    SD系列电动程控螺旋压力机采用特殊设计的压力机结构,可替代现有摩擦压力机,其整机结构由开关磁阻电机、控制柜、皮带传动机构(或齿轮传动)、飞轮、螺杆、螺母、滑块、制动器和机身组成,如图3所示。

 

3 SD系列电动程控螺旋压力机

1-开关磁阻电机  2-皮带传动  3-飞轮

 4-制动器  5螺杆 6-螺母 7-滑块 8-机身

 

    开关磁阻调速电机驱动螺旋压力机的飞轮与螺杆一起频繁正反转运动,螺母与螺杆形成运动付,螺杆驱动螺母和滑块上下运动,产生打击力。以PLC为核心的控制系统设计有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个工作程序段,各程序段的打击速度可以通过触摸屏进行设置。可采集压力机各瞬间工作状态进行逻辑判定,完成对电机控制和制动装置的控制、气动出模控制。

    从SD20A系列电动螺旋压力机的设计来看,节能有以下优势:

l  把电机由连续运行状态改为间歇运行状态,在成形过程的上料、成型、出砖和清理模具这四个过程中原来电机是一直运转的,而现在电机只需要在成型过程中运转,其它三个过程电机是停止的,不需要消耗能量。

l  开关磁阻调速电动机具有启动电流小,能耗少的特点,从SD20A-1250电动螺旋压力机实际运行电流来看,两台75千瓦电机最大启动电流120安培,远远小于一台异步75千瓦电机的起动电流。

 

4实际应用情况

    经过五年多的努力,电动程控螺旋压力机已经在我国耐火材料行业、锻造成型行业形成了星火燎原之势,获得了行业人士的认可和接受。从应用情况来看,电动程控螺旋压力机继承了摩擦压力机的优点,效率高,适应性广,更换模具方便。从节能方面考虑,比摩擦压力机节能40%-70%左右,减少佣工12人。从制品质量方面看,减少了成型过程中人为因素,产品的一致性得到了提高,产品成品率在98%以上;设备的维护费用降低到摩擦压力机的40%

    表1是上虞自立股份有限公司在镁碳砖生产过程中的统计数据。表2是营口濮耐股份有限公司的生产统计数据。表3是偃师中岳耐火材料有限公司的生产统计数据。

1 上虞自立股份有限公司生产统计数据

设备名称

班次

人员

产量

班产量

人均效率

电耗

(度)

吨电耗

(度)

吨维修费用

SD10-630

61

122

16226

203

265

3.249

133

1.624

4938

20.833

2.16元

J67-630

61

183

20198

227

331

3.739

110

1.246

9850

38.933

5.27元

两者对比

 

 

80.3%

89.4%

80%

86.8%

121%

130%

50%

53.5%

41%

 

2 营口濮耐股份有限公司生产统计数据

设备名称

产量

(块)

电耗

(度)

吨电耗

(度)

块耗电

(度)

有效班产量

(块)

平均合格率

SD10-630

9636

3488

34.627

0.362

357

98.85%

J67-630

13507

20520

103.31

1.519

436

 

两者对比

71%

17%

34%

24%

82%

 

 

3 偃师中岳耐火材料有限公司统计数据

镁碳砖吨砖电耗

摩擦压力机

电动螺旋压力机

2012年7月

2012年8月

2012年9月

2013年2月

2013年3月

2013年4月

39.5

40.1

38.7

11.7

11.8

12.3

平均吨电耗39.4度

平均吨电耗11.9度

吨砖节电率69.7%

 

    从以上分析及实践统计数据来看,电动螺旋压力机终将取代摩擦压力机,成为我国锻造成型和耐火材料成型的主力设备,成为一款绿色成型设备,为我国行业发展和节能减排提供有力的技术支持

2013/5/30

 

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