貨架技術概述
目前,現有的貨架冷彎設備整線基本運行速度為12~14m/min。前后工序間的速度匹配、整線速度的調整以及貨架冷彎機組的位置定位等是交流變頻調速技術的主要應用。交流變頻調速在開卷機、校平機、壓力機等中的應用:主要實現前后道工序間的在線無級調速和同步跟隨性能,具有調速范圍大、維護簡便、安全可靠、功率因數高于0.9以上等優點,如:通過交流變頻調速系統進行壓力機工作頻率的調節,實現與伺服送料裝置工作節拍的協調和整線基本速度的調節;通過交流變頻調速系統進行開卷機和校平機運行速度的無級變換與工作狀態變換頻繁等,確保整線運行控制的自動化和速度上的一致性。
校平機的啟停、變速是由緩沖地坑中的光電開關發訊后系統自動控制和調節的,保證在自動方式下連續運轉時有足夠的料可緩沖。交流變頻調速技術的應用極大地降低了設備速度匹配和設備調試難度,也便于今后根據生產產品發生的變化來提升設備的運行效率和產能。 交流變頻調速在冷彎機組中的應用:冷彎成型機根據產品設計圖紙選擇合理的水平輥架數并完成產品的冷彎成型加工,主傳動采用交流變頻調速系統,剪切機負責將貨架組件定長切斷。交流變頻調速異步電機定位控制的研究經歷了較長階段,定位控制的傳統做法是采用機械擋塊來定位。如:濟南鑄鍛所設計制造的貨架立柱冷彎生產線為達到定尺寸定孔位切斷的精度:±0.5mm,其液壓飛剪系統的定位設計中就引入了定位插銷和電氣定位雙精度控制技術,目前,在各個行業中所用的定位方式可分為四種:機械定位,電氣定位,空氣定位,光學定位。電氣定位控制系統一般是以數字方式工作的,故可以提高精度,十分簡便,易于和PC、PLC等各種上位控制系統和控制電路相匹配。目前在舊型冷彎機組中應用變頻調速技術是針對變頻器的速度參數設定幾個固定的運行頻率(例如高速、中速、低速三種頻率),根據冷彎機組上實際產品的控制要求由PC或PLC對變頻器的三種(頻率)速度進行切換,達到調速和停準的目的。但當具體產品對冷彎機組的位置停準精度要求提高后,這種開環式的有級調速就不能滿足產品的位置精度控制要求而采用變頻無級調速閉環控制技術。
對如此復雜的位置控制系統,變頻技術必須能克服以下技術問題:
1、將復雜的交流異步電機的數學模型簡單化;
2、考慮位置旋轉編碼器反饋信號的延后和超調;
3、將冷彎軋制控制過程的動態參數描述成時變函數;實際上均采取位置比較和現場調試延時來簡單化處理;
4、保證位置閉環的抗波動能力高和即時調節性好;
5、考慮前后工序速度匹配反饋信號的傳遞與控制上的協調;
6、機械加工與配合精度等。
貨架冷彎成型設備的電氣拖動主要是驅動冷彎軋輥運動,其阻力矩TL取決于冷彎軋輥與鋼卷料之間的摩擦力FL與冷彎軋輥半徑r的乘積,即TL=FL×r。在這里,冷彎軋輥的半徑r是恒定不變的,摩擦力FL的大小與相應的冷彎產品的孔型設計工藝水平、機組的傳動效率和相關材料與軋輥間的摩擦系數等有關,與轉速高低關系不大。這是典型的恒轉矩負載機械特性。這類負載轉矩和轉速的快慢無關,所以在調節轉速過程中,負載的阻轉矩保持不變。
在選擇變頻調速系統時,除了按常規要求外,還根據機組運行的調速范圍、阻力矩TL的特點、對機械特性的要求等進行選擇:
1、選擇較為簡易的V/F控制方式的變頻器應用于:開卷機、校平機、壓力機等單機運行的變頻調速控制與整線速度上的匹配。
2、選擇有反饋的矢量變換控制方式應用于冷彎成型機組和在線液壓停剪設備系統中,主要是為了實現位置定位和液壓停剪功能,目前可實現的位置控制精度可達到±0.1mm以上,精度越高其生產效率會明顯下降,甚至產生位置定位震蕩,我公司根據貨架產品的工藝特點,位置精度控制在±0.5mm左右較合適,貨架冷彎機組主動力系統主要采用有反饋的矢量變換控制方式,如圖一控制原理。矢量控制通過電動機統一理論和坐標變換理論,把交流電動機的定子電流分解成磁場定向坐標的磁場電流分量和與之垂直的轉矩電流分量,把固定坐標系變換為旋轉坐標系解耦后,交流量的控制就變為直流量的控制,這樣交流電動機便能等同于直流電動機,從而獲得直流電動機一樣的控制性能。目前,交流電力拖動已完全可以與直流電力拖動相媲美。
其次對冷彎機組成型功率的計算和確定;根據文獻2說明,機組驅動動力常由實際經驗推定,可參考部分機組的標準規范和經驗設計參數,也常用旋轉承受成形反力(荷重)的輥所需要的成形扭矩來求,如:成形扭矩T=P(成形荷重)×L(輥間接觸長度),且實測值常高于計算值;其中也給出了電縫管的計算經驗公式等。實際上不同的廠家對機組功率設計的標準也不同,機組傳動效率上也存在一定的差異(如:鏈傳動與齒輪傳動),如我公司的進口生產線,其成型寬度為:226mm,成型角為360度,卷料厚度達到3.0mm,選用卷料設計材質為SS490,機組主功率為37KW,而國產設備冷彎產品成型寬度為:336mm,最大成型角為1080度,常規產品成型角為720度,卷料厚度達到4.0mm,選用卷料設計材質為SS490,機組主功率為132KW,類比可發現其差異較大。
最后為選用變頻器的容量,其有很多因數決定,例如電動機容量、電動機額定電流、電動機加減速時間等,其中,最主要的是電動機額定電流。
交流變頻調速是通過變頻器來實現的,對于變頻器的容量確定至關重要。合理的容量選擇本身就是一種節能降耗措施。根據現有資料和經驗,比較簡便的方法有三種:
1、電機實際功率確定法:首先測定電機的實際功率,以此來選用變頻器的容量。
2、公式法:設安全系數取1.05,則變頻器的容量Pb = 1.05Pm/hm×cosy (kW) 式中,Pm為電機負載;hm為電機功率。計算出Pb后,按變頻器產品目錄可選出具體規格。
3、電機額定電流法:變頻器容量選定過程,實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程,最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率,但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少,通常都是設備所選能力偏大,而實際需要的能力小,因此按電機的實際功率選擇變頻器是合理的,或根據具體選用的變頻器品牌和性能進行選用。
存在的問題和不足
在應用交流變頻調速技術的過程中也存在不足之處。主要表現在有的系統在設計方面還存在有相當不合理的地方。比如設計者沒有很好地利用變頻調速技術的優點,而是膚淺地實現系統的調速,貨架冷彎設備在實際的生產運行中(4極)電動機長期穩定地運行在20Hz。無論是變頻器還是電動機的能力都只用了40%左右,這是不合理的。在后期產品的開發過程中還必須限制新冷彎軋輥的外徑設計、整線運行線速度的匹配等因素。
系統設計中針對交流變頻調速系統的狀態反饋設計重視不夠,系統故障診斷設計重視不夠,系統選用品牌雜亂造成的備件、維修保養困難重視不夠等,包括用戶對系統調試參數保存與修改經驗上的不足等、對交流變頻調速系統的認識不足,相關外圍設備參數變化對系統參數的重調試等,如:編碼器測量輥的磨損與更換;均極大地影響了交流變頻調速系統在貨架冷彎生產線上的廣泛應用。
參考文獻:
1、王先進,《冷彎型鋼生產及應用》,冶金工業出版社,1994.8
2、賴耿陽,《最新冷軋成形全集》,復漢出版社,1990.9 3、滿永奎 韓安榮 吳成東 編著《通用變頻器及其應用》 機械工業出版社 1998年
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