同步永磁電子電機(jī)在貯柜中的應(yīng)用

文/吳 濤 遲大有 劉 玉 阿 梅 陳玉鵬

貯柜是卷煙廠生產(chǎn)線上的主要貯存設(shè)備，如圖1。貯柜主要用于貯存物料，通過(guò)多種配方原料在同一空間的存儲(chǔ)，對(duì)不同種類的物料進(jìn)行預(yù)混、使物料混合均勻，可以達(dá)到將不同物料配方進(jìn)行比例混合的工藝目的；還可用于對(duì)物料進(jìn)行醇化、料液的吸收、物料水份的平衡等等；通過(guò)對(duì)物料的存儲(chǔ)調(diào)節(jié)和平衡整線生產(chǎn)，達(dá)到工藝要求。

煙草行業(yè)現(xiàn)有的貯柜類設(shè)備的輸送鏈帶均有載荷大、運(yùn)行速度慢的特性，由于普通變頻技術(shù)調(diào)速范圍1:5左右，為滿足工藝要求,為獲得合適的運(yùn)行速度,輸送鏈帶驅(qū)動(dòng)源通常由普通異步電機(jī)和大速比（1000～10000）減速箱組成。大速比的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)側(cè)感知負(fù)載的能力反比例縮小，發(fā)生故障時(shí)電機(jī)的電流過(guò)載保護(hù)仍不會(huì)啟動(dòng)，致使造成主動(dòng)軸扭斷、貯柜整體變形倒塌等重大事故。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們提出使用一種新型同步永磁電子電機(jī)和小速比減速機(jī)組合來(lái)替代原輸送鏈帶驅(qū)動(dòng)源，利用新型同步永磁電子電機(jī)的恒扭矩超寬調(diào)速范圍和高過(guò)載能力特性，使輸出扭矩變化可精確反映為電流變化值，并進(jìn)行電流過(guò)載保護(hù)跟蹤控制，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。

一、現(xiàn)有貯柜輸送鏈帶驅(qū)動(dòng)應(yīng)用分析

以云南煙草設(shè)備有限公司中型貯柜為實(shí)例，計(jì)算分析在空載和負(fù)載情況下驅(qū)動(dòng)貯柜輸送鏈帶（如圖2）的異步電機(jī)輸出扭矩變化對(duì)應(yīng)的電流變化。由于計(jì)算目的是為了分析負(fù)載變化導(dǎo)致的電流變化量，在負(fù)載計(jì)算過(guò)程中忽略了物料與壁板的摩擦力及耙料軸阻力。所選的貯柜及減速電機(jī)規(guī)格參數(shù)如表1和表2。

1.空載計(jì)算

F1—鏈條最大靜態(tài)張力（kN）

L1—100mm

L2—輸送鏈帶中心距23230mm

V—鏈條速度0.436m/min

m—輸送裝置的重量201.5kg/m

圖1：貯柜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：貯柜輸送鏈帶示意圖

表1：所選貯柜規(guī)格參數(shù)

表2：所選減速電機(jī)規(guī)格參數(shù)

表3：兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)

表4：測(cè)試結(jié)果

圖3：貯柜底帶計(jì)算簡(jiǎn)圖

f1—鏈條與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)0.08

g—重力加速度9.8m/s

W—最大輸送物料流量5 t/h

M—每米物料重量[散裝物料：M=(1000/60)×W/V=191.1kg/m]

空載時(shí)鏈條最大靜態(tài)張力計(jì)算：0+3.91=7.58(kN)

空載時(shí)減速箱輸出扭矩計(jì)算：

空載時(shí)電機(jī)輸出扭矩計(jì)算：

空載時(shí)電機(jī)工作電流計(jì)算：

2.負(fù)載計(jì)算

負(fù)載時(shí)鏈條最大靜態(tài)張力計(jì)算：

負(fù)載時(shí)，減速箱輸出扭矩計(jì)算：

負(fù)載時(shí)，電機(jī)輸出扭矩計(jì)算：

負(fù)載時(shí)，電機(jī)工作電流計(jì)算：

3.計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)由于選用大速比減速機(jī)，貯柜由空載到滿柜負(fù)載運(yùn)行時(shí)電機(jī)工作電流僅增加了0.139(A)。滿柜負(fù)載工作電流0.442(A)遠(yuǎn)低于電機(jī)額定電流40%（0.728A）,普通異步電機(jī)空載電流即達(dá)到額定電流的40%～60%，由于普通異步電機(jī)電流力矩特性（如圖4）意味著電機(jī)輸出扭矩在電機(jī)額定扭矩60%以下變化時(shí)，無(wú)法通過(guò)電流反映出實(shí)際輸出扭矩，因此運(yùn)行過(guò)程中一旦出現(xiàn)堵料，異物阻卡等，電機(jī)的電流過(guò)載保護(hù)不會(huì)啟動(dòng)，若發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，造成主動(dòng)軸扭斷、貯柜整體變形倒塌等重大事故。

若生產(chǎn)線工藝發(fā)生改變時(shí)，外置變頻器的調(diào)速范圍1:5經(jīng)常不能滿足設(shè)備工藝需求。為節(jié)省設(shè)備改制成本，通常首選方案是改變傳動(dòng)鏈輪的大小，來(lái)獲取輸出轉(zhuǎn)速的改變。但盡管如此，也時(shí)常不能滿足在線工藝要求的速度。

二、同步永磁電子電機(jī)的特點(diǎn)及在輸送鏈帶驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

1.同步永磁電子電機(jī)的特性

（1）恒扭矩寬調(diào)速范圍1:2000。

（2）超寬調(diào)速范圍和高過(guò)載能力相結(jié)合。

（3）基于永磁材料設(shè)計(jì)的電機(jī)，通過(guò)電流控制對(duì)力矩控制的能力和精度較傳統(tǒng)電機(jī)大幅提升。

2.應(yīng)用方案

如圖5，采用同步永磁電子電機(jī)的貯柜輸送鏈帶驅(qū)動(dòng)。同步永磁電子減速電機(jī)5啟動(dòng)后通過(guò)傳動(dòng)鏈輪4驅(qū)動(dòng)貯柜輸送鏈帶運(yùn)行，通過(guò)連接帶有的集成網(wǎng)絡(luò)控制模塊及調(diào)速裝置1的外部設(shè)備,監(jiān)控同步永磁電子電機(jī)5的工作電流與轉(zhuǎn)速，此時(shí)的電流值為設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)電流，在此電流值基礎(chǔ)上設(shè)置一個(gè)保護(hù)電流值(工作電流值的1.5倍左右)并加以延時(shí)（延時(shí)的目的是為屏蔽設(shè)備啟動(dòng)瞬間電流值超過(guò)設(shè)置的保護(hù)電流值而造成電機(jī)控制系統(tǒng)切斷電流，貯柜停機(jī)現(xiàn)象。）

由于同步永磁電子電機(jī)電流與力矩變化特性（如圖6），當(dāng)貯柜運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生堵料、輸送鏈帶卡滯現(xiàn)象時(shí)，減速機(jī)3輸出扭矩瞬間加大，輸出扭矩的變化通過(guò)一級(jí)減速機(jī)3后，仍有至少大于20%的作用力反饋到同步永磁電子電機(jī)5上，致使同步永磁電子電機(jī)5電流急劇加大，當(dāng)輸出電流增大至突破保護(hù)電流值時(shí)，電機(jī)控制系統(tǒng)切斷電流，貯柜停機(jī)，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。根據(jù)步永磁電子電機(jī)5恒扭矩寬調(diào)速范圍的特性，可以設(shè)置減速機(jī)3輸出轉(zhuǎn)速來(lái)滿生產(chǎn)線的工藝要求。

三、樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次試驗(yàn)通過(guò)選用SEW公司新型超高效DRC電機(jī)，來(lái)驗(yàn)證由同步永磁電子電機(jī)組成的貯柜輸送鏈帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)貯柜的保護(hù)功能。

圖4：普通異步電機(jī)電流力矩特性圖

圖5：同步永磁電子電機(jī)的貯柜輸送鏈帶驅(qū)動(dòng)

圖6：同步永磁電子電機(jī)電流力矩特性圖

2.實(shí)驗(yàn)對(duì)象

川渝中煙工業(yè)公司四川公司什邡分廠制絲車間6#貯葉柜。

3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）拆除制絲車間6#貯葉柜的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后直接更換新的DRC電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型號(hào)、規(guī)格、參數(shù)，如表3。

（2）通過(guò)來(lái)自控制柜的開(kāi)關(guān)量啟動(dòng)信號(hào)對(duì)DRC電機(jī)進(jìn)行啟停控制，速度通過(guò)DRC電機(jī)上自帶的調(diào)速電位計(jì)進(jìn)行直接設(shè)定。

（3）測(cè)試貯柜空載和負(fù)載兩種情況，根據(jù)實(shí)際的工作電流值來(lái)設(shè)置過(guò)載保護(hù)電流值，為屏蔽設(shè)備啟動(dòng)瞬間電流值超過(guò)設(shè)置的保護(hù)電流值而造成電機(jī)控制系統(tǒng)切斷電流設(shè)置5S延時(shí),測(cè)試結(jié)果如表4。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）由于采用小速比減速機(jī)貯柜由空載到滿柜負(fù)載運(yùn)行時(shí)電機(jī)工作電流變化了0.9(A)，變化量達(dá)到電機(jī)額定電流27%，扭矩變化更精確反映為電流變化。

（2）由同步永磁電子電機(jī)組成的貯柜輸送鏈帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)輸出電流增大至突破報(bào)警電流值時(shí)，電機(jī)控制系統(tǒng)切斷電流，貯柜停機(jī)，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。

四、結(jié)語(yǔ)

由同步永磁電子電機(jī)組成的貯柜輸送鏈帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電流對(duì)轉(zhuǎn)矩控制更加精確可靠，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)值相應(yīng)的過(guò)載保護(hù)電流值，在生產(chǎn)過(guò)程中，一旦出現(xiàn)堵料等異常情況導(dǎo)致扭矩變化時(shí)可精確反映為電流變化值，當(dāng)電機(jī)工作電流值超過(guò)過(guò)載保護(hù)電流值時(shí)，能及時(shí)斷電停機(jī)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備的目的。同步永磁電子電機(jī)具有恒扭矩寬調(diào)速范圍的特性，大幅降低了貯柜輸送鏈帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)速比，同一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能滿足不同的生產(chǎn)工藝要求，有效減少驅(qū)動(dòng)設(shè)備種類。