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中的應用；詳細闡述了該系統控制策略、原理、調試過程和使用效果。變頻調速技術應用于設備拖動控制中，實現了電機低電流啟動、調速等功能；提高了生產能力和設備運行效率，延長了設備使用壽命、節約電能等好處。

關鍵詞：變頻器   調速   輸送機   節能

Abstract：This article describes the VFD-B-P series frequency converter application in petroleum coke conveyor control system. Elaborated on the system control strategy、the principle、the debugging process and the results. Frequency control technology for drag control device to achieve a low current start motor， speed control and other functions. Increased production capacity and equipment operating efficiency， extend equipment life， save energy and other benefits.

Key words： Frequency converter  Speed  Conveyor  Energy-saving

1 引言

經過二十多年的不斷發展和技術創新，變頻技術已十分成熟和完善，其應用也已非常廣泛和普及，尤其是國產變頻器，在技術、性能和質量上已完全與進口產品相比美，甚至部分產品功能超過了外國進口產品，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變頻器存在著不好的想法和不忍可的關念，但隨著時間的推移和國產變頻器的不斷地使用，人們會漫漫地重新認識國產品的和性能的，只要國內眾多企業不斷地努力和完善自己的產品性能，作好售后服務，就會得到國內所有企業內工程技術人員的認可和首選。在實際企業設備改造和更新中，人們一般首選自己曾經使用過的廠家產品，只要使用過國產變頻器，人們就會迅速改變過去觀點。

臺達變頻器以其高質量、性能優越、功能多、控制精度高等特點，已得到眾多企業工程技術人員認可和接受，近多年的實際應用效果充分證明  臺達VFD-B-P系列變頻器的質量、性能和功能的優越，其調速范圍大、調速精度高、節能的優點，易于控制、維護少，工作可靠、操作方便、保護監控功能完善、控制電路簡單、易實現的特點，被廣泛應用。尤其是在較為復雜的控制中，只要合理地設定變頻器相關參數，就能完全滿足和實現其復雜控制系統和要求。

2 生產工藝與設備現狀

在鋁電解預焙炭素陽極生產、成型、焙燒和組裝工藝過程中，皮帶輸送機被廣泛應用于石油焦、瀝青和殘極等散裝物料輸送作業線上。由于設備故障、異常和生產工藝變化的隨機性，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臺回轉窯生產）；有時可達到18t/h（煅燒3臺回轉窯生產）以上。但普通皮帶輸送機均設計為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。因而對于特殊狀態下的（輸料量超過14t/h以上）實際生產難以得到滿足，經常會出現壓料或落料現象（因皮帶上堆料過高，皮帶在運動過程中會出現部分物料滑落在輸送機兩側）。清掃落料需要耗費大量人力，作業人員易被皮帶掛傷，存在著安全隱患，也會造成原料損失和生產環境惡化等問題。另外，因設備大修或計劃檢修，有時只有1臺回轉窯生產，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；其次每2個月一二期陽極成型安排1次設備計劃檢修（停產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臺回轉窯同時生產時，其煅后焦只能用2條爬坡皮帶同時就近輸送、存貯。然后再通過車輛轉運平衡物料。由于上述問題，我廠提出了應用變頻調速技術對多條皮帶輸送機控制系統進行技術改造，實現皮帶走速調節，達到提高其輸送量，減少皮帶跑空現象，延長皮帶使用壽命等作用。

3 系統設計

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，實現皮帶走速調速控制要求，根據現有設備現狀，并依照經濟性的原則，綜合考慮進行系統設計、配置和選型。

3.1 設備配置

①爬坡皮帶輸送機拖動設備為三相異步交流電動機，其主要技術參數和性能：

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（三組托輥懸浮式結構）：由SM14型全懸浮式稱重橋架、SM12C型測速傳感器、SM2301-D型轉換器、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

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

根據實際經驗，變頻器的選用首先要明確其使用的目的、應用在場合，按照生產機械的類型、調速范圍、控制精度、啟動轉矩等實際要求，并從容量、電壓、頻率、保護功能、電網穩定性等諸方面進行綜合考慮，其次依滿足工藝和生產的基本條件為前提、既要考慮好用、又要經濟、今后維修方便及備件易采購的原則，進行系統地選擇其機型和生產廠家。

據理論要求，應用環境海拔超過1000m時，變頻器應降容使用，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，一般應有20%以上的余量。

由于VFD-B-P系列變頻器具有功能齊全、調速精度高（調速誤差為0.01Hz），過載能力大（可達到250%以上）、穩定性好和調速范圍廣（最大輸出頻率可達到400Hz）等特點；其次還具有質量高、性價比高、抗干擾能力強、適合炭素惡劣環境使用、多參數控制等功能，適合多變量、復雜的控制系統。因此完全能滿足爬坡皮帶輸送機根據皮帶上料量大小自動調節皮帶走速控制要求。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構和原理如圖1所示。由于皮帶輸送線上通常設有多個加料口。如我廠煅燒1#、2#、3#回轉窯（產能均為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用料。雖然3臺回轉窯排料口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個成型原料貯存倉輸料。然后再用車輛轉運。故每月要安排50余臺·班次車輛平衡物料（轉運成型原料倉內的石油焦）。

圖1 爬坡皮帶輸送機結構與原理圖

針對生產中存在的上述問題，2009年我廠提出了變頻改造計劃，經過在1條爬坡皮帶輸送機控制系統改造試驗，并使其工作在60Hz條件下，在不同工況環境下連續運行，其電機溫度、電流等運行參數均正常；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），其運行參數如表1所示。

表1 皮帶輸送機變頻控制條件下運行參數測量（環境溫度19℃）

系統控制原理：每條爬坡皮帶輸送機拖動機構由一臺交流異步電機驅動，采用VFD150B43P變頻器控制。其變頻器通過外部電位器設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，實現輸送機皮帶走速控制和調節，達到根據輸送機皮帶上實際料量大小自動調節控制目的。其次系統還設計了變頻器恒速運行模式（即面板設定速度：1臺窯下料時，頻率設為30Hz；2臺窯下料時，頻率設為45Hz；3臺窯下料時，頻率設為60Hz），當皮帶稱發生故障時（影響輸料工作），只需將變頻器給定方式修改為面板設定方式，并設定相應的頻率，即可使系統投入正常運行。其系統結構、控制原理如圖2所示；變頻器控制接線如圖3所示。

圖2 皮帶輸送機變頻調速系統控制原理

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信號波動，過濾能顯著降低變頻器的頻繁加減速調節的問題。通過大積分時間常數設定，使稱重系統信號擾動加入到系統瞬間，積分不起作用（因積分調節作用是滯后的，積分時間越大，調節速度越慢），有利系統穩定，滯后性又減小波動，增加系統的抗干擾能。小的微分時間常數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。只要適當的選取這些參數，就能很好地實現皮帶速度的準確控制效果。

應用變頻器控制皮帶走速功能，實現了根據給料量大小采取不同的皮帶走速控制方式，達到了自動調節皮帶的輸料量的目的。如3臺回轉窯同時生產時，1條爬坡皮帶機的驅動電機運行在58  Hz左右就能滿足生產要求；2臺窯生產時，電機運行在46Hz左右；1臺窯生產時，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，又實現了其較為經濟的運行工作效果。降低設備空耗和磨損，大幅減少了生產中“大馬拉小車”的現象。同時也能顯著延長設備使用壽命。使一線操作人員的巡視、維護、清掃作業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臺回轉窯煅后焦輸送任務。經過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 系統參數設置與調試

變頻調速系統安裝完成后，根據實際生產情況進行系統調試，才能更加發揮其控制效果。本系統調試主要分為皮帶秤系統參數設定與變頻器控制參數設置。

4.1 皮帶稱調試

SM20—1為單托輥皮帶稱（SM14為三組托輥懸浮式結構）、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，設有4—20mA信號輸出接口，設定積算器的輸出比例參數可得到不同走速時的信號值。

4.2 變頻器控制參數設置

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

(1)輸入設置及其它主要參數確定

設置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；在調試過程中應多選擇幾個工作點，以便準確地獲得系統控制曲線；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，測取系統相關數據。其測得的部分數據如表1所示（包括變頻器輸出頻率、皮帶秤瞬時流量值）。

表1 變頻調速系統相關技術參數測量記錄

注：此表內數據為11KW爬坡皮帶輸送機的運行參數。

②確定皮帶秤信號比例關系：首先使變頻器運行在10Hz狀態，將皮帶稱輸出信號接入變頻器，連續、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）、電機溫度等參數值（見表2所示）。分析數據，則可驗證其設定值的大小是否合理。可根據數據變化趨勢，采取相應的對策（必要時還可修改稱重系統信號輸出斜率）調整其比例系數。本系統最終確定其皮帶秤信號的比例系數為82%。另外若給定值修正不理想，可通過改變皮帶秤的PID參數（一般是改變比例常數），也可優化匹配的參數修正值。

表2 皮帶秤信號技術參數測量記錄

注：此表內數據為11KW爬坡皮帶輸送機的運行參數；K—為皮帶稱輸出增益系數。

③最高頻率確定：當3臺回轉窯滿負荷正常生產時，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壓料現象，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，又電機額定轉速為1460r/min（4極），其工作在58Hz時電機轉速不超過1740r/min，根據電機設計學，其小幅度的超頻運行完全可以。經過較長時間超頻（60Hz）運行，其電機各項運行參數均正常。

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，這洪超低速運行現象較少，但對于拖動系統的安全性和可靠性要求，應盡可能地避免，為此將系統的最低頻率定為10Hz。

表3 變頻器驅動普通異步電動機的運行參數

注：此表內數據為11KW爬坡皮帶輸送機拖動電機運行參數。

系統投入運行后，為降低系統因傳感器、積算器等控制器的信號波動引起變頻器頻繁工作在加、減速調節現象（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積分常數等措施，就能顯著地提高變頻器的穩定性。另外采取在變頻器的ACI端增設高頻過濾器，也可改善系統的波動現象；加速時間設定為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，造成壓料現象；加速時間太短，由于皮帶負載時慣性很大，會使皮帶出現打滑現象。這種設置雖降低了系統的動態響應性，但卻能提高皮帶輸料機的正常工作穩定性。

(2)變頻器設定的工作參數

VFD110B43P變頻器在我廠一二期煅后焦爬坡皮帶輸送機（Y160M—4、11KW）控制系統中最終設定的工作參數內容見表1所示。其余參數默認為出廠設定值（即為變頻器出廠時設定的有關數值）。

5 系統運行效果

石油焦皮帶輸送機采用VFD110B43P或VFD150B43P變頻器調速控制，能使輸料機皮帶走速實現較大范圍（0.3m/s～1.24m/s）調速。輸料能力大幅增加。2009～2010年我廠先后對石油焦煅燒系統3條皮帶輸送機控制系統實施了變頻調速改造。3年的實踐證明，這種小范圍內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。適合企業自己施工改造，沒有復雜的外部控制電路設計，調試方便，系統易實現。

②通過變頻器的有關參數設定就能實現系統的最優控制和各項參數優化調整。

③改造成本低：只需購置變頻器就可實現設備改造。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變頻器運行穩定、維護工作量少（根據安裝地環境特點，適當安排清灰、檢查即可）。

⑤設備運行效率高。改造3年來，設備工作平穩，皮帶未發生過撕裂、拉斷等現象。

⑤節約電能。在輸送料量相同的條件下，電機電流平均降低4.2A。

6 結語

應用VFD-B-P系列變頻器對石油焦皮帶輸料機控制系統改造，實現了皮帶走速根據實際給料量大小自動控制目的；提高其輸料能力，減少皮帶跑空現象，大幅降低了物料輸送中的能耗，節約電能，根據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電1100KWh以上，每年節約電能1.3萬多度。

作者簡介

韓敏（1967-）男  高工，先后在電解、炭素行業從事設備技術管理和維修工作，現從事設備維修、技改和大修等工作。