1、前言

　　分離機械是將液體與固體顆粒混合物進行分離的設(shè)備，主要分為離心機、分離機、壓濾機、濾油器、過濾器等設(shè)備。分離機械一般是工藝流程中的后處理設(shè)備，所以直接關(guān)系到最終產(chǎn)品的質(zhì)量。從整體上看，我國分離機械技術(shù)水平與國外先進水平相比存在較大差距。主要表現(xiàn)在：分離機械品種、規(guī)格少，不能完全滿足國內(nèi)生產(chǎn)需要，特別是分離物料粘度大、精度細的機械，效率高、生產(chǎn)能力大、自動化程度高的分離機械絕大多數(shù)依賴進口；分離機理和應(yīng)用技術(shù)研究落后，新產(chǎn)品開發(fā)速度慢；制造工藝落后，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品可靠性、穩(wěn)定性較差，技術(shù)水平和自動化水平較低；配套設(shè)備和材料不能滿足分離機械產(chǎn)品生產(chǎn)的需要，尤其是產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性很不穩(wěn)定。
　　
　　從分離機械的發(fā)展來看，數(shù)字交流變頻器將替代原來的電磁調(diào)速、直流調(diào)速、液力偶合調(diào)速、多速電機，而逐步成為分離機械的主要驅(qū)動裝置。本文將介紹的是ABB公司的新品ACS550變頻器在分離機械的設(shè)計和應(yīng)用。

　　ACS550是ABB公司最新推出的智能性變頻器，該系列變頻器用于0.75KW～355KW低壓交流傳動。它能精確地控制速度和轉(zhuǎn)矩，能匹配現(xiàn)有的標準鼠籠異步電動機。ACS550具有三種控制方式，即標量V/F控制、無傳感器矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制，所以該款變頻器不僅能夠適合于最簡單的電機運轉(zhuǎn)，同時也可以應(yīng)用在復(fù)雜的工作場合。其可靠的過載能力設(shè)計，也可以同時滿足普通負載和重載工作。
　　
　　分離機械的驅(qū)動電機一般分為單電機驅(qū)動和多電機驅(qū)動兩種，本文將主要介紹ACS550變頻器在作為單電機驅(qū)動的典型案例三足式離心機的應(yīng)用和作為多電機取得驅(qū)動的典型案例臥螺離心機的應(yīng)用。
　　2、變頻器在三足式離心機中的應(yīng)用
　　　　　　　　　
　　三足式離心機是一種結(jié)構(gòu)簡單、對物料的適應(yīng)性很強、應(yīng)用面最廣的立式離心機。分沉降型和過濾型兩大類。應(yīng)用最多的是過濾型三足式離心機。它即能適于分離粒徑僅為數(shù)微米的細顆粒，也能用于成件物品的脫液。通過調(diào)整各操作工序的延續(xù)時間，可用于分離過濾難易程度不同的各種懸浮液，通過調(diào)節(jié)濾餅的洗滌時間，可以滿足不同的洗滌要求。這種機型主要適用于中小型的生產(chǎn)規(guī)模，但由于有上述很多長處，所以廣泛應(yīng)用于制藥、化工、輕工、紡織、食品、機械制造等工業(yè)部門。
　　　　　　　　　
　　在本應(yīng)用中，變頻器驅(qū)動的是離心機的轉(zhuǎn)鼓，啟動平穩(wěn)，分離因數(shù)可調(diào)；徹底克服了傳統(tǒng)直流碳刷式離心機噪音大、故障率高、使用壽命短、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定等缺點，是重力沉降分離設(shè)備更新?lián)Q代產(chǎn)品。交流變頻離心機在減震系統(tǒng)和變頻電機等幾項重要指標上具有鮮明的特色和獨創(chuàng)性。常見的三足式離心機的單機驅(qū)動功率在3KW與55KW之間，ACS550完全可以勝任。

　　　　　　　　　　　　　 圖一 ACS550在三足式離心機中的應(yīng)用原理

　　圖一為ACS550變頻器的原理，在其外圍線路中，主要分三個部分：
　　　　　　　　　
　 （1）直流母線UDC+、UDC－端接制動單+、—端，然后根據(jù)不同的選擇（如回饋制動接電網(wǎng)三相、能耗制動則接制動電阻），Tk為制動單元的內(nèi)部繼電器，當(dāng)本單元出現(xiàn)故障時，Tk動作，通過變頻器的端子DI4定義，瞬間封鎖U/V/W輸出。

　 （2）控制回路輸入、輸出端子中，采用宏9902＝5的定義

　　DI1：手動/自動起動/ 停車 ( 手動)： 得電起動
　　DI2：正轉(zhuǎn)/ 反轉(zhuǎn)( 手動)： 得電轉(zhuǎn)向為反轉(zhuǎn)
　　DI3：EXT1/EXT2 選擇：得電選擇自動控制
　　DI4：運行允許： 一旦斷開變頻器將停車
　　DI5：正轉(zhuǎn)/ 反轉(zhuǎn)( 自動)： 得電轉(zhuǎn)向為反轉(zhuǎn)
　　DI6：起動/ 停車 ( 自動)： 得電起動
　　AI1：外部速度給定 1: 0…10 V ( 手動控制，電位器、參考電壓 10 VDC )
　　AI2：外部速度給定 2: 0…20 mA ( 自動控制，參考信號： 0…20 mA )
　　AI1：外部速度給定 1: 0…10 V ( 手動控制，參考電壓 10 VDC )
　　AI2：外部速度給定 2: 0…20 mA ( 自動控制，參考信號： 0…20 mA )
　　RO2C/2B：繼電輸出2， 可編程（默認動作：運行）
　　RO3C/3B：繼電輸出3， 可編程（默認動作：故障）
　　AO1：直流數(shù)顯儀（頻率或轉(zhuǎn)速指示）

　　
　　離心機使用變頻器時，制動方式應(yīng)優(yōu)先考慮向電網(wǎng)回饋能量的再生制動，電能回饋制動是將制動的能量反饋回電網(wǎng)再利用，從節(jié)能的角度來看，是一種最好的方式，而且沒有熱量產(chǎn)生，非常適合安裝在易燃場合（因為能耗制動會有大量熱量產(chǎn)生）。在不宜采用這種再生制動裝置的地方，如有電網(wǎng)諧波要求（因為一般的能量回饋制動單元諧波系數(shù)不盡理想），應(yīng)安裝足夠容量的制動電阻器，并采取散熱措施；當(dāng)然在非易燃場合，從節(jié)省一次性安裝成本考慮，也大都采用能耗制動。
　　　　　　　　　
　　一般的能耗制動單元都具有如下的基本功能：

　�。�1）參數(shù)設(shè)定

　　動作電壓設(shè)定：通過撥碼開關(guān)可以設(shè)定動作電壓設(shè)定值660V或710V（進線為380V級）。
　　制動使用率：通過撥碼開關(guān)可以設(shè)定制動單元的工作使用率，一般的能耗制動單元默認值為10％，但由于系統(tǒng)對制動要求的不同，可以設(shè)置不同的制動率，最大到100％。
　　　　　　　　　
　�。�2）狀態(tài)結(jié)點

　　模塊異常：當(dāng)直流回路發(fā)生短路、過載或IGBT模塊損壞時制動單元報警，故障繼電器Tk動作。　散熱器過熱：制動單元散熱器過熱報警，故障繼電器Tk動作。　制動單元運行正常時，Tk閉合，變頻器處于使能狀態(tài)可以正常工作；遇故障動作時，Tk打開，通過對變頻器輸入端子DI4的定義,，即可瞬間封鎖U/V/W輸出，起到保護作用。

　　對于直接回饋制動，目前已經(jīng)有了成熟的產(chǎn)品，但造價普遍高出能耗制動的幾倍。在實現(xiàn)變頻器的直流回路與進線電網(wǎng)電源間的雙向能量傳遞，一種最有效的辦法就是采用有源逆變技術(shù)：即將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實現(xiàn)制動，它采用了電流追蹤型PWM整流器，這樣就容易實現(xiàn)功率的雙向流動，且具有很快的動態(tài)響應(yīng)速度。同時，這樣的拓撲結(jié)構(gòu)使得我們能夠完全控制交流側(cè)和直流側(cè)之間的無功和有功的交換。當(dāng)然不同的產(chǎn)品有不同的控制方式，我們必須同時注意到功率因數(shù)、諧波分量、輸出相位等。

　　3、ABB變頻器在臥螺離心機上的應(yīng)用
　　　　　　　　　
　　臥式螺旋卸料沉降離心機（簡稱臥螺離心機）廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、醫(yī)藥、食品、輕工等部門。即可用于固體脫水和分級，也可用于液體的澄清，在離心機領(lǐng)域占有重要地位。由于這種離心機具有單機處理能力大、操作方便、能連續(xù)自動操作、勞動強度低、占地面積少以及維護費用低等優(yōu)點，所以自五十年代以來，螺旋離心機在污泥脫水中得到廣泛應(yīng)用，逐漸取代其他脫水機械成為大型城市污水處理廠污泥脫水的首選設(shè)備。懸浮液通過在螺旋輸送器中心的進料管進入高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，由于離心力的作用，較重或較大的顆粒被拋向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，通過螺旋小端的噴射孔噴出轉(zhuǎn)鼓，而較輕的固體顆粒及液相通過轉(zhuǎn)鼓大頭的溢流孔溢出轉(zhuǎn)鼓。懸浮液由一臺可實現(xiàn)無級調(diào)速的螺桿泵進料。
　　　　　　　　　
　　從發(fā)展趨勢看，臥螺的傳動已經(jīng)從能耗嚴重的渦流制動發(fā)展到目前最主流的雙電機雙變頻驅(qū)動。如圖二所示，典型的臥螺離心機中有兩個傳動軸：一個軸帶動筒體轉(zhuǎn)動、另一軸帶動筒軸轉(zhuǎn)動，兩者的轉(zhuǎn)速需要精確的配合。變頻矢量控制針對不同液體濃度自動適應(yīng)負載變化，高效可靠的完成離心分離過程。具體的分離控制功能則被集成在PLC離心機控制軟件中。從接線方式看，交流電網(wǎng)接到主變頻器的進線端，兩變頻器的直流母線直接并聯(lián)輔機傳動變頻器并不直接接駁進線380V，這樣就可以方便而可靠地實現(xiàn)能量共享。在正常運行情況下，輔機都是處在發(fā)電狀態(tài)，主電機則是在電動狀態(tài)，輔機發(fā)電導(dǎo)致母線電壓泵升，然后通過母線互聯(lián)，將泵升電壓消耗在主機上，從而減少了從電網(wǎng)吸納的電能，起到了節(jié)能的作用。

　　在本方案中，由于輔機傳動電機需要的無功勵磁電流和副電機偶爾作為電動機運行（例如啟動階段和加減速過渡過程）時的有功電流都要由主變頻器提供，因此，選取主變頻器的功率時應(yīng)予以考慮進線整流橋的容量，必須保證通過電流為兩電機電動電流之和。本設(shè)計方案的特點是電路簡單，不需要調(diào)試，動作可靠性極高。本離心機控制的特點：（1）離心機速度的矢量控制方式保證了速度控制的正確性；（2）可以使用公共直流母線；（3）速度差控制，取消了編碼器，而采用開環(huán)的無傳感器矢量控制可以解決昂貴的帶編碼器的反饋控制方案；（4）筒軸傳動的負載補償。
　　　　　　　　　
　　綜合看來，臥螺離心機的變頻應(yīng)用具有以下特點：

　　（1）節(jié)能：共母線雙電機雙變頻器驅(qū)動在臥螺離心機上廣泛應(yīng)用，即主、副電機各用一臺普通變頻器驅(qū)動，其直流母線用適當(dāng)?shù)姆绞讲⒔�，較好的解決了這個問題,在能源日益緊缺的今天,有特別重要的意義�，F(xiàn)代離心機螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間的速差可以根據(jù)進料的變化自動調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速相對于渦流制動和液力耦合制動來說對電能的利用率高，在耗能方面比較節(jié)省。

　　（2）動態(tài)響應(yīng)快：差轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程從PID調(diào)節(jié)器的數(shù)分鐘減小為變頻無傳感器矢量控制的數(shù)秒鐘，速差調(diào)節(jié)精確（甚至可以達到±0.05轉(zhuǎn)/分），從而大大提高了卸料物中干物質(zhì)含量（以處理污泥而言在2%左右）�！�

　�。�3）轉(zhuǎn)矩控制功能：利用ACS550的轉(zhuǎn)矩控制可以非常容易實現(xiàn)速度與轉(zhuǎn)矩切換，并處理突發(fā)事件造成的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)物料的堆積，從而提高工作效率。采用ACS550的離心機其有效扭矩更大，最小持續(xù)扭矩為5,000Nm，瞬間負載扭矩可達27,000Nm。

　　4、結(jié)束語
　　　　　　　　　
　　本文從常用的兩種分離機械設(shè)備的變頻使用情況出發(fā)，闡述了ACS550變頻器的具體應(yīng)用原理。根據(jù)我國分離機械的發(fā)展趨勢看，變頻調(diào)速的離心機將會有更廣闊的市場。

　　參考文獻

　　1、潘芝渭 《電渦流制動器在臥螺離心機差轉(zhuǎn)速定值控制中的應(yīng)用》.化工機械.1998(6)

　　2、鄭芳順 《分離機械行業(yè)調(diào)整改造與發(fā)展導(dǎo)向性研究意見》.通用機械.2003(9)

　　3、李方園 《淺談負載發(fā)電和變頻制動的方式》電工技術(shù)雜志2003(7)

信息來源：工業(yè)自動化控制網(wǎng)