一种新型用电节能技术在大型金属挤压设备上的应用

2014-06-23 09:50陈建军

电气技术 2014年7期

陈建军

（广东电网公司佛山供电局，广东佛山 528000）

1 电力节能趋势

广东省佛山市作为电力需求侧管理试点城市，结合广东省数控一代现场推进大会上周院长“万台注塑机（含挤压机）改造专项行动”的讲话精神，不仅可以提高电能利用效率，促进电力资源优化配置，还可以减少一次能源的消耗与污染物的排放，缓解环境压力，从而减少社会资源的投入和自然资源的消耗，促进经济的协调发展，促进GDP增长，降低单位GDP能耗。对用户而言，通过实施节能改造，可以促进挤压机等机电设备的更新换代，增加用户对高能效设备的需求，降低电力消耗，减少电费支出，降低企业的经营成本，提高产品竞争力。

所以研究一种新型用电节能技术应用于大型金属挤压设备是势在必行的。

2 铝型材挤压机在佛山的行业概况及应用介绍

广东省铝材年产量约350万t、其中佛山300万t以上。在佛山地区现有的铝型材成型设备众多，初步统计大佛山地区规模以上的铝厂大约有1300间、200多个品牌、建筑铝材产量占全国的 70%以上、占广东80%以上，装机容量近185万kW。其中50%为挤压机耗电，每月电能消耗巨大。

电费在企业生产成本中占有很大的比例，企业管理者无时不在思考如何降低产品成本，增加产品的市场竞争力，从而为企业创造更大的利润空间。由于伺服电机制造技术以及电子技术的飞速发展，伺服控制技术以其优异的控制功能而在各个行业中得到广泛的应用和推广，在铝型材成型行业我们做了一些应用示范。

图1 大型铝型材挤压机

3 铝型材挤压机工作原理

铝型材挤压机开始挤压前，将挤压盛锭筒、挤压模具、铝棒先进行加热，达到工艺温度时由控温仪自动控制，使其保持恒温。

挤压时，装上规格模具后合上中动板，使模具端面与挤压筒面锁紧，将已加热的铝棒放进挤压筒的内孔，放入挤压饼，然后主缸活塞带动挤压杆快速前进，当挤压饼进入挤压筒内孔时主缸快进速度由于受压力继电器的作用上位机电脑发出指令自动转为挤压速度进行挤压加工，挤压速度根据铝型材的生产工艺来调节，挤压完成后开中动板，中动板开到中位时主缸自动后退，中动板开停后由剪切装置将模具上的压余残料部份剪除，完成后等待下一个工作循环。

4 铝型材挤压机的工艺动作流程

1）主缸快速前进

挤压筒预热完成后，起动主电动机；变量柱塞泵提供液压动力。由叶片小泵125L提供5MPa的先导压力。主缸前进时，变量柱塞泵、叶片泵处于大流量，小压力的合流状态；主缸前进所形成的真空力使得充液阀（Y27/KA27）打开，油液从上部大油箱经手动蝶阀进入主缸内。主缸辅助油缸、中板锁紧油缸的液压油由柱塞泵、叶片泵合流泵入。主缸前进的动作维持到挤压轴顶紧铝棒至模具接触面，此时，主缸内压力逐渐升高，达至预设挤压筒排气压力10MPa时，压力继电器动作，发出分流信号，挤压开始。

2）挤压过程（工进）

铝棒在挤压筒被挤压敦实，中板排气结束后，继续锁紧模具，挤压轴顶紧铝棒，使铝棒挤压入模具内腔。挤压力达到一定值时，型材被挤出。该状态下，可调柱塞泵A7V完成对主缸、主缸辅助油缸、中板锁紧油缸的油量泵入，形成足够的挤压力。挤压时的设定压力通常为 21MPa，超压限制设定为23MPa；挤压速度根据不同标号铝棒、不同的模具、不同的加工型材而有所不同（不同标号的型材有相应的出料限制速度，不能任意调节），一般在30%～90%之间变化。随着挤压过程的持续，主缸压力（挤压力）逐步下降。

3）中板移动、剪切及主缸快速后退过程

挤压结束，中板后退至设定位置，切余剪刀下降（完成后上升）。同时主缸后退。此时柱塞泵、叶片泵合流共同完成快速后退动作。剪切工序完成后，中板前进顶紧模具，等待下一个挤压动作循环。

4）辅助动作

包括：托料（主缸快速前进，机械手提升托起铝棒，挤压轴推动铝棒进入挤压筒）、压饼（将挤压垫片向铝棒端面压紧）换模（模具导入/出）等。

5 铝型材挤压机的节能潜力分析

对铝型材挤出机而言，工艺过程一般分为快进，工进，排气，慢速挤压，中速挤压，压余，回程及辅助动作等阶段，各个阶段所需要的工作压力和流量是不同的，对于马达而言，整个加工过程是处于不断变化的负载状态，而目前油压系统绝大部分使用双头电机，一头带柱塞泵，另一头带叶片泵，其马达以额定转速输出一定的流量，而在生产过程中有些阶段只需极少的流量（如保压），多余液压油通过溢流阀回流至油箱，该过程称为高压溢流，据统计由高压溢流造成的能量损失高达20%～30%。

伺服节能器从根本上克服了传统油压机的这一弊病，当系统需要的流量发生变化时，马达的转速随流量命令大小而改变，使得泵的排出的流量发生变化，即真正做到“要多少给多少”的控制，因此在挤压机上的节能应用，对于减少能源浪费具有非常重要意义。

6 伺服系统的设计思想

建议方案是根据挤压机的工艺流程进行优化而制定的，传统挤压机是双轴三相异步机两头带油泵，一头变量泵主要控制主缸系统，另一头定量泵作辅助作用，全机主缸单比例变量控制，因此分析工艺时，主缸动作挤压阶段，辅助动作是没有的，但实际上辅助油泵还在工作，基于这样的考虑，把单台电机一分为二，主缸作一套系统，定量泵作一套系统，根据工艺的需要决定是主缸系统起动还是辅助动作系统起动还是两个系统同时起动，因为原来系统辅助动作没有模拟量控制，完全采用高压溢流的方式，同时调节节流阀来调整动作快慢，毫无疑问存在很大的能源浪费，又因为原系统当中上位机是靠几个压力传感器来切换动作速度，所以在这个方案中采用力矩限定，HMI上给定速度，电子值闭环反馈，PLC运算调节的模式来进行调节，它通过电子尺的速度变化率反馈到PLC，PLC经过运算后调节频率来改变电机转速，从而改变流量，按需供油，在高压挤压未出料前，转化为油压模式，保证高压挤出，自动降低转速，减轻负载，尽量减少高压溢流损失，达到节能效果。挤出料后，挤出压力降低，又自动转化成速度模式运行，保证挤出速度平稳，提高产品质量。达到高产节能效果，本方案采用的电动机是同步机，其响应要比异步电动机快很多，完全解决了早期用变频改造造成的产量下降和产品质量下降的问题。

1）电气改动

上位机控制系统PLC加A/D转换模块，在挤出缸和定模板之间加电子尺做速度闭环反馈。原来单电机改成三电机控制，因此多了二套电路。

2）油路改动

原有油路基本不作改动，仅在挤出缸出口法兰处加压力传感器做压力闭环但因加了独立先导泵系统，所以要从原叶片双联泵上小泵处单独分开油路，让先导油路自成一体。

3）主缸系统

在快速共进时为速度模式，与辅助系统合流低压大流量工作，接受HMI的指令，经PLC运算后的频率工作。在慢速挤出时，挤出杆顶住铝棒，压力达到设定压力的90%以上后转入油压控制模式，输出信号，由驱动器做油压PID运算，调整降低电机转速，保持高压挤出，当型材挤出后，压力降低到90%以下后，输出信号，转为速度模式，电子尺反馈速度，PLC做速度PID调节，保证速度平稳，保证产品质。