变频器调速技术与应用 课件 项目5变频器在离心铸造机上的应用

1.知识目标（1）掌握传动设备的力学特性（2）掌握惯性负载起动、运行、停机的特点和采取的措施（3）掌握离心力负载的工作特点和应用（4）掌握变频器在离心铸造设备上的应用。2.技能目标（1）掌握变频器在惯性系统上的正确应用与调试。（2）会根据需要进行变频器参数设置。（3）会正确选择低压控制电器。3.内容导读本项目主要分析传动设备负载分析、离心力生产设备和变频器在离心铸造机上的应用。项目导航知识准备5.1传动设备负载分析5.1.1负载的力学特性1.传动设备做功方式（1）直线运行做功直线运行做功就是以直线运行进行生产或做功的设备。如输送带、电梯、提升机、起重机、龙门刨床等。该类设备的特点是负载受力方向是直线，机械能以直线运行方式做功。（2）旋转运行做功旋转运行做功就是以旋转运行进行生产或作功的设备。如风机、水泵、粉碎机、离心甩干机、离心浇注机、离心成型机、车床等。旋转运行做功方式分为：离心力做功和切向力做功。风机、水泵、离心成型机等是离心力做功；车床是切向力做功。

（3）往复运动做功

往复运动做功是以往复直线运行做功。往复运行设备有机床、液压油缸、活塞式空气压缩机、起重机、电梯等。往复设备有的往复都在做功，有的只在单方向做功。2.牛顿力学定律牛顿力学定律包括惯性定律、物体受力定律和作用力和反作用力定律，这3大定律是机械传动设备的理论基础。（1）惯性定律惯性定义：物体都具有保持运动状态不变的属性，称为惯性。惯性的大小和物体的质量成正比，质量大的物体惯性大，质量小的物体惯性小。在地球表面质量的单位和重量的单位相同均为kg（公斤）。要想改变物体的运行状态，必须要有外力的作用。物体加速时要施加作用力，物体减速时要施加制动力。（2）物体受力定律物体要想改变原来的运行状态，就要有力的作用，力和加速度成正比，表达式为：F=ma

（5-1）式中，F——物体受到的力，单位：N（牛顿），1N=kg·m/s2.m——物体的质量（重量），单位kg（公斤）a——加速度，单位m/s2上式表明，一定质量的物体只要发生速度的变化，就要有力的作用。物体加速时要受正向力、物体降速时要受反向力（制动力）。图5-1是物体直线运行图，在力的作用下物体直线运动。图中质量块m要想改变运动状态，就要有力F的作用，F的大小和质量m有关，和加速度a有关。一定质量的物体，受力大，提速快，受力小，提速慢。图5-1物体运动（3）离心力和切向力图5-2是质量点绕着质量中心作旋转运动，运行轨迹是一条弧线，质量点受到的力F可分解为F切向和F向心，F向心是质量中心对质量点产生的约束力（拉力），F向心和F离心是一对作用力和反作用力，如果高速旋转的质量点没有F向心力约束，就会沿着切向方向飞走；

如果有F向心力的约束，质量点就会在法向方向受到挤压，使结构变的致密。离心力F的表达式为：图5-2物体旋转运动（5-2）（5-2）式中，F——离心力，单位，N（牛）；m——物体质量，单位kg（公斤）；r——半径，单位为m；n——转速，单位为m/s（米/秒）由式中可见，离心力F和转速v2成正比，当转速较高时，物体受到的离心力很大。离心力是弧形轨迹运行产生的指向四周的放射力，这个力在工程上得到广泛应用。例如离心甩干机、离心水泵、离心风机、离心制管机、离心浇铸机等。根据力的平移原理，将离心力平移到同心圆的切向，就为切向力。在工程上旋转体多用转矩来表示，即切向力和质点半径的乘积称为转矩。

式中，Ek——惯性物体动能，单位为J（焦耳）；m——惯性物体质量，单位为kg（公斤）；v2——加速度，单位为m/s2（米/秒2）；（5-3）

由式中可见，惯性物体储存的动能和惯性物体的质量m、加速度v2成正比。质量m变化，Ek变化；速度v变化，惯性能Ek变化；m、v都不变，Ek不变。惯性物体在加速时是储能过程，在降速时是放能过程，自身并不产生能量和消耗能量。变频器是驱动负载运行做功的设备，如果负载属于惯性负载，在停机降速时，惯性能释放，引起变频器直流母线电压升高，变频器就要加装制动电阻。3.旋转运行惯性体的储能旋转体具有储能功能，旋转惯性负载改变旋转速度时要有力的作用，加速时要有作用力，降速时要有制动力，作用力消失，惯性负载恒速运行，即旋转负载将动能储存在运动中。动能表达式为（5-4）式中，Ek——惯性负载的动能，单位为J（焦耳）；J——旋转负载转动惯量，单位为kg·m2（公斤·米2）。J是和旋转体形状、质量有关的物理量，实心圆柱体的J值最大

；ω2——旋转角加速度，电位为rad/s2（弧度/秒2）旋转惯性负载在停机降速时，同样出现惯性能释放，引起变频器直流母线电压升高，变频器就要加装制动电阻。（5-4）3.电动机转矩M（1）电动机输出转矩M传动设备都由电动机驱动，电动机是旋转性设备，负载也是旋转性设备，在旋转性设备中是用转矩来表示受力的大小。转矩的定义为力到点的距（见图5-3所示）。在转轴的半径r处受到切向力F，则定义M=r×F为该点的力矩。力矩的单位为N·m（牛·米）。力矩就是电动机输出的转矩，用符号M表示。有时用符号T表示反作用转矩，M和T是作用力和反作用力的关系，在数值上大小相等方向相反。图5-3转矩示意图（2）负载的转矩T负载的反作用转矩由2部分组成，负载的惯性转矩TA和负载的做功转矩TL。表达式为TM=TA+TL

（5-5）式中，TM——负载总转矩，单位为N·m；TA——负载惯性转矩，单位为N·m。是由负载的总惯性体产生的转矩。负载加减速时起作用，变频器在工作中，开机起动是加速过程，要有正的TA起动转矩，该转矩和加速度的大小成正比；在停机时，要有-TA转矩，该转矩拉着电动机倒发电。TL——负载恒速工作转矩。单位为N·m。当负载恒速运行时，TL通过负载做功。5.1.2旋转运行大惯性负载起动与停机1.

离心甩干机图5-4是工业离心甩干机外形图。离心甩干机是洗涤物品的脱水设备，多用于宾馆、医院等用于洗涤物的脱水。图中电动机是动力源，通过皮带轮驱动甩干桶高速旋转。工作时将洗涤过的物品装到甩干桶内，通过离心力将洗涤物品中的水分甩出。甩干桶的转速越高，离心力越大，甩干效果越好。图5-4工业甩干机因为甩干机装载量很大，具有很大的转动惯量，起动时需要的转矩很大，为了降低起动转矩，变频器要设置较长的加速时间。停机时因为旋转体储存了很大的机械能，变频器要通过减速制动。2.大惯性负载加减速时间设置为了减小起动转矩，可减小加速度a，减小a的方法就是加大加速时间。图5-5是加速时间设置图。图中“加速时间1”

的加速时间较短，起动转矩较大；“加速时间2”

加速时间较长，起动转矩较小。如果大惯性负载起动时变频器报过载，通过增加加速时间可以解决。当皮带运输机需要停机时，在降速停机时，可以加长停机减速时间，来减小储存的机械能的释放强度。图5-5加速时间图5-6是加速时间和减速制动线设置图，根据停机要求和制动电阻的功率大小，选择减速时间的长短。图5-6减速制动线设置图5.2离心力生产设备离心力生产设备是设备中的一个大类，有着广泛应用。离心力可以做功，离心力又是在旋转中产生的离心力，人们根据这一特点，应用在了很多回转类的桶、管、盘等成型加工。通过离心力加工的产品具有结构密实，没有气泡和砂眼，厚薄均用，节省材料、成品率高等优点，是很多产品首选的生产工艺。5.2.1水泥管离心成形机1.水泥管的用途水泥是建筑的基础材料，因为水泥具有强度高、耐腐蚀、寿命长等特点，除了基建用材之外，配合钢筋龙骨，制成水泥管，广泛用于城市下水道、输水管道、桥体支撑、电线杆、排水涵洞等，用量大用途广。图5-7（a）是由离心成型机制造的水泥管；图（b）是“钢筋笼骨”图片。a）水泥管

b）水泥管“钢筋笼骨”2.离心式水泥管成形机该成形机原理是通过离心力使水泥材料在模具中成形。（1）工作原理水泥管离心成形机如图5-8所示，是用于制造水泥管的成形设备水泥管是“中空形”结构，在制造时先用钢筋按照管的长度和直径做一个筒状笼骨，放到两开的圆形模具中，然后用天车将模具吊装到离心机上，图中的“主动摩擦轮”既是动力驱动，又起支撑作用。主动摩擦轮是2个，还有2个支撑摩擦轮，由这4个摩擦轮支撑模具平衡转动。

电动机通过皮带传动，将动力传递到主动摩擦轮，通过摩擦力驱动模具转动。当水泥管基本成型后，离心机高速旋转，目的是提高离心力，使水泥管在强大的离心力作用下，比重大的石子、水泥在最外层，水的比重轻，在最里层，即多余的水份被挤出。水泥管密实无空洞，坚固防水。当水泥管成形硬化不脱落，离心机停机，然后通过吊车将模具吊装到“高温蒸汽室”加速固化，当固化到90%开模。（2）制管过程图5-9是水泥管离心机下料示意图，下料机构是一条可伸缩的“传送皮带”，将混合好的混凝土水泥砂浆传送到模具内。“传送皮带”下料时是从右到左移动，均匀下料。在下料时模具开始转动，随即将“水泥砂浆”甩向四周，紧紧贴在模具的内表面上。由于“水泥砂浆”含水量较大，流动性强，在离心力的作用下具有趋平趋势，使水泥管的内表面趋于平整。下完料之后，模具高速转动，最后达到密实成型。图5-9水泥管离心机下料示意图5.2.2离心铸造离心铸造是在模具旋转的状态下进行浇铸，浇铸出来的工件壁厚均用，又没有气泡砂眼，成品率高，再加工量小，是金属管制造的首选工艺。1.离心铸造原理图5-10是离心铸造原理图。离心铸造是金属液体在离心力作用下，进行成型冷却的生产设备。旋转模具在电动机驱动下高速旋转，浇注包中熔化的金属液沿着浇铸槽流入模具中，金属液随着模具高速旋转。因为金属比重大，产生的离心力也大，强大的离心力将金属液体甩向四周，紧紧的贴在模具的内表面上，并把金属液中的气泡挤出，使金属管致密无砂眼。图5-10离心铸造机图5-11是几种不同的离心铸件，因为离心铸造质量好，精度高，在管材的生产上均采用离心铸造。

（a）铜套

（b）气缸套

（c）球墨铸铁管2.现场离心制造图5-12是现场离心铸造机外形图。由图中可见，该离心铸造机是“钢包”从后端将融化的“铁液”浇铸到“旋转模具”中；当“铸管”成型后，从前端由“机械手”将“成型的铸管”拉出。

工作中“旋转模具”由“机体”上面的“电动机”通过“皮带”拉动旋转，完成金属管的成型。

因为熔化的铁液储存大量的热能，必须通过冷却系统将热量带走，模具中的金属管才能成型。本离心铸造机是采用风冷和水冷同时进行，加速铸管的冷却。冷媒是冷却的“旋转磨具”，当模具的温度下降，铸管的温度下降，当铸管冷却凝固，体积收缩，便可由机械手将铸管从模具中拉出。任务实施

任务1变频器在离心铸造机上的应用5.3离心铸管机选型与控制

5.3.1离心铸管机和变频器选型1.离心铸管机选型1.离心铸管机选型选择DN350-1000离心铸管机，该机铸管直径为350~1000mm。图5-13是离心铸管机实体图，图（a）是水冷风冷离心铸管机外形图，图中“冷却水管”和“冷却风管”是为铸管机冷却装置，作用是将热量带走。“冒口机械手”是由液压油缸控制的回转机械手，在铸造之前先将“冒口”堵在“旋转模具”上，并随“旋转模具”同步转动，其目的是堵住“铁液”由“旋转模具”内甩出。当铸管冷却后，“冒口机械手”移走，冒口留在铸管上，再由后道工序清掉。（a）离心铸造机

（b）控制室操作台“拉管机械手”是由液压油缸控制，主要任务就是将冷却成型后的铸管从模具中拉出。现在离心铸管机都已经智能化，该机配备智能控制系统，电动机由变频器控制，段速切换由PLC控制，指令信号和显示由上位机控制。图（b）是控制室操作台。2.电动机功率选择电动机是根据负载的转矩和功率进行选择。负载工作时转矩和功率是一个动态值，有的冲击性还比较大，考虑到这一因素，电动机功率按下式选择Pe=（1.1~1.6）Pzd

（5-7）式中，Pe——电动机的计算功率，单位kW；

Pzd——电动机平均功率，单位kW。该离心铸管机电动机的计算功率为90kW。因为离心铸管机惯性很大，起动时有很大的附加转矩TA（见式5-5），TA的大小和加速度成正比，和加速时间成反比。为了提高工作效率，加速时间要短一些，据此系数选为1.5，Pzd=90×1.5=135kW。查表5-1，选择132kW、电压380V电动机。3.变频器选择变频器选择西门子G120-CU240E-2控制单元，PM250功率模块。功率模块的功率就是变频器的功率，按照电动机的功率进行选择。惯性负载因为因为工作中有冲击，选择高于电动机一个功率档次，即选160kW，电压380V的功率单元。因为停机有能量回馈，变频器要加装制动电阻（选择电动机和变压器，要查功率系列表，选错了买不到）。表5-1电动机（变频器）功率系列/kW5.3.2离心铸造机工艺要求与变频器参数设置1.离心铸造机速度要求具有3种速度要求：（1）开机后先慢速运转2～3min，使金属液均匀分布到模具内壁四周。（2）中速运行0.5～1min，这是从低速到高速的一个短时过渡阶段。（3）高速运行6～15min，高速运行中，金属液在离心力的作用下，挤向内模壁四周，达到均匀密实成型，并挤出金属液中的气体，使铸管无空洞砂眼、内表面成型光滑。与此同时，在模具的四周加上冷却水降温冷却，在停机时金属管已经固化。离心机运行速度如图5-14所示。

图5-14离心铸造机速度图2.离心铸造机的控制要求离心铸造机在成形过程中，离心铸造机需要起动、停机、速度切换、故障报警等控制功能，3种速度要按照时序逻辑进行控制。由变频器和PLC组态来完成离心机的控制，只有起动信号手动，其它的控制由变频器和PLC自动完成。变频器的输入控制端子和输出指示端子的配置见表5-2；PLC的指令端子地址分配见表5-3。表5-2变频器端子功能分配表5-3PLC指令端子地址分配表3.离心铸造机控制电路控制电路如图5-15所示。图中控制设备分为2部分，变频器部分完成电动机调速、电动机驱动等工作；PLC部分完成开关信号的逻辑控制等工作。图5-15离心铸造机电路原理4.变频器控制原理以及参数选择由表5-2可见，变频器有3个速度切换端子，1个速度微调端子和1个故障报警端子。变频器还需要停机制动，这些端子的功能都需要用参数进行设置；变频器属于带载起动，要采用矢量控制。表5-4是变频器参数表，表中参数功能都加以说明。表5-4变频器参数设置5.PLC指令程序根据表5-3指令分配和控制逻辑关系，指令程序如图5-16所示。5.3.3低压电器与电缆选择

变频器的强电低压控制电路如图5-17所示，下面介绍低压器件的选择方法。选择低压电器和连接电缆，是以电动机的额定电流为依据，再根据具体情况留出一定的余量。图5-17变频器低压控制电路1.隔离开关QF选择隔离开关可选择空气断路器。隔离开关因为不做有载断电操作，其额定电流按变频器的输入额定电流选择即可。本例变频器为160kW，额定电流321A。空气开关额定电流规格为（单位为A）：6、10、16、20、25、32、40、63、80、100、125、160、200、250、400、630、800、1000A。选择400A额定值的空气断路器即可。外形见图5-18所示。（a）外形

（b）电气图形符号2.熔断器选择熔断器是短路保护，当电路出现短路时，熔断器熔断，对电路加以保护。熔断器的电流容量不能选的太小和太大，选小了会经常熔断，影响正常工作；选大了会出现短路不能熔断，造成故障扩大。溶体电流按照公式I=（1.2~1.30）IN进行选择，不要超出公式范围。变频器额定电流321A，熔断器熔断电流额定值系列为：2、4、5、6、10、16、20、25、30、35、40、50、60、80、100、125、150、200A，315A，400A，630A，选择溶体额定电流为315A~400A即可。3.接触器选择选择型号为CJ20系列，触点电流按阻性负载选择，即I=IN。变频器额定电流321A，选择触点电流为400A（标准值）的接触器。线圈电压选择为220V（电源带有N线）。外形见图5-19。（a）接触器外形图

（b）接触器符号4.输入输出交流电抗器选择输入和输出交流电抗器是选件，变频器厂家均可配套供应。尽量采用厂家原配产品，可以保证参数配套，达到满意的滤波效果。5.动力电缆选择（1）屏蔽电缆动力电缆理想的就是铠甲屏蔽电缆，这种电缆的优点是具有全方位的屏蔽作用。在电磁干扰比较弱的场合，可以选择非铠甲电缆。（2）电缆功率容量选择不考虑电缆的屏蔽，只考虑电缆的载流量，变频器的输入端电缆选择：如果选择铜芯电缆，芯线型号为VV22，变频器额定电流321A，查电工手册，查得电缆芯线截面积为3×185mm2，通过电流为328A。如果选择铝芯电缆，芯线型号为VLV22，查电工手册，电缆截面积选择，查得电缆芯线截面积为3×300mm2，通过电流为344A。变频器的输出端电缆选择：变频器的输出端电缆除了考虑载流量，还要考虑电缆的电压降落。如果输出电缆较长，电压降落较大，影响变频器的出功。因此要适当增加电缆的截面积。6.二次导线的选择电路中的控制导线又称为二次导线。二次导线包括信号电缆、控制电线、接地线等。表5-5给出了二次导线的要求。表5-5二次导线参数与要求5.3.4制动电阻的选择1.制动电阻RB阻值选择

图5-15中RB为制动电阻。制动电阻的阻值通过查表获得（查项目2表2-1）。变频器为160kW/380V，由表中查的变频器制动电阻的阻值为4Ω。当电阻值确定之后，不可任意变动，当阻值变小，会损坏变频器。2.制动电阻RB耗散功率选择

因为离心机是惯性负载，停机时惯性能基本被制动电阻所消耗。由离心机速度图中可见，离心机工作一个周期的时间为：3min+1min+15min=1200s，按“工作/停止时间比”为5%计算，停机制动时间为60s，制动电阻的功率选为8.0kW（查项目2表2-2）。5.3.5变频器控制柜安装与调试1.变频器控制柜安装变频器相关的器材准备就绪，就可以进行变频器控制柜的组装。变频器控制柜组装要按照规范进行，线路不能接错，每个端子必须压接牢固。强电端子和弱电端子分线槽安装。具体安装不再赘述。变频器控制柜见图5-20所示。2.变频器调试控制柜安装完毕，下一步就可以进行变