冲床的变频频调速改造及节能效果的分析

冲床的变频调速改造及节能效果分析
姓名：李来军
电话：88213521
单位：大连清国科技制品有限公司
摘要：本文介绍了海利普变频器对日本老式冲床电磁调速方式进行改造的过程。

详述其改造方法，调试运行及变频器主要参数的设置。

通过改造前后不同数据的对比，结合冲床的负载特性、运行特点，对冲床变频器调速的节能效果和原理进行了分析。

关键词：冲床、变频改造、节能分析
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前言
我单位是生产金属冲压制品的日本独资企业，主要设备冲床都是日本上世纪60-80年代制造的。

2006年本人因一台福井250T冲床的电机拖动故障，提出了变频改造的方案。

经过论证、实施，对冲床变频器的应用、节能效果、原理进行了总结分析，由于作者水平有限，错误之处在所难免，敬请各位老师批评指正。

一、电动机和变频器选择
我厂日本福井250T型冲床是上世纪七十年代的产品，该机采用电磁（滑差）调速异步电动机来调节转速。

效率低，能耗损失大，故障率高，并且采用的是三相200V交流电源驱动。

经过综合评价与分析，决定选用威斯特YSPA200M-4变频电动机及海利普HLPA3743B 变频器代替原电磁调速电机及其控制装置，考虑到变频器控制电机比原电机效率高出很多，因此下降了一个功率等级（即原45KW电动机现改为37KW电动机）。

二、改造方法
1、拆掉电磁调速电机、调速控制器及Y-△转换交流接触器，热继电器和一些相关控制电路。

2、装上变频器和交流变频电机，另加160A自动断路器，控制变频器三相电源，原三相200V交流电源要改为380V。

主电源经自动断路器、原正转接触器KMR的主触点，接入变频器的输入端；变频器的输出端U、V、W端直接引到主电机上。

KMR接触器线圈接
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入电源开关控制回路中。

3、主电机散热风扇需要工频电源独立控制，利用原来的反转控制交流接触器KMF加热继电器FR，引至风机电机。

热继电器的整定值为散热风扇额定电流的95%～105% 。

4、变频器异常报警FA、FB端串接在散热风机的控制电路中，原启动按钮SB1，停止按钮SB2，控制散热风机的启动和停止。

5、FC接异常指示报警灯。

6、KA、KB变频器频率到达时，该接点闭合，可串接在冲床的运转操作回路中，保证电机在启动完成后，冲床才能工作。

7、SA1为原正反转选择开关，接在DCM、REN之间，执行F/R 切换功能，当SA1断开时为正转，闭合时为反转。

8、利用KMF的一个常开触点接至DCM、FOR之间，控制变频器的RUN和STOP，闭合时运转，断开时为停止。

9、利用原励磁调速控制电位器，作为变频器频率设定信号（模拟量），调节交流变频电机速度。

10、原转速表接至变频器的AM、ACM多功能输出端，显示变频器的输出频率。

11、HLPA3743B型变频器应用在冲床上需要外接制动单元B9054、和一个16欧姆9600W的制动电阻。

连接导线要选择截面积足够大的耐热双绞线。

改造后的福井250T冲床变频调速控制电路如下：
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KMR
KMF
MF
B R
VFDB
P1P(+)
N(-)R S T E
VR(+10V)VI ACM FOR REV SPH RST DCM
ACM
AM FB FA FC KB KA W
V U 串入冲床控制回路中
EL KMF
SB2KMF
SB1
FR SPM
KMF SA1TC KMF
SB3
10K
１１０Ｖ交流电　
三、调试运行
变频器调试的基本步骤是：空载通电检验、带电机空载运行，带负载试运行及机器统调，从操作面板上输入有关参数，满足生产工艺要求。

1、空载通电检验
（1）按照改造后的变频器控制电路图接线，接通三相电源。

（2）检查变频器显示窗的出厂显示是否正常。

（3）熟悉变频器的操作和故障代码。

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2、带电机空载运行
（1）设定变频器的基准频率（电机额定频率）和基频电压（电机额定电压）。

（2）设定电子过流保护，一般为电机额定电流。

（3）设定上下限额频率，防止输出频率过高损坏设备，还可作限速使用。

（4）设置转矩特性，根据变频器使用说明书和冲床的交变负载特性，提高低频时电流电机的起动转矩（转矩提升），使电机输出转矩满足机械负载起动的要求。

（5）变频器分别在面板运行模式和外部运行模式下起动、停止电机观察电机运行是否正常，方向是否正确。

3、带负载试运行
（1）设定加减速时间，通常按负载和经验先设定较长加减速时间，通过起停电机观察有无过流报警，然后逐渐缩短加减速时间，以运转中不发生报警为原则。

（2）若起、停电机过程中变频器出现过流报警，应重新调整加减速时间或转矩提升量。

（3）若起动电机时仍出现过流报警，试试简易磁通矢量控制，提供大的起动转矩和充足的低速转矩。

四、机器统调
变频器设定为外部运行模式，起动、停止冲床。

速度由电位器
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VR01调节，观察电机及机械负载运行是否平衡，加减速是否正常，经反复调试，变频器的主要参数设置如下：
CD002基准频率50HZ
CD007上限频率37HZ
CD009下限频率0.5HZ
CD031启动方式选择：1 频率跟踪起动
CD032停止方式选择：1 自由运转停车
CD033运转频率来源：1 外部端子
CD034运转指令来源：1 外部端子
CD012加速时间：20S
CD043自动转矩补偿：5%
CD050 FOR输入端子功能：01运行
CD051 REV输入端子功能：05正/反切换
CD052 RST输入端子功能：10复位故障排除后可利用此端子进行重置
CD053 SPH输入端子功能：09急停受外来的信号紧急停止CD058 FA、FB、FC输出端子功能：02故障指示常开点接指示灯，常闭点串接在电机冷却风扇的控制电路中
CD059 KA、KB输出端子功能：05设定频率到达变频器输出频率到达设定频率时该接点闭合，此接点串接在冲床的操作回路中。

CD130 电机额定电压380V
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CD131 电机额定电流 74A CD135 电机转差补偿 5% CD149 自运省电功能 10%
五、冲床变频调速改造后的节能效果以及变频器的节能原理
电磁调速系统由鼠笼异步电机、转差离合器、测速电机和控制装
置组成，通过改变转差离合器的激磁电流来实现调速。

转差离合器的本身的损耗是由主动部分的风 阻､磨擦损耗及从动部分的机械磨擦损耗所产生的。

如果考虑这些损耗与转差离合器的激磁功率相平衡，且忽略不计的话，转差离合器的输入､输出功率可由下式计 算：
电动机轴输出功率： P 1=T 1n 1
式中：T 1—电动机的输出转矩
n 1—电动机的输出轴转速
转差离合器轴输出功率： P 2=T 2n 2
式中：T 2—转差离合器的输出转矩
n 2—转差离合器的输出轴转速
电动机的输出功率，即为转差离合器的输入功率。

对于恒转矩负载，T= T1 = T2=常数，所以，转差离合器的效率 ：
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ηP P =1
2
T =1=
n 1
T 2
n 2
n
1
n 2
其效率正比于输出转速，输出最大转速时其效率理论值为85%。

转差率可按下式计算：
S=
12
1-
则得：
η=S
1-
可见在恒转矩负载下，转差离合器的效率正比于输出转速。

当转速下降，而输入功率基本保持不变，此时损耗功率与转差损耗成正比增加，即：
P h=-P1P2=P S1=P1n
1n2
n1-
电磁调速电机为鼠笼式电机，由于输入功率和转矩均保持不变，鼠笼式电机的功率保持不变。

损耗以有功的形式表达出来，损耗功率通过转差离合器涡流发热并由电枢上的风叶散发出去。

由损耗功率公式（上式）可以清楚看到，电磁调速电机的转速越低，浪费能源越大，然而生产机械的转速通常不在最大转速下运行，变频调速是一种改变旋转磁场同步转速的方法，是不耗能的高效调速方式，因此改用变频调速的方式会有非常好的节能效果，节省的能量直接可用上式计算。

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例：冲床25次/分钟连续作业时，转差离合器输出轴转速为691转/分钟，由电机效率：
η=n2/n1=691/1450=48%
假设此时电机的输出功率为额定功率，由其能量损耗为
P h =P1(n1-n2) /n1=45(1450-690)/1450≈ 23.6kw 变频器的效率为95%-96%,因此要减去4%-5%的变频器损耗
P bp=37×5%=1.85KW
P bj= P h- P bh= 23.6-1.85≈21kw
即：改用变频调速后，可以节约21KW的功率损耗。

当然在工作中，P1指的是电机的实际输出功率，可能远低于额定功率。

以上是冲床在额定功率、假定为恒转矩负载状态下运行的分析和计算，变频调速取代转差调速可以节约46.6%的功率损耗。

但是实际工作中冲床体现的是交变负载特性：（如下图）
冲床单冲时运行特性曲线冲床连冲时运行特性曲线 S1为工作周期 S2为等待周期
上图阴影部分表明电动机处在发电再生状态，冲床变频器能储存利
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用一部分再生电能，因此冲床变频调速取代电磁调速的节能率比恒转矩负载高5%～8%，具体与飞轮的转速成反比。

转速越低，再生电能越多，变频器的直流侧泵生的电压就越高。

当超过800V时制动模块动作，通过刹车电阻释放电能，保护变频器的制动电容不被击穿。

另外，冲床在单冲时电动机75%的时间（而且未包括模具安装、调试时间）工作在接近空载的状态，功率因数很低，致使200V变压器效率低、铜损大、发热量高。

改用变频器的同时也节省了变压器的损耗。

下面以同一速度相同负荷为前提，测出了冲床改造前后不同参数的数据对比：
调速方式电机
转速
冲程
数
输入
电压
负载电
流（A）
电机
功率
频率空载
电流
功率
因数
消耗
功率
空耗
功率
电磁调速1450 25次210V 150A 45KW 50HZ 122A 0.8 43.6
KW
28.8
KW
变频调速691 25次400V 5～60A 37KW 24HZ 15A 0.93 20.9
KW
9.7
KW
注：（1）上表中输入电压、负载电流、空载电流所列数值为电磁调速电机的输入端与变频器的输入端之间的对比。

（2）电磁调速电机的空载功率损耗按0.65的功率因数计算所得。

（3）空耗功率指的是电机带动飞轮空转时所消耗的功率。

由表中数据可以计算冲床实际节能效果：
连冲作业时：（43.6-20.9）/43.6=0.52×100%=52%
空载待机时：(28.8-9.7)/28.8=0.66×100%=66%
六、结束语
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采用变频调速技术改造的福井250T冲床节能效果在46%以上，并且设备的性能和生产效率都得到了提高。

另外三相异步电动机比电磁调速电动机结构简单、故障率低，使用寿命是转差电机的2～3倍；因此也节省了一部分维修费和设备折旧费。

该冲床的变频调速取代电磁调速的改造投入产出比高，仅半年就收回了成本。

七、参考文献
1、杜俊明彭海宇某些恒负载转矩变频节能的研究
2、任致远电动机变频器应用手册
3、海利普变频器使用说明书
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