基于直流母线共享的交流差速缠丝机的制作方法

1.本实用新型涉及一种基于直流母线共享的交流差速缠丝机。


背景技术：

2.目前，国内pccp制管行业主流缠丝设备为差速缠丝机，现有差速缠丝机其主拖动系统基本采用通过直流调速器装置对直流电机进行控制的方式，使用直流电机驱动其主要工作部件回转装置、应力发生装置、排绕筒等。随着国内大型水利工程的建设，pccp管径需求越来越大，缠丝机装机功率同步增大，目前国内最大的dn4000mm口径pccp管，采用7mm、1570mpa高强钢丝缠绕，其对应的缠丝机设备装机容量达到400kw以上，缠丝机设备作为pccp管制作工序内不可或缺的重要工序之一，需持续高负荷作业，设备能耗大，运行成本高。
3.通过其工作流程可以看出，采用该控制方式驱动的差速缠丝机，在设备运行时，应力电机和排绳电机工作在发电状态，即运行在第四象限，调速器将通过自身整流桥将部分能量回馈到电网，由于逆变产生的电压波形不能和厂内变压器输出的正弦波同频同相，该部分电能并不能被利用并且会对电网产生污染；其次，因直流技术特性，设备运行时功率因素较低，电气配置时需要在配电侧安装电容柜补偿功率因素，额外增加成本及故障率；此外，在实际生产过程中，当供电电源发生故障，出现意外停电时，应力发生装置调速器易发生逆变颠覆，造成调速器可控硅烧毁，使生产中断，实际生产中已多次发生该类现象，进口调速器价格昂贵且订货周期长，这必然给使用厂家带来严重的经济损失。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的基于直流母线共享的交流差速缠丝机，可极大地降低设备使用能耗、提升其功率因数，并消除原有直流电机控制方式下缠丝设备运行时对外部电网的污染及意外停电时调速器发生逆变颠覆的现象。
5.本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于直流母线共享的交流差速缠丝机，包括回转装置、应力发生装置、钢丝排绕筒装置、提升装置、交流母线、第一断路器、第二断路器、第三断路器和第四断路器；回转装置设置有回转电机，应力发生装置设置有应力电机，钢丝排绕筒装置设置有排绕电机，提升装置设置有提升电机；其特征在于：还包括回转变频器、应力变频器、排绕变频器、提升变频器、plc控制器、第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器和第四直流接触器；所述的回转电机、应力电机、排绕电机、提升电机均为交流电机；回转电机的电源输入端与回转变频器的电源输出端连接，应力电机的电源输入端与应力变频器的电源输出端连接，排绕电机的电源输入端与排绕变频器的电源输出端连接，提升电机的电源输入端与提升变频器的电源输出端连接；回转变频器的电源输入端、应力变频器的电源输入端、排绕变频器的电源输入端、提升变频器的电源输入端分别与交流母线连接；在回转变频器电源输入端和交流母线之间安装有所述的第一断路
器；在应力变频器电源输入端和交流母线之间安装有所述的第二断路器；在排绕变频器电源输入端和交流母线之间安装有所述的第三断路器；在提升变频器电源输入端和交流母线之间安装有所述的第四断路器；回转变频器的直流母线正极端、应力变频器的直流母线正极端、排绕变频器的直流母线正极端、提升变频器的直流母线正极端相互连接在一起；回转变频器的直流母线负极端、应力变频器的直流母线负极端、排绕变频器的直流母线负极端、提升变频器的直流母线负极端相互连接在一起；在回转变频器的直流母线上安装有第一直流接触器；在应力变频器的直流母线上安装有第二直流接触器；在排绕变频器的直流母线上安装有第三直流接触器；在提升变频器的直流母线上安装有第四直流接触器；plc控制器与第一直流接触器、第二直流接触器、第三直流接触器、第四直流接触器、第一断路器、第二断路器、第三断路器、第四断路器、回转变频器、应力变频器、排绕变频器、提升变频器连接。
6.本实用新型在回转变频器电源输入端和交流母线之间安装有第一交流母线熔断器；在应力变频器电源输入端和交流母线之间安装有第二交流母线熔断器；在排绕变频器电源输入端和交流母线之间安装有第三交流母线熔断器；在提升变频器电源输入端和交流母线之间安装有第四交流母线熔断器。
7.本实用新型在回转变频器的直流母线上安装有第一熔断器；在应力变频器的直流母线上安装有第二熔断器；在排绕变频器的直流母线上安装有第三熔断器；在提升变频器的直流母线上安装有第四熔断器。
8.本实用新型所述的第一熔断器、第二熔断器、第三熔断器、第四熔断器均为快速熔断器。
9.本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：
10.1、回转电机、应力电机、排绕电机、提升电机均为交流电机，并通过各个变频器的直流母线共享，将应力电机和排绕电机产生的电能充分利用，汇同外部交流电源驱动回转电机和提升电机，可极大地降低设备使用能耗、提升其功率因数，并消除原有直流电机控制方式下缠丝设备运行时对外部电网的污染。
11.2、本实用新型在有效节约电能的同时，能降低缠丝机设备装机容量，由此可减小工厂变压器容量，减小进线电缆规格，可明显减少用户成本投资。
12.3、回转电机、应力电机、排绕电机、提升电机均为交流电机，其交流变频装置的电源模块提供稳定的直流电源到直流母线，各交流变频装置由同一个母线供电，能有效避免意外停电或者电网波动较大时调速器发生逆变颠覆现象。
13.4、 本实用新型采用交流电机控制方式，速度控制精准，可有效消除原有直流电机控制方式下回转零速时电机爬行现象、低速时钢丝螺距控制不准以及低速时产生钢丝密绕等问题。
14.5、plc控制器的设置，实现了及时准确的自动化控制，由plc控制器实时检测各个变频器的准备和故障信号，当某个变频器准备信号消失或故障信号产生时，及时断开该变频器上的直流接触器，使故障变频器和其它变频器之间的母线连接断开，以保护变频器。
15.6、各个变频器的直流母线上均安装有直流接触器，当某个变频器准备信号消失或故障信号产生时，只要断开该变频器上的直流接触器即可，而其它变频器仍可以正常工作。比如当回转变频器准备信号消失或故障信号产生时，只需要断开第一直流接触器，回转变频器的直流母线就与其它变频器的直流母线断开，其它变频器仍可以正常工作；假设如果
没有第一直流接触器，当回转变频器准备信号消失或故障信号产生时，为了保护变频器，需要将其它变频器的直流接触器全部断开才能保证回转变频器的直流母线与其它变频器的直流母线断开；其它的变频器也是同样的道理。此功能为设备的初期调试提供了较大便利。
附图说明
16.图1为本实用新型实施例的结构示意图。
17.图2为本实用新型实施例的电路原理图。
具体实施方式
18.下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。
19.本实用新型包括回转装置1、应力发生装置2、钢丝排绕筒装置3、提升装置4、交流母线5、回转变频器f1、应力变频器f2、排绕变频器f3、提升变频器f4和plc控制器。
20.回转装置1设置有回转电机m1，应力发生装置2设置有应力电机m2，钢丝排绕筒装置3设置有排绕电机m3，提升装置4设置有提升电机m4。
21.回转电机m1、应力电机m2、排绕电机m3、提升电机m4均为交流电机。回转电机m1的电源输入端与回转变频器f1的电源输出端连接，应力电机m2的电源输入端与应力变频器f2的电源输出端连接，排绕电机m3的电源输入端与排绕变频器f3的电源输出端连接，提升电机m4的电源输入端与提升变频器f4的电源输出端连接。
22.回转变频器f1的电源输入端、应力变频器f2的电源输入端、排绕变频器f3的电源输入端、提升变频器f4的电源输入端分别与交流母线5连接。
23.在回转变频器f1电源输入端和交流母线5之间安装有第一断路器q1和第一交流母线熔断器a1。
24.在应力变频器f2电源输入端和交流母线5之间安装有第二断路器q2和第二交流母线熔断器a2。
25.在排绕变频器f3电源输入端和交流母线5之间安装有第三断路器q3和第三交流母线熔断器a3。
26.在提升变频器f4电源输入端和交流母线5之间安装有第四断路器q4和第四交流母线熔断器a4。
27.回转变频器f1的直流母线正极端、应力变频器f2的直流母线正极端、排绕变频器f3的直流母线正极端、提升变频器f4的直流母线正极端相互连接在一起。回转变频器f1的直流母线负极端、应力变频器f2的直流母线负极端、排绕变频器f3的直流母线负极端、提升变频器f4的直流母线负极端相互连接在一起。
28.在回转变频器f1的直流母线上安装有第一直流接触器km1和第一熔断器b1。
29.在应力变频器f2的直流母线上安装有第二直流接触器km2和第二熔断器b2。
30.在排绕变频器f3的直流母线上安装有第三直流接触器km3和第三熔断器b3。
31.在提升变频器f4的直流母线上安装有第四直流接触器km4和第四熔断器b4。
32.plc控制器与第一直流接触器km1、第二直流接触器km2、第三直流接触器km3、第四直流接触器km4、第一断路器q1、第二断路器q2、第三断路器q3、第四断路器q4、回转变频器
f1、应力变频器f2、排绕变频器f3、提升变频器f4连接。
33.在设备上电后，首先由各个变频器通过各自的整流单元对自身的直流母线充电，充电完成，通过变频器的输出继电器向plc控制器发出准备信号。plc控制器在接收到所有变频器的准备信号后，再根据第一断路器q1、第二断路器q2、第三断路器q3、第四断路器q4的合闸信号以及其它需准备到位信号，统一向第一直流接触器km1、第二直流接触器km2、第三直流接触器km3、第四直流接触器km4发出控制指令。
34.由plc控制器实时检测各个变频器的准备和故障信号，当某个变频器准备信号消失或故障信号产生时，及时断开该变频器上的直流接触器，使故障变频器和其它变频器之间的母线连接断开，以保护变频器；各个变频器容量配套的第一熔断器b1、第二熔断器b2、第三熔断器b3、第四熔断器b4同时起到保护作用。
35.在正常工作时，回转装置1上放置待绕丝的砼管芯6并能使其定速转动，同时牵引钢丝7缠绕于砼管芯6上，此时回转电机m1驱动回转装置２转动，处于电动状态，能量从外部交流电源通过变频器的整流器、dc环节和逆变器流向电机，消耗电能；钢丝7卷绕于应力轮圈上，应力发生装置３通过驱动应力轮圈，使固定于砼管芯6上的钢丝7受力反向拉紧，应力电机m2输出端受力方向与运动方向相反，此时应力电机m2处于发电状态，其控制链路中dc电容器由逆变器充电，dc链路电压开始上升，产生电能；钢丝排绕筒５通过驱动排绕筒，反向拉紧应力轮圈后端的钢丝7，因此其被由应力发生装置３牵引的钢丝7反拖，排绕电机m3输出端受力方向与运动方向相反，此时排绕电机m3，处于发电状态，其控制链路中dc电容器由逆变器充电，dc链路电压开始上升，产生电能；提升装置６提升钢丝7向上运动，使钢丝7按设定的螺距均匀缠绕于砼管芯6上，其提升电机m4处于电动状态，能量从外部交流电源通过变频器的整流器、dc环节和逆变器流向电机，消耗电能。
36.处于发电状态下的应力电机m2和排绕电机m3的控制链路中的变频器，其dc电容器由逆变器充电，dc链路电压开始上升，应力电机m2和排绕电机m3将多余的能量通过dc环节传输到处于电动状态下的回转电机m1和提升电机m4的控制链路中的变频器，对处于该控制链路中的 dc电容器充电。通过直流母线共享，将应力电机m2和排绕电机m3产生的电能充分利用，汇同外部交流电源驱动回转电机m1和提升电机m4。
37.以目前lcs3600型立式差速缠丝机为例，直径7mm钢丝工作时所受拉力f=42.3kn，工作时线速度按v=3m/s计,其有效功率p1＝ｆｖ=42.3x3=126.9kw。 原传统直流电机驱动工况下，以回转装置1总体机械效率η
回转
=0.75考虑，则回转电机m1消耗功率 p
回转
= p1/η
回转
=169kw；以应力发生装置2总体机械效率约为η
应力
=0.85考虑，应力电机m2被钢丝7反拖而产生的无功功率：p
应力
= p1ｘη
应力
=126.9x0.85=108kw，该部分电能将反馈至电网，对电网产生一定污染；钢丝排绕筒装置3总体机械效率约为η
排绕
=0.8，其前端钢丝拉力其值变化范围约为3.0kn~3.5kn间，取中值3.3kn考虑，排绕电机m3被钢丝反拖而产生的无功功率：p
排绳
=f2xvxη
排绕
=2.8x3.3x0.85=8kw，该部分电能将反馈至电网，对电网产生一定污染；提升装置4装机功率为3kw，其实际消耗功率较小，可以作忽略考虑。则设备工作时，总体消耗功率约为：p= p
回转
=169kw，采用本专利后的缠丝机实际能耗为：p= p
回转
‑
p
应力
‑
p
排绳
=169
‑
108
‑
8=53kw，其理论最大节能效率达到：γ=(169
‑
53)/169=68.6%。具有明显的节能效应，同时根本上杜绝了设备对于电网的污染。
38.此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名
称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例说明。凡依据本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。