一種新型用電節能技術在大型金屬擠壓設備上的應用

陳建軍

（廣東電網公司佛山供電局，廣東 佛山 528000）

1 電力節能趨勢

廣東省佛山市作為電力需求側管理試點城市，結合廣東省數控一代現場推進大會上周院長“萬臺注塑機（含擠壓機）改造專項行動”的講話精神，不僅可以提高電能利用效率，促進電力資源優化配置，還可以減少一次能源的消耗與污染物的排放，緩解環境壓力，從而減少社會資源的投入和自然資源的消耗，促進經濟的協調發展，促進GDP增長，降低單位GDP能耗。對用戶而言，通過實施節能改造，可以促進擠壓機等機電設備的更新換代，增加用戶對高能效設備的需求，降低電力消耗，減少電費支出，降低企業的經營成本，提高產品競爭力。

所以研究一種新型用電節能技術應用于大型金屬擠壓設備是勢在必行的。

2 鋁型材擠壓機在佛山的行業概況及應用介紹

廣東省鋁材年產量約350萬t、其中佛山300萬t以上。在佛山地區現有的鋁型材成型設備眾多，初步統計大佛山地區規模以上的鋁廠大約有1300間、200多個品牌、建筑鋁材產量占全國的 70%以上、占廣東80%以上，裝機容量近185萬kW。其中50%為擠壓機耗電，每月電能消耗巨大。

電費在企業生產成本中占有很大的比例，企業管理者無時不在思考如何降低產品成本，增加產品的市場競爭力，從而為企業創造更大的利潤空間。由于伺服電機制造技術以及電子技術的飛速發展，伺服控制技術以其優異的控制功能而在各個行業中得到廣泛的應用和推廣，在鋁型材成型行業我們做了一些應用示范。

圖1 大型鋁型材擠壓機

3 鋁型材擠壓機工作原理

鋁型材擠壓機開始擠壓前，將擠壓盛錠筒、擠壓模具、鋁棒先進行加熱，達到工藝溫度時由控溫儀自動控制，使其保持恒溫。

擠壓時，裝上規格模具后合上中動板，使模具端面與擠壓筒面鎖緊，將已加熱的鋁棒放進擠壓筒的內孔，放入擠壓餅，然后主缸活塞帶動擠壓桿快速前進，當擠壓餅進入擠壓筒內孔時主缸快進速度由于受壓力繼電器的作用上位機電腦發出指令自動轉為擠壓速度進行擠壓加工，擠壓速度根據鋁型材的生產工藝來調節，擠壓完成后開中動板，中動板開到中位時主缸自動后退，中動板開停后由剪切裝置將模具上的壓余殘料部份剪除，完成后等待下一個工作循環。

4 鋁型材擠壓機的工藝動作流程

1）主缸快速前進

擠壓筒預熱完成后，起動主電動機；變量柱塞泵提供液壓動力。由葉片小泵125L提供5MPa的先導壓力。主缸前進時，變量柱塞泵、葉片泵處于大流量，小壓力的合流狀態；主缸前進所形成的真空力使得充液閥（Y27/KA27）打開，油液從上部大油箱經手動蝶閥進入主缸內。主缸輔助油缸、中板鎖緊油缸的液壓油由柱塞泵、葉片泵合流泵入。主缸前進的動作維持到擠壓軸頂緊鋁棒至模具接觸面，此時，主缸內壓力逐漸升高，達至預設擠壓筒排氣壓力10MPa時，壓力繼電器動作，發出分流信號，擠壓開始。

2）擠壓過程（工進）

鋁棒在擠壓筒被擠壓敦實，中板排氣結束后，繼續鎖緊模具，擠壓軸頂緊鋁棒，使鋁棒擠壓入模具內腔。擠壓力達到一定值時，型材被擠出。該狀態下，可調柱塞泵A7V完成對主缸、主缸輔助油缸、中板鎖緊油缸的油量泵入，形成足夠的擠壓力。擠壓時的設定壓力通常為 21MPa，超壓限制設定為23MPa；擠壓速度根據不同標號鋁棒、不同的模具、不同的加工型材而有所不同（不同標號的型材有相應的出料限制速度，不能任意調節），一般在30%～90%之間變化。隨著擠壓過程的持續，主缸壓力（擠壓力）逐步下降。

3）中板移動、剪切及主缸快速后退過程

擠壓結束，中板后退至設定位置，切余剪刀下降（完成后上升）。同時主缸后退。此時柱塞泵、葉片泵合流共同完成快速后退動作。剪切工序完成后，中板前進頂緊模具，等待下一個擠壓動作循環。

4）輔助動作

包括：托料（主缸快速前進，機械手提升托起鋁棒，擠壓軸推動鋁棒進入擠壓筒）、壓餅（將擠壓墊片向鋁棒端面壓緊）換模（模具導入/出）等。

5 鋁型材擠壓機的節能潛力分析

對鋁型材擠出機而言，工藝過程一般分為快進，工進，排氣，慢速擠壓，中速擠壓，壓余，回程及輔助動作等階段，各個階段所需要的工作壓力和流量是不同的，對于馬達而言，整個加工過程是處于不斷變化的負載狀態，而目前油壓系統絕大部分使用雙頭電機，一頭帶柱塞泵，另一頭帶葉片泵，其馬達以額定轉速輸出一定的流量，而在生產過程中有些階段只需極少的流量（如保壓），多余液壓油通過溢流閥回流至油箱，該過程稱為高壓溢流，據統計由高壓溢流造成的能量損失高達20%～30%。

伺服節能器從根本上克服了傳統油壓機的這一弊病，當系統需要的流量發生變化時，馬達的轉速隨流量命令大小而改變，使得泵的排出的流量發生變化，即真正做到“要多少給多少”的控制，因此在擠壓機上的節能應用，對于減少能源浪費具有非常重要意義。

6 伺服系統的設計思想

建議方案是根據擠壓機的工藝流程進行優化而制定的，傳統擠壓機是雙軸三相異步機兩頭帶油泵，一頭變量泵主要控制主缸系統，另一頭定量泵作輔助作用，全機主缸單比例變量控制，因此分析工藝時，主缸動作擠壓階段，輔助動作是沒有的，但實際上輔助油泵還在工作，基于這樣的考慮，把單臺電機一分為二，主缸作一套系統，定量泵作一套系統，根據工藝的需要決定是主缸系統起動還是輔助動作系統起動還是兩個系統同時起動，因為原來系統輔助動作沒有模擬量控制，完全采用高壓溢流的方式，同時調節節流閥來調整動作快慢，毫無疑問存在很大的能源浪費，又因為原系統當中上位機是靠幾個壓力傳感器來切換動作速度，所以在這個方案中采用力矩限定，HMI上給定速度，電子值閉環反饋，PLC運算調節的模式來進行調節，它通過電子尺的速度變化率反饋到PLC，PLC經過運算后調節頻率來改變電機轉速，從而改變流量，按需供油，在高壓擠壓未出料前，轉化為油壓模式，保證高壓擠出，自動降低轉速，減輕負載，盡量減少高壓溢流損失，達到節能效果。擠出料后，擠出壓力降低，又自動轉化成速度模式運行，保證擠出速度平穩，提高產品質量。達到高產節能效果，本方案采用的電動機是同步機，其響應要比異步電動機快很多，完全解決了早期用變頻改造造成的產量下降和產品質量下降的問題。

1）電氣改動

上位機控制系統PLC加A/D轉換模塊，在擠出缸和定模板之間加電子尺做速度閉環反饋。原來單電機改成三電機控制，因此多了二套電路。

2）油路改動

原有油路基本不作改動，僅在擠出缸出口法蘭處加壓力傳感器做壓力閉環但因加了獨立先導泵系統，所以要從原葉片雙聯泵上小泵處單獨分開油路，讓先導油路自成一體。

3）主缸系統

在快速共進時為速度模式，與輔助系統合流低壓大流量工作，接受HMI的指令，經PLC運算后的頻率工作。在慢速擠出時，擠出桿頂住鋁棒，壓力達到設定壓力的90%以上后轉入油壓控制模式，輸出信號，由驅動器做油壓PID運算，調整降低電機轉速，保持高壓擠出，當型材擠出后，壓力降低到90%以下后，輸出信號，轉為速度模式，電子尺反饋速度，PLC做速度PID調節，保證速度平穩，保證產品質。

4）輔助系統

速度模式運行，接收由 HMI給定，經 PLC運算出的頻率工作。

5）先導控制油系統

獨立開來，單獨從葉片泵小泵處分開先導管的油路，直接控制。此時要加一個小三相異步機來驅動一個小排量的油泵。

圖2 控制的原理和接線示意圖

6）改造所需主要設備

改造中的主要設備有：伺服電機、油泵、驅動器、動力單元、制動單元、制動電阻、電箱及其他配件。

7 佛山市伺服節能技術節能效果分析

鋁型材擠壓機通過伺服節能技術的改造，節能率可達 10%～40%。實際現場改造案例中，多數超過了20%。

以佛山為例，按 300萬 t年產量，每噸耗電430kW·h計算則佛山鋁材的年耗電量為：300萬 t×430kW·h/t＝12.9億kW·h。

節能改造潛力：按12.9億kW·h年耗電量，每噸節約耗電20%計算則佛山鋁材理論上可節約的年耗電量為：12.9億kW·h×20%節電量＝2.58億kW·h。佛山市鋁型材節能空間為2.58億kW·h，節約標準煤 9.0萬t，年減排 CO2達17.82萬t。

8 具體案例

案例1：鳳鋁鋁業有限公司于2012—2013年采用伺服節能技術將擠壓機進行了節電改造，單臺節能率達20%以上，單臺每年可節約電費20萬元，回收期為兩年。同時，鋁型材擠壓機伺服節能改造可提高生產率和產品精度。

圖3 鳳鋁鋁業改造現場

圖4 驅動器及改造效果圖例

案例2：佛山市金華海鋁業有限公司于2013年3月采用伺服節能技術將擠壓機進行了節電改造，以一臺 600T的擠壓機為例，單臺節能率達 21%以上，單臺每年可節約電費12萬元，年節省電量15萬kW·h。

圖5 金華海鋁業改造現場

9 結論

鋁成型行業導入永磁電機伺服節能控制技術在技術上可行，對降低行業能耗，提高行業競爭力具有及其重要意義。