卷烟机技师论文

山东中烟工业有限责任公司青岛卷
烟厂
维修电工技师鉴定毕业设计
题目：GD包装机下烟库拨烟辊电机变频改造
姓名：
单位：山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂
指导教师：
2010年7月5日
GD包装机下烟库拨烟辊电机变频改造
摘要
GD包装机的下烟库拨烟辊电机控制是由直流驱动实现，调速不方便，直流电机驱动器抗干扰和耐热能力不强，碳刷易磨损，严重可造成电枢环火，由于电机安装是平置的,碳刷电枢部分容易进油直接造成电机损坏，驱动器也极易损毁，故在设备运转中常常由于晃烟电机运转不稳定导致整套设备的稳定性差，维护频率增高。

而直流驱动器和直流电机不但价格昂贵，维修成本始终居高不下之外，而且其备件组织的周期也长。

随着烟草行业对产品质量的要求越来越高，以及对设备的稳定性、设备维护成本的要求越来越高，这就需
要减少设备的故障率和减少设备的维护率，为此，将拨烟辊电机改造为用变频控制的三相异步电动机，改造后的结果就是有效地减少了维修、维护的时间，提高了设备有效作业率。

关键词: GD包装机直流电机伦次变频三相异步电动机频压模块
目录
前言 (1)
1．设计要求、分析与设计缺陷 (2)
1.1 设计要求 (2)
1.2 设计要求分析 (3)
1.3 设计缺陷 (3)
2．选题背景与论证方案 (4)
2.1 选题背景 (4)
2.2 论证方案 (5)
3．改造方案实施与工作原理 (6)
3.1 改造方案 (6)
3.2 改造系统框图 (7)
3.2 改造后的工作原理分析 (7)
4．变频器说明 (9)
4.1 变频器的工作原理 (9)
4.2 变频器控制接线 (10)
4.3 变频器的端子说明 (10)
4.4 变频器驱动输出的条件 (12)
4.5 变频器的操作面板及其操作说明 (12)
4.6 变频器的故障代码、原因及其排除方法 (13)
4.7 改造时变频器的几个主要参数的修改 (14)
结论 (15)
谢辞 (15)
参考文献 (16)
附录 (17)
附录1 GD包装机下烟库拨烟辊电机原控制原理图 (17)
附录2 改造的电器原理接线图 (18)
前言
GD包装机是我国于上世纪八十年代从意大利引进的香烟包装设备，该设备在我国各
个卷烟生产企业中都有应用。

但是，随着时间的推移以及现代科学技术生产力的高速发
展，此包装机机组的技术缺陷日益突出。

在电气传动方面,其控制方式、控制器件的单一性
和局限性、不仅严重影响了生产，降低了设备的有效作业率，也使维修费用居高不下，生
产成本提高，这同建立现代企业制度的要求根本相悖,也远低于现代化生产工厂的需求。

本
着为企业高度负责的精神，决定对拨烟辊电机及其控制系统进行改造。

通过运用现代控制
技术，攻克技术难关，为企业节能降耗,将“科学技术是第一生产力”这一理念付诸实践。

GD包装机烟库拨烟辊电机原设计是用一直流驱动器控制的直流电机，通过驱动器的
控制，电机按设备所匹配的速度进行运转，使烟支能够以合适的速度、合理的工艺要求，
均匀地落入到下烟库通道中，继而被包装成盒,作为成品烟流入到市场。

对下烟库拨烟辊电机的改造就是本着对原设计的卷烟产品工艺要求，在设备的硬件和
硬件控制方面下功夫，用通用型的伦次变频器控制一个三相异步电动机，以同样的效果完
成相同的驱动要求，同时又做到了节能、更易于调速、减少了故障率和维护率，使设计本
身更接近于通用化、方便化，从而克服了烟草设备在电器行业内的局限性和垄断性。

1．设计要求、分析与设计缺陷
1.1 设计要求
GD包装机下烟库如下图所示
图1-1.1 GD包装机下烟库示意图
GD包装机下烟库拨烟辊电机如下图所示
图1-1.2 GD包装机下烟库拨烟辊电机示意图
GD包装机下烟库（如图1-1.1所示），烟支自上游机落入并填充到烟库当中，拨烟辊（如图1-1所示）的作用就是通过其辊棒左右来回的旋转，使烟支以设备所匹配的速度均匀而缓和地流入到下烟通道之中，为下一步进入烟支模盒做好准备。

拨烟辊电机（如图1-1.2所示）的作用就是通过其驱动装置，按设备所要求的速度驱动与拨烟辊相连接的齿轮箱，使拨烟辊辊棒左右旋转，将烟支送入到下烟通道之中。

1.2 设计要求分析
拨烟辊驱动电机带动20个搅动辊和一个拍打器。

通过搅动辊和拍打器不停地动作，使烟支顺利地下落到下烟通道内。

下烟库中的烟支经过拨烟辊流入到下烟通道时，拨烟辊的左右旋转速度既不能太快、又不能太慢。

如果速度过快，就容易使烟支在下落过程中由于频繁的旋转造成空头烟、甚至使烟支表面造成褶皱，严重地影响了烟支的内在质量和外观质量；而如果拨烟辊的速度过慢，则容易造成烟库中的烟支在进入下烟通道时不流畅、不连贯，使得进入到烟支模盒中的烟支不全，造成设备的剔除与停机，频繁的停机就使得设备的有效作业率大大降低。

这两种情况都不是一个现代化企业所要求的。

GD公司在原设计上是通过一直流驱动器来控制一直流电机来完成对拨烟辊的驱动（其电器控制原理如附录1）。

2M614为直流电机，由控制柜内的一直流控制器A456控制，2G614为一测速电机，用来测量2M614的速度。

电机速度的参考值是由PLC输出的，通过N2模拟板第四路输出给控制器A456一频率信号，频率信号的大小决定电机速度的快慢。

1.3 设计缺陷
原GD包装机烟库下烟器驱动采用永磁直流伺服控制模式，由一个永磁直流伺服电机（2M614）作为动力源。

该系统存在以下缺陷：
(1)永磁直流伺服电机易烧毁。

因为该电机是水平方向安装，当油密封圈老化时，下烟器减速箱内的液体润滑油会沿电机轴渗透密封圈进入电机内部，然后逐渐溶解电机定子绕组上的绝缘漆，溶解达到一定程度时，绝缘漆被击穿，定子绕组间发生短路而使电机烧毁。

(2)电机伺服板(A456)易损坏。

该板采用GAL(通用阵列逻辑)器件1 6V8作为伺服的核心器件，原理复杂，器件多，系统可靠性低，故障率高，而且是四层板结构，所以故障很难排除。

另外，伺服控制实时性较差，当电机因绕组间绝缘强度降低或其他原因而发生过流时，该伺服系统不能及时作出反应，结果导致电机被烧坏，伺服板也同时损坏。

(3)直流电机要定期清洁换向器，而且需要更换碳刷。

这既增加了维护工作量，又降低了生产效率。

(4)原装电机及伺服板价格贵，供货周期长，不利于设备的维护保养。

2．选题背景与论证方案
2.1 选题背景
直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生与19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。

但是，由于技术上的原因，在很长一段时期内，占整个电力拖动系统80%左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机（包括异步电动机和同步电动机），而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的直流电动机。

但是，众所周知，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点：
（1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短；
（2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；
（3）结构复杂，难以制造出大容量、高转速和高电压的直流电动机。

而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点：
（1）结构坚固，工作可靠，易于维修保养；
（2）不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；
（3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。

因此，很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作。

但是，直至20世纪70年代，交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正能够令人满意的成果，也因此限制了交流调速系统的推广应用。

随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能的不断提高，变频驱动技术也得到了显著的发展。

随着各种复杂控制技术在变频器技术中的应用，变频器的性能不断提高，而且应用范围也越来越广。

目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。

与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。

由于在变频器驱动系统中电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率进行的，当把变频器的输出频率降至电动机的实际转速所对应的频率以下时，负载的机械能将被转换为电能，并被回馈给供电电网，并形成电气制动。

此外，一些变频器还具有直流制动功能，即在需要进行制动时，可以通过变频器给电动机加上一个直流电压，并利用该电压产生的电流进行制动。

在变频器调速控制系统中，变频器和电动机是可以分离设置的。

因此，通过和各种不同的异步电动机的适当组合，可以得到使用于各种工作环境的交流调速系统，而对变频器本身并没有特殊要求。

变频调速具有矢量控制，也就是运用现代控制理论，通过矢量转换，将交流电机中耦合的电枢电流和励磁电流解开，从而对其进行控制，也就是仿真直流调速的原理。

但是要做到直流调速的控制特性目前是很困难的。

所以变频器最好应用在需要调速，而对启动性能及力矩调节要求不是很苛刻的场合，而这种场合比比皆是，这才是变频调速普遍应用的原因。

而我们所要改造的拨烟辊电机所驱动的装置恰恰是对启动性能及力矩调节要求不是很严，因为驱动与拨烟辊相连接的齿轮箱的力矩不大。

我们曾对拆下电机的拨烟辊齿轮箱做过实验，只有用一个手指稍微用力，就可拨动齿轮箱内齿轮的旋转。

2.2 论证方案
针对GD设备原拨烟辊电机及其驱动装置的种种缺陷，许多烟草专业内的外协厂家曾做过多种改进。

比如上海蕴龙工业自动工程有限公司是采用西门子变频器控制，交流电机一台、法兰盘一个、传动齿轮一个、F/V变换器一个、接触器一个、GD控制软件一套进行的改造；宝鸡圭彬光电设备有限公司是自行研发设计采用换向机构将无刷结构的拨烟辊电机YKSF-04以垂直方式进行安装，克服了以前由于润滑油腐蚀造成电机线圈线扎间短路从而烧坏电机的弊端；安徽蚌埠市科达电器有限公司是采用自制的伺服接口板，采用交流伺服代替原机的直流伺服进行的改造等等。

我们通过对多家外协厂家的改造进行分析、比较，从中受到了很多启发和自主改造上的帮助，但同时也发现了各厂家在改造上存在的一些问题，汇总如下：
(1)对原设备的改动过大。

(2)操作控制系统过于复杂。

(3)备件(电机、控制器)选择上过于单一、垄断。

(4)改造费用过于昂贵。

针对如上所述，我们决定攻克技术难关，自主对拨烟辊电机系统进行改造。

3．改造方案实施与工作原理
3.1 改造方案
（1）取消原直流驱动器，将烟库直流电机更改为交流电机，采用伦茨变频器进行驱动控制。

（2）保持原设备其它所有功能不变的情况下，将部分的相关信号融入电控系统的控制中，使拨烟辊电机的运转速度与包装设备的运行速度完美匹配。

（3）改造组件：三相交流电机一台（YSDL-38-10 220V 0.5A 12W）变频器(LENZE 8201E)一台（如图3-1.1所示）变频器安装支架一套F/V频压变换器一个（如图3-1.2所示）空气开关一个。

图3-1.1 LENZE 8201E变频器
图3-1.2 F/V频压转换器器
3.2 改造系统框图
图3-2.1 拨烟辊电机改造系统框图
（1）N2.04 是指（2）电控柜内模拟板的第四输出通道。

（3）脉冲串表示自模拟板上输出的速度频率控制信号。

（4）F/V频压转换模块（见图3-1.2）是GD设备（5）原厂配件，（6）其作用是将1KHZ～3KHZ的输入频率信号转化为﹣10V～﹢10V输出电压信号。

3.2 改造后的工作原理分析
改造后的电器原理接线图参见附页2。

原理分析：设备上电后，变频器得电，当需拨烟辊电机旋转时，控制柜内的CPU一方面会令第15输出板上的第8通道输出一﹢24V的电压信号到变频器的28号接线端子，使变频器使能；另一面同时令模拟板2号板上的第4通道输出与机器转速相匹配的频率信
号到频压转换器的输入端，该频率信号经频压转换器转换后，输出一定的正电压信号到变频器的模拟控制输入端。

这样变频器就驱动着拨烟辊电机以与机器主电机相匹配的速度进行运转。

当变频器发生故障而不能工作时，变频器内部的故障继电器失电，其常闭点K12、K14闭合，则一﹢24V的电压信号送到电柜内第10输入板的第27通道，经CPU处理后，使设备停机，并在OPC上显示红色故障信息：A456驱动器故障(注：因其故障输入点接在原驱动器的故障输入点上，故在此仍然显示的是A456驱动器)。

4．变频器说明
4.1 变频器的工作原理
交－直－交型变频器的工作原理是借助微电子器件、电力电子器件和控制技术，先将工频电源经过二极管整流成直流电，再由电力电子器件把直流电逆变为频率可调的交流电源。

其工作原理如下图所示。

图4-1.1 变频器工作原理图
由图4-1.1可以看到，变频器由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成。

各部分的功能如下：
1). 整流器。

它的作用是把三相(或单相)交流电源整流成直流电。

在SPWM变频器中，大多采用全波整流电路。

大多数中、小容量的变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管或者二极管模块。

2). 逆变器。

它的作用与整流器相反，是将直流电逆变为电压和频率可变的交流电，以实现交流电机变频调速。

逆变电路由开关器件构成，大多采用桥式电路，常称逆变桥。

在SPWM变频器中，开关器件接受控制电路中SPWM调制信号的控制，将直流电逆变成三相交流电。

3). 控制电路。

控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：
n＝60 f(1－s)/p
式中 n：异步电动机的转速； f：异步电动机的频率； s：电动机转差率； p：电动机极对数。

由交流电动机的同步转速表达式位可以看到，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

但是，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。

因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。

4.2 变频器控制接线
由外部电压（12～30V）供电的伦茨8201E变频器的控制接线见下图。

图4-2.1 变频器控制接线图
4.3 变频器的端子说明
（1）模拟控制输入端子
端子使用等级7内部地（GND）8输入设定值参考点：端子7（0-10V）0-10V9设定电位
器电源5.2V/6mA
可通过端子7和8选择一个模拟设定值，通过改变变频器前面的跳线设置来实现。

因为我们在改造过程中经频压转换器输出的是一个0-10V的电压值，所以须将跳线端子1和2短接。

设置变频器前面的跳线5和6短接0-20mA/4-20mA3和4短接0-5V1和2短接0-10V （2）模拟量输出（监控输出）端子
端子使用等级62模拟量输出参考点：端子7 （输出频率）0-6V/ 2mA
（7）数字控制输入端子
端子使用有效电平20用于数字输入电源28控制使能端高E4正传低反转高E3直流制动高E2/E1寸动频率二进制码39数字输入地（外部地）
（8）继电器输出端子
端子使用继电器位置K11继电器输出NC端开K12继电器输出公共端K14继电器输出NC
端关
4.4 变频器驱动输出的条件
变频器在下列各项条件都满足时，才能驱动电机运转。

（1）控制器使能：给端子28提供12V～30V的电压（高电平）
（2）电机旋转方向设置：
正转：给端子E4提供低电平（0V～3V）
反转：给端子E4提供高电平（12V～30V）
（3）频率设定端电压非零：给端子8提供0V～10V的电压
4.5 变频器的操作面板及其操作说明
变频器的操作面板见下图：
变频器操作面板上的各按键功能：
用变频器操作面板选择并改变代码和参数的方法：
PRG键是用来改变代码方式和操作方式的，在代码方式下所需代码可以通过按?或?来寻找。

当按一次SH键，你就可以改变参数集1里的参数，当按两次SH键，就选择了参数集2里的参数，当按第三次时就回到了方式状态。

PAR1或PAR2的闪烁显示表明可以改变相应的参数集。

在这种状态下就可以用?或?来改变设置值，如果按住SH键再用?或?键，就可以更快地改变设置值。

参数值改变后，可以通过组合键PRG﹢SH存储设定值，显示STO。

大约1秒后，程序自动回到代码方式。

可以通过按PRG键回到操作方式。

4.6 变频器的故障代码、原因及其排除方法
故障代码故障原因排除方法OC1短路有损坏的电机电缆或线圈短路引起的电机侧端子短路检查电缆是否短路检查电机OC3由于短路或加速引起的变频器过载加速时间过短（C012）电机电缆损坏电机线圈短路增加加速时间检查连线检查驱动器容量OC4减速时变频器过载加速时间过短（C013）增加减速时间，检查制动电阻容量或连接制动断路器OC5变频器过载过多或过长时间过电流，恒速时过载检查变频器的设定与容量OC6电机电机过热，由于不允许的连续电流过于频繁或过快的加速时间检查驱动
器容量检查C120（I2t监视）的设定OH散热片过热散热片温度过高或散热片过度受污染冷却变频器并使其更好到通风，清洁散热片rSt在自动故障复位时发生故障在10分钟内超过8次故障报警根据发生的故障EEr外部故障通过数字（跳闸设置）输入端子信号检查外部信号源OUE过压故障主电源过压超过5秒检查主电源电压Pr参数集传送错误用键盘传错误数据，参数集PAR1和PAR2再次传送数据或在控制器启动前读取出场设置值Pr1错误的参数集1传送PAR1用键盘传错误数据，参数集PAR1设置错误再次传送数据或在控制器启动前读取出场设置值Pr2错误的参数集2传送PAR2用键盘传错误数据，参数集PAR2设置错误再次传送数据或在控制器启动前读取出场设置值HO2控制端子20过载短路或过载检查连线
4.7 改造时变频器的几个主要参数的修改
参数代码参数含义修改值C001操作模式0（模拟量输入）C002参数集0（执行功能）C004启动显示0（显示频率）C007端子设置0（点动端子设定）C008继电器功能1（变频故障显示）C010最小输出频率10C011最大输出频率50C012加速时间0.2C013减速时间5C014V/f特性2（线性特性）
结论
GD拨烟辊电机及其驱动系统改造后，解决了以往直流电机碳刷容易磨损、维护烦琐、电机及驱动器易损的缺点，降低了维护成本，提高了整机的有效作业率。

目前，已在整个卷包车间内得到了推广。

谢辞
在撰写项目论文过程中，感谢王忻教授对我论文的写作和规范要求上的指点和帮助，感谢项目改造过程中，各位领导及同行对我的支持和帮助！本文写作中有不足之处恳请各位专家批评指正。

参考文献
1．《GDX1包装机组电气原理分析与调整》作者靖昭信谢亚平
贵州省科学院贵阳中立公司1996年6月第一版
2．《维修电工技师鉴定培训教材》作者姜平
机械工业出版社2009年9月第一版
3.《电工技术》作者席志红
哈尔滨工程大学出版社2010年1月第三次印刷
附录
附录1 GD包装机下烟库拨烟辊电机原控制原理图
附录2 改造的电器原理接线图。