變頻器在輕工機(jī)械中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、變頻器在輕工機(jī)械中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用The design and application of AC Inverter in light-industry machinery李方園第六講 變頻器在塑料擠出機(jī)械中的應(yīng)用The design and application of AC Inverter in the plastic extrusion machines 摘要：在塑料機(jī)械傳動(dòng)的發(fā)展史上，曾相繼采用過(guò)直流調(diào)速、電磁調(diào)速，但目前已經(jīng)越來(lái)越多地采用了交 流變頻調(diào)速。綜合多年的變頻使用經(jīng)驗(yàn)，采用變頻器的最大好處就是節(jié)約能源和提高工藝性能。 關(guān)鍵詞：塑料擠出機(jī) 主傳動(dòng) 變頻器； Abstract:I

2、n the plastic mechanical drive history of the development, DC converter and electromagnetic speed controller had been introduced one after another, but now more and more industries use AC variable frequency speed regulation. Many years of experience with the use of frequency shows that the greatest

3、advantage of using inverter is the energy savings and improving process performance.Keywords: Plastic extrusion machines main drive AC inverter1 前言擠出機(jī)是制造塑料片材、薄膜、各種異型管材等的機(jī)械生產(chǎn)線設(shè)備，以往大多采用直流傳動(dòng)或電磁調(diào) 速控制，前者維護(hù)繁雜而且費(fèi)用巨大，影響設(shè)備的使用效率，后者調(diào)速精度低、產(chǎn)品檔次低，這些都在很 大程度上影響了擠出機(jī)的發(fā)展。由于交流變頻技術(shù)在我國(guó)近幾年得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，而且變頻調(diào)速在 頻率范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、調(diào)速精度

4、、低頻轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償、通信功能、智能控制、功率因數(shù)、工作效率和使 用方便等方面是以往的調(diào)速方式無(wú)法比擬的，所以深受擠出機(jī)制造企業(yè)的青睞，在新型的擠出機(jī)械中均采 用了高性能的變頻器，同時(shí)原有的舊擠出機(jī)設(shè)備也將進(jìn)入新一輪的改造期。本文將主要闡述變頻器在塑料擠出機(jī)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。2 塑料擠出機(jī)主傳動(dòng)的變頻控制（1）塑料擠出機(jī)主機(jī)傳動(dòng)的特點(diǎn)主機(jī)傳動(dòng)是塑料擠出機(jī)的主要組成部分之一，它的作用是驅(qū)動(dòng)擠出機(jī)的螺桿，并使螺桿能在選定的工 藝條件下（如機(jī)頭壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等），以必需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均勻地旋轉(zhuǎn)，完成擠出過(guò)程。它在其適用的 范圍內(nèi)能夠提供最大的轉(zhuǎn)矩輸出和一定的可調(diào)速范圍，同時(shí)還應(yīng)使用可靠、維修方便。圖

5、1 為塑料擠出機(jī) 主機(jī)傳動(dòng)的變頻控制原理圖。擠出機(jī)的工作特性是指螺桿的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)功率之間的關(guān)系，在擠出過(guò)程中，主傳動(dòng)所消耗的功率是隨 著轉(zhuǎn)速的增加而增高的，是屬于比較典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。但由于加工物料的不同，有些擠出工藝需要的轉(zhuǎn) 速比較低，而有些擠出工藝所需要的轉(zhuǎn)速相對(duì)比較高。因此，對(duì)于擠出機(jī)的傳動(dòng)需要在低速到額定轉(zhuǎn)速之 間都必須要有相同的轉(zhuǎn)矩輸出才能達(dá)到最高效率比。圖 1 塑料擠出機(jī)主機(jī)傳動(dòng)的變頻控制a、擠出機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的確定 由于擠出機(jī)螺桿驅(qū)動(dòng)功率的影響因素很多，而且很難找出函數(shù)關(guān)系，因此至今都沒(méi)有精確有效的確定擠出機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算方法。在實(shí)際應(yīng)用中一般都采用經(jīng)驗(yàn)公式的方法來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算

6、：P=KDb2 n式中：P：功率，單位kW；K：為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的產(chǎn)品有不同的數(shù)值列表；Db:螺桿直徑，單位cm；n：螺桿轉(zhuǎn)速，單位r/min。b、擠出機(jī)轉(zhuǎn)速范圍及其確定 對(duì)擠出機(jī)的速度要求有兩個(gè)方面：（1）是能無(wú)級(jí)調(diào)速；（2）是應(yīng)有一定的調(diào)速范圍。前者為了適應(yīng)生產(chǎn)，往往需要更改螺桿轉(zhuǎn)速和其他可變因素來(lái)控制擠出質(zhì)量及與輔機(jī)配合一致；后者是針對(duì)擠出機(jī)應(yīng)具有 適應(yīng)各種加工（不同物料和制品）情況而提出的。轉(zhuǎn)速范圍則是指螺桿最低轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速的比值。轉(zhuǎn)速范圍的確定很重要，因?yàn)樗苯佑绊懙綌D出機(jī)所能加工的物料和制品的種類(lèi)、生產(chǎn)率、功率消耗、 制品質(zhì)量、設(shè)備成本、操作方便與否等。因此，轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)選多大

7、，應(yīng)根據(jù)加工工藝要求及機(jī)器的使用場(chǎng) 合而定。目前選用的多為 1： 10。（2）主傳動(dòng)變頻控制的特點(diǎn) 在擠出機(jī)的主機(jī)采用變頻控制的過(guò)程中必須考慮到壓力和速度兩個(gè)重要的工藝因素。 對(duì)于壓力，有些擠出機(jī)的工藝要求主要是控制出口的壓力恒定，設(shè)備在剛開(kāi)始工作時(shí)，進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，在達(dá)到需求壓力時(shí)，就要切換為壓力控制。該切換過(guò)程還應(yīng)該是無(wú)沖擊的，這就需要變頻器非常高的控制 精度，來(lái)接應(yīng)壓力信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)壓力PID控制。對(duì)于速度，擠出速率是描述擠出機(jī)擠出過(guò)程的一個(gè)重要參數(shù)，它的大小象征著機(jī)器生產(chǎn)率的高低，影 響速率的因素很多，如機(jī)頭阻力、螺桿轉(zhuǎn)速、料桶結(jié)構(gòu)等，在機(jī)頭壓力恒定的情況下，最重要的是螺桿轉(zhuǎn) 速。因此，控

8、制螺桿轉(zhuǎn)速恒定無(wú)突變是最重要的。在實(shí)際擠出機(jī)的控制過(guò)程中，通常都會(huì)采用帶編碼器的 閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制。圖1為典型的擠出機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，變頻器VVVF控制電機(jī)M,通過(guò)裝設(shè)在電機(jī)軸后端的PG編碼 器來(lái)獲得電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，從而可以進(jìn)行速度閉環(huán)控制。帶PG的矢量控制方式與不帶PG的矢量控制方式， 不僅在速度控制精度上提高了近10倍外，零頻轉(zhuǎn)矩也能獲得50以上的提升。因此，在高檔擠出機(jī)或特 種擠出機(jī)種采用帶PG的速度閉環(huán)控制是最適當(dāng)?shù)模欢谝话阋蟛粐?yán)格的擠出機(jī)中，無(wú)傳感器的矢量控制 亦可以滿足要求。（3）安川變頻器在擠出機(jī)主機(jī)中的應(yīng)用安川公司的系列產(chǎn)品包括G3/G5/G7產(chǎn)品在塑料擠出行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛

9、的應(yīng)用，如在某廠一三層共 擠制管設(shè)備的改造中，就采用了精確的速度控制和在低速時(shí)的大轉(zhuǎn)矩輸出的安川變頻器，而在以往擠出機(jī) 的傳動(dòng)系統(tǒng)通常由液壓耦合調(diào)速或直流傳動(dòng)，液壓耦合調(diào)速由于占地空間大、維護(hù)復(fù)雜而日益趨于淘汰， 直流傳動(dòng)也由于直流電機(jī)的高故障率而限于困頓。這時(shí)，矢量變頻控制技術(shù)已經(jīng)成熟，并大踏步進(jìn)入塑料 擠出機(jī)的主機(jī)傳動(dòng)領(lǐng)域。安川變頻器作為日本變頻技術(shù)的佼佼者，受到了用戶的很大歡迎。以成熟產(chǎn)品 VS-616G7 為例，它作 為通用變頻器適合任何應(yīng)用場(chǎng)合，在低速下能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)（1%額定轉(zhuǎn)速），并且極其精確地運(yùn)行。它的 自動(dòng)調(diào)整功能可使世界各地生產(chǎn)的電動(dòng)機(jī)達(dá)到高性能運(yùn)行。作為業(yè)內(nèi)第一臺(tái)采用三

10、電平控制的通用變頻器， 該項(xiàng)新技術(shù)解決了浪涌問(wèn)題，其標(biāo)準(zhǔn)的電流矢量控制實(shí)現(xiàn)了高性能多功能化，能夠強(qiáng)有力地高精度地驅(qū)動(dòng) 包括擠出機(jī)在內(nèi)的各種機(jī)械設(shè)備。MA控制邏輯差值二設(shè)定頻率-反饋頻率擠出機(jī)傳動(dòng)電機(jī)反饋頻率PWM輸出MA控制邏輯差值二設(shè)定頻率-反饋頻率擠出機(jī)傳動(dòng)電機(jī)反饋頻率PWM輸出設(shè)定頻率FG 編碼器圖 2 安川變頻器在塑料擠出機(jī)主機(jī)傳動(dòng)中的應(yīng)用圖2所示為安川變頻器用于擠出機(jī)主機(jī)的基本控制思路，采用PG碼盤(pán)，進(jìn)行速度PID控制，即可實(shí)現(xiàn)擠出機(jī)的高轉(zhuǎn)矩、高精度控制。3 變頻器在塑料薄膜擠出中的應(yīng)用塑料薄膜的生產(chǎn)是塑料顆粒經(jīng)加熱后用主機(jī)螺桿擠壓的方法擠出，由壓縮空氣吹成塑料薄膜袋子，經(jīng) 牽引機(jī)在

11、定型套上冷卻定型，再由卷取機(jī)卷成成品。擠出機(jī)主機(jī)的變頻控制要求按上面所述的內(nèi)容進(jìn)行設(shè) 計(jì)。對(duì)于牽引電機(jī)的控制必須引入牽引比的概念，就是牽引輥的速度和機(jī)頭口模處物料的擠出速度之比。 通常牽引比為 4-6，太大薄膜易拉斷，且厚度控制較困難。因此，牽引電機(jī)的控制必須與擠出電機(jī)同步且 通過(guò)電位器可以方便將擠出速度按照牽伸比進(jìn)行比例調(diào)整放大。卷取裝置的作用是將薄膜卷取成卷，并且使成卷的薄膜平整無(wú)皺紋，卷邊整齊，卷軸上薄膜應(yīng)松緊適 中，以防止薄膜拉伸變形，保證質(zhì)量。因此，要求卷取裝置保證一定的卷取速度，這個(gè)速度不隨膜管的直 徑變化而變化，并與牽引速度相匹配。為保證恒張力收卷，一般吹膜機(jī)還會(huì)裝設(shè)有浮動(dòng)輥。通

12、過(guò)浮動(dòng)輥位 置的變化，將會(huì)送出一個(gè)相應(yīng)的電壓信號(hào)給變頻器，同時(shí)通過(guò)PID進(jìn)行調(diào)節(jié)收卷的速度以保證浮動(dòng)輥穩(wěn)定 在某一位置。圖 3 吹膜機(jī)變頻控制圖 3 所示的是采用匯川 MD320 變頻器的吹膜機(jī)變頻控制系統(tǒng)圖。在本系統(tǒng)中，采用了比較普遍的表面 卷取，它是由電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶或鏈帶動(dòng)主動(dòng)輥，卷取輥靠在主動(dòng)輥上，依靠二者之間的摩擦力帶動(dòng)卷取輥卷 在卷取輥上。這種卷取的卷取線速度取決于主動(dòng)輥的圓周速度，而不受膜卷的直徑而變化。匯川 MD320 變頻器有個(gè)重要的特點(diǎn)就是頻率源的自由組合，如在本方案中，要考慮到主動(dòng)輥卷取電機(jī) 既不能單獨(dú)工作在張力 PID 閉環(huán)狀態(tài)，這樣會(huì)造成在主機(jī)升速過(guò)程中響應(yīng)遲后，也不能單

13、獨(dú)采用速度跟隨 牽引電機(jī)，這樣會(huì)造成張力不穩(wěn)，而應(yīng)該采用以速度跟隨為主、PID控制為輔的控制方案。對(duì)于MD320來(lái) 講，只需要要設(shè)定兩種頻率源（主速度 AI1+PID 微調(diào)）即可，而微調(diào)的幅度也可以隨意設(shè)定。這樣一來(lái)， 控制就非常方便。圖4所示為另外一種控制方式的吹膜控制系統(tǒng)，擠出電機(jī)Ml采用無(wú)速度傳感器的矢量控制方式，以 保證擠出的高轉(zhuǎn)矩和高精度速度控制；牽引電機(jī)M2的速度通過(guò)Ml的輸出按照牽伸比進(jìn)行信號(hào)放大來(lái)控制； 卷取電機(jī)M3的速度則由牽引電機(jī)M2和浮動(dòng)輥信號(hào)進(jìn)行PID微調(diào)控制。圖 4 塑料薄膜擠出機(jī)工作原理本系統(tǒng)中，需要速度同步的共有3臺(tái)電機(jī)，即擠出電機(jī)、拉料輥電機(jī)、導(dǎo)輥電機(jī)互相同步。

14、為實(shí)現(xiàn)以 上思想，我們采用對(duì)擠出電機(jī)進(jìn)行主速度給定，其余的拉料輥電機(jī)和導(dǎo)輥電機(jī)的同步速度信號(hào)分別取自前 一電機(jī)的實(shí)際速度值，并可通過(guò)電位器進(jìn)行速度微調(diào)。如此一來(lái)，只要改變擠出電機(jī)的速度給定，拉料輥 電機(jī)和導(dǎo)輥電機(jī)的速度也隨之同步變化，而且變化不帶有時(shí)滯性。圖5所示為擠出機(jī)設(shè)備的變頻控制接線原理，前3臺(tái)電機(jī)采用艾默生TD2000變頻器開(kāi)環(huán)速度控制以 實(shí)現(xiàn)速度同步。其中擠出電機(jī)的運(yùn)行頻率(F00)設(shè)定為“模擬端子設(shè)定DCO10V”，由輸入端VCI決定速 度同步的基準(zhǔn)信號(hào)，輸出頻率(F134)為擠出電機(jī)實(shí)際的運(yùn)行頻率，以此作為速度同步信號(hào)給下一臺(tái)電機(jī)。 拉料輥電機(jī)和導(dǎo)輥電機(jī)的運(yùn)行頻率(F00)設(shè)定為

15、“模擬端子疊加設(shè)定”，其中VCI作為主輸入，CCI作為 輔助輸入，等效的輸入信號(hào)公式為：Vin = Vvc i+( Vcci 5)在這里， CCI 端子的信號(hào)接微調(diào)電位器。一般情況下， CCI 的電位器信號(hào)位于中間位置，即給定為 DC5V， 此時(shí) CCI 的輸入對(duì)變頻器的給定不起作用，頻率給定值信號(hào)由 VCI 決定。當(dāng)工藝生產(chǎn)上對(duì)塑料薄膜的張力 需要進(jìn)行放松或拉緊時(shí)，就可對(duì)CCI值進(jìn)行上下調(diào)整，頻率也隨著微量調(diào)節(jié)。此種開(kāi)環(huán)速度控制對(duì)于控制擠出機(jī)等機(jī)械已經(jīng)足夠，因?yàn)門(mén)D2000具有很好的電壓線性跟隨性和高抗干擾能力，當(dāng)微調(diào)某一傳動(dòng)點(diǎn)時(shí)，該傳動(dòng)點(diǎn)后級(jí)同步跟隨改變，前級(jí)不變。圖 5 吹膜機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)

16、接線原理本系統(tǒng)中的擠出機(jī)卷取屬于中心卷取形式，它對(duì)于變頻器的要求：具有很強(qiáng)的制動(dòng)力，才能克服大慣量的塑料薄膜卷筒；( 2)具有恒功率特性；(3)具有高輸出頻率以保證卷取電機(jī)高速運(yùn)行。TD2000 系列的變頻器具有內(nèi)置 PI 功能和快速階躍轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力，很容易實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn) 對(duì)張力的實(shí)時(shí)控制。在這里，由小型PLCS7來(lái)控制張力從開(kāi)環(huán)到閉環(huán)的切換和數(shù)據(jù)的給定CCI的信號(hào)。在圖 5 的張力控制示意圖中，卷取電機(jī)的張力實(shí)際值是位于它前面張力輥下張力傳感器的實(shí)際值，通 過(guò)檢測(cè)該處的張力情況，來(lái)控制卷取電機(jī)的速度，從而形成一個(gè)張力閉環(huán)。卷取電機(jī)的速度加快，則塑料 薄膜拉緊，張力的實(shí)際值就會(huì)上升；

17、相反，速度降低，則塑料薄膜下垂，張力的實(shí)際值就下降。由于在卷取過(guò)程中，卷取的線速度基本與導(dǎo)輥的線速度相同，而卷取的直徑在不斷增加，從而導(dǎo)致卷 取電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度在不斷減少，通過(guò)張力閉環(huán)控制可以自動(dòng)調(diào)節(jié)速度的降低情況。TD2000變頻器內(nèi)置 PI功能，對(duì)變頻器的VCI、CCI進(jìn)行反饋量和給定量的設(shè)置，即可組成閉環(huán)PI控制。通常為了獲得高的分 辨率，需設(shè)置反饋增益、增益極性、反饋偏置、偏置極性(參數(shù) F104F107)。薄膜卷在剛完成換卷時(shí)，由于張力的變化比較大，如果采用 PI 閉環(huán)控制容易造成較大的超調(diào)量，導(dǎo) 致薄膜幅面抖動(dòng)頻繁，此時(shí)如果采用開(kāi)環(huán)控制就比較具有優(yōu)勢(shì)。在開(kāi)環(huán)控制下， CCI 的張

18、力實(shí)際信號(hào)輸入 值不起任何作用，TD2000的運(yùn)行頻率信號(hào)由PLCS7的輸出速度(頻率)信號(hào)值決定。如果觀察到實(shí)際的幅面張力和設(shè)定張力相當(dāng)接近時(shí)，可以按手動(dòng)張力投運(yùn)按鈕，就可以進(jìn)入張力閉環(huán) 控制模塊的循環(huán)中。其中PLC根據(jù)投運(yùn)按鈕信號(hào)，輸出開(kāi)環(huán)到閉環(huán)信號(hào)給變頻器TD2000多功能端子X(jué)1(F119 定義)，同時(shí)將CCI的設(shè)定信號(hào)從速度值切換到幅面的張力設(shè)定信號(hào)，此時(shí)變頻器就會(huì)安裝張力的閉環(huán)控制 方式進(jìn)行運(yùn)行。4 結(jié)束語(yǔ) 在塑料機(jī)械傳動(dòng)的發(fā)展史上，曾相繼采用過(guò)直流調(diào)速、電磁調(diào)速，但目前已經(jīng)越來(lái)越多地采用了交流 變頻調(diào)速。綜合多年的變頻使用經(jīng)驗(yàn)，采用變頻器的目的包括：(1)節(jié)約能源量：根據(jù)變頻器的運(yùn)行V/F曲線可知，變頻器是恒轉(zhuǎn)矩輸出的，與其它調(diào)速系統(tǒng)相比， 平均節(jié)約電能達(dá) 30%以上，在低速運(yùn)行節(jié)能