變頻器在輕工機械中的設(shè)計與應用

1、變頻器在輕工機械中的設(shè)計與應用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械中的應用The design and application of AC Inverter in the plastic extrusion machines 摘要：在塑料機械傳動的發(fā)展史上，曾相繼采用過直流調(diào)速、電磁調(diào)速，但目前已經(jīng)越來越多地采用了交 流變頻調(diào)速。綜合多年的變頻使用經(jīng)驗，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 主傳動 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 前言擠出機是制造塑料片材、薄膜、各種異型管材等的機械生產(chǎn)線設(shè)備，以往大多采用直流傳動或電磁調(diào) 速控制，前者維護繁雜而且費用巨大，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的發(fā)展。由于交流變頻技術(shù)在我國近幾年得到了突飛猛進的發(fā)展，而且變頻調(diào)速在 頻率范圍、動態(tài)響應、調(diào)速精度

4、、低頻轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差補償、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)速方式無法比擬的，所以深受擠出機制造企業(yè)的青睞，在新型的擠出機械中均采 用了高性能的變頻器，同時原有的舊擠出機設(shè)備也將進入新一輪的改造期。本文將主要闡述變頻器在塑料擠出機中的設(shè)計與應用。2 塑料擠出機主傳動的變頻控制（1）塑料擠出機主機傳動的特點主機傳動是塑料擠出機的主要組成部分之一，它的作用是驅(qū)動擠出機的螺桿，并使螺桿能在選定的工 藝條件下（如機頭壓力、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，同時還應使用可靠、維修方便。圖

5、1 為塑料擠出機 主機傳動的變頻控制原理圖。擠出機的工作特性是指螺桿的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動功率之間的關(guān)系，在擠出過程中，主傳動所消耗的功率是隨 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)速相對比較高。因此，對于擠出機的傳動需要在低速到額定轉(zhuǎn)速之 間都必須要有相同的轉(zhuǎn)矩輸出才能達到最高效率比。圖 1 塑料擠出機主機傳動的變頻控制a、擠出機驅(qū)動功率的確定 由于擠出機螺桿驅(qū)動功率的影響因素很多，而且很難找出函數(shù)關(guān)系，因此至今都沒有精確有效的確定擠出機驅(qū)動功率的計算方法。在實際應用中一般都采用經(jīng)驗公式的方法來進行驅(qū)動功率的計算

6、：P=KDb2 n式中：P：功率，單位kW；K：為經(jīng)驗數(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、擠出機轉(zhuǎn)速范圍及其確定 對擠出機的速度要求有兩個方面：（1）是能無級調(diào)速；（2）是應有一定的調(diào)速范圍。前者為了適應生產(chǎn)，往往需要更改螺桿轉(zhuǎn)速和其他可變因素來控制擠出質(zhì)量及與輔機配合一致；后者是針對擠出機應具有 適應各種加工（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，因為它直接影響到擠出機所能加工的物料和制品的種類、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)速范圍應選多大

7、，應根據(jù)加工工藝要求及機器的使用場 合而定。目前選用的多為 1： 10。（2）主傳動變頻控制的特點 在擠出機的主機采用變頻控制的過程中必須考慮到壓力和速度兩個重要的工藝因素。 對于壓力，有些擠出機的工藝要求主要是控制出口的壓力恒定，設(shè)備在剛開始工作時，進行轉(zhuǎn)速控制，在達到需求壓力時，就要切換為壓力控制。該切換過程還應該是無沖擊的，這就需要變頻器非常高的控制 精度，來接應壓力信號，以實現(xiàn)壓力PID控制。對于速度，擠出速率是描述擠出機擠出過程的一個重要參數(shù)，它的大小象征著機器生產(chǎn)率的高低，影 響速率的因素很多，如機頭阻力、螺桿轉(zhuǎn)速、料桶結(jié)構(gòu)等，在機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)速恒定無突變是最重要的。在實際擠出機的控制過程中，通常都會采用帶編碼器的 閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制。圖1為典型的擠出機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，變頻器VVVF控制電機M,通過裝設(shè)在電機軸后端的PG編碼 器來獲得電機的實時轉(zhuǎn)速，從而可以進行速度閉環(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，在高檔擠出機或特 種擠出機種采用帶PG的速度閉環(huán)控制是最適當?shù)?；而在一般要求不嚴格的擠出機中，無傳感器的矢量控制 亦可以滿足要求。（3）安川變頻器在擠出機主機中的應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的大轉(zhuǎn)矩輸出的安川變頻器，而在以往擠出機 的傳動系統(tǒng)通常由液壓耦合調(diào)速或直流傳動，液壓耦合調(diào)速由于占地空間大、維護復雜而日益趨于淘汰， 直流傳動也由于直流電機的高故障率而限于困頓。這時，矢量變頻控制技術(shù)已經(jīng)成熟，并大踏步進入塑料 擠出機的主機傳動領(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用場合，在低速下能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)啟動（1%額定轉(zhuǎn)速），并且極其精確地運行。它的 自動調(diào)整功能可使世界各地生產(chǎn)的電動機達到高性能運行。作為業(yè)內(nèi)第一臺采用三

10、電平控制的通用變頻器， 該項新技術(shù)解決了浪涌問題，其標準的電流矢量控制實現(xiàn)了高性能多功能化，能夠強有力地高精度地驅(qū)動 包括擠出機在內(nèi)的各種機械設(shè)備。MA控制邏輯差值二設(shè)定頻率-反饋頻率擠出機傳動電機反饋頻率PWM輸出MA控制邏輯差值二設(shè)定頻率-反饋頻率擠出機傳動電機反饋頻率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主機傳動中的應用圖2所示為安川變頻器用于擠出機主機的基本控制思路，采用PG碼盤，進行速度PID控制，即可實現(xiàn)擠出機的高轉(zhuǎn)矩、高精度控制。3 變頻器在塑料薄膜擠出中的應用塑料薄膜的生產(chǎn)是塑料顆粒經(jīng)加熱后用主機螺桿擠壓的方法擠出，由壓縮空氣吹成塑料薄膜袋子，經(jīng) 牽引機在

11、定型套上冷卻定型，再由卷取機卷成成品。擠出機主機的變頻控制要求按上面所述的內(nèi)容進行設(shè) 計。對于牽引電機的控制必須引入牽引比的概念，就是牽引輥的速度和機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，牽引電機的控制必須與擠出電機同步且 通過電位器可以方便將擠出速度按照牽伸比進行比例調(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皺紋，卷邊整齊，卷軸上薄膜應松緊適 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，一般吹膜機還會裝設(shè)有浮動輥。通

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

13、獨采用速度跟隨 牽引電機，這樣會造成張力不穩(wěn)，而應該采用以速度跟隨為主、PID控制為輔的控制方案。對于MD320來 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， 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Ml采用無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M2的速度通過Ml的輸出按照牽伸比進行信號放大來控制； 卷取電機M3的速度則由牽引電機M2和浮動輥信號進行PID微調(diào)控制。圖 4 塑料薄膜擠出機工作原理本系統(tǒng)中，需要速度同步的共有3臺電機，即擠出電機、拉料輥電機、導輥電機互相同步。

14、為實現(xiàn)以 上思想，我們采用對擠出電機進行主速度給定，其余的拉料輥電機和導輥電機的同步速度信號分別取自前 一電機的實際速度值，并可通過電位器進行速度微調(diào)。如此一來，只要改變擠出電機的速度給定，拉料輥 電機和導輥電機的速度也隨之同步變化，而且變化不帶有時滯性。圖5所示為擠出機設(shè)備的變頻控制接線原理，前3臺電機采用艾默生TD2000變頻器開環(huán)速度控制以 實現(xiàn)速度同步。其中擠出電機的運行頻率(F00)設(shè)定為“模擬端子設(shè)定DCO10V”，由輸入端VCI決定速 度同步的基準信號，輸出頻率(F134)為擠出電機實際的運行頻率，以此作為速度同步信號給下一臺電機。 拉料輥電機和導輥電機的運行頻率(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，等效的輸入信號公式為：Vin = Vvc i+( Vcci 5)在這里， CCI 端子的信號接微調(diào)電位器。一般情況下， CCI 的電位器信號位于中間位置，即給定為 DC5V， 此時 CCI 的輸入對變頻器的給定不起作用，頻率給定值信號由 VCI 決定。當工藝生產(chǎn)上對塑料薄膜的張力 需要進行放松或拉緊時，就可對CCI值進行上下調(diào)整，頻率也隨著微量調(diào)節(jié)。此種開環(huán)速度控制對于控制擠出機等機械已經(jīng)足夠，因為TD2000具有很好的電壓線性跟隨性和高抗干擾能力，當微調(diào)某一傳動點時，該傳動點后級同步跟隨改變，前級不變。圖 5 吹膜機的傳動系統(tǒng)

16、接線原理本系統(tǒng)中的擠出機卷取屬于中心卷取形式，它對于變頻器的要求：具有很強的制動力，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高速運行。TD2000 系列的變頻器具有內(nèi)置 PI 功能和快速階躍轉(zhuǎn)矩響應能力，很容易實現(xiàn)張力閉環(huán)控制，以實現(xiàn) 對張力的實時控制。在這里，由小型PLCS7來控制張力從開環(huán)到閉環(huán)的切換和數(shù)據(jù)的給定CCI的信號。在圖 5 的張力控制示意圖中，卷取電機的張力實際值是位于它前面張力輥下張力傳感器的實際值，通 過檢測該處的張力情況，來控制卷取電機的速度，從而形成一個張力閉環(huán)。卷取電機的速度加快，則塑料 薄膜拉緊，張力的實際值就會上升；

17、相反，速度降低，則塑料薄膜下垂，張力的實際值就下降。由于在卷取過程中，卷取的線速度基本與導輥的線速度相同，而卷取的直徑在不斷增加，從而導致卷 取電機的實際運行速度在不斷減少，通過張力閉環(huán)控制可以自動調(diào)節(jié)速度的降低情況。TD2000變頻器內(nèi)置 PI功能，對變頻器的VCI、CCI進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，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 致薄膜幅面抖動頻繁，此時如果采用開環(huán)控制就比較具有優(yōu)勢。在開環(huán)控制下， CCI 的張

18、力實際信號輸入 值不起任何作用，TD2000的運行頻率信號由PLCS7的輸出速度(頻率)信號值決定。如果觀察到實際的幅面張力和設(shè)定張力相當接近時，可以按手動張力投運按鈕，就可以進入張力閉環(huán) 控制模塊的循環(huán)中。其中PLC根據(jù)投運按鈕信號，輸出開環(huán)到閉環(huán)信號給變頻器TD2000多功能端子X1(F119 定義)，同時將CCI的設(shè)定信號從速度值切換到幅面的張力設(shè)定信號，此時變頻器就會安裝張力的閉環(huán)控制 方式進行運行。4 結(jié)束語 在塑料機械傳動的發(fā)展史上，曾相繼采用過直流調(diào)速、電磁調(diào)速，但目前已經(jīng)越來越多地采用了交流 變頻調(diào)速。綜合多年的變頻使用經(jīng)驗，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 30%以上，在低速運行節(jié)能