变频器在轻工机械中的设计与应用

1、变频器在轻工机械中的设计与应用The design and application of AC Inverter in light-industry machinery李方园第六讲 变频器在塑料挤出机械中的应用The design and application of AC Inverter in the plastic extrusion machines 摘要：在塑料机械传动的发展史上，曾相继采用过直流调速、电磁调速，但目前已经越来越多地采用了交 流变频调速。综合多年的变频使用经验，采用变频器的最大好处就是节约能源和提高工艺性能。 关键词：塑料挤出机 主传动 变频器； 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 前言挤出机是制造塑料片材、薄膜、各种异型管材等的机械生产线设备，以往大多采用直流传动或电磁调 速控制，前者维护繁杂而且费用巨大，影响设备的使用效率，后者调速精度低、产品档次低，这些都在很 大程度上影响了挤出机的发展。由于交流变频技术在我国近几年得到了突飞猛进的发展，而且变频调速在 频率范围、动态响应、调速精度

4、、低频转矩、转差补偿、通信功能、智能控制、功率因数、工作效率和使 用方便等方面是以往的调速方式无法比拟的，所以深受挤出机制造企业的青睐，在新型的挤出机械中均采 用了高性能的变频器，同时原有的旧挤出机设备也将进入新一轮的改造期。本文将主要阐述变频器在塑料挤出机中的设计与应用。2 塑料挤出机主传动的变频控制（1）塑料挤出机主机传动的特点主机传动是塑料挤出机的主要组成部分之一，它的作用是驱动挤出机的螺杆，并使螺杆能在选定的工 艺条件下（如机头压力、温度、转速等），以必需的转矩和转速均匀地旋转，完成挤出过程。它在其适用的 范围内能够提供最大的转矩输出和一定的可调速范围，同时还应使用可靠、维修方便。图

5、1 为塑料挤出机 主机传动的变频控制原理图。挤出机的工作特性是指螺杆的转速与驱动功率之间的关系，在挤出过程中，主传动所消耗的功率是随 着转速的增加而增高的，是属于比较典型的恒转矩负载。但由于加工物料的不同，有些挤出工艺需要的转 速比较低，而有些挤出工艺所需要的转速相对比较高。因此，对于挤出机的传动需要在低速到额定转速之 间都必须要有相同的转矩输出才能达到最高效率比。图 1 塑料挤出机主机传动的变频控制a、挤出机驱动功率的确定 由于挤出机螺杆驱动功率的影响因素很多，而且很难找出函数关系，因此至今都没有精确有效的确定挤出机驱动功率的计算方法。在实际应用中一般都采用经验公式的方法来进行驱动功率的计算

6、：P=KDb2 n式中：P：功率，单位kW；K：为经验数据，根据不同的产品有不同的数值列表；Db:螺杆直径，单位cm；n：螺杆转速，单位r/min。b、挤出机转速范围及其确定 对挤出机的速度要求有两个方面：（1）是能无级调速；（2）是应有一定的调速范围。前者为了适应生产，往往需要更改螺杆转速和其他可变因素来控制挤出质量及与辅机配合一致；后者是针对挤出机应具有 适应各种加工（不同物料和制品）情况而提出的。转速范围则是指螺杆最低转速与最高转速的比值。转速范围的确定很重要，因为它直接影响到挤出机所能加工的物料和制品的种类、生产率、功率消耗、 制品质量、设备成本、操作方便与否等。因此，转速范围应选多大

7、，应根据加工工艺要求及机器的使用场 合而定。目前选用的多为 1： 10。（2）主传动变频控制的特点 在挤出机的主机采用变频控制的过程中必须考虑到压力和速度两个重要的工艺因素。 对于压力，有些挤出机的工艺要求主要是控制出口的压力恒定，设备在刚开始工作时，进行转速控制，在达到需求压力时，就要切换为压力控制。该切换过程还应该是无冲击的，这就需要变频器非常高的控制 精度，来接应压力信号，以实现压力PID控制。对于速度，挤出速率是描述挤出机挤出过程的一个重要参数，它的大小象征着机器生产率的高低，影 响速率的因素很多，如机头阻力、螺杆转速、料桶结构等，在机头压力恒定的情况下，最重要的是螺杆转 速。因此，控

8、制螺杆转速恒定无突变是最重要的。在实际挤出机的控制过程中，通常都会采用带编码器的 闭环转速控制。图1为典型的挤出机速度闭环控制系统，变频器VVVF控制电机M,通过装设在电机轴后端的PG编码 器来获得电机的实时转速，从而可以进行速度闭环控制。带PG的矢量控制方式与不带PG的矢量控制方式， 不仅在速度控制精度上提高了近10倍外，零频转矩也能获得50以上的提升。因此，在高档挤出机或特 种挤出机种采用带PG的速度闭环控制是最适当的；而在一般要求不严格的挤出机中，无传感器的矢量控制 亦可以满足要求。（3）安川变频器在挤出机主机中的应用安川公司的系列产品包括G3/G5/G7产品在塑料挤出行业已经得到了广泛

9、的应用，如在某厂一三层共 挤制管设备的改造中，就采用了精确的速度控制和在低速时的大转矩输出的安川变频器，而在以往挤出机 的传动系统通常由液压耦合调速或直流传动，液压耦合调速由于占地空间大、维护复杂而日益趋于淘汰， 直流传动也由于直流电机的高故障率而限于困顿。这时，矢量变频控制技术已经成熟，并大踏步进入塑料 挤出机的主机传动领域。安川变频器作为日本变频技术的佼佼者，受到了用户的很大欢迎。以成熟产品 VS-616G7 为例，它作 为通用变频器适合任何应用场合，在低速下能够实现平稳启动（1%额定转速），并且极其精确地运行。它的 自动调整功能可使世界各地生产的电动机达到高性能运行。作为业内第一台采用三

10、电平控制的通用变频器， 该项新技术解决了浪涌问题，其标准的电流矢量控制实现了高性能多功能化，能够强有力地高精度地驱动 包括挤出机在内的各种机械设备。MA控制逻辑差值二设定频率-反馈频率挤出机传动电机反馈频率PWM输出MA控制逻辑差值二设定频率-反馈频率挤出机传动电机反馈频率PWM输出设定频率FG 编码器图 2 安川变频器在塑料挤出机主机传动中的应用图2所示为安川变频器用于挤出机主机的基本控制思路，采用PG码盘，进行速度PID控制，即可实现挤出机的高转矩、高精度控制。3 变频器在塑料薄膜挤出中的应用塑料薄膜的生产是塑料颗粒经加热后用主机螺杆挤压的方法挤出，由压缩空气吹成塑料薄膜袋子，经 牵引机在

11、定型套上冷却定型，再由卷取机卷成成品。挤出机主机的变频控制要求按上面所述的内容进行设 计。对于牵引电机的控制必须引入牵引比的概念，就是牵引辊的速度和机头口模处物料的挤出速度之比。 通常牵引比为 4-6，太大薄膜易拉断，且厚度控制较困难。因此，牵引电机的控制必须与挤出电机同步且 通过电位器可以方便将挤出速度按照牵伸比进行比例调整放大。卷取装置的作用是将薄膜卷取成卷，并且使成卷的薄膜平整无皱纹，卷边整齐，卷轴上薄膜应松紧适 中，以防止薄膜拉伸变形，保证质量。因此，要求卷取装置保证一定的卷取速度，这个速度不随膜管的直 径变化而变化，并与牵引速度相匹配。为保证恒张力收卷，一般吹膜机还会装设有浮动辊。通

12、过浮动辊位 置的变化，将会送出一个相应的电压信号给变频器，同时通过PID进行调节收卷的速度以保证浮动辊稳定 在某一位置。图 3 吹膜机变频控制图 3 所示的是采用汇川 MD320 变频器的吹膜机变频控制系统图。在本系统中，采用了比较普遍的表面 卷取，它是由电动机通过带或链带动主动辊，卷取辊靠在主动辊上，依靠二者之间的摩擦力带动卷取辊卷 在卷取辊上。这种卷取的卷取线速度取决于主动辊的圆周速度，而不受膜卷的直径而变化。汇川 MD320 变频器有个重要的特点就是频率源的自由组合，如在本方案中，要考虑到主动辊卷取电机 既不能单独工作在张力 PID 闭环状态，这样会造成在主机升速过程中响应迟后，也不能单

13、独采用速度跟随 牵引电机，这样会造成张力不稳，而应该采用以速度跟随为主、PID控制为辅的控制方案。对于MD320来 讲，只需要要设定两种频率源（主速度 AI1+PID 微调）即可，而微调的幅度也可以随意设定。这样一来， 控制就非常方便。图4所示为另外一种控制方式的吹膜控制系统，挤出电机Ml采用无速度传感器的矢量控制方式，以 保证挤出的高转矩和高精度速度控制；牵引电机M2的速度通过Ml的输出按照牵伸比进行信号放大来控制； 卷取电机M3的速度则由牵引电机M2和浮动辊信号进行PID微调控制。图 4 塑料薄膜挤出机工作原理本系统中，需要速度同步的共有3台电机，即挤出电机、拉料辊电机、导辊电机互相同步。

14、为实现以 上思想，我们采用对挤出电机进行主速度给定，其余的拉料辊电机和导辊电机的同步速度信号分别取自前 一电机的实际速度值，并可通过电位器进行速度微调。如此一来，只要改变挤出电机的速度给定，拉料辊 电机和导辊电机的速度也随之同步变化，而且变化不带有时滞性。图5所示为挤出机设备的变频控制接线原理，前3台电机采用艾默生TD2000变频器开环速度控制以 实现速度同步。其中挤出电机的运行频率(F00)设定为“模拟端子设定DCO10V”，由输入端VCI决定速 度同步的基准信号，输出频率(F134)为挤出电机实际的运行频率，以此作为速度同步信号给下一台电机。 拉料辊电机和导辊电机的运行频率(F00)设定为

15、“模拟端子叠加设定”，其中VCI作为主输入，CCI作为 辅助输入，等效的输入信号公式为：Vin = Vvc i+( Vcci 5)在这里， CCI 端子的信号接微调电位器。一般情况下， CCI 的电位器信号位于中间位置，即给定为 DC5V， 此时 CCI 的输入对变频器的给定不起作用，频率给定值信号由 VCI 决定。当工艺生产上对塑料薄膜的张力 需要进行放松或拉紧时，就可对CCI值进行上下调整，频率也随着微量调节。此种开环速度控制对于控制挤出机等机械已经足够，因为TD2000具有很好的电压线性跟随性和高抗干扰能力，当微调某一传动点时，该传动点后级同步跟随改变，前级不变。图 5 吹膜机的传动系统

16、接线原理本系统中的挤出机卷取属于中心卷取形式，它对于变频器的要求：具有很强的制动力，才能克服大惯量的塑料薄膜卷筒；( 2)具有恒功率特性；(3)具有高输出频率以保证卷取电机高速运行。TD2000 系列的变频器具有内置 PI 功能和快速阶跃转矩响应能力，很容易实现张力闭环控制，以实现 对张力的实时控制。在这里，由小型PLCS7来控制张力从开环到闭环的切换和数据的给定CCI的信号。在图 5 的张力控制示意图中，卷取电机的张力实际值是位于它前面张力辊下张力传感器的实际值，通 过检测该处的张力情况，来控制卷取电机的速度，从而形成一个张力闭环。卷取电机的速度加快，则塑料 薄膜拉紧，张力的实际值就会上升；

17、相反，速度降低，则塑料薄膜下垂，张力的实际值就下降。由于在卷取过程中，卷取的线速度基本与导辊的线速度相同，而卷取的直径在不断增加，从而导致卷 取电机的实际运行速度在不断减少，通过张力闭环控制可以自动调节速度的降低情况。TD2000变频器内置 PI功能，对变频器的VCI、CCI进行反馈量和给定量的设置，即可组成闭环PI控制。通常为了获得高的分 辨率，需设置反馈增益、增益极性、反馈偏置、偏置极性(参数 F104F107)。薄膜卷在刚完成换卷时，由于张力的变化比较大，如果采用 PI 闭环控制容易造成较大的超调量，导 致薄膜幅面抖动频繁，此时如果采用开环控制就比较具有优势。在开环控制下， CCI 的张

18、力实际信号输入 值不起任何作用，TD2000的运行频率信号由PLCS7的输出速度(频率)信号值决定。如果观察到实际的幅面张力和设定张力相当接近时，可以按手动张力投运按钮，就可以进入张力闭环 控制模块的循环中。其中PLC根据投运按钮信号，输出开环到闭环信号给变频器TD2000多功能端子X1(F119 定义)，同时将CCI的设定信号从速度值切换到幅面的张力设定信号，此时变频器就会安装张力的闭环控制 方式进行运行。4 结束语 在塑料机械传动的发展史上，曾相继采用过直流调速、电磁调速，但目前已经越来越多地采用了交流 变频调速。综合多年的变频使用经验，采用变频器的目的包括：(1)节约能源量：根据变频器的运行V/F曲线可知，变频器是恒转矩输出的，与其它调速系统相比， 平均节约电能达 30%以上，在低速运行节能