變頻器在塑料編織行業(yè)中的應(yīng)用與節(jié)能

0 引言

塑料編織行業(yè)在我國(guó)已有近三十年的歷史了，塑編行業(yè)從無到有、從小到大，已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的一部分，在產(chǎn)品包裝中占有著舉足輕重的地位。

傳動(dòng)技術(shù)被廣泛的運(yùn)用在工業(yè)設(shè)備中，塑編設(shè)備也不例外，隨著我國(guó)制造水平，國(guó)內(nèi)外傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，塑編設(shè)備已從早期的單電機(jī)機(jī)械連軸傳動(dòng)向多電機(jī)獨(dú)立調(diào)速發(fā)展，從最早的滑差電機(jī)向直流電機(jī)發(fā)展，隨著變頻技術(shù)的飛躍發(fā)展，變頻調(diào)速已經(jīng)成了一種潮流、一種趨勢(shì)，三相異步電機(jī)已經(jīng)可以運(yùn)用到塑編設(shè)備的各個(gè)動(dòng)力環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的全變頻控制方式。

變頻調(diào)速具有體積小，重量輕，精度高，通用性強(qiáng)，工藝先進(jìn)，功能豐富，保護(hù)齊全，可靠性高，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式，在維護(hù)上也比其他控制方式簡(jiǎn)單，方便。我國(guó)工業(yè)雖然近年來發(fā)展迅猛，但電力資源的發(fā)展相對(duì)于工業(yè)發(fā)展來說還存在滯后，直接影響了我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，電力消耗也是企業(yè)生產(chǎn)中能耗的重要組成部分，直接影響著企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

塑編企業(yè)電能的80%左右消耗在各個(gè)電機(jī)拖動(dòng)上，交流電動(dòng)機(jī)不僅可以拖動(dòng)各工藝傳動(dòng)輥還可以拖動(dòng)風(fēng)機(jī)負(fù)荷，具有相當(dāng)?shù)墓?jié)電潛力，這也就為變頻技術(shù)在塑編設(shè)備上的應(yīng)用提供了較為廣闊的應(yīng)用天地。

1 變頻調(diào)速的原理

變頻調(diào)速是根據(jù)三相異步電機(jī)的工作原理而采用的一種調(diào)速形式，其電機(jī)調(diào)速公式為n= 60 f(1-s)/ p，其中：n 為電機(jī)的轉(zhuǎn)速;p 為電機(jī)定子繞組的磁極對(duì)數(shù);f 為電機(jī)供電電源的頻率;s 為轉(zhuǎn)差率。塑編行業(yè)中應(yīng)用的電機(jī)一般為4 極，其磁極對(duì)數(shù)為2。我國(guó)的電源頻率為50 Hz，通過公式計(jì)算可知，這種電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。因此在電機(jī)極對(duì)數(shù)不變的情況下進(jìn)行調(diào)速，根據(jù)公式，只有改變電機(jī)的供電頻率f。而異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與同步電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)，改變電機(jī)的供電頻率即改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電源頻率增加，同步轉(zhuǎn)速n 增加，實(shí)際轉(zhuǎn)速也增加;電源頻率下降，電機(jī)同步轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速也下降。這種通過改變電機(jī)電壓頻率的調(diào)速方式即為變頻調(diào)速。在整個(gè)變頻調(diào)速過程中，在一固定的轉(zhuǎn)矩T 下，轉(zhuǎn)差率s 基本不變，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速n 的下降，電機(jī)磁場(chǎng)角速度鬃也減小，電機(jī)的輸入功率PM=T鬃和輸出功率P=PM(1-s)也降低。而損耗沒有增加，由此可見，變頻調(diào)速是電機(jī)控制中較為高效的調(diào)速方法。電機(jī)變頻調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)調(diào)速功能，而且根據(jù)不同的負(fù)載類型，可以靈活地調(diào)節(jié)V 與f 的關(guān)系，滿足各種場(chǎng)合的運(yùn)用。

2 變頻調(diào)速的應(yīng)用

2.1 變頻調(diào)速在塑編設(shè)備擠出機(jī)中的應(yīng)用塑編設(shè)備擠出機(jī)的種類很多，用途也多種多樣，但它們的原理基本一樣，即把塑料熔融擠出。

其工作原理為通過螺桿在機(jī)筒里旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過固體輸送、熔融輸送、熔體輸送三個(gè)環(huán)節(jié)后，熔體從機(jī)筒進(jìn)入模頭。如果是圓模頭，熔體擠出模后被牽引、切割分絲，生產(chǎn)成扁絲，也可以吹膜。如是平模頭，熔體擠出后被牽引，切割分絲，同樣可以生產(chǎn)扁絲。也可以在擠出平模后和編織布、紙等涂模，生產(chǎn)復(fù)合布。擠出機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)由調(diào)速電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、機(jī)座、軸承等組成。它的作用是給螺桿提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和扭據(jù)，它為擠出機(jī)提供動(dòng)力和傳遞扭矩。出于工藝的需求，對(duì)于擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速有兩方面要求，一要求是無級(jí)調(diào)速，二是要有一定的調(diào)節(jié)范圍，這樣才能控制擠出量，以滿足不同的原料和加工要求。由于擠出機(jī)在啟動(dòng)時(shí)其機(jī)頭壓力較大，那么在螺桿從靜態(tài)到轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候就需要一個(gè)加速的過程，螺桿速度會(huì)由慢逐步加快，因而需要調(diào)速器控制電機(jī)啟動(dòng)時(shí)低速平穩(wěn)運(yùn)行。在使用過程中，螺桿的壓力和擠出機(jī)電機(jī)的速度也不是一成不變的，在一個(gè)工作周期內(nèi)也存在波動(dòng)，這在工藝上也是不允許的。這是因?yàn)檫@樣一方面造成了動(dòng)力的浪費(fèi)，另一方面增加了料筒與螺桿之間的摩擦，產(chǎn)生了大量的熱量，這就需要加裝冷卻風(fēng)機(jī)，從而進(jìn)一步浪費(fèi)了能量。同時(shí)電機(jī)工作在低速的負(fù)載上時(shí)，功率因數(shù)低，電網(wǎng)的無功消耗也大。綜合起來，傳統(tǒng)的控制方式存在著能量浪費(fèi)，最佳的工作方式還是采用變頻調(diào)速方案，其具有負(fù)載變化響應(yīng)快，短時(shí)過載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，并可以精確控制螺桿的壓力。以施耐德變頻器ATV71為例，利用內(nèi)置PID調(diào)節(jié)回路，實(shí)時(shí)地控制料筒內(nèi)的熔體壓力，在保證工作需要壓力的情況下，大幅度降低了工作能耗，有效改善了電網(wǎng)的質(zhì)量，并節(jié)省了無功功率。

2.2 變頻調(diào)速在牽伸輥上的應(yīng)用

牽伸輥是塑編設(shè)備的重要組成部分，牽伸比的控制，決定著扁絲相對(duì)拉斷力和斷裂伸長(zhǎng)率這兩個(gè)重要指標(biāo)的控制。同時(shí)，它也決定是否劈絲，線密度是否均勻等問題。牽伸比調(diào)節(jié)控制圖如圖1 所示。

以圖1 為例，實(shí)現(xiàn)牽伸比就是在牽引輥和牽伸輥之間形成速差，使得扁絲在兩輥之間拉伸，滿足工藝的要求。為了保證產(chǎn)品的品質(zhì)，需要牽伸輥和牽引輥電機(jī)具有很高的控制精度，并在同步升速降速時(shí)，具有良好的同步效果。變頻調(diào)速系統(tǒng)是高效率和高性能的調(diào)速系統(tǒng)，完全滿足工藝要求。

通過改變定子供電頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)速可得到寬范圍的無級(jí)調(diào)節(jié)。對(duì)定子電壓(或電源)以及頻率按一定規(guī)律進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，可提高傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性和快速響應(yīng)特性。如果采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)可獲得精度高且優(yōu)良的傳動(dòng)特性。根據(jù)圖1可以看出，該類負(fù)載屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即不管生產(chǎn)線的速度如何變化，負(fù)載的扭矩是不變的。根據(jù)公式P=KTn(式中P為軸功率，K 為系數(shù)，T 為負(fù)載扭矩，n 為電機(jī)速度)，可以看出利用變頻調(diào)速后，當(dāng)線速度為電機(jī)速度的50%時(shí)，電機(jī)能耗也只有原先的50%，其節(jié)能效果顯著。

2.3 變頻調(diào)速在塑編設(shè)備風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

塑編設(shè)備在生產(chǎn)過程中經(jīng)常使用烘箱，作為扁絲的加熱設(shè)備，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般采用調(diào)節(jié)風(fēng)門來調(diào)節(jié)烘箱的風(fēng)流量。通過物理力學(xué)原理我們知道此類負(fù)載屬于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其風(fēng)流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，當(dāng)需要減小風(fēng)流量時(shí)，降低電機(jī)速度，電機(jī)功耗將大幅度的降低。例如當(dāng)流量降為原先流量的80%時(shí)，電機(jī)功率為原先的51%，下降了一半，因此變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)上的節(jié)能效果是顯著的。

3 變頻調(diào)速在塑編設(shè)備中的注意事項(xiàng)

在塑編設(shè)備中經(jīng)常采用電壓型變頻器作為變頻調(diào)速設(shè)備，但在塑編設(shè)備中，各牽引輥為了達(dá)到一定的拉伸倍數(shù)，使得部分調(diào)速電機(jī)處在電動(dòng)和發(fā)電兩種狀態(tài)下，而普通的電壓型變頻器前端不具有電源逆變回路，因此當(dāng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機(jī)的反饋能量通過續(xù)流二級(jí)管流入了變頻器的直流側(cè)，使得濾波電容電壓上升，如電壓過高會(huì)引起變頻器過壓保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致設(shè)備故障跳停，甚至燒毀開關(guān)變流器件。加裝制動(dòng)回路能夠解決這一問題，此時(shí)電機(jī)反饋的能量消耗在制動(dòng)電阻上。為了節(jié)約能量，可以把相近功率的調(diào)速器的直流母線相連，這樣當(dāng)某個(gè)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機(jī)反饋回來的能量流入其它變頻器的直流母線中，被其它電機(jī)所利用，防止了能量的浪費(fèi)。當(dāng)然如果條件允許，可給整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)加設(shè)直流電源裝置來為系統(tǒng)供電，這也是節(jié)能的一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但成本太大，一般不采用。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在，變頻調(diào)速已經(jīng)成為節(jié)約能源的一個(gè)重要手段，引起了人們的普遍關(guān)注。不僅因?yàn)榻涣魍蟿?dòng)負(fù)荷在企業(yè)的總用電量中占有很大的分量，對(duì)該種負(fù)荷進(jìn)行能源優(yōu)化，可以獲得十分可觀的節(jié)電效益;而且交流拖動(dòng)系統(tǒng)具有很大的節(jié)電潛力。

在設(shè)備拖動(dòng)設(shè)計(jì)中，交流電機(jī)及其所拖動(dòng)的機(jī)械往往都留有一定的裕量，而且一般也不總是在最大負(fù)荷下運(yùn)行;輕載時(shí)，通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制改變某些工作機(jī)械的工況，就可達(dá)到節(jié)電的目的。

交流電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)今調(diào)速系統(tǒng)的趨勢(shì)，它具有體積小、重量輕、精度高、通用性強(qiáng)、工藝先進(jìn)、功能豐富、保護(hù)出色、可靠性高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)于以往任何調(diào)速方式的特點(diǎn)。并且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器的制造成本明顯降低，它的經(jīng)濟(jì)效益也越來越大。