变频器在挤出机上的应用

一凡

多数螺杆挤出机一般是由直流电机驱动，但近几年来，交流电机调速以其技术和成本上的优势，而得到了越来越多的应用。
挤出机的直流驱动
螺杆挤出机的结构如图1所示。塑料粒料从漏斗喂入后被加热塑化，经螺杆旋转推向挤出机的出口，由挤出模头决定最终的产品形状。常见的单螺杆挤出机的典型螺杆转速约100 r/min，而混料用双螺杆挤出机的典型转速为200~500r/min，用于型材挤出的低速双螺杆挤出机的转速通常为10~40r/min。
* d  z3 n4 G  i( g# B; T2 g. r/ U传统挤出机所采用的直流电机需要定期更换电刷，并且其对恶劣环境的耐受能力较差，有时还需要独立干净的冷却空气。在日常使用中，直流电机的典型故障包括电刷打火、电枢变色、散热不足、剧烈噪声和振动等，使其日常维护保养费比交流电机高，同时其造价也更高。
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/ Q$ r2 }/ D8 ?* X" t图1 螺杆挤出机结构挤出机的交流驱动
' f, f) z, C+ @4 A几年前，交流驱动还不能提供类似直流驱动的优异性能，而且价格昂贵。但随着近年来功率电子器件和微处理器技术的快速发展、交流控制理论的提出以及交流控制软件的完善，使交流驱动技术在很多应用领域比直流驱动有了更佳的成本效益。例如，丹佛斯FC302系列变频器应用于挤出机，具有比直流驱动更好的转速控制性能和转矩响应速度，其中，开环转速控制精度优于0.5%，闭环转速控制精度优于0.1%。
由于挤出机的起动转矩可能达到其运行转矩的200%~250%，比丹佛斯FC300系列变频器最大的180%起动转矩值高，因此，一种解决办法是选择功率较大的驱动器，另一种办法是，使设备额定转速工作于交流电机恒功率区域（因为挤出机全速时的负载转矩并不需要电机的额定转距）。
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图2 工作于恒功率区域示意当采用使设备额定转速工作于交流电机恒功率区域的方法时（如图2所示），可通过适当选取减速比，令电机的一般工作速度为70Hz，此时，负载转矩为T负载，按理论计算电机的额定转矩为：
则电机最大转矩为：
0 X' E1 T( C; v. s( A9 u* h% J 这样就能够满足挤出机的起动转矩要求。否则，如果按传统的选型办法，选择电机一般工作速度为50Hz，为满足250%的最大起动转矩要求，就必须选择功率为原来1.4倍的电机和驱动器。
+ Z' y% [( z4 l) W1 l使用交流驱动器的优点
% t2 Q2 _/ ^* l7 j6 ?: s, D* p" h1.提高效率
使用丹佛斯FC300交流驱动系统后，可比同功率的直流驱动系统的效率高5%左右。同时，由于交流电机的效率比直流电机高，FC300驱动器可保证电机输出性能优异而不会发生过热。一般，工厂里挤出机的能耗占总生产能耗的相当大的比例，而丹佛斯FC300驱动器的输入谐波电流比直流驱动器及其他通用变频器都小，保证总输入功率因数大于0.9，因此无需放大工厂供电变压器和电缆的容量。
2.提高防护等级
一般，挤出机常在高温或含腐蚀性气体的恶劣环境下工作，对此，直流电机防护等级较低，而交流电机的防护等级相对较高，使得用于恶劣环境的设备维护成本大大降低。
8 r/ p1 b' X- u8 G9 |6 hFC302变频器应用于挤出机的优点
4 ^/ T) p, {' c1 C* k丹佛斯FC302驱动器内置电机反馈编码器接口，内建转速闭环磁场定向磁通矢量控制功能。通过独特的静止电机自适应，能精确测出各种电机的电气参数。FC302的内建电机模型和电流检测非常精确，电流被解耦为转矩电流和励磁电流，矢量控制理论先进，系统运算能力极强，内部运算循环时间只有1ms，因此能快速检测、控制和补偿负载转矩。FC302驱动器磁通矢量控制建立160%输出转矩只需约3ms，比通用变频器快1~2个数量级（如图3所示）。

图3 FC302的转矩响应速度当应用于挤出机时，FC302驱动器具有如下优点：高转速精度和低转速脉动，即使在低速运行和零速时也是如此；伺服级的响应速度，适用于负载转矩变化剧烈的挤出机；优异的转矩限制功能，从零速直到恒功率控制区域，都能平滑地从转矩限制模式切换到转速控制模式，反之亦然；适用于各种特性的异步电机和永磁同步伺服电机；通过转矩限制功能提供螺杆保护；过转矩能力强等。标准的FC300驱动器集成了许多通用变频器需要外置的附件，如直流电抗器、RFI滤波器、通讯卡和屏蔽电缆夹等，能大大节省安装空间，并降低成本。
文章关键词： 变频器、滤波器、挤出机、电机