浅谈塑料挤出机的变频控制系统

287284506 · 发表于 2012-7-2 08:35:52

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塑料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、低频转矩、转差补偿、通信功能、智能控制、功率因素、工作效率和使用方便等方面是以往的调速方式是无法比拟的，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。

在众多的变频器品牌中，本系统采用的是艾默生EV2000变频器，它具有优化空间矢量PWM调制、高转矩、高精度、宽调速驱动等一系列功能，并且该产品具有超出同类产品的防跳闸性能和适应恶劣电网、温度、湿度和粉尘能力，极大提高了产品的可靠性，已经在很多机械制造业得到了广泛的应用，如造纸机、吸塑成型机、拉丝机、挤出机等。
在此，不妨以塑料薄膜的挤出机为例，通过引入EV2000系列变频器，介绍一下塑料薄膜挤出生产线的速度同步控制和自动卷取张力控制系统。
在塑料薄膜制造的过程中，颗粒原料从挤出电机带动的螺杆挤出机成型后，经过吹压后经过拉料辊电机带动的拉料辊等进入导辊，接着送入张力辊，最后由卷取电机带动进行中心卷取成塑料薄膜卷筒。这样的系统共需要对4台交流电机进行传动控制，涉及到多传动控制和张力控制等内容。
挤出机变频控制系统
在塑料薄膜挤出生产线控制系统中，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。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。
对于同步的速度控制，EV2000变频器采用开环速度控制。
挤出机卷取属于中心卷取形式，它对于变频器的要求是：（1）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。
挤出机的卷取张力控制
张力测量原理
张力传感器放置在张力辊的支持轴承下方，由刚性材料做成，它只对水平方向的张力起作用。当一定张力的塑料薄膜通过张力辊时，张力分成两部分（水平方向的力FR和垂直方向的力FV）。设张力为T，FT为张力辊和轴承的重力，α、β为纸幅的夹角，则
FR＝T x (cosβ - cosα)
FV= T x (sinα － sinβ) + FT
根据张力传感器的值FR就可以计算出塑料薄膜的张力值T。
张力传感器的初级线圈和次级线圈正确通过传感器的四个孔（其中初级线圈为激励线圈，次级线圈为感应线圈）。在正常情况下（即无水平张力）初级线圈的感应磁场里，由于孔的合理放置，次级线圈无感应电压产生。
当水平张力T作用在传感器上时，初级线圈的电磁场就会产生变化，从而次级线圈就会感应出相应的电压。一旦水平张力作用改变方向，次级线圈的电压极性也相应改变。
张力传感器的激励信号为330HZ、0.5A的交流信号，张力作用的大小反映在输出信号的幅度上，张力的方向则反映在输出信号的极性上。信号放大器的作用就是先过滤为DC信号，然后通过增益运算放大器，最后可以输出张力控制所需的张力信号（0～10V或4～20mA）。
张力闭环控制
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；相反，速度降低，则塑料薄膜垂，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。EV2000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。
张力开环控制
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。
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。
文章关键词：塑料、挤出机、变频控制系统

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