變頻器在塑料編織行業(yè)中的應用與節能

0 引言

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

傳動(dòng)技術(shù)被廣泛的運用在工業(yè)設備中，塑編設備也不例外，隨著(zhù)我國制造水平，國內外傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，塑編設備已從早期的單電機機械連軸傳動(dòng)向多電機獨立調速發(fā)展，從最早的滑差電機向直流電機發(fā)展，隨著(zhù)變頻技術(shù)的飛躍發(fā)展，變頻調速已經(jīng)成了一種潮流、一種趨勢，三相異步電機已經(jīng)可以運用到塑編設備的各個(gè)動(dòng)力環(huán)節，實(shí)現了生產(chǎn)線(xiàn)的全變頻控制方式。

變頻調速具有體積小，重量輕，精度高，通用性強，工藝先進(jìn)，功能豐富，保護齊全，可靠性高，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)于以往的任何調速方式，在維護上也比其他控制方式簡(jiǎn)單，方便。我國工業(yè)雖然近年來(lái)發(fā)展迅猛，但電力資源的發(fā)展相對于工業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)還存在滯后，直接影響了我國工業(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(zhù)企業(yè)的經(jīng)濟效益。

塑編企業(yè)電能的80%左右消耗在各個(gè)電機拖動(dòng)上，交流電動(dòng)機不僅可以拖動(dòng)各工藝傳動(dòng)輥還可以拖動(dòng)風(fēng)機負荷，具有相當的節電潛力，這也就為變頻技術(shù)在塑編設備上的應用提供了較為廣闊的應用天地。

1 變頻調速的原理

變頻調速是根據三相異步電機的工作原理而采用的一種調速形式，其電機調速公式為n= 60 f(1-s)/ p，其中：n 為電機的轉速;p 為電機定子繞組的磁極對數;f 為電機供電電源的頻率;s 為轉差率。塑編行業(yè)中應用的電機一般為4 極，其磁極對數為2。我國的電源頻率為50 Hz，通過(guò)公式計算可知，這種電機的同步轉速為1 500 r/min。因此在電機極對數不變的情況下進(jìn)行調速，根據公式，只有改變電機的供電頻率f。而異步電機的轉速與同步電機轉速相對應，改變電機的供電頻率即改變了電機的轉速。電源頻率增加，同步轉速n 增加，實(shí)際轉速也增加;電源頻率下降，電機同步轉速下降，電機實(shí)際轉速也下降。這種通過(guò)改變電機電壓頻率的調速方式即為變頻調速。在整個(gè)變頻調速過(guò)程中，在一固定的轉矩T 下，轉差率s 基本不變，隨著(zhù)電機轉速n 的下降，電機磁場(chǎng)角速度鬃也減小，電機的輸入功率PM=T鬃和輸出功率P=PM(1-s)也降低。而損耗沒(méi)有增加，由此可見(jiàn)，變頻調速是電機控制中較為高效的調速方法。電機變頻調速能夠實(shí)現無(wú)級調速功能，而且根據不同的負載類(lèi)型，可以靈活地調節V 與f 的關(guān)系，滿(mǎn)足各種場(chǎng)合的運用。

2 變頻調速的應用

2.1 變頻調速在塑編設備擠出機中的應用塑編設備擠出機的種類(lèi)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(guò)螺桿在機筒里旋轉，經(jīng)過(guò)固體輸送、熔融輸送、熔體輸送三個(gè)環(huán)節后，熔體從機筒進(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)復合布。擠出機的傳動(dòng)系統由調速電機、減速機、聯(lián)軸節、機座、軸承等組成。它的作用是給螺桿提供穩定的轉速和扭據，它為擠出機提供動(dòng)力和傳遞扭矩。出于工藝的需求，對于擠出機的螺桿轉速有兩方面要求，一要求是無(wú)級調速，二是要有一定的調節范圍，這樣才能控制擠出量，以滿(mǎn)足不同的原料和加工要求。由于擠出機在啟動(dòng)時(shí)其機頭壓力較大，那么在螺桿從靜態(tài)到轉動(dòng)時(shí)候就需要一個(gè)加速的過(guò)程，螺桿速度會(huì )由慢逐步加快，因而需要調速器控制電機啟動(dòng)時(shí)低速平穩運行。在使用過(guò)程中，螺桿的壓力和擠出機電機的速度也不是一成不變的，在一個(gè)工作周期內也存在波動(dòng)，這在工藝上也是不允許的。這是因為這樣一方面造成了動(dòng)力的浪費，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，從而進(jìn)一步浪費了能量。同時(shí)電機工作在低速的負載上時(shí)，功率因數低，電網(wǎng)的無(wú)功消耗也大。綜合起來(lái)，傳統的控制方式存在著(zhù)能量浪費，最佳的工作方式還是采用變頻調速方案，其具有負載變化響應快，短時(shí)過(guò)載能力強的特點(diǎn)，并可以精確控制螺桿的壓力。以施耐德變頻器ATV71為例，利用內置PID調節回路，實(shí)時(shí)地控制料筒內的熔體壓力，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，并節省了無(wú)功功率。

2.2 變頻調速在牽伸輥上的應用

牽伸輥是塑編設備的重要組成部分，牽伸比的控制，決定著(zhù)扁絲相對拉斷力和斷裂伸長(cháng)率這兩個(gè)重要指標的控制。同時(shí)，它也決定是否劈絲，線(xiàn)密度是否均勻等問(wèn)題。牽伸比調節控制圖如圖1 所示。

以圖1 為例，實(shí)現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(mǎn)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。變頻調速系統是高效率和高性能的調速系統，完全滿(mǎn)足工藝要求。

通過(guò)改變定子供電頻率，電機轉速可得到寬范圍的無(wú)級調節。對定子電壓(或電源)以及頻率按一定規律進(jìn)行協(xié)調控制，可提高傳動(dòng)系統的運行特性和快速響應特性。如果采用閉環(huán)控制系統，整個(gè)調速系統可獲得精度高且優(yōu)良的傳動(dòng)特性。根據圖1可以看出，該類(lèi)負載屬于恒轉矩負載，即不管生產(chǎn)線(xiàn)的速度如何變化，負載的扭矩是不變的。根據公式P=KTn(式中P為軸功率，K 為系數，T 為負載扭矩，n 為電機速度)，可以看出利用變頻調速后，當線(xiàn)速度為電機速度的50%時(shí)，電機能耗也只有原先的50%，其節能效果顯著(zhù)。

2.3 變頻調速在塑編設備風(fēng)機中的應用

塑編設備在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常使用烘箱，作為扁絲的加熱設備，傳統設計中，一般采用調節風(fēng)門(mén)來(lái)調節烘箱的風(fēng)流量。通過(guò)物理力學(xué)原理我們知道此類(lèi)負載屬于變轉矩負載，其風(fēng)流量與電機轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，當需要減小風(fēng)流量時(shí)，降低電機速度，電機功耗將大幅度的降低。例如當流量降為原先流量的80%時(shí)，電機功率為原先的51%，下降了一半，因此變頻調速在風(fēng)機上的節能效果是顯著(zhù)的。

3 變頻調速在塑編設備中的注意事項

在塑編設備中經(jīng)常采用電壓型變頻器作為變頻調速設備，但在塑編設備中，各牽引輥為了達到一定的拉伸倍數，使得部分調速電機處在電動(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，因此當電機工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機的反饋能量通過(guò)續流二級管流入了變頻器的直流側，使得濾波電容電壓上升，如電壓過(guò)高會(huì )引起變頻器過(guò)壓保護動(dòng)作，導致設備故障跳停，甚至燒毀開(kāi)關(guān)變流器件。加裝制動(dòng)回路能夠解決這一問(wèn)題，此時(shí)電機反饋的能量消耗在制動(dòng)電阻上。為了節約能量，可以把相近功率的調速器的直流母線(xiàn)相連，這樣當某個(gè)電機工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機反饋回來(lái)的能量流入其它變頻器的直流母線(xiàn)中，被其它電機所利用，防止了能量的浪費。當然如果條件允許，可給整個(gè)調速系統加設直流電源裝置來(lái)為系統供電，這也是節能的一個(gè)不錯的選擇，但成本太大，一般不采用。

4 結語(yǔ)

現在，變頻調速已經(jīng)成為節約能源的一個(gè)重要手段，引起了人們的普遍關(guān)注。不僅因為交流拖動(dòng)負荷在企業(yè)的總用電量中占有很大的分量，對該種負荷進(jìn)行能源優(yōu)化，可以獲得十分可觀(guān)的節電效益;而且交流拖動(dòng)系統具有很大的節電潛力。

在設備拖動(dòng)設計中，交流電機及其所拖動(dòng)的機械往往都留有一定的裕量，而且一般也不總是在最大負荷下運行;輕載時(shí)，通過(guò)對電動(dòng)機的速度進(jìn)行控制改變某些工作機械的工況，就可達到節電的目的。

交流電機采用變頻調速技術(shù)是現今調速系統的趨勢，它具有體積小、重量輕、精度高、通用性強、工藝先進(jìn)、功能豐富、保護出色、可靠性高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)于以往任何調速方式的特點(diǎn)。并且隨著(zhù)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)濟效益也越來(lái)越大。