葉青，孟慶旭，朱琳

（上海新時達(dá)機(jī)電科技有限公司，上海 201802）

新時達(dá)ME500變頻器在永磁同步擠出機(jī)上的應(yīng)用

葉青，孟慶旭，朱琳

（上海新時達(dá)機(jī)電科技有限公司，上海 201802）

目前橡膠擠出機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)一般采用直流驅(qū)動。隨著國家對能效越來越重視，直流驅(qū)動固有的缺點越發(fā)明顯。新時達(dá)公司創(chuàng)新性的在橡膠擠出機(jī)當(dāng)中提出了永磁同步變頻驅(qū)動解決方案，采用此方案后使系統(tǒng)整體能效得到了大幅度的提升，同時提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低了后期維護(hù)成本。

新時達(dá)；ME500；永磁同步電機(jī)；擠出機(jī)

橡膠擠出機(jī)是橡膠工業(yè)的一種基本設(shè)備，是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備之一，在輪胎和橡膠制品的生產(chǎn)過程中起著非常重要的作用。隨著擠出工藝對擠出機(jī)性能要求的提高和驅(qū)動技術(shù)的進(jìn)步，使擠出機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生了許多變化。最早的傳統(tǒng)交流電機(jī)定速驅(qū)動、整流子電機(jī)變速驅(qū)動及交流電機(jī)齒輪箱有級變速驅(qū)動已被淘汰，后來取而代之的是直流電機(jī)無級變速驅(qū)動。隨著電力電子技術(shù)、微處理器以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)取得了空前的發(fā)展，其顯著特性使直流調(diào)速本身的缺點越加明顯，因此交流變頻調(diào)速在橡膠擠出機(jī)的應(yīng)用中取代直流調(diào)速是必然趨勢。

1 銷釘式冷喂料擠出機(jī)工藝介紹

歐美等發(fā)達(dá)國家主要以冷喂料擠出機(jī)為主，隨著我國子午線輪胎生產(chǎn)的快速發(fā)展，冷喂料擠出機(jī)成為熱喂料擠出機(jī)和普通冷喂料擠出機(jī)的換代產(chǎn)品。

銷釘式冷喂料擠出機(jī)是將銷釘從機(jī)筒圓周方向徑向插入螺桿螺紋槽中，將流動的膠料進(jìn)行剪切和攪拌。膠料變成熔體以低剪切速率在螺桿螺紋中流動，逐漸形成連續(xù)的粘流體，這樣便破壞了膠料在擠出過程中的層流和結(jié)塊現(xiàn)象，打破了膠塊，達(dá)到了膠料塑化好、膠溫低和節(jié)能的效果，簡化了生產(chǎn)工藝。銷釘式冷喂料擠出機(jī)的出現(xiàn)， 使冷喂料擠出機(jī)技術(shù)得到了很大的發(fā)展和提高。

銷釘式冷喂料擠出機(jī)在螺桿結(jié)構(gòu)上較為特殊，在機(jī)筒上增加了銷釘，主電機(jī)啟動時間段阻力矩較大，這對變頻器的低頻轉(zhuǎn)矩要求較高。為了保證膠料的塑化性能與致密性，這要求變頻器穩(wěn)速精度要高同時能可靠地連續(xù)工作。

綜合以上擠出機(jī)的運(yùn)行特點與現(xiàn)場工況，擠出機(jī)工藝對驅(qū)動系統(tǒng)的要求如下：

（1）啟動力矩要大。擠出機(jī)的工作特性決定了電機(jī)必須能夠重載啟動，變頻器的低頻輸出轉(zhuǎn)矩要好，并有較高的過載能力。

（2）調(diào)速性能要好。擠出機(jī)轉(zhuǎn)速要根據(jù)排膠速度、混煉時間等因素進(jìn)行動態(tài)調(diào)速。這要求穩(wěn)速精度要高，變頻調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，能滿足各種工況下的調(diào)速要求。

（3）特性曲線要硬。要保證負(fù)載變化時（如膠料雜質(zhì)變多，老化嚴(yán)重），擠出機(jī)轉(zhuǎn)速基本上不受影響，防止負(fù)載大小不同時速降過大，導(dǎo)致可塑度不均、排膠不規(guī)則等膠片品質(zhì)問題，影響客戶生產(chǎn)效率。

（4）工作方式轉(zhuǎn)換容易。要能夠方便的進(jìn)行自動、半自動、手動等工作方式的轉(zhuǎn)換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉(zhuǎn)換影響正常生產(chǎn)。

2 新時達(dá)永磁同步變頻驅(qū)動方案介紹

針對冷喂料擠出機(jī)對驅(qū)動系統(tǒng)的要求，我們創(chuàng)新性的提出了使用變頻器+永磁同步電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流調(diào)速，這樣可大大提高工作效率和運(yùn)行成本，可實現(xiàn)真正意義上的免維護(hù)?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 永磁同步變頻驅(qū)動擠出機(jī)系統(tǒng)框圖

3 新時達(dá)永磁同步變頻驅(qū)動優(yōu)勢分析

交流變頻調(diào)速，應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)。隨著電力電子技術(shù)與矢量控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速在性能上已經(jīng)完全達(dá)到甚至超越傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)。

新時達(dá)ME500變頻器內(nèi)置永磁同步電機(jī)高性能定向開環(huán)矢量控制算法，經(jīng)過新時達(dá)的優(yōu)化擁有比直流驅(qū)動更好的控制性能和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度，開環(huán)轉(zhuǎn)速控制精度優(yōu)于0.2%，0 Hz下200%的啟動轉(zhuǎn)矩，能夠?qū)崿F(xiàn)1：1 000的調(diào)速范圍。而采用無速度傳感器矢量控制，避免了速度傳感器帶來的種種限制，同時還可以提高系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。

無速度傳感器矢量控制的基本控制過程為：速度給定ω0與通過速度位置估算得來的速度ω進(jìn)行比較，再經(jīng)過PI速度控制器調(diào)節(jié)，產(chǎn)生定子電流轉(zhuǎn)矩分量參考值iq_ref，并作為電流控制器的給定信號，由MTPA算法得出勵磁分量參考值iq_ref，通過電流采樣得到三相定子電流，經(jīng)過Clarke變換將其轉(zhuǎn)換為α-β兩相靜止電流坐標(biāo)系下的電流，再通過Park 變換為d-q兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流id，iq分別與兩個調(diào)節(jié)器的參考值比較，再經(jīng)過控制器變?yōu)殡妷盒盘朧sd_ref和Vsq_ref，再經(jīng)過Park逆變換和空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）得到電壓信號，最后輸入PWM逆變器，驅(qū)動永磁同步電機(jī)，對其速度進(jìn)行控制，實現(xiàn)永磁同步電機(jī)的變頻調(diào)速控制。在此過程中調(diào)整定子電流的勵磁分量id和轉(zhuǎn)矩分量iq，能使系統(tǒng)具有很好的機(jī)械特性和優(yōu)良的動態(tài)性能，由于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的多樣性，其定子電流控制模式也多種多樣，對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，主要有id=0控制、MTPA（最大轉(zhuǎn)矩電流比）控制、單位功率因數(shù)控制和恒磁鏈控制等控制方法，圖2采用的是MTPA控制框圖。

圖2 無速度傳感器矢量控制框圖

3.1 新時達(dá)ME500變頻器的優(yōu)勢

（1）突加負(fù)載能力突出

擠出機(jī)的工作過程中，物料的擠壓過程，是負(fù)載不斷變化的過程，需要電機(jī)對負(fù)載變化有較快的響應(yīng)，如圖3所示，在5%額定轉(zhuǎn)速下突加1.5倍額定負(fù)載，變頻器輸出電流波形在很短時間（0.46 s）內(nèi)即可恢復(fù)正常。

（2）低速帶載能力強(qiáng)

擠出機(jī)在應(yīng)用過程中，有時需要低頻啟動，由于螺桿的慣量較大，需要的啟動轉(zhuǎn)矩也較大，尤其在沒有編碼器的情況下，很容易造成啟動過流，ME500變頻器提供較強(qiáng)的啟動能力，如圖4所示，在5%的額定轉(zhuǎn)速下帶2.21倍額定負(fù)載，電流幅值平穩(wěn)，低速帶載能力達(dá)到2倍以上，采用開環(huán)控制時，最大實現(xiàn)1.5倍帶載啟動，完全滿足擠出機(jī)低速帶載能力的要求。

（3）轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)精度高

通過新時達(dá)ME500變頻器高性能的同步電機(jī)控制算法，永磁同步電機(jī)可以穩(wěn)定的運(yùn)行在各個不同的頻率點。在不同負(fù)載（1.0、1.2、1.5倍額定負(fù)載）測試電機(jī)的轉(zhuǎn)速和帶載之后的電機(jī)轉(zhuǎn)速，其中在1.5倍負(fù)載時，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)精度仍然可達(dá)到0.1%，橡膠的基礎(chǔ)效果依然非常好。

（4）節(jié)能效果明顯

針對擠出機(jī)節(jié)能要求，ME500變頻器采用高效率的MTPA算法和獨特的低損耗調(diào)制算法，降低變頻器自身30%的損耗。自動調(diào)整適合擠出機(jī)應(yīng)用的節(jié)能運(yùn)行曲線，提高系統(tǒng)節(jié)能率。

圖3 突加負(fù)載曲線

圖4 低速帶負(fù)載曲線

3.2 交流永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢

眾所周知，永磁電動機(jī)采用永磁體勵磁，不再需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，減小定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，進(jìn)而可以因總損耗降低而減小風(fēng)扇（小容量電機(jī)甚至可以去掉風(fēng)扇）和相應(yīng)的風(fēng)阻摩擦損耗，從而使其效率和功率因數(shù)比同規(guī)格感應(yīng)電動機(jī)高。而且在輕載時仍可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時節(jié)能效果更為顯著。同時，永磁電機(jī)可以實現(xiàn)在較高的功率因數(shù)下低速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，這是直流驅(qū)動系統(tǒng)無法實現(xiàn)的。

（1）能效高

交流永磁同步電機(jī)總體效率較高（可達(dá)到96%以上）。采用交流調(diào)速系統(tǒng)，運(yùn)行性能優(yōu)異、節(jié)能效果顯著、降低運(yùn)營成本，恒轉(zhuǎn)矩設(shè)備節(jié)電率在15%～30%，一般在20%左右。

（2）維護(hù)成本低

永磁同步電機(jī)無電刷和換向器，不易出現(xiàn)故障，維修非常簡單。永磁同步電機(jī)可靠性和運(yùn)行效率高，免維護(hù)，所以能在惡劣環(huán)境中安全運(yùn)轉(zhuǎn)，對使用場合的限制少。

（3）功率因數(shù)高

采用永磁體勵磁，不消耗無功，系統(tǒng)整體功率因數(shù)可達(dá)到0.96。

（4）調(diào)速性能好

交流調(diào)速方法中矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制可以控制動態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩，它們的控制性能可以達(dá)到甚至超過直流調(diào)速系統(tǒng)。

（5）動態(tài)響應(yīng)好

轉(zhuǎn)子慣量遠(yuǎn)小于直流電機(jī)，在要求頻繁啟制動的軋機(jī)應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的動態(tài)性能。

（6）低速扭矩性能好

通過對矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制策略的改進(jìn)，可以大大降低轉(zhuǎn)矩脈動，降低噪聲，使電機(jī)可以運(yùn)行于極低速下。

（7）調(diào)速范圍大

交流永磁同步電機(jī)沒有換向器，調(diào)速范圍不受限制。

4 新時達(dá)ME500變頻器+永磁同步電機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用

擠出機(jī)的使用環(huán)境相對比較惡劣，粉塵較多，運(yùn)行振動也較大，在電機(jī)的控制模式選擇上，沒有采用編碼器作為測速反饋，而采用無速度傳感器矢量控制，避免了速度傳感器帶來的種種限制，而且還可以提高系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本，減少電機(jī)與控制器的連接線。無速度傳感器矢量控制可以獲得接近閉環(huán)控制的性能，適用于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行場合。

橡膠擠出機(jī)采用新時達(dá)ME500變頻器驅(qū)動永磁同步電機(jī)驅(qū)動方案應(yīng)用，現(xiàn)場應(yīng)用能效效果非常好，以下圖5、圖6是改造前后能效對比。

5 結(jié)束語

近一兩年來，中國橡膠工業(yè)發(fā)展速度放緩，采用新工藝、使用新技術(shù)是橡膠企業(yè)提升市場競爭力強(qiáng)有效的措施。橡膠擠出機(jī)作為橡膠生產(chǎn)中的主要加工設(shè)備，與其他橡膠加工設(shè)備相比，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，顯示出了巨大的市場潛力。此次新時達(dá)高性能ME500變頻器結(jié)合永磁同步電機(jī)成功應(yīng)用在擠出機(jī)上應(yīng)用，也是新時達(dá)在技術(shù)上不斷開拓進(jìn)取的一個縮影。

STEP ME500 inverter in the permanent magnet synchronous extruder

STEP ME500 inverter in the permanent magnet synchronous extruder

Ye Qing，Meng Qingxu， Zhu Lin
（Shanghai STEP Electrical Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201802， China）

Currently rubber extruder drive systems generally use DC drive. As the country pay more attention on energy efficiency， the inherent shortcomings of DC drive are more obvious. Shanghai STEP is a professional total solution provider in the rubber tire industry. Among the rubber extruder， STEP puts forward the innovative permanent magnet synchronous variable frequency drive solution. This program greatly improves the overall effi ciency of the system， improves system stability， and reduces maintenance costs later.

STEP； ME500； permanent magnet synchronous motor； extruder

圖5 效率曲線對比

圖6 功率因數(shù)曲線對比

TQ330.493

1009-797X（2015）20-0143-04

B DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.20.047

葉青（1982-），男，畢業(yè)于上海交通大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)主要研究永磁同步機(jī)的變頻驅(qū)動與應(yīng)用。

2015-06-24