浅析变频调速技术在挤塑生产中的应用

　　摘要：本文主要对变频调速技术在挤塑生产中的应用进行了探讨。

　　关键词：挤塑机组,控制方式,变频器调速技术

　　1、生产概述：

　　挤塑生产线机组主要有：主机、冷却水槽、牵引机、(储线轮)、电气控制柜、储线架、收线机等组成;周边设备有：放线架、张力架、自动加料预热器、火花试验机、测径仪、计米器、注条机等部件组成。

　　该机组主要可用于电线电缆生产与制造。主机(押出机)采用普通螺杆，适应PVC、PE胶料的押出，塑化性优良，可完成导线芯线的挤包绝缘或护套层包覆，并且机组可以一次同时实现电缆收线、放线、挤包后冷却的全过程。使用自动加料预热器，可提高塑料押出量，而放线、押出、牵引、(储线)、收线整体联动控制，可使生产的线径稳定，废品率低，同时，具有断线自动停机、米到报警停机等特点。

　　主机机身有四段加热并吹风冷却，机头有两段加热。主机、牵引机采用三相交流异步电动机，变频调速;收线机采用三相交流异步电动机或力矩控制调速。

　　如图(1)：

　　图(1)

　　2、工艺要求、设备选用及控制方式

　　主机开机前预先给机筒(螺套)及机头加热(≧ 30分钟)，机筒第一段为输料段，温度一般控制在155℃;第二至四段为压缩段(或熔融段)温度一般控制在160℃至170℃;机头温度一般为170℃，根据不同的原料选择适当的转速及工艺温度。而高速押出时，必须使用自动加料并预热，预热温度可偏高(约70℃)。温度控制部分采用智能型温度控制器，加上强劲的吹风冷却系统，可保证各段温度稳定控制在设定点上。此时，仪表指示实际温度如果低于设定温度时，加热接触器闭合，接通加热元件，机筒温度上升;当实际温度达到设定温度时，加热回路切断，同时，对应各温度吹风机工作，以达到恒定机筒的温度。

　　收线速度受张力储线架控制(有的机组不需要张力储线架，直接从牵引机出来到收线，有的用张力储线架而不用牵引机)，收线速度可调，设备停机前必须将机筒、机头中的塑料清理干净，并在机筒、机头等部位注入机油。

　　主机、牵引机、收线机均可采用变频调速，其调速精度高、调速范围宽、速度平稳、无漂移。低速启动平稳可靠，其操作过程简单、安全、可靠。

　　变频器的输入电源采用空气开关隔离，接触器控制通短的方式，输出控制为外部方式;由主机“启动按钮”提供变频输出接点端子，同时，“调速电位器”有效，主机“停止按钮”作解除变频器输出条件，此时，变频器无输出。

　　变频器输入电源受总开关控制及紧急停机开关控制。变频器输出条件未解除时，除紧急停机按钮可切除输入电源外，其余任何操作开关均无法切除输入电源，各种保护动作电器也不能切除输入电源，以防止各类事故对变频器造成冲击。

　　收线机控制箱装有排线控制器、米数表、收线电机调速变频器，收线排位通过排位“限位开关”控制排位范围;预置计米器通过接收计米传感器脉冲信号定长计米。米数达到设定的预报警米数时，电铃会响，并且收线电机会自动减速。

　　外径测控仪，目的是显示测量线径的值，将测量差值反馈给主机变频器进行速度控制。

　　主电机经皮带轮、减速箱使螺杆(优质合金钢，经氮化处理后，具有较高的硬度和耐磨，耐腐蚀能力)可在一定的范围内实现“无极调速”。

　　以本单位70#机为例，其主要参数如下：

　　主电机：22KW 一台、变频器22KW 一台;

　　牵引电机：4KW 一台、变频器4KW 一台;

　　收线电机：7.5KW 一台、变频器7.5KW 一台;或力矩电机一台、力矩控制器：一台。

　　当挤塑机完成加热准备后，在低速下启动挤塑机，慢慢加入物料(PVC料)待物料从模口出来后，再把转速逐渐增加到所需的转速。待主机工作正常后方可上料斗加料。

　　停机时，先降低加热温度至20℃，接着关闭加料口插板，降低螺杆转速，在模口无料挤出后切断电机和加热电源，关闭冷却水，切断设备总电源。

　　3、变频器的应用

　　变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通讯等技术于一体的高科技技术。它以很好的调速、节能性能，在各行各业中获得了广泛的应用。由于变频器采用软启动，可以减少设备和电机的机械冲击，延长设备和电机的使用寿命。随着科学技术的高速发展，变频器以其具有节电、节能、可靠、高效的特性引用到了工业控制的各个领域中，其中包括电线电缆挤塑机组。采用变频技术主要是降低电动机启动时的启动电流和启动转矩、减少对电网的冲击。

　　由电动机的工作原理，n = 60 f / p ， 决定电机的极数是固定不变的，由于该极数值不是一个连续的数值，(为2的倍数，例如极数：2、4、6、8)，所以，一般不适合通过改变极数值来调整电机的速度。

　　频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样，电机的旋转速度就可以被自由的控制，因此，以控制频率为目的的变频器是作为电机调速设备的优选设备。但，如果仅仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机处于过电压(过励磁)，导致电机可能被烧坏。因此，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。这样，当使用VVVF变频器时，利用变频器供电时，则变频器的输出频率和输出电压是逐渐加到电机上的，防止了工频(50HZ)直接启动电机会产生一个大的启动电流。通常电机产生的转矩要随频率的减小(速度降低)而减小。而通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。

　　矢量控制是将交流电机空间磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，通过坐标变换将电机定子电流正交分解为与磁场方向一致的励磁电流分量和与磁场方向垂直的转矩电流分量，然后就可以像直流电机一样控制。矢量控制理论的提出为交流调速开辟了广阔的空间。

　　为了产生可变的电压和频率，该“仪器”首先要把电源的交流电变换为直流电，这个过程叫“整流”，而把直流电变换为交流电的装置，称为“逆变器”。一般的逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。逆变部分现在所用的器件均为IGBT，这种绝缘栅极型功率管具有电流大、耐压高和功耗小等优点。对于逆变的为频率可调、电压可调的逆变器称为“变频器”。

　　变频是可以省30%的电。若变频的基频是50HZ，那么，50HZ以下的是恒转矩运行(50HZ以上的是恒功率运行)，即输出转矩是一定的，随着频率的下降，输出转矩也下降，那么，因为输出转矩一定，则，输出功率就变小了。所以，变频器是可以省电的。

　　4、主机、牵引机单动及联动

　　电线电缆塑料绝缘层是靠挤塑机挤出绝缘塑料裹覆线缆而成，挤塑可以说是电线电缆生产当中的关键工序之一。为了要保证挤出的绝缘厚度均匀一致且线缆不偏心，是一个复杂又系统的问题。靠调整机组的某一台设备是难于生产合格产品的，这就牵涉到多台设备系统调整并监测反馈才得于实现。

　　如前所述，电线电缆在初生产或换色、换线径时，刚开始生产线速度是较慢的，便于生产操作人员调整机头模具的偏正，确保绝缘塑料裹覆线缆不偏心，靠调整主机和牵引机的速度是可以调整挤出绝缘层的厚薄并通过射线测径仪检测线缆的直径偏差，将差值反馈到主机和牵引机，这样，就构成闭环自动控制，通过PID调节来缩小偏差。

　　PID控制是一种闭环控制算法，它对给定与反馈的误差进行比例P、积分I、微分D运算，根据运算结果调节变频器的输出频率，使反馈值跟随设定目标值。比例环节主要用于调节误差的比例，快速减小输入、输出。纯比例P控制时误差不会为零;积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，时间常数越大，积分作用越弱，反之越强;微分环节反映偏差信号的变化趋势(即，变化速率)，调节误差的微分输出，误差突变时，能及时控制并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

　　刚才已讨论了主机和牵引机均使用VVVF变频器调速达到生产所需调速的目的，若要加快生产速度，在其他工艺要求符合标准的情况下，提高主机速度自然加快了挤出速度，若牵引机速度仍旧维持在低速，则，测径仪监测到挤出绝缘层必然增厚，浪费塑料原材料。同理，提高牵引机速度自然加快了线缆的线速度，若主机速度仍旧维持在低速，则，测径仪监测到挤出绝缘层必然稀薄，甚至，严重的达不到绝缘强度，生产出废品，同样浪费生产原材料。为此，我们就要考虑系统调整、同步运行，也称联动的问题。

　　我们注意到，主机速度和牵引机速度会影响到线缆速度的问题，也即会影响到线缆绝缘层厚薄的问题，两者在低速时为了调整绝缘层均匀一致，总是有一个速度比值存在，如果在升速时两者速度比值保持不变，则，线缆的绝缘层仍是均匀不变的，这就要求两者的VVVF变频器必须按照一定的速度比值同步调速才能达到理想目的。如图(2)

图（2）

　　图(4)

　　一旦加工成型的线缆经测径仪达到正常生产要求，后续的收线部分是该工序的最后一步，收线根据生产企业自身要求可以使用变频器也可使用力矩控制器等进行变速运行，并通过张力储线轮来调节配合，此处不再进一步探讨。

　　5、结束语

　　随着变频调速技术的发展与更新，变频器与其优越的性能价格比为广大用户所亲睐，变频器的功能强大是一种集电力、电子、计算机和现代技术为一体的一种典型的高科技产品，其操作简单，几乎不要调整和普通异步电动机配合基本可形成了一种免维护、无故障运行的系统，不需要专门的技术人员对其进行日常保养和维护。所以，变频传动已经日益成为电气传动控制的主流。

《浅析变频调速技术在挤塑生产中的应用》

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