(大連三壘科技有限公司,遼寧大連116024)

摘 要：本文主要針對(duì)塑料擠出機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)用變頻器驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)。詳細(xì)說(shuō)明了永磁同步電機(jī)和常規(guī)的三相異步電機(jī)相比，具有高效率、高功率因數(shù)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、高精度、寬范圍、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)通過(guò)應(yīng)用東芝變頻器VF-AS3參數(shù)優(yōu)化和調(diào)節(jié)，提升永磁同步電機(jī)的工作效率，可以使客戶降低成本、節(jié)約能源、保證擠出機(jī)運(yùn)行良好。

關(guān)鍵詞：擠出機(jī)；永磁同步電機(jī)；變頻器；節(jié)能

0引言

在塑料擠出成型設(shè)備中，塑料擠出機(jī)通常稱之為主機(jī)，而與其配套的后續(xù)設(shè)備塑料擠出成型機(jī)則稱為輔機(jī)。塑料擠出機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分通常由電動(dòng)機(jī)、減速器和軸承等組成（見(jiàn)圖1）。過(guò)去的電動(dòng)機(jī)以直流調(diào)試為主，隨著交流技術(shù)不斷發(fā)展，交流變頻器已經(jīng)取代了直流調(diào)試，為國(guó)家節(jié)約大量的能源。但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，隨著國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)的提出，2025年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2050年完成碳中和，因此降低電能的消耗成為重要指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)表明65%的電能實(shí)際應(yīng)用在電機(jī)上，而塑料擠出機(jī)電機(jī)功率較大，客戶對(duì)電機(jī)能效要求較高，這就要求我們對(duì)擠出機(jī)電機(jī)有更好的選擇。

1塑料擠出機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.1塑料擠出機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求

如圖1所示，塑料擠出機(jī)是依靠螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力及剪切力，使得物料可以充分進(jìn)行塑化以及均勻混合，并通過(guò)機(jī)頭模具擠出的材料加工設(shè)備。擠出機(jī)基本可分為單螺桿擠出機(jī)和雙螺桿擠出機(jī)兩類，這兩類擠出機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求基本是一致的，一般要求如下：

（1）起動(dòng)力矩大。擠出機(jī)的工作特性決定了電機(jī)必須能夠重載啟動(dòng)，變頻器的低頻輸出轉(zhuǎn)矩要有力，并具有高過(guò)載能力。

（2）調(diào)試性能好。擠出機(jī)要出料均勻，適應(yīng)不同規(guī)格的產(chǎn)品，這要求調(diào)速精度高，范圍大，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(shí)，擠出機(jī)轉(zhuǎn)速基本不受影響，不會(huì)影響效率。

（4）安裝和操作方便。從設(shè)計(jì)考慮，擠出機(jī)電機(jī)功率較大，電機(jī)尺寸越小越好，這就要考慮安裝方便、操作簡(jiǎn)單和控制靈活。

圖1 擠出機(jī)組裝圖

1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成

針對(duì)擠出機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的要求和降低能耗的國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示，我們提出了使用變頻器+永磁同步電機(jī)代替目前的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速方案，這不但提高了擠出機(jī)性能，同時(shí)永磁同步電機(jī)比目前普遍使用的三相異步電機(jī)更加節(jié)能，客戶可以節(jié)約大量用電成本。

圖2 變頻驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)框圖

2永磁同步電機(jī)介紹和電機(jī)選擇

2.1永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示。

從圖3可知，永磁同步電機(jī)的定子、軸承，機(jī)座等部分和變頻電機(jī)基本一致，但它的轉(zhuǎn)子是由磁鋼組成，代替普通電機(jī)的硅鋼片。

磁鋼的材料是永磁材料（磁石），現(xiàn)主要采用燒結(jié)釹鐵硼永磁材料，它具有以下特點(diǎn)：

(1)具有非常高的磁性能，號(hào)稱“磁王”；

(2)具有非常高的抗退磁能力；

(3)可以加工成各種形狀；

(4)是一種各向異性的材料；

(5)使用釹鐵硼的器件具有很好的節(jié)能效果；

(6)使用釹鐵硼的器件可以做到小型化。

圖3 永磁同步電機(jī)構(gòu)成

2.2永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

2.2.1高效率高功率因數(shù)

永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子上嵌入了永磁體后，由永磁體來(lái)建立轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，在正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)子中無(wú)感應(yīng)電流，不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗，只此一項(xiàng)可提高電機(jī)效率5%~10%。由于在永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子中無(wú)感應(yīng)電流勵(lì)磁，定子繞組幾乎呈純阻性負(fù)載，使電機(jī)功率因數(shù)幾乎為1。見(jiàn)圖4，右邊為永磁同步電機(jī)，明顯二次銅損耗為0，因此功率損耗明顯降低，大概為普通電機(jī)的60%。

圖4 永磁同步電機(jī)和異步電機(jī)損耗比較

2.2.2高起動(dòng)力矩高過(guò)載能力

永磁同步電機(jī)起動(dòng)力矩和過(guò)載能力均比普通電動(dòng)機(jī)高一個(gè)功率等級(jí)，最大起動(dòng)力矩與額定起動(dòng)力矩之比可達(dá)3.6倍，而一般普通電動(dòng)機(jī)僅有1.6倍。這是擠出機(jī)傳動(dòng)非常重要的特點(diǎn)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求較大。

2.2.3高精度寬范圍

永磁同步電動(dòng)機(jī)的變頻控制體系無(wú)需采用閉環(huán)控制，就可以保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速精度達(dá)到0.1%~0.01%。本文采用高精度變頻器，在開(kāi)環(huán)控制的情況下，就能達(dá)到0.01%的調(diào)速精度，且調(diào)試范圍可達(dá)到100%。這對(duì)擠出機(jī)非常重要，精度高，控制簡(jiǎn)單。

2.2.4更小體積更輕重量

從永磁同步電機(jī)和普通變頻電機(jī)選型，可以發(fā)現(xiàn)相同功率的電機(jī)，永磁同步電機(jī)的機(jī)座號(hào)更小。分析表明如下：

(1)永磁同步電機(jī)功率因數(shù)高低不受電機(jī)級(jí)數(shù)的限制，在電機(jī)配套系統(tǒng)允許的情況下，可以將電機(jī)的級(jí)數(shù)設(shè)計(jì)的更高，相應(yīng)電機(jī)的體積可以做得更小。

(2)電機(jī)效率的增高，相應(yīng)地?fù)p耗降低，電機(jī)溫升減小，則在采用相同絕緣等級(jí)的情況下，電機(jī)的體積可以設(shè)計(jì)的更小。

(3)電機(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性，可以省去電機(jī)內(nèi)許多無(wú)效部分，如繞組端部，轉(zhuǎn)子端環(huán)等，相應(yīng)體積可以更小。

這種相同功率體積更小和重量更輕非常適合擠出機(jī)設(shè)計(jì)和安裝，同時(shí)對(duì)減速機(jī)的選擇具有更大的性價(jià)比，節(jié)約大量成本。

2.3電機(jī)的選擇

目前能夠生產(chǎn)永磁同步電機(jī)的廠家越來(lái)越多，本文通過(guò)對(duì)不同廠家的比較，發(fā)現(xiàn)霍尼韋爾永磁同步電機(jī)性價(jià)比高，這里簡(jiǎn)單從以下三個(gè)方面說(shuō)明霍尼韋爾永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)：

（1）轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)上：霍尼韋爾永磁同步電機(jī)，采用內(nèi)嵌式高耐溫等級(jí)稀土永磁體，經(jīng)過(guò)穩(wěn)磁處理和表面化學(xué)處理，磁極優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真校核，極大幅度降低退磁風(fēng)險(xiǎn)。

（2）軸承系統(tǒng)：霍尼韋爾永磁同步電機(jī)全系標(biāo)配進(jìn)口品牌軸承。80~160機(jī)座標(biāo)配密封式深溝球軸承；180~355機(jī)座標(biāo)配可潤(rùn)滑深溝球軸承或角接觸球軸承，也可選裝密封式軸承。如需增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)端懸臂力，160~355機(jī)座軸伸端可配圓柱軸承。

（3）電機(jī)尺寸規(guī)格選擇：可以縮小機(jī)座（不同規(guī)格可縮小1~3個(gè)機(jī)座號(hào)），在提高效率的同時(shí)滿足客戶在電機(jī)體積重量上的要求。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)座（與異步機(jī)尺寸一致）在幾乎不用改動(dòng)其他配套設(shè)備的前提下為客戶進(jìn)行設(shè)備升級(jí)和能效升級(jí)。

因此本文采用的是霍尼韋爾永磁同步電機(jī)。

3變頻器選擇和主要參數(shù)

3.1變頻器的選擇

通過(guò)引言中介紹，目前交流變頻器在擠出機(jī)上應(yīng)用成為主流，變頻器控制原理本文不再論述。但在擠出機(jī)上應(yīng)用的變頻器，國(guó)內(nèi)國(guó)外的品牌眾多，要選擇一款適合永磁同步電機(jī)的變頻器，我們主要有三點(diǎn)考慮：①性價(jià)比高；②高性能，參數(shù)豐富；③調(diào)試簡(jiǎn)單，操作方便。通過(guò)不同品牌的比較實(shí)驗(yàn)，東芝變頻有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。因此本文采用東芝變頻器VF-AS3系列。

VF-AS3東芝變頻器具有優(yōu)良的PM（permanentmagnet永磁）同步電機(jī)控制功能，內(nèi)置直流電抗器和濾波器。同時(shí)具有可通過(guò)嵌入式以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高速/實(shí)時(shí)網(wǎng)路通信，無(wú)需任何選配設(shè)備，即可滿足現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的自動(dòng)化要求。這對(duì)以后的遠(yuǎn)程和網(wǎng)絡(luò)化管理提供了方便。本文主要討論東芝變頻對(duì)永磁同步電機(jī)調(diào)整和參數(shù)設(shè)定。

3.2變頻器的主要參數(shù)

除了電機(jī)銘牌的參數(shù)外，下面介紹的是東芝變頻對(duì)永磁同步電機(jī)控制幾個(gè)重要參數(shù)：

   (1)開(kāi)環(huán)控制選擇V/F模式：6，PM電機(jī)的控制。

（2）自動(dòng)調(diào)諧選擇：2，啟動(dòng)指令時(shí)的自動(dòng)調(diào)諧（執(zhí)行后為0）。

（3）電流響應(yīng)：25，為了不讓電流波動(dòng)，電流響應(yīng)應(yīng)設(shè)定在25以下。

（4）速度控制響應(yīng)：2，PM電機(jī)的場(chǎng)合，和感應(yīng)電機(jī)比較容易震動(dòng)，設(shè)置值要小。

（5）PM失步檢測(cè)頻率：20%，反轉(zhuǎn)的判定，超過(guò)基本頻率的20%停止運(yùn)行。

   (6）PM失步檢測(cè)電流電平：75%，以變頻額定電流比率%來(lái)設(shè)定，75%為臨界值。

   (7）PM失步檢測(cè)時(shí)間：0.07s，失步反轉(zhuǎn)判定條件，7ms跳閘運(yùn)行停止。

   (8）PM控制模式選擇：3，為了良好的遞減轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用。IPM和沒(méi)有凸極性的SPM電機(jī)都能適用情況，有時(shí)有反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

4永磁同步電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能

4.1永磁同步電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)在2020提高了電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)完全一致，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的最高等級(jí)能效一級(jí)相當(dāng)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的IE5，以此類推，如圖5所示。本文選用的霍尼韋爾永磁同步電機(jī)為IE5標(biāo)準(zhǔn)，能效一級(jí)，是目前的最高等級(jí)。

圖5 電機(jī)能效國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

4.2節(jié)能

大連三壘科技有限公司在SJ-120×38/SJ-90×38單螺桿擠出機(jī)上已經(jīng)開(kāi)始使用東芝變頻+霍尼韋爾永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案，通過(guò)測(cè)試相同功率315kW霍尼韋爾永磁同步電機(jī)（IE5）和三相異步變頻電機(jī)（IE3），繪制出永磁同步電機(jī)和異步電機(jī)效率、功率因數(shù)和負(fù)載的曲線圖（見(jiàn)圖6），具體分析的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

從表1我們能夠看出，在實(shí)際經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)永磁同步電機(jī)效率和功率因數(shù)有很大的優(yōu)勢(shì)，無(wú)論效率和功率因數(shù)基本可以在90%以上。同時(shí)我們監(jiān)控能耗，節(jié)能效果非常明顯，見(jiàn)表2。

圖6 永磁同步電機(jī)和異步電機(jī)曲線圖

表1 永磁同步電機(jī)和異步電機(jī)比較表1

表2 永磁同步電機(jī)和異步電機(jī)比較表2

從表2所示，在運(yùn)行負(fù)載實(shí)際扭矩是額定扭矩50%~80%（一般擠出機(jī)運(yùn)行的扭矩）的條件下，按一年計(jì)算，大概為18×8760=157680kW.h，實(shí)際節(jié)約費(fèi)用預(yù)估可達(dá)15萬(wàn)元/年，大概連續(xù)運(yùn)行半年左右可收回電機(jī)的成本。

5結(jié)論

變頻驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)在擠出機(jī)的應(yīng)用，從目前的擠出機(jī)傳動(dòng)方案來(lái)說(shuō)，對(duì)提高擠出機(jī)性能有很大的優(yōu)勢(shì)。尤其在國(guó)家提出碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)以后，永磁同步電機(jī)在塑料擠出機(jī)上使用是非常必要的。目前從客戶現(xiàn)場(chǎng)使用情況看，客戶非常滿意，設(shè)備運(yùn)行良好。