变频器在塑料编织行业中的应用与节能

0 引言

塑料编织行业在我国已有近三十年的历史了，塑编行业从无到有、从小到大，已成为国民经济中不可缺少的一部分，在产品包装中占有着举足轻重的地位。

传动技术被广泛的运用在工业设备中，塑编设备也不例外，随着我国制造水平，国内外传动技术的发展，塑编设备已从早期的单电机机械连轴传动向多电机独立调速发展，从最早的滑差电机向直流电机发展，随着变频技术的飞跃发展，变频调速已经成了一种潮流、一种趋势，三相异步电机已经可以运用到塑编设备的各个动力环节，实现了生产线的全变频控制方式。

变频调速具有体积小，重量轻，精度高，通用性强，工艺先进，功能丰富，保护齐全，可靠性高，操作简便等优点，优于以往的任何调速方式，在维护上也比其他控制方式简单，方便。我国工业虽然近年来发展迅猛，但电力资源的发展相对于工业发展来说还存在滞后，直接影响了我国工业的发展，电力消耗也是企业生产中能耗的重要组成部分，直接影响着企业的经济效益。

塑编企业电能的80%左右消耗在各个电机拖动上，交流电动机不仅可以拖动各工艺传动辊还可以拖动风机负荷，具有相当的节电潜力，这也就为变频技术在塑编设备上的应用提供了较为广阔的应用天地。

1 变频调速的原理

变频调速是根据三相异步电机的工作原理而采用的一种调速形式，其电机调速公式为n= 60 f(1-s)/ p，其中：n 为电机的转速;p 为电机定子绕组的磁极对数;f 为电机供电电源的频率;s 为转差率。塑编行业中应用的电机一般为4 极，其磁极对数为2。我国的电源频率为50 Hz，通过公式计算可知，这种电机的同步转速为1 500 r/min。因此在电机极对数不变的情况下进行调速，根据公式，只有改变电机的供电频率f。而异步电机的转速与同步电机转速相对应，改变电机的供电频率即改变了电机的转速。电源频率增加，同步转速n 增加，实际转速也增加;电源频率下降，电机同步转速下降，电机实际转速也下降。这种通过改变电机电压频率的调速方式即为变频调速。在整个变频调速过程中，在一固定的转矩T 下，转差率s 基本不变，随着电机转速n 的下降，电机磁场角速度鬃也减小，电机的输入功率PM=T鬃和输出功率P=PM(1-s)也降低。而损耗没有增加，由此可见，变频调速是电机控制中较为高效的调速方法。电机变频调速能够实现无级调速功能，而且根据不同的负载类型，可以灵活地调节V 与f 的关系，满足各种场合的运用。

2 变频调速的应用

2.1 变频调速在塑编设备挤出机中的应用塑编设备挤出机的种类很多，用途也多种多样，但它们的原理基本一样，即把塑料熔融挤出。

其工作原理为通过螺杆在机筒里旋转，经过固体输送、熔融输送、熔体输送三个环节后，熔体从机筒进入模头。如果是圆模头，熔体挤出模后被牵引、切割分丝，生产成扁丝，也可以吹膜。如是平模头，熔体挤出后被牵引，切割分丝，同样可以生产扁丝。也可以在挤出平模后和编织布、纸等涂模，生产复合布。挤出机的传动系统由调速电机、减速机、联轴节、机座、轴承等组成。它的作用是给螺杆提供稳定的转速和扭据，它为挤出机提供动力和传递扭矩。出于工艺的需求，对于挤出机的螺杆转速有两方面要求，一要求是无级调速，二是要有一定的调节范围，这样才能控制挤出量，以满足不同的原料和加工要求。由于挤出机在启动时其机头压力较大，那么在螺杆从静态到转动时候就需要一个加速的过程，螺杆速度会由慢逐步加快，因而需要调速器控制电机启动时低速平稳运行。在使用过程中，螺杆的压力和挤出机电机的速度也不是一成不变的，在一个工作周期内也存在波动，这在工艺上也是不允许的。这是因为这样一方面造成了动力的浪费，另一方面增加了料筒与螺杆之间的摩擦，产生了大量的热量，这就需要加装冷却风机，从而进一步浪费了能量。同时电机工作在低速的负载上时，功率因数低，电网的无功消耗也大。综合起来，传统的控制方式存在着能量浪费，最佳的工作方式还是采用变频调速方案，其具有负载变化响应快，短时过载能力强的特点，并可以精确控制螺杆的压力。以施耐德变频器ATV71为例，利用内置PID调节回路，实时地控制料筒内的熔体压力，在保证工作需要压力的情况下，大幅度降低了工作能耗，有效改善了电网的质量，并节省了无功功率。

2.2 变频调速在牵伸辊上的应用

牵伸辊是塑编设备的重要组成部分，牵伸比的控制，决定着扁丝相对拉断力和断裂伸长率这两个重要指标的控制。同时，它也决定是否劈丝，线密度是否均匀等问题。牵伸比调节控制图如图1 所示。

以图1 为例，实现牵伸比就是在牵引辊和牵伸辊之间形成速差，使得扁丝在两辊之间拉伸，满足工艺的要求。为了保证产品的品质，需要牵伸辊和牵引辊电机具有很高的控制精度，并在同步升速降速时，具有良好的同步效果。变频调速系统是高效率和高性能的调速系统，完全满足工艺要求。

通过改变定子供电频率，电机转速可得到宽范围的无级调节。对定子电压(或电源)以及频率按一定规律进行协调控制，可提高传动系统的运行特性和快速响应特性。如果采用闭环控制系统，整个调速系统可获得精度高且优良的传动特性。根据图1可以看出，该类负载属于恒转矩负载，即不管生产线的速度如何变化，负载的扭矩是不变的。根据公式P=KTn(式中P为轴功率，K 为系数，T 为负载扭矩，n 为电机速度)，可以看出利用变频调速后，当线速度为电机速度的50%时，电机能耗也只有原先的50%，其节能效果显著。

2.3 变频调速在塑编设备风机中的应用

塑编设备在生产过程中经常使用烘箱，作为扁丝的加热设备，传统设计中，一般采用调节风门来调节烘箱的风流量。通过物理力学原理我们知道此类负载属于变转矩负载，其风流量与电机转速成正比，压力与转速的平方成正比，当需要减小风流量时，降低电机速度，电机功耗将大幅度的降低。例如当流量降为原先流量的80%时，电机功率为原先的51%，下降了一半，因此变频调速在风机上的节能效果是显著的。

3 变频调速在塑编设备中的注意事项

在塑编设备中经常采用电压型变频器作为变频调速设备，但在塑编设备中，各牵引辊为了达到一定的拉伸倍数，使得部分调速电机处在电动和发电两种状态下，而普通的电压型变频器前端不具有电源逆变回路，因此当电机工作在发电状态时，电机的反馈能量通过续流二级管流入了变频器的直流侧，使得滤波电容电压上升，如电压过高会引起变频器过压保护动作，导致设备故障跳停，甚至烧毁开关变流器件。加装制动回路能够解决这一问题，此时电机反馈的能量消耗在制动电阻上。为了节约能量，可以把相近功率的调速器的直流母线相连，这样当某个电机工作在发电状态时，电机反馈回来的能量流入其它变频器的直流母线中，被其它电机所利用，防止了能量的浪费。当然如果条件允许，可给整个调速系统加设直流电源装置来为系统供电，这也是节能的一个不错的选择，但成本太大，一般不采用。

4 结语

现在，变频调速已经成为节约能源的一个重要手段，引起了人们的普遍关注。不仅因为交流拖动负荷在企业的总用电量中占有很大的分量，对该种负荷进行能源优化，可以获得十分可观的节电效益;而且交流拖动系统具有很大的节电潜力。

在设备拖动设计中，交流电机及其所拖动的机械往往都留有一定的裕量，而且一般也不总是在最大负荷下运行;轻载时，通过对电动机的速度进行控制改变某些工作机械的工况，就可达到节电的目的。

交流电机采用变频调速技术是现今调速系统的趋势，它具有体积小、重量轻、精度高、通用性强、工艺先进、功能丰富、保护出色、可靠性高、操作简便等优于以往任何调速方式的特点。并且随着电子技术的发展，变频器的制造成本明显降低，它的经济效益也越来越大。