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　　摘 要：本文在分析了現(xiàn)有塑料擠出機(jī)的組成及控制方式后，提出了節(jié)能更高和控制更靈活的異步伺服驅(qū)動系統(tǒng)改造方案，給出了實(shí)際改造效果。

　　關(guān)鍵詞：螺桿擠出機(jī)、基頻制電機(jī)、伺服驅(qū)動器

　　1、 塑料螺桿擠出機(jī)現(xiàn)狀

　　隨著中國塑料工業(yè)的發(fā)展，近幾年來中國塑料機(jī)械工業(yè)的年增長率都在30%左右，利潤率增長也遠(yuǎn)高于工業(yè)總產(chǎn)值的增長，是中國機(jī)械行業(yè)中增長最快的產(chǎn)業(yè)之一。目前中國生產(chǎn)的塑料加工機(jī)械已可以滿足國內(nèi)的基本需要，但與世界先進(jìn)水平相比，中國塑料加工機(jī)械在質(zhì)量穩(wěn)定性、自動化程度等方面還有一定差距。同時(shí)，塑料原材料和鋼材價(jià)格的不斷攀升給塑料加工業(yè)以及塑機(jī)機(jī)械生產(chǎn)行業(yè)帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)， 進(jìn)一步提高擠出機(jī)械的精密度和質(zhì)量是塑料行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

　　塑料通過擠出機(jī)塑化成均勻的熔體，在塑化中建立的壓力作用下，并經(jīng)螺桿連續(xù)地定溫、定量、定壓地?cái)D出機(jī)頭。大部份熱塑性塑料均采用此方法。螺桿擠出機(jī)是最常用的擠出機(jī)，有多種不同的型號和規(guī)格。

　　一臺擠出機(jī)主機(jī)由擠壓、傳動、加熱三部分系統(tǒng)組成。擠壓系統(tǒng)主要由螺桿和機(jī)桶組成，是擠出機(jī)的關(guān)鍵部分;傳動系統(tǒng)中起作用是驅(qū)動螺桿，要保證螺桿在工作過程中具備所需要的扭矩和轉(zhuǎn)速;加熱系統(tǒng)主要來保證物料和擠壓系統(tǒng)在成型加工中的溫度控制;擠出設(shè)備輔機(jī)的組成根據(jù)制品的種類而定。一般說來，輔機(jī)由劑透定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置 、切割裝置以及制品的卷取或堆放裝置等部分組成。

　　塑料加工生產(chǎn)工藝要求螺桿擠出機(jī)的電機(jī)系統(tǒng)要低轉(zhuǎn)速（通常螺桿機(jī)工作的轉(zhuǎn)速在30-120rpm,最高不超過160rpm）、大扭矩輸出。而目前螺桿擠出機(jī)普遍采用的電機(jī)系統(tǒng)是由普通異步電機(jī)、變頻器及減速機(jī)構(gòu)（齒輪箱及皮帶輪）組成。存在效率低、調(diào)速范圍窄、耗電大、在負(fù)載變化時(shí)響應(yīng)速度跟不上、螺桿速度不穩(wěn)導(dǎo)致吹出的薄膜厚度不均等問題（尤其，要求精度較高的食品膜印刷膜等，無法滿足質(zhì)量要求）、而齒輪箱的定期保養(yǎng)維護(hù)工作也較繁瑣，并且在生產(chǎn)過程中減速機(jī)構(gòu)潤滑油的泄漏也造成工作環(huán)境的污染。我公司和某塑料機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)合作，針對該公司現(xiàn)有的塑料吹膜機(jī)械進(jìn)行了改造，以提高該塑料機(jī)械的技術(shù)含量和產(chǎn)品的競爭力，來滿足客戶日益提高的需求。采用交流異步基頻制電機(jī)的伺服控制技術(shù)，替代原螺桿擠出機(jī)電機(jī)系統(tǒng)，改善了以上的不足，為此類機(jī)械的升級換代提供了一種創(chuàng)新的思路和可廣泛推廣的解決方案。

圖1、螺桿擠出機(jī)

　　2、塑料螺桿擠出機(jī)解決方案

　　大連安迪數(shù)控技術(shù)有限公司是由留日海歸博士和國內(nèi)自動化學(xué)者共同投資組建的高新技術(shù)企業(yè)。專門從事于交流永磁同步伺服系統(tǒng)和交流異步伺服系統(tǒng)的研發(fā)、制造、銷售和服務(wù)，為客戶提供完美的伺服解決方案。

圖2、PMSM交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動

　　ADSD-AS系列交流異步伺服驅(qū)動器基于高性能DSP+IPM的硬件平臺，性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度高、功能完善，具備多種控制方式、靈活的外部端子運(yùn)行方式、方便的運(yùn)行信號自定義等，保護(hù)功能完善，提供標(biāo)準(zhǔn)RS485通訊方式等，可適配SIEMENS、FAGOR等進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)及廣州數(shù)控、華中數(shù)控、臺達(dá)數(shù)控、大連數(shù)控等國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于機(jī)床主軸、包裝印刷、紡織印染、橡塑機(jī)械等行業(yè)，可有效改善設(shè)備性能、提高產(chǎn)成品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、提升工藝、降低成本。

　　本項(xiàng)目采用安迪異步伺服電機(jī)系統(tǒng)——低速大扭矩基頻制電機(jī)加編碼器和異步伺服驅(qū)動器取代原有的普通交流異步電機(jī)和變頻器，并去掉了原有傳動機(jī)構(gòu)中的減速機(jī)（齒輪箱），使整套設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)得到簡化，并且彌補(bǔ)了原有設(shè)備的不足，改造后的設(shè)備無論在技術(shù)含量和加工工藝上都有了明顯的改善，不僅滿足了客戶的質(zhì)量要求，而且還具備節(jié)約電能、便于維護(hù)、利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，提高了企業(yè)在同行中的競爭力。

　　（1） 改造前、后系統(tǒng)構(gòu)成對比

圖3、異步伺服驅(qū)動器改造方案

　　（2） 改造前、后控制方式對比

　　改造前：螺桿擠出機(jī)電機(jī)——交流異步電動機(jī)（18.5kW,50Hz基頻，4極，1470rpm，120N.m）采用變頻器驅(qū)動，端子運(yùn)行、電位器調(diào)速，開環(huán)速度控制方式，機(jī)械系統(tǒng)中間傳動比為1：8左右，變頻器正常運(yùn)行在30Hz左右，最高不超過40Hz。

　　改造后：電機(jī)為基頻制電機(jī)（11kW,25Hz基頻，8極，342rpm,310N.m）加編碼器，采用異步伺服驅(qū)動器閉環(huán)速度控制方式，保留了原來的操作習(xí)慣外部運(yùn)行、電位器調(diào)速，機(jī)械系統(tǒng)中間傳動比為1：3，伺服驅(qū)動器運(yùn)行在40Hz左右。

　　（3） 改造前、后的效果對比

　　由于螺桿擠出機(jī)的主軸工作轉(zhuǎn)速較低，一般在工作30～120rpm左右，最高不超過160rpm。使用普通異步電機(jī)需要接近1:10的減速機(jī)構(gòu)。而安迪公司特別選用的基頻制電機(jī)采用增加電機(jī)極數(shù)、降低電機(jī)基頻的方法，使電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速降到350rpm以下，并且電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大幅度提高，因而可以減小中間速比、取消齒輪箱。為防止故障堵轉(zhuǎn)損壞電機(jī)，而保留了一級皮帶傳動。

　　變頻器調(diào)速在電機(jī)的基頻點(diǎn)是效率和輸出轉(zhuǎn)矩的最高點(diǎn)，根據(jù)其特征曲線，在基頻以下輸出轉(zhuǎn)矩和效率都有所下降。因此，為了低速時(shí)保證足夠的輸出轉(zhuǎn)矩，必須加大電機(jī)選型功率，造成額外的電能的浪費(fèi);而安迪異步伺服控制器在電機(jī)基頻以下保持恒轉(zhuǎn)矩輸出，并有三倍額定轉(zhuǎn)矩以上的過載能力。因而采用安迪異步伺服控制系統(tǒng)可以保證螺桿擠出機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速之間輸出轉(zhuǎn)矩不小于額定轉(zhuǎn)矩。根據(jù)變頻器控制電機(jī)低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩下降曲線，采用伺服控制器可以將電機(jī)功率減小到變頻控制的1/2～2/5。

　　原系統(tǒng)采用變頻開環(huán)速度控制方式，速度精度不高，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，響應(yīng)速度跟不上，且不能自動調(diào)整系統(tǒng)積累誤差。所以，制成品厚薄不均，質(zhì)量很難保證、尤其是要求精度較高的食品、藥品薄膜，而如果使用變頻器驅(qū)動基頻制電機(jī)，由于其調(diào)速范圍小，低速轉(zhuǎn)矩不足，在低頻時(shí)工作狀態(tài)不佳。在低于10Hz的情況下，力矩明顯不足。安迪異步伺服驅(qū)動器具有較寬的調(diào)速范圍，且低頻力矩特性良好，可在低速時(shí)平穩(wěn)精確的控制電機(jī)，以保障螺桿速度的穩(wěn)定。對于生產(chǎn)薄膜厚度有嚴(yán)格要求的高精度吹膜機(jī)設(shè)備，可以精確控制螺桿速度，與變頻器相比具有很大的技術(shù)優(yōu)勢。

　　3、經(jīng)濟(jì)效果分析

　　通過廣泛比較，采用安迪異步伺服控制系統(tǒng)的成本與原變頻調(diào)速控制系統(tǒng)成本基本持平或略高。安迪異步伺服驅(qū)動器+基頻制電機(jī)+編碼器的價(jià)格要高于原異步電動機(jī)+變頻器的價(jià)格， 但取消了齒輪箱，降低了金屬原料成本、減少了鑄造和機(jī)加工工序、減化了安裝調(diào)試過程、降低了設(shè)備機(jī)械方面的維護(hù)成本。

　　經(jīng)實(shí)測，改造后的擠出機(jī)綜合節(jié)電率達(dá)30-40%，節(jié)電的費(fèi)用對于設(shè)備的最終用戶有較大的吸引力。按上述改造案例進(jìn)行成本分析，電機(jī)功率減小7.5kW，按耗電量每小時(shí)7.5度（kWh）電，連續(xù)工作一天24小時(shí)，節(jié)電180度（此類機(jī)械需要預(yù)加熱過程，故連續(xù)生產(chǎn)最為經(jīng)濟(jì)）。按工業(yè)用電0.8元/度,一個月按25天計(jì)算，每月節(jié)約電費(fèi)3500元。三個月的節(jié)電費(fèi)用已完全可以收回因采用伺服控制系統(tǒng)所增加的成本，以后的節(jié)電費(fèi)用便可以大大降低用戶的生產(chǎn)成本。并且產(chǎn)品質(zhì)量的提高也是潛在的收益。

　　4、結(jié)論

　　綜上所述，在塑料螺桿擠出機(jī)上與傳統(tǒng)變頻控制方式比，采用安迪交流異步伺服控制系統(tǒng)有較大技術(shù)優(yōu)勢，有效降低了用電量、提高了控制精度、提高了設(shè)備的效率、提高了用戶的產(chǎn)品質(zhì)量。提高了塑料螺桿擠出機(jī)的性能，提高了企業(yè)在同行中的競爭力，并最終帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。值得推廣。