(大連三壘科技有限公司,遼寧大連116024)

摘 要：本文主要針對塑料擠出機的傳動系統(tǒng)，應(yīng)用變頻器驅(qū)動永磁同步電機。詳細說明了永磁同步電機和常規(guī)的三相異步電機相比，具有高效率、高功率因數(shù)、起動轉(zhuǎn)矩大、高精度、寬范圍、結(jié)構(gòu)簡潔、尺寸小等優(yōu)點。同時通過應(yīng)用東芝變頻器VF-AS3參數(shù)優(yōu)化和調(diào)節(jié)，提升永磁同步電機的工作效率，可以使客戶降低成本、節(jié)約能源、保證擠出機運行良好。

關(guān)鍵詞：擠出機；永磁同步電機；變頻器；節(jié)能

0引言

在塑料擠出成型設(shè)備中，塑料擠出機通常稱之為主機，而與其配套的后續(xù)設(shè)備塑料擠出成型機則稱為輔機。塑料擠出機的驅(qū)動部分通常由電動機、減速器和軸承等組成（見圖1）。過去的電動機以直流調(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，為國家節(jié)約大量的能源。但這遠遠不夠，隨著國家新標準的提出，2025年實現(xiàn)碳達峰，2050年完成碳中和，因此降低電能的消耗成為重要指標，統(tǒng)計表明65%的電能實際應(yīng)用在電機上，而塑料擠出機電機功率較大，客戶對電機能效要求較高，這就要求我們對擠出機電機有更好的選擇。

1塑料擠出機的驅(qū)動系統(tǒng)

1.1塑料擠出機對驅(qū)動電機的要求

如圖1所示，塑料擠出機是依靠螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力及剪切力，使得物料可以充分進行塑化以及均勻混合，并通過機頭模具擠出的材料加工設(shè)備。擠出機基本可分為單螺桿擠出機和雙螺桿擠出機兩類，這兩類擠出機對驅(qū)動電機要求基本是一致的，一般要求如下：

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

（2）調(diào)試性能好。擠出機要出料均勻，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。要保證負載變化時，擠出機轉(zhuǎn)速基本不受影響，不會影響效率。

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

圖1 擠出機組裝圖

1.2驅(qū)動系統(tǒng)組成

針對擠出機對驅(qū)動性能的要求和降低能耗的國家新標準，如圖2所示，我們提出了使用變頻器+永磁同步電機代替目前的三相異步電機變頻調(diào)速方案，這不但提高了擠出機性能，同時永磁同步電機比目前普遍使用的三相異步電機更加節(jié)能，客戶可以節(jié)約大量用電成本。

圖2 變頻驅(qū)動永磁同步電機框圖

2永磁同步電機介紹和電機選擇

2.1永磁同步電機的結(jié)構(gòu)

永磁同步電機基本結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示。

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

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：

(1)具有非常高的磁性能，號稱“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 永磁同步電機構(gòu)成

2.2永磁同步電機的優(yōu)點

2.2.1高效率高功率因數(shù)

永磁同步電機在轉(zhuǎn)子上嵌入了永磁體后，由永磁體來建立轉(zhuǎn)子磁場，在正常工作時轉(zhuǎn)子和定子磁場同步運行，轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流，不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗，只此一項可提高電機效率5%~10%。由于在永磁電機轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流勵磁，定子繞組幾乎呈純阻性負載，使電機功率因數(shù)幾乎為1。見圖4，右邊為永磁同步電機，明顯二次銅損耗為0，因此功率損耗明顯降低，大概為普通電機的60%。

圖4 永磁同步電機和異步電機損耗比較

2.2.2高起動力矩高過載能力

永磁同步電機起動力矩和過載能力均比普通電動機高一個功率等級，最大起動力矩與額定起動力矩之比可達3.6倍，而一般普通電動機僅有1.6倍。這是擠出機傳動非常重要的特點，啟動轉(zhuǎn)矩要求較大。

2.2.3高精度寬范圍

永磁同步電動機的變頻控制體系無需采用閉環(huán)控制，就可以保證電機的轉(zhuǎn)速精度達到0.1%~0.01%。本文采用高精度變頻器，在開環(huán)控制的情況下，就能達到0.01%的調(diào)速精度，且調(diào)試范圍可達到100%。這對擠出機非常重要，精度高，控制簡單。

2.2.4更小體積更輕重量

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

(1)永磁同步電機功率因數(shù)高低不受電機級數(shù)的限制，在電機配套系統(tǒng)允許的情況下，可以將電機的級數(shù)設(shè)計的更高，相應(yīng)電機的體積可以做得更小。

(2)電機效率的增高，相應(yīng)地損耗降低，電機溫升減小，則在采用相同絕緣等級的情況下，電機的體積可以設(shè)計的更小。

(3)電機結(jié)構(gòu)的靈活性，可以省去電機內(nèi)許多無效部分，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設(shè)計和安裝，同時對減速機的選擇具有更大的性價比，節(jié)約大量成本。

2.3電機的選擇

目前能夠生產(chǎn)永磁同步電機的廠家越來越多，本文通過對不同廠家的比較，發(fā)現(xiàn)霍尼韋爾永磁同步電機性價比高，這里簡單從以下三個方面說明霍尼韋爾永磁同步電機的優(yōu)勢：

（1）轉(zhuǎn)子設(shè)計上：霍尼韋爾永磁同步電機，采用內(nèi)嵌式高耐溫等級稀土永磁體，經(jīng)過穩(wěn)磁處理和表面化學處理，磁極優(yōu)化設(shè)計和仿真校核，極大幅度降低退磁風險。

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

（3）電機尺寸規(guī)格選擇：可以縮小機座（不同規(guī)格可縮小1~3個機座號），在提高效率的同時滿足客戶在電機體積重量上的要求。標準機座（與異步機尺寸一致）在幾乎不用改動其他配套設(shè)備的前提下為客戶進行設(shè)備升級和能效升級。

因此本文采用的是霍尼韋爾永磁同步電機。

3變頻器選擇和主要參數(shù)

3.1變頻器的選擇

通過引言中介紹，目前交流變頻器在擠出機上應(yīng)用成為主流，變頻器控制原理本文不再論述。但在擠出機上應(yīng)用的變頻器，國內(nèi)國外的品牌眾多，要選擇一款適合永磁同步電機的變頻器，我們主要有三點考慮：①性價比高；②高性能，參數(shù)豐富；③調(diào)試簡單，操作方便。通過不同品牌的比較實驗，東芝變頻有絕對的優(yōu)勢。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）同步電機控制功能，內(nèi)置直流電抗器和濾波器。同時具有可通過嵌入式以太網(wǎng)實現(xiàn)高速/實時網(wǎng)路通信，無需任何選配設(shè)備，即可滿足現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的自動化要求。這對以后的遠程和網(wǎng)絡(luò)化管理提供了方便。本文主要討論東芝變頻對永磁同步電機調(diào)整和參數(shù)設(shè)定。

3.2變頻器的主要參數(shù)

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

   (1)開環(huán)控制選擇V/F模式：6，PM電機的控制。

（2）自動調(diào)諧選擇：2，啟動指令時的自動調(diào)諧（執(zhí)行后為0）。

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

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

（5）PM失步檢測頻率：20%，反轉(zhuǎn)的判定，超過基本頻率的20%停止運行。

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

   (7）PM失步檢測時間：0.07s，失步反轉(zhuǎn)判定條件，7ms跳閘運行停止。

   (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和沒有凸極性的SPM電機都能適用情況，有時有反向轉(zhuǎn)動。

4永磁同步電機標準和節(jié)能

4.1永磁同步電機標準

我國在2020提高了電機能效標準，現(xiàn)在的國家標準和國際標準完全一致，國家標準的最高等級能效一級相當于國際標準的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為IE5標準，能效一級，是目前的最高等級。

圖5 電機能效國際和國內(nèi)標準

4.2節(jié)能

大連三壘科技有限公司在SJ-120×38/SJ-90×38單螺桿擠出機上已經(jīng)開始使用東芝變頻+霍尼韋爾永磁同步電機的驅(qū)動方案，通過測試相同功率315kW霍尼韋爾永磁同步電機（IE5）和三相異步變頻電機（IE3），繪制出永磁同步電機和異步電機效率、功率因數(shù)和負載的曲線圖（見圖6），具體分析的數(shù)據(jù)見表1。

從表1我們能夠看出，在實際經(jīng)濟運行區(qū)永磁同步電機效率和功率因數(shù)有很大的優(yōu)勢，無論效率和功率因數(shù)基本可以在90%以上。同時我們監(jiān)控能耗，節(jié)能效果非常明顯，見表2。

圖6 永磁同步電機和異步電機曲線圖

表1 永磁同步電機和異步電機比較表1

表2 永磁同步電機和異步電機比較表2

從表2所示，在運行負載實際扭矩是額定扭矩50%~80%（一般擠出機運行的扭矩）的條件下，按一年計算，大概為18×8760=157680kW.h，實際節(jié)約費用預(yù)估可達15萬元/年，大概連續(xù)運行半年左右可收回電機的成本。

5結(jié)論

變頻驅(qū)動永磁同步電機在擠出機的應(yīng)用，從目前的擠出機傳動方案來說，對提高擠出機性能有很大的優(yōu)勢。尤其在國家提出碳達峰和碳中和目標以后，永磁同步電機在塑料擠出機上使用是非常必要的。目前從客戶現(xiàn)場使用情況看，客戶非常滿意，設(shè)備運行良好。