新時達ME500變頻器在永磁同步擠出機上的應用

葉青，孟慶旭，朱琳

（上海新時達機電科技有限公司，上海 201802）

新時達ME500變頻器在永磁同步擠出機上的應用

葉青，孟慶旭，朱琳

（上海新時達機電科技有限公司，上海 201802）

目前橡膠擠出機驅動系統一般采用直流驅動。隨著國家對能效越來越重視，直流驅動固有的缺點越發明顯。新時達公司創新性的在橡膠擠出機當中提出了永磁同步變頻驅動解決方案，采用此方案后使系統整體能效得到了大幅度的提升，同時提高了系統穩定性、降低了后期維護成本。

新時達；ME500；永磁同步電機；擠出機

橡膠擠出機是橡膠工業的一種基本設備，是影響產品質量的關鍵設備之一，在輪胎和橡膠制品的生產過程中起著非常重要的作用。隨著擠出工藝對擠出機性能要求的提高和驅動技術的進步，使擠出機的驅動系統發生了許多變化。最早的傳統交流電機定速驅動、整流子電機變速驅動及交流電機齒輪箱有級變速驅動已被淘汰，后來取而代之的是直流電機無級變速驅動。隨著電力電子技術、微處理器以及現代控制理論的發展，交流變頻調速技術取得了空前的發展，其顯著特性使直流調速本身的缺點越加明顯，因此交流變頻調速在橡膠擠出機的應用中取代直流調速是必然趨勢。

1 銷釘式冷喂料擠出機工藝介紹

歐美等發達國家主要以冷喂料擠出機為主，隨著我國子午線輪胎生產的快速發展，冷喂料擠出機成為熱喂料擠出機和普通冷喂料擠出機的換代產品。

銷釘式冷喂料擠出機是將銷釘從機筒圓周方向徑向插入螺桿螺紋槽中，將流動的膠料進行剪切和攪拌。膠料變成熔體以低剪切速率在螺桿螺紋中流動，逐漸形成連續的粘流體，這樣便破壞了膠料在擠出過程中的層流和結塊現象，打破了膠塊，達到了膠料塑化好、膠溫低和節能的效果，簡化了生產工藝。銷釘式冷喂料擠出機的出現， 使冷喂料擠出機技術得到了很大的發展和提高。

銷釘式冷喂料擠出機在螺桿結構上較為特殊，在機筒上增加了銷釘，主電機啟動時間段阻力矩較大，這對變頻器的低頻轉矩要求較高。為了保證膠料的塑化性能與致密性，這要求變頻器穩速精度要高同時能可靠地連續工作。

綜合以上擠出機的運行特點與現場工況，擠出機工藝對驅動系統的要求如下：

（1）啟動力矩要大。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矩要好，并有較高的過載能力。

（2）調速性能要好。擠出機轉速要根據排膠速度、混煉時間等因素進行動態調速。這要求穩速精度要高，變頻調速方便，調速范圍大，能滿足各種工況下的調速要求。

（3）特性曲線要硬。要保證負載變化時（如膠料雜質變多，老化嚴重），擠出機轉速基本上不受影響，防止負載大小不同時速降過大，導致可塑度不均、排膠不規則等膠片品質問題，影響客戶生產效率。

（4）工作方式轉換容易。要能夠方便的進行自動、半自動、手動等工作方式的轉換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉換影響正常生產。

2 新時達永磁同步變頻驅動方案介紹

針對冷喂料擠出機對驅動系統的要求，我們創新性的提出了使用變頻器+永磁同步電機的驅動系統代替傳統的直流調速，這樣可大大提高工作效率和運行成本，可實現真正意義上的免維護。控制系統框圖如圖1所示。

圖1 永磁同步變頻驅動擠出機系統框圖

3 新時達永磁同步變頻驅動優勢分析

交流變頻調速，應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機。隨著電力電子技術與矢量控制技術的發展，交流變頻調速在性能上已經完全達到甚至超越傳統的直流調速技術。

新時達ME500變頻器內置永磁同步電機高性能定向開環矢量控制算法，經過新時達的優化擁有比直流驅動更好的控制性能和轉矩響應速度，開環轉速控制精度優于0.2%，0 Hz下200%的啟動轉矩，能夠實現1：1 000的調速范圍。而采用無速度傳感器矢量控制，避免了速度傳感器帶來的種種限制，同時還可以提高系統的可靠性，降低系統的成本。

無速度傳感器矢量控制的基本控制過程為：速度給定ω0與通過速度位置估算得來的速度ω進行比較，再經過PI速度控制器調節，產生定子電流轉矩分量參考值iq_ref，并作為電流控制器的給定信號，由MTPA算法得出勵磁分量參考值iq_ref，通過電流采樣得到三相定子電流，經過Clarke變換將其轉換為α-β兩相靜止電流坐標系下的電流，再通過Park 變換為d-q兩相旋轉坐標系下電流id，iq分別與兩個調節器的參考值比較，再經過控制器變為電壓信號Vsd_ref和Vsq_ref，再經過Park逆變換和空間矢量脈寬調制（SVPWM）得到電壓信號，最后輸入PWM逆變器，驅動永磁同步電機，對其速度進行控制，實現永磁同步電機的變頻調速控制。在此過程中調整定子電流的勵磁分量id和轉矩分量iq，能使系統具有很好的機械特性和優良的動態性能，由于永磁同步電機轉子結構的多樣性，其定子電流控制模式也多種多樣，對應不同的轉子結構，主要有id=0控制、MTPA（最大轉矩電流比）控制、單位功率因數控制和恒磁鏈控制等控制方法，圖2采用的是MTPA控制框圖。

圖2 無速度傳感器矢量控制框圖

3.1 新時達ME500變頻器的優勢

（1）突加負載能力突出

擠出機的工作過程中，物料的擠壓過程，是負載不斷變化的過程，需要電機對負載變化有較快的響應，如圖3所示，在5%額定轉速下突加1.5倍額定負載，變頻器輸出電流波形在很短時間（0.46 s）內即可恢復正常。

（2）低速帶載能力強

擠出機在應用過程中，有時需要低頻啟動，由于螺桿的慣量較大，需要的啟動轉矩也較大，尤其在沒有編碼器的情況下，很容易造成啟動過流，ME500變頻器提供較強的啟動能力，如圖4所示，在5%的額定轉速下帶2.21倍額定負載，電流幅值平穩，低速帶載能力達到2倍以上，采用開環控制時，最大實現1.5倍帶載啟動，完全滿足擠出機低速帶載能力的要求。

（3）轉速穩態精度高

通過新時達ME500變頻器高性能的同步電機控制算法，永磁同步電機可以穩定的運行在各個不同的頻率點。在不同負載（1.0、1.2、1.5倍額定負載）測試電機的轉速和帶載之后的電機轉速，其中在1.5倍負載時，電機轉速穩態精度仍然可達到0.1%，橡膠的基礎效果依然非常好。

（4）節能效果明顯

針對擠出機節能要求，ME500變頻器采用高效率的MTPA算法和獨特的低損耗調制算法，降低變頻器自身30%的損耗。自動調整適合擠出機應用的節能運行曲線，提高系統節能率。

圖3 突加負載曲線

圖4 低速帶負載曲線

3.2 交流永磁同步電機的優勢

眾所周知，永磁電動機采用永磁體勵磁，不再需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數，減小定子電流和定子電阻損耗，而且在穩定運行時沒有轉子電阻損耗，進而可以因總損耗降低而減小風扇（小容量電機甚至可以去掉風扇）和相應的風阻摩擦損耗，從而使其效率和功率因數比同規格感應電動機高。而且在輕載時仍可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時節能效果更為顯著。同時，永磁電機可以實現在較高的功率因數下低速大轉矩運行，這是直流驅動系統無法實現的。

（1）能效高

交流永磁同步電機總體效率較高（可達到96%以上）。采用交流調速系統，運行性能優異、節能效果顯著、降低運營成本，恒轉矩設備節電率在15%～30%，一般在20%左右。

（2）維護成本低

永磁同步電機無電刷和換向器，不易出現故障，維修非常簡單。永磁同步電機可靠性和運行效率高，免維護，所以能在惡劣環境中安全運轉，對使用場合的限制少。

（3）功率因數高

采用永磁體勵磁，不消耗無功，系統整體功率因數可達到0.96。

（4）調速性能好

交流調速方法中矢量控制和直接轉矩控制可以控制動態電磁轉矩，它們的控制性能可以達到甚至超過直流調速系統。

（5）動態響應好

轉子慣量遠小于直流電機，在要求頻繁啟制動的軋機應用中，能夠實現更高的動態性能。

（6）低速扭矩性能好

通過對矢量控制或直接轉矩控制策略的改進，可以大大降低轉矩脈動，降低噪聲，使電機可以運行于極低速下。

（7）調速范圍大

交流永磁同步電機沒有換向器，調速范圍不受限制。

4 新時達ME500變頻器+永磁同步電機現場應用

擠出機的使用環境相對比較惡劣，粉塵較多，運行振動也較大，在電機的控制模式選擇上，沒有采用編碼器作為測速反饋，而采用無速度傳感器矢量控制，避免了速度傳感器帶來的種種限制，而且還可以提高系統的可靠性，降低系統的成本，減少電機與控制器的連接線。無速度傳感器矢量控制可以獲得接近閉環控制的性能，適用于恒轉矩運行場合。

橡膠擠出機采用新時達ME500變頻器驅動永磁同步電機驅動方案應用，現場應用能效效果非常好，以下圖5、圖6是改造前后能效對比。

5 結束語

近一兩年來，中國橡膠工業發展速度放緩，采用新工藝、使用新技術是橡膠企業提升市場競爭力強有效的措施。橡膠擠出機作為橡膠生產中的主要加工設備，與其他橡膠加工設備相比，其應用領域廣泛，顯示出了巨大的市場潛力。此次新時達高性能ME500變頻器結合永磁同步電機成功應用在擠出機上應用，也是新時達在技術上不斷開拓進取的一個縮影。

STEP ME500 inverter in the permanent magnet synchronous extruder

STEP ME500 inverter in the permanent magnet synchronous extruder

Ye Qing，Meng Qingxu， Zhu Lin
（Shanghai STEP Electrical Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201802， China）

Currently rubber extruder drive systems generally use DC drive. As the country pay more attention on energy efficiency， the inherent shortcomings of DC drive are more obvious. Shanghai STEP is a professional total solution provider in the rubber tire industry. Among the rubber extruder， STEP puts forward the innovative permanent magnet synchronous variable frequency drive solution. This program greatly improves the overall effi ciency of the system， improves system stability， and reduces maintenance costs later.

STEP； ME500； permanent magnet synchronous motor； extruder

圖5 效率曲線對比

圖6 功率因數曲線對比

TQ330.493

1009-797X（2015）20-0143-04

B DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.20.047

葉青（1982-），男，畢業于上海交通大學電氣工程及其自動化專業，現主要研究永磁同步機的變頻驅動與應用。

2015-06-24