擠壓機擠壓速度控制與節能對策分析

白一波　杜鴻運　付玉梅

摘 要：本文首先簡要分析了傳統擠壓機擠壓速度的控制方式，分析了其速度控制特性及功率特性，介紹了節能VFD系統，對其節能特點作一闡述。望能經此論述為此領域研究有所借鑒。

關鍵詞：擠壓機；液壓系統；速度控制；節能

擠壓速度的精度及控制方式乃是對擠壓機性能水平進行衡量的重要指標，同時還是達成等溫擠壓的基礎保障與前提所在。針對其它方面的擠壓而言，盡管還減少設計等溫擠壓方面的問題，但合理控制擠壓速度十分必要。對于那些高性能、高品質的擠壓機來講，擁有良好的速度控制能力乃是其基本要求，只有此方面達標，才能擠壓出質量合格且令人滿意的制品。

1.傳統擠壓控制方式分析

1.1并聯節流擠壓速度控制

針對并聯節流調速而言，其乃是一種比較簡單且常用的控制擠壓速度的方式。其在回路形式上同樣有多種，本文就其中比較比較多見的控制回路作一分析，即并聯調速閥擠壓速度控制。針對此方式而言，其在業界又被稱之為旁路節流調速，采用定量油泵為其突出特點，而此油泵能夠驅動電機，使其維持恒定轉速，且油泵還具有恒定的輸出流量，依據調速閥的可變分流，使工作缸的介質流量發生變化，以此來大大對擠壓速度（Vc）予以改變的目的。公式為：Qc=Qp-Q3 （1）

在此公式當中，Qp表示為油泵的額定流量；Q3表示旁路調速閥的分流量。由此公式得知，擠壓速度Vc伴隨Q3的改變而發生變化，最終便可達到調節擠壓速度的目的。如果將其功率特性考慮在內，從中可發現，定量泵的額定輸出功率Np公式為Np=PpQp；工作缸的效率η為η=Nc/Np=Qc/Qp，工作缸的輸入功率Nc=PpQc。在公式當中，Pp表示的是油泵泵頭壓力。

將公式（1）代入，便可得到η=Avc/Qp（0≤ ≤1） （2）

由此可知，工作效率η伴隨擠壓速度Vc的減小而隨之減小。運用此種調節速度的方式，有著比較差的功率特性，且容易損失能量，系統也會出現嚴重發熱，特別是在有著比較低的擠壓速度時，在急短時間內會降低其工作效率η。另外，也無論在動態速度特性上，還是在系統剛度上，均存在不足，難以實現輕金屬擠壓所需要的穩定的低速特性。

1.2積/串聯節流聯合擠壓速度控制

在設計液壓系統時，如果其對擠壓速度相應穩定性有著比較高的要求，用節流閥聯合變量泵的方案，能顯著減少發熱，提高系統效率，是擠壓速度相應穩定性得到顯著增強。可將高頻響比例閥當作動態、可調的節流元件，能夠對擠壓速度進行比較準確的閉環控制，因而能夠為更好開展等溫擠壓，提供條件與技術支持。需要指出的是，針對此種系統而言，由于選用的是比例變量油泵，當其處于低速狀態時，已經調小了輸出流量，而通過比例閥實施動態節流后，經溢流閥分流，往往會有比較小的流量，所以，會有很小的功率損失。對于此系統來講，其有著比較好的速度特性，另外，在功率特性方面也比較突出。

2.壓機VFD速度控制的基本原理

所謂VDF，從根本上來講，即為變頻驅動。近年來，伴隨電力電子技術的不斷更新與完善，大功率、高性能、高效化的變頻器得到越來越多的應用，而且在具體的控制技術上也已經趨向成熟，因而能顧明顯節能。此些均為VDF在擠壓速度方面的合理控制，提供了充足條件與良好基礎。針對VDF技術而言，即為在交流變頻器控制的相應交流電機驅動下，定量油泵持續向外輸出有變化特點的傳動介質，因而可以達到容積式控制擠壓速度的目的。針對系統的電氣控制來講，其由多部分構成，如速度檢測與反饋、變頻電機、工業控制計算機、定量泵等。通常來講，在上位計算機上，或者是觸摸屏上，通過非擠壓時間的其它速度或者是擠壓速度的數值的設定，變頻器可依據PLC或上位計算機，持續向外輸出指定頻率的交流電，以此來實現驅動交流電機的目的，這樣一來，便能帶動定量油泵，依據事先設定好的轉速來旋轉，持續輸出具有變化特質的流量，最終大大開環控制擠壓機速度的目的。

3.擠壓機VDF系統的技能特點

3.1節約能源

如果擠壓機運用VDF系統，其能源節約量可達45%。在整個VDF系統架構中，變頻器擁有矢量變換控制功能，能夠依據電機符合大小，以及所需要的頻率水平，對輸出電壓進行適當調整，還能調整電流與電壓之間的相位差，使電機處在最小的功率消耗狀態，最大程度減少電機的發熱與無用功率，實現功率消耗的降低，此乃VDF節能的重要構成。針對液壓系統而言，VFD為其帶來的節能主要體現在：當定量泵系統處于固定轉速時，如果擠壓機油泵處在非壓力流量輸出狀態，或者是待機狀態，則泵頭的循環壓力通常會維持在3～6bar；針對此時的定量泵而言，其通常處于全流量輸出狀態，盡管此時泵頭并沒有太大的壓力，看上去也沒有過大的消耗，但實際上，其在整個壓機運行中，占據著較大部分。在一些情況下，甚至還要大于泵頭的上壓時間，因此，其所消耗的能量不能忽視。

3.2延長油泵壽命，提升系統可靠性

VFD系統能夠使油泵壽命得到延長，并能提升整個系統的可靠性，突出表現為如下方面：其一，在整個變量柱塞泵當中，變量機構為其中最精密、最復雜同時也是最薄弱的部位，其苛刻的使用條件，使得對油液的粘度、清潔度及控制油的壓力等，均有比較高的要求。另外，在整個VFD系統當中，由于運用的是定量柱塞泵，舍去了比例變量機構，因而一定程度消除了不利于油泵可靠性的一些因素；其二，在整個VFD系統架構當中，因油泵在諸多情況下，均在較低的速度下運轉，相比于傳統速度控制方式的油泵持續運轉于固定高度狀態下不同，VFD系統能夠顯著降低各種摩擦速度，改善受力情況，減小沖擊震動，使缸體與柱塞可以比較均勻的磨損。此些對柱塞泵相應工作條件，均有較好的改善效果，因而可以達到延長油泵壽命，以及提高系統整體可靠性的目的。

4.結語

綜上，擠壓機VFD系統有著有著較好的速度控制性能，特別是突出的節能效果，使其呈現出廣闊的發展前景。在實際應用中，通常將選用有VFD技術的擠壓機稱之為節能擠壓機；隨著節能擠壓機的誕生與更新，有效降低了企業運營成本，節約了大量能源，有助于可持續發展的實現。

參考文獻：

[1]趙欣延. 淺談石化企業擠壓機控制系統變頻改造[J]. 電氣應用， 2014（15）：54-59.

[2]郭爽爽. 臥式雙動短行程鋁擠壓機能自動控制系統及工藝流程[J]. 鍛造與沖壓， 2016（15）：68-69.

[3]曹美忠， 權龍， 石旭耀，等. 變速泵控擠壓機擠壓針定位系統的分析及仿真研究[J]. 流體傳動與控制， 2006（3）：13-16.