丹佛斯變頻器在擠出機上的應用

摘 要：擠出機要求高起動轉矩，高轉速精度，較大驅動功率。本文介紹了丹佛斯變頻器應用于擠出機的特性和特點。

關鍵詞： 擠出機 起動轉矩 轉矩響應 轉速精度

Abstract: Extruder requires high brake-away torque, high speed precise, relatively high drive power. This application file describes the specifications and benefits of using Danfoss VFD for extruders.
Key words: Extruder, Brake-away Torque, Torque Response, Speed Precision

引言：擠出機塑料工業和化纖工業的基礎設備。許多材料如陶土、食品、金屬、塑料等都能被擠出。最常見的擠出機是螺桿擠出機。不久以前擠出機還多數是用直流電機驅動的，但是近來交流調速用得越來越多。相比直流調速，交流調速有許多優點，成本也很有競爭力。

螺桿擠出機工作原理：

固態粒子原料首先從漏斗喂入，然后被加熱塑化或熔化，螺桿旋轉將熔化為膠態的原料推向擠出機的出口，擠出機出口裝有特定的模具，決定了最終產品的形狀。塑料薄膜、塑料管、型材和化纖等產品都可以用擠出機生產。
最常見的螺桿擠為單螺桿擠出機，典型螺桿轉速為100轉/分鐘；雙螺桿擠出機用于需要將兩種原料混合擠出的產品，典型的高速雙螺桿擠出機轉速為200-500轉/分鐘。用于型材擠出的低速雙螺桿擠出機通常轉速在10-40轉/分鐘。

傳統驅動辦法
傳統擠出機采用直流電機驅動。但是直流電機需要定期更換電刷，直流電機耐惡劣環境的能力也較差，有的時候需要獨立的干凈的冷卻空氣。日常使用中直流電機的典型故障現象為電刷打火、電樞變色、散熱不足、劇烈噪聲和振動等。因此直流電機的日常維護保養費用比交流電機高得多，直流電機的造價也比交流電機要高。

交流驅動辦法
僅在數年以前交流驅動還不能提供直流驅動那么優異的性能，而且價格還很貴。但隨著近年功率電子器件和微處理器技術的快速發展，交流控制理論的提出以及實際交流控制軟件的具體完善，交流驅動技術在很多應用領域有了比直流驅動更佳的成本效益。目前的丹佛斯FC302系列變頻器用在擠出機上有比直流驅動更好的轉速控制性能和轉矩響應速度，開環轉速控制精度優于0.5%，閉環轉速控制精度優于0.1%。
擠出機的起動轉矩可能達到運行轉矩的200%-250%，比丹佛斯FC300系列變頻器最大180%的起動轉矩值高，因此需要選大一點的驅動器，但也可以令設備額定轉速工作于交流電機恒功率區域的辦法予以解決，因為擠出機全速時的負載轉矩并不需要電機的額定轉距。

如通過適當選取減速比，令電機一般工作速度為70Hz，這時負載轉矩為T負載，按理論計算電機的額定轉矩：

T電機額定 = = 1.4 T負載
電機最大轉矩：
T最大 = 1.8 T電機額定 = 252%T負載
滿足擠出機的起動轉矩要求。
否則如果還是按傳統的選型辦法，選擇電機一般工作速度為50Hz，為滿足250%的最大起動轉矩要求，必須選擇功率為原來1.4倍的電機和驅動器。

使用交流驅動器的優點
 提高效率：
丹佛斯FC300交流驅動系統比同功率的直流驅動系統效率高5%左右，交流電機的效率也比直流電機高，FC300驅動器保證電機輸出性能優異而且不會發生過熱。一般工廠里擠出機耗能要占到總耗能相當大的比例，丹佛斯FC300驅動器有比直流驅動器和其他通用變頻器的輸入諧波電流小很多，保證總輸入功率因數大于0.9，因此無需放大工廠供電變壓器和電纜的容量
 提高防護等級
擠出機通常工作于惡劣、高溫或含腐蝕性氣體的環境，交流電機的防護等級比較高，而直流電機防護等級較低，用于惡劣環境維護成本將大大提高。

丹佛斯FC302變頻器在擠出機應用上的優點
FC302驅動器內置電機反饋編碼器接口，內建轉速閉環磁場定向磁通矢量控制功能。通過獨特的靜止電機自適應，能精確測出各種電機的電氣參數。FC302的內建電機模型和電流檢測非常精確，電流被解耦為轉矩電流和勵磁電流，矢量控制理論先進，系統運算能力極強，內部運算循環時間只有1mS，因此能快速檢測、控制和補償負載轉矩。FC302驅動器磁通矢量控制建立160%輸出轉矩只需約3mS，比通用變頻器快1至2個數量級。

FC302驅動器用于擠出機有如下優點：
 高轉速精度、低轉速脈動，即使在低速運行和0速時；
 伺服級的響應速度，適用于負載轉矩變化劇烈的擠出機；
 優異的轉矩限制功能，從0速直到恒功率控制區域，能平滑地從轉矩限制模式切換到轉速控制模式，反之亦然；
 適用于各種特性的異步電機和永磁同步伺服電機；
 通過轉矩限制功能提供螺桿保護；
 過轉矩能力強
標準的FC300驅動器集成了許多通常其他變頻器需要外置的附件，如直流電抗器、RFI濾波器、通訊卡和屏蔽電纜夾等，能大大節省安裝空間，降低成本。

參考文獻
[1] Application Note Extrude. MN.50.T.1.02. Danfoss公司.