(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，應用變頻器驅動永磁同步電機。詳細說明了永磁同步電機和常規的三相異步電機相比，具有高效率、高功率因數、起動轉矩大、高精度、寬范圍、結構簡潔、尺寸小等優點。同時通過應用東芝變頻器VF-AS3參數優化和調節，提升永磁同步電機的工作效率，可以使客戶降低成本、節約能源、保證擠出機運行良好。

關鍵詞：擠出機；永磁同步電機；變頻器；節能

0引言

在塑料擠出成型設備中，塑料擠出機通常稱之為主機，而與其配套的后續設備塑料擠出成型機則稱為輔機。塑料擠出機的驅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試為主，隨著交流技術不斷發展，交流變頻器已經取代了直流調試，為國家節約大量的能源。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，統計表明65%的電能實際應用在電機上，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塑料擠出機的驅動系統

1.1塑料擠出機對驅動電機的要求

如圖1所示，塑料擠出機是依靠螺桿旋轉產生的壓力及剪切力，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矩要有力，并具有高過載能力。

（2）調試性能好。擠出機要出料均勻，適應不同規格的產品，這要求調速精度高，范圍大，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，擠出機轉速基本不受影響，不會影響效率。

（4）安裝和操作方便。從設計考慮，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驅動系統組成

針對擠出機對驅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能，客戶可以節約大量用電成本。

圖2 變頻驅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永磁同步電機的結構

永磁同步電機基本結構組成，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），現主要采用燒結釹鐵硼永磁材料，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 永磁同步電機構成

2.2永磁同步電機的優點

2.2.1高效率高功率因數

永磁同步電機在轉子上嵌入了永磁體后，由永磁體來建立轉子磁場，在正常工作時轉子和定子磁場同步運行，轉子中無感應電流，不存在轉子電阻損耗，只此一項可提高電機效率5%~10%。由于在永磁電機轉子中無感應電流勵磁，定子繞組幾乎呈純阻性負載，使電機功率因數幾乎為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控制，就可以保證電機的轉速精度達到0.1%~0.01%。本文采用高精度變頻器，在開環控制的情況下，就能達到0.01%的調速精度，且調試范圍可達到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，可以發現相同功率的電機，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高低不受電機級數的限制，在電機配套系統允許的情況下，可以將電機的級數設計的更高，相應電機的體積可以做得更小。

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

(3)電機結構的靈活性，可以省去電機內許多無效部分，如繞組端部，轉子端環等，相應體積可以更小。

這種相同功率體積更小和重量更輕非常適合擠出機設計和安裝，同時對減速機的選擇具有更大的性價比，節約大量成本。

2.3電機的選擇

目前能夠生產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，發現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勢：

（1）轉子設計上：霍尼韋爾永磁同步電機，采用內嵌式高耐溫等級稀土永磁體，經過穩磁處理和表面化學處理，磁極優化設計和仿真校核，極大幅度降低退磁風險。

（2）軸承系統：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。如需增強驅動端懸臂力，160~355機座軸伸端可配圓柱軸承。

（3）電機尺寸規格選擇：可以縮小機座（不同規格可縮小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備的前提下為客戶進行設備升級和能效升級。

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

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。但在擠出機上應用的變頻器，國內國外的品牌眾多，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，參數豐富；③調試簡單，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東芝變頻器具有優良的PM（permanentmagnet永磁）同步電機控制功能，內置直流電抗器和濾波器。同時具有可通過嵌入式以太網實現高速/實時網路通信，無需任何選配設備，即可滿足現代物聯網和工業4.0的自動化要求。這對以后的遠程和網絡化管理提供了方便。本文主要討論東芝變頻對永磁同步電機調整和參數設定。

3.2變頻器的主要參數

除了電機銘牌的參數外，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：

   (1)開環控制選擇V/F模式：6，PM電機的控制。

（2）自動調諧選擇：2，啟動指令時的自動調諧（執行后為0）。

（3）電流響應：25，為了不讓電流波動，電流響應應設定在25以下。

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

（5）PM失步檢測頻率：20%，反轉的判定，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%來設定，75%為臨界值。

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

   (8）PM控制模式選擇：3，為了良好的遞減轉矩控制應用。IPM和沒有凸極性的SPM電機都能適用情況，有時有反向轉動。

4永磁同步電機標準和節能

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標準

4.2節能

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開始使用東芝變頻+霍尼韋爾永磁同步電機的驅動方案，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、功率因數和負載的曲線圖（見圖6），具體分析的數據見表1。

從表1我們能夠看出，在實際經濟運行區永磁同步電機效率和功率因數有很大的優勢，無論效率和功率因數基本可以在90%以上。同時我們監控能耗，節能效果非常明顯，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，實際節約費用預估可達15萬元/年，大概連續運行半年左右可收回電機的成本。

5結論

變頻驅動永磁同步電機在擠出機的應用，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。目前從客戶現場使用情況看，客戶非常滿意，設備運行良好。