【摘要】本文在分析了現(xiàn)有塑料擠出機的組成及控制方式后，提出了節(jié)能更高和控制更靈活的異步伺服驅(qū)動系統(tǒng)改造方案，給出了實際改造效果。

【關(guān)鍵詞】螺桿擠出機、基頻制電機、伺服驅(qū)動器

1  塑料螺桿擠出機現(xiàn)狀

      近幾年來中國塑料機械工業(yè)的年增長率都在30%左右，利潤率增長也遠高于工業(yè)總產(chǎn)值的增長，是中國機械行業(yè)中增長最快的產(chǎn)業(yè)之一。目前中國生產(chǎn)的塑料加工機械已可以滿足國內(nèi)的基本需要，但與世界先進水平相比，中國塑料加工機械在質(zhì)量穩(wěn)定性、自動化程度等方面還有一定差距。同時，塑料原材料和鋼材價格的不斷攀升給塑料加工業(yè)以及塑機機械生產(chǎn)行業(yè)帶來了嚴峻的考驗，進一步提高擠出機械的精密度和質(zhì)量是塑料行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

      塑料通過擠出機塑化成均勻的熔體，在塑化中建立的壓力作用下，并經(jīng)螺桿連續(xù)地定溫、定量、定壓地擠出機頭。大部份熱塑性塑料均采用此方法。螺桿擠出機是最常用的擠出機，有多種不同的型號和規(guī)格。

      一臺擠出機主機由擠壓、傳動、加熱三部分系統(tǒng)組成。擠壓系統(tǒng)主要由螺桿和機桶組成，是擠出機的關(guān)鍵部分；傳動系統(tǒng)中起作用是驅(qū)動螺桿，要保證螺桿在工作過程中具備所需要的扭矩和轉(zhuǎn)速；加熱系統(tǒng)主要來保證物料和擠壓系統(tǒng)在成型加工中的溫度控制；擠出設備輔機的組成根據(jù)制品的種類而定。一般說來，輔機由劑透定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置 、切割裝置以及制品的卷取或堆放裝置等部分組成。

      塑料加工生產(chǎn)工藝要求螺桿擠出機的電機系統(tǒng)要低轉(zhuǎn)速(通常螺桿機工作的轉(zhuǎn)速在30-120rpm,最高不超過160rpm)、大扭矩輸出。而目前螺桿擠出機普遍采用的電機系統(tǒng)是由普通異步電機、變頻器及減速機構(gòu)（齒輪箱及皮帶輪）組成。存在效率低、調(diào)速范圍窄、耗電大、在負載變化時響應速度跟不上、螺桿速度不穩(wěn)導致吹出的薄膜厚度不均等問題（尤其，要求精度較高的食品膜印刷膜等，無法滿足質(zhì)量要求）、而齒輪箱的定期保養(yǎng)維護工作也較繁瑣，并且在生產(chǎn)過程中減速機構(gòu)潤滑油的泄漏也造成工作環(huán)境的污染。我公司和某塑料機械生產(chǎn)企業(yè)合作，針對該公司現(xiàn)有的塑料吹膜機械進行了改造，以提高該塑料機械的技術(shù)含量和產(chǎn)品的競爭力，來滿足客戶日益提高的需求。采用交流異步基頻制電機的伺服控制技術(shù)，替代原螺桿擠出機電機系統(tǒng)，改善了以上的不足，為此類機械的升級換代提供了一種創(chuàng)新的思路和可廣泛推廣的解決方案。

2  塑料螺桿擠出機解決方案

      大連安迪數(shù)控技術(shù)有限公司是由留日海歸博士和國內(nèi)自動化學者共同投資組建的高新技術(shù)企業(yè)。專門從事于交流永磁同步伺服系統(tǒng)和交流異步伺服系統(tǒng)的研發(fā)、制造、銷售和服務，為客戶提供完美的伺服解決方案。

      ADSD-AS系列交流異步伺服驅(qū)動器基于高性能DSP+IPM的硬件平臺，性能穩(wěn)定、響應速度高、功能完善，具備多種控制方式、靈活的外部端子運行方式、方便的運行信號自定義等，保護功能完善，提供標準RS485通訊方式等，可適配SIEMENS、FAGOR等進口數(shù)控系統(tǒng)及廣州數(shù)控、華中數(shù)控、臺達數(shù)控、大連數(shù)控等國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，廣泛應用于機床主軸、包裝印刷、紡織印染、橡塑機械等行業(yè)，可有效改善設備性能、提高產(chǎn)成品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、提升工藝、降低成本。

      本項目采用安迪異步伺服電機系統(tǒng)——低速大扭矩基頻制電機加編碼器和異步伺服驅(qū)動器取代原有的普通交流異步電機和變頻器，并去掉了原有傳動機構(gòu)中的減速機（齒輪箱），使整套設備機械結(jié)構(gòu)得到簡化，并且彌補了原有設備的不足，改造后的設備無論在技術(shù)含量和加工工藝上都有了明顯的改善，不僅滿足了客戶的質(zhì)量要求，而且還具備節(jié)約電能、便于維護、利于環(huán)保等優(yōu)點，提高了企業(yè)在同行中的競爭力。

2.1 改造前、后系統(tǒng)構(gòu)成對比

2.2 改造前、后控制方式對比

      改造前,采用變頻器驅(qū)動，端子運行、電位器調(diào)速，開環(huán)速度控制方式，改造后電機為加編碼器，采用異步伺服驅(qū)動器閉環(huán)速度控制方式，保留了原來的操作習慣外部運行、電位器調(diào)速。

2.3 改造前、后的效果對比

      由于螺桿擠出機的主軸工作轉(zhuǎn)速較低，一般在工作30～120rpm左右，最高不超過160rpm。使用普通異步電機需要接近1:10的減速機構(gòu)。而選用的基頻制電機采用增加電機極數(shù)、降低電機基頻的方法，使電機的額定轉(zhuǎn)速降到350rpm以下，并且電機的輸出轉(zhuǎn)矩大幅度提高，因而可以減小中間速比、取消齒輪箱。為防止故障堵轉(zhuǎn)損壞電機，而保留了一級皮帶傳動。 

     變頻器調(diào)速在電機的基頻點是效率和輸出轉(zhuǎn)矩的最高點，根據(jù)其特征曲線，在基頻以下輸出轉(zhuǎn)矩和效率都有所下降。因此，為了低速時保證足夠的輸出轉(zhuǎn)矩，必須加大電機選型功率，造成額外的電能的浪費；而異步伺服控制器在電機基頻以下保持恒轉(zhuǎn)矩輸出，并有三倍額定轉(zhuǎn)矩以上的過載能力。因而采用ADSD-AS異步伺服控制系統(tǒng)可以保證螺桿擠出機在較低的轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速之間輸出轉(zhuǎn)矩不小于額定轉(zhuǎn)矩。根據(jù)變頻器控制電機低速時的轉(zhuǎn)矩下降曲線，采用伺服控制器可以將電機功率減小到變頻控制的1/2～2/5。

     原系統(tǒng)采用變頻開環(huán)速度控制方式，速度精度不高，當負載發(fā)生變化時，響應速度跟不上，且不能自動調(diào)整系統(tǒng)積累誤差。所以，制成品厚薄不均，質(zhì)量很難保證、尤其是要求精度較高的食品、藥品薄膜，而如果使用變頻器驅(qū)動基頻制電機，由于其調(diào)速范圍小，低速轉(zhuǎn)矩不足，在低頻時工作狀態(tài)不佳。在低于10Hz的情況下，力矩明顯不足。ADSD-AS異步伺服驅(qū)動器具有較寬的調(diào)速范圍，且低頻力矩特性良好，可在低速時平穩(wěn)精確的控制電機，以保障螺桿速度的穩(wěn)定。對于生產(chǎn)薄膜厚度有嚴格要求的高精度吹膜機設備，可以精確控制螺桿速度，與變頻器相比具有很大的技術(shù)優(yōu)勢。

3  經(jīng)濟效果分析

      通過廣泛比較，采用ADSD-AS異步伺服控制系統(tǒng)的成本與原變頻調(diào)速控制系統(tǒng)成本基本持平或略高。伺服驅(qū)動器+基頻制電機+編碼器的價格要高于原異步電動機+變頻器的價格， 但取消了齒輪箱，降低了金屬原料成本、減少了鑄造和機加工工序、減化了安裝調(diào)試過程、降低了設備機械方面的維護成本。 

     經(jīng)實測，改造后的擠出機綜合節(jié)電率達30-40%，節(jié)電的費用對于設備的最終用戶有較大的吸引力。按上述改造案例進行成本分析，電機功率減小7.5kW，按耗電量每小時7.5度（kWh）電，連續(xù)工作一天24小時，節(jié)電180度（此類機械需要預加熱過程，故連續(xù)生產(chǎn)最為經(jīng)濟）。按工業(yè)用電0.8元/度,一個月按25天計算，每月節(jié)約電費3500元。三個月的節(jié)電費用已完全可以收回因采用伺服控制系統(tǒng)所增加的成本，以后的節(jié)電費用便可以大大降低用戶的生產(chǎn)成本。并且產(chǎn)品質(zhì)量的提高也是潛在的收益。

4 結(jié)論  

      綜上所述，在塑料螺桿擠出機上采用ADSD-AS交流異步伺服控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)變頻控制方式比有較大技術(shù)優(yōu)勢，有效降低了用電量、提高了控制精度、設備的效率和提高了企業(yè)在同行中的競爭力，并最終帶來一定的經(jīng)濟效益。值得推廣。