安迪ADSD-AS异步伺服系统在塑料螺杆挤出机上的应用

关键词：螺杆挤出机、基频制电机、伺服驱动器

1、 塑料螺杆挤出机现状

　　随着中国塑料工业的发展，近几年来中国塑料机械工业的年增长率都在30%左右，利润率增长也远高于工业总产值的增长，是中国机械行业中增长最快的产业之一。目前中国生产的塑料加工机械已可以满足国内的基本需要，但与世界先进水平相比，中国塑料加工机械在质量稳定性、自动化程度等方面还有一定差距。同时，塑料原材料和钢材价格的不断攀升给塑料加工业以及塑机机械生产行业带来了严峻的考验， 进一步提高挤出机械的精密度和质量是塑料行业发展的必然趋势。

　　塑料通过挤出机塑化成均匀的熔体，在塑化中建立的压力作用下，并经螺杆连续地定温、定量、定压地挤出机头。大部份热塑性塑料均采用此方法。螺杆挤出机是最常用的挤出机，有多种不同的型号和规格。

　　一台挤出机主机由挤压、传动、加热三部分系统组成。挤压系统主要由螺杆和机桶组成，是挤出机的关键部分;传动系统中起作用是驱动螺杆，要保证螺杆在工作过程中具备所需要的扭矩和转速;加热系统主要来保证物料和挤压系统在成型加工中的温度控制;挤出设备辅机的组成根据制品的种类而定。一般说来，辅机由剂透定型装置、冷却装置、牵引装置 、切割装置以及制品的卷取或堆放装置等部分组成。

　　塑料加工生产工艺要求螺杆挤出机的电机系统要低转速（通常螺杆机工作的转速在30-120rpm,最高不超过160rpm）、大扭矩输出。而目前螺杆挤出机普遍采用的电机系统是由普通异步电机、变频器及减速机构（齿轮箱及皮带轮）组成。存在效率低、调速范围窄、耗电大、在负载变化时响应速度跟不上、螺杆速度不稳导致吹出的薄膜厚度不均等问题（尤其，要求精度较高的食品膜印刷膜等，无法满足质量要求）、而齿轮箱的定期保养维护工作也较繁琐，并且在生产过程中减速机构润滑油的泄漏也造成工作环境的污染。我公司和某塑料机械生产企业合作，针对该公司现有的塑料吹膜机械进行了改造，以提高该塑料机械的技术含量和产品的竞争力，来满足客户日益提高的需求。采用交流异步基频制电机的伺服控制技术，替代原螺杆挤出机电机系统，改善了以上的不足，为此类机械的升级换代提供了一种创新的思路和可广泛推广的解决方案。

图1、螺杆挤出机

2、塑料螺杆挤出机解决方案

　　大连安迪数控技术有限公司是由留日海归博士和国内自动化学者共同投资组建的高新技术企业。专门从事于交流永磁同步伺服系统和交流异步伺服系统的研发、制造、销售和服务，为客户提供完美的伺服解决方案。

图2、PMSM交流永磁同步电机驱动

　　ADSD-AS系列交流异步伺服驱动器基于高性能DSP+IPM的硬件平台，性能稳定、响应速度高、功能完善，具备多种控制方式、灵活的外部端子运行方式、方便的运行信号自定义等，保护功能完善，提供标准RS485通讯方式等，可适配SIEMENS、FAGOR等进口数控系统及广州数控、华中数控、台达数控、大连数控等国产数控系统，广泛应用于机床主轴、包装印刷、纺织印染、橡塑机械等行业，可有效改善设备性能、提高产成品质量、提高生产效率、提升工艺、降低成本。

　　本项目采用安迪异步伺服电机系统——低速大扭矩基频制电机加编码器和异步伺服驱动器取代原有的普通交流异步电机和变频器，并去掉了原有传动机构中的减速机（齿轮箱），使整套设备机械结构得到简化，并且弥补了原有设备的不足，改造后的设备无论在技术含量和加工工艺上都有了明显的改善，不仅满足了客户的质量要求，而且还具备节约电能、便于维护、利于环保等优点，提高了企业在同行中的竞争力。

　　（1） 改造前、后系统构成对比

图3、异步伺服驱动器改造方案

　　（2） 改造前、后控制方式对比

　　改造前：螺杆挤出机电机——交流异步电动机（18.5kW,50Hz基频，4极，1470rpm，120N.m）采用变频器驱动，端子运行、电位器调速，开环速度控制方式，机械系统中间传动比为1：8左右，变频器正常运行在30Hz左右，最高不超过40Hz。

　　改造后：电机为基频制电机（11kW,25Hz基频，8极，342rpm,310N.m）加编码器，采用异步伺服驱动器闭环速度控制方式，保留了原来的操作习惯外部运行、电位器调速，机械系统中间传动比为1：3，伺服驱动器运行在40Hz左右。

　　（3） 改造前、后的效果对比

　　由于螺杆挤出机的主轴工作转速较低，一般在工作30～120rpm左右，最高不超过160rpm。使用普通异步电机需要接近1:10的减速机构。而安迪公司特别选用的基频制电机采用增加电机极数、降低电机基频的方法，使电机的额定转速降到350rpm以下，并且电机的输出转矩大幅度提高，因而可以减小中间速比、取消齿轮箱。为防止故障堵转损坏电机，而保留了一级皮带传动。

　　变频器调速在电机的基频点是效率和输出转矩的最高点，根据其特征曲线，在基频以下输出转矩和效率都有所下降。因此，为了低速时保证足够的输出转矩，必须加大电机选型功率，造成额外的电能的浪费;而安迪异步伺服控制器在电机基频以下保持恒转矩输出，并有三倍额定转矩以上的过载能力。因而采用安迪异步伺服控制系统可以保证螺杆挤出机在较低的转速到额定转速之间输出转矩不小于额定转矩。根据变频器控制电机低速时的转矩下降曲线，采用伺服控制器可以将电机功率减小到变频控制的1/2～2/5。

　　原系统采用变频开环速度控制方式，速度精度不高，当负载发生变化时，响应速度跟不上，且不能自动调整系统积累误差。所以，制成品厚薄不均，质量很难保证、尤其是要求精度较高的食品、药品薄膜，而如果使用变频器驱动基频制电机，由于其调速范围小，低速转矩不足，在低频时工作状态不佳。在低于10Hz的情况下，力矩明显不足。安迪异步伺服驱动器具有较宽的调速范围，且低频力矩特性良好，可在低速时平稳精确的控制电机，以保障螺杆速度的稳定。对于生产薄膜厚度有严格要求的高精度吹膜机设备，可以精确控制螺杆速度，与变频器相比具有很大的技术优势。

3、经济效果分析

　　通过广泛比较，采用安迪异步伺服控制系统的成本与原变频调速控制系统成本基本持平或略高。安迪异步伺服驱动器+基频制电机+编码器的价格要高于原异步电动机+变频器的价格， 但取消了齿轮箱，降低了金属原料成本、减少了铸造和机加工工序、减化了安装调试过程、降低了设备机械方面的维护成本。

　　经实测，改造后的挤出机综合节电率达30-40%，节电的费用对于设备的最终用户有较大的吸引力。按上述改造案例进行成本分析，电机功率减小7.5kW，按耗电量每小时7.5度（kWh）电，连续工作一天24小时，节电180度（此类机械需要预加热过程，故连续生产最为经济）。按工业用电0.8元/度,一个月按25天计算，每月节约电费3500元。三个月的节电费用已完全可以收回因采用伺服控制系统所增加的成本，以后的节电费用便可以大大降低用户的生产成本。并且产品质量的提高也是潜在的收益。

4、结论

　　综上所述，在塑料螺杆挤出机上与传统变频控制方式比，采用安迪交流异步伺服控制系统有较大技术优势，有效降低了用电量、提高了控制精度、提高了设备的效率、提高了用户的产品质量。提高了塑料螺杆挤出机的性能，提高了企业在同行中的竞争力，并最终带来一定的经济效益。值得推广。