新时达ME500变频永磁同步驱动方案在挤出机上的应用

新时达ME500变频器在永磁同步挤出机上的应用
摘要：目前橡胶挤出机驱动系统一般采用直流驱动。

随着国家对能效越来
越重视，直流驱动固有的缺点越发明显。

上海新时达是橡胶轮胎行业专业的整
体解决方案提供商,创新性的在橡胶挤出机当中提出了永磁同步变频驱动解决方案，采用此方案后使系统整体能效得到了大幅度的提升，同时提高了系统稳定性、降低了后期维护成本。

关键词：新时达；ME500；永磁同步电机；挤出机
1.前言
橡胶挤出机是橡胶工业的一种基本设备，是影响产品质量的关键设备之一，在轮胎和橡胶制品的生产过程中起着非常重要的作用。

随着挤出工艺对挤出机
性能要求的提高和驱动技术的进步，使挤出机的驱动系统发生了许多变化。

最
早的传统交流电机定速驱动、整流子电机变速驱动及交流电机齿轮箱有级变速
驱动已被淘汰，后来取而代之的是直流电机无级变速驱动。

随着电力电子技术、微处理器以及现代控制理论的发展，交流变频调速技术取得了空前的发展，其
显著特性使直流调速本身的缺点越加明显，因此交流变频调速在橡胶挤出机的
应用中取代直流调速是必然趋势。

2.销钉式冷喂料挤出机工艺介绍
欧美等发达国家主要以冷喂料挤出机为主，随着我国子午线轮胎生产的快
速发展，冷喂料挤出机成为热喂料挤出机和普通冷喂料挤出机的换代产品。

销钉式冷喂料挤出机是将销钉从机筒圆周方向径向插入螺杆螺纹槽中，将
流动的胶料进行剪切和搅拌。

胶料变成熔体以低剪切速率在螺杆螺纹中流动，
逐渐形成连续的粘流体，这样便破坏了胶料在挤出过程中的层流和结块现象，
打破了胶块，达到了胶料塑化好、胶温低和节能的效果，简化了生产工艺。

销
钉式冷喂料挤出机的出现，使冷喂料挤出机技术得到了很大的发展和提高。

销钉式冷喂料挤出机在螺杆结构上较为特殊，在机筒上增加了销钉，主电机启动时间段阻力矩较大，这对变频器的低频转矩要求较高。

为了保证胶料的塑化性能与致密性，这要求变频器稳速精度要高同时能可靠地连续工作。

综合以上挤出机的运行特点与现场工况，挤出机工艺对驱动系统的要求如下：
1）起动力矩要大。

挤出机的工作特性决定了电机必须能够重载启动，变频器的低频输出转矩要好，并有较高的过载能力。

2）调速性能要好。

挤出机转速要根据排胶速度、混炼时间等因素进行动态调速。

这要求稳速精度要高，变频调速方便，调速范围大，能满足各种工况下的调速要求。

3）特性曲线要硬。

要保证负载变化时（如胶料杂质变多，老化严重），挤出机转速基本上不受影响，防止负载大小不同时速降过大，导致可塑度不均、排胶不规则等胶片品质问题，影响客户生产效率。

4）工作方式转换容易。

要能够方便的进行自动、半自动、手动等工作方式的转换，操作方便，控制灵活，不至于因工作方式的转换影响正常生产。

3.新时达永磁同步变频驱动方案介绍
针对冷喂料挤出机对驱动系统的要求，我们创新性的提出了使用变频器+永磁同步电机的驱动系统代替传统的直流调速，这样可大大提高工作效率和运行成本，可实现真正意义上的免维护。

4.新时达永磁同步变频驱动优势分析
交流变频调速，应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机。

随着电力电子技术与矢量控制技术的发展，交流变频调速在性能上已经完全达到甚至超越传统的直流调速技术。

新时达ME500变频器内置永磁同步电机高性能定向开环矢量控制算法，经过新时达的优化拥有比直流驱动更好的控制性能和转矩响应速度，开环转速控制精度优于0.2%，0 Hz 下200%的启动转矩，能够实现1:1000的调速范围。

而采用无速度传感器矢量控制，避免了速度传感器带来的种种限制，同时还可以提高系统的可靠性，降低系统的成本。

图2：无速度传感器矢量控制框图
无速度传感器矢量控制的基本控制过程为：速度给定0ω与通过速度位置估算得来的速度ω进行比较，再经过PI 速度控制器调节，产生定子电流转矩分量参考值_q ref i ，并作为电流控制器的给定信号，由MTPA 算法得出励磁分量参考值_d ref i ，通过电流采样得到三相定子电流，经过Clarke 变换将其转换为αβ-两相静止电流坐标系下的电流，再通过Park 变换为d q -两相旋转坐标系下电流d i ，q i 分别与两个调节器的参考值比较，再经过控制器变为电压信号sd ref V -和
_sq ref V ，再经过Park 逆变换和空间矢量脉宽调制（SVPWM ）得到电压信号，最后输入PWM 逆变器，驱动永磁同步电机，对其速度进行控制，实现永磁同步电机
的变频调速控制。

在此过程中调整定子电流的励磁分量d i 和转矩分量q i ，能使
系统具有很好的机械特性和优良的动态性能，由于永磁同步电机转子结构的多样性，其定子电流控制模式也多种多样，对应不同的转子结构，主要有d i =0控制、MTPA(最大转矩电流比)控制、单位功率因数控制和恒磁链控制等控制方法，图2采用的是MTPA 控制框图。

4.1新时达ME500变频器的优势
● 突加负载能力突出
挤出机的工作过程中，物料的挤压过程，是负载不断变化的过程，需要电机对负载变化有较快的响应，如图3所示，在5%额定转速下突加1.5倍额定负载，变频器输出电流波形在很短时间（0.46s ）内即可恢复正常。

图3 突加负载曲线
● 低速带载能力强
挤出机在应用过程中，有时需要低频启动，由于螺杆的惯量较大，需要的启动转矩也较大，尤其在没有编码器的情况下，很容易造成启动过流，ME500变频器提供较强的启动能力，如图4所示，在5%的额定转速下带2.21倍额定负载，电流幅值平稳，低速带载能力达到2倍以上，采用开环控制时，最大实现1.5倍带载启动，完全满足挤出机低速带载能力的要求。

图4 低速带负载曲线
●转速稳态精度高
通过新时达ME500变频器高性能的同步电机控制算法，永磁同步电机可以
稳定的运行在各个不同的频率点。

在不同负载（1.0、1.2、1.5倍额定负载）
测试电机的转速和带载之后的电机转速，其中在1.5倍负载时，电机转速稳态
精度仍然可达到0.1％，橡胶的基础效果依然非常好。

●节能效果明显
针对挤出机节能要求，ME500变频器采用高效率的MTPA算法和独特的低损
耗调制算法，降低变频器自身30%的损耗。

自动调整适合挤出机应用的节能运
行曲线，提高系统节能率。

4.2交流永磁同步电机的优势：
众所周知，永磁电动机采用永磁体励磁，不再需要无功励磁电流，可以显
著提高功率因数，减小定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子
电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风阻摩擦损耗，从而使其效率和功率因数比同规格感应电动机高。

而
且在轻载时仍可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。

同时，永磁电机可以实现在较高的功率因数下低速大转矩运行，这是直流驱动
系统无法实现的。

●能效高
交流永磁同步电机总体效率较高（可达到96％以上）。

采用交流调速系统，运行性能优异、节能效果显著、降低运营成本，恒转矩设备节电率在15～30％，一般在20％左右。

●维护成本低
永磁同步电机无电刷和换向器，不易出现故障，维修非常简单。

永磁同步
电机可靠性和运行效率高，免维护，所以能在恶劣环境中安全运转，对使用场
合的限制少。

●功率因数高
采用永磁体励磁，不消耗无功，系统整体功率因数可达到0.96。

●调速性能好
交流调速方法中矢量控制和直接转矩控制可以控制动态电磁转矩，它们的
控制性能可以达到甚至超过直流调速系统。

●动态响应好
转子惯量远小于直流电机，在要求频繁起制动的轧机应用中，能够实现更
高的动态性能。

●低速扭矩性能好
通过对矢量控制或直接转矩控制策略的改进，可以大大降低转矩脉动，降
低噪声，使电机可以运行于极低速下。

●调速范围大
交流永磁同步电机没有换向器，调速范围不受限制。

5.新时达ME500变频器+永磁同步电机现场应用
挤出机的使用环境相对比较恶劣，粉尘较多，运行振动也较大，在电机的
控制模式选择上，没有采用编码器作为测速反馈，而采用无速度传感器矢量控制，避免了速度传感器带来的种种限制，而且还可以提高系统的可靠性，降低
系统的成本，减少电机与控制器的连接线。

无速度传感器矢量控制可以获得接
近闭环控制的性能，适用于恒转矩运行场合。

山东某轮胎公司的橡胶挤出机采用新时达ME500变频器驱动永磁同步电机
驱动方案应用，现场应用能效效果非常好，以下是改造前后能效对比。

图5效率曲线对比
图6功率因数曲线对比
6.结束语
近一两年来，中国橡胶工业发展速度放缓，采用新工艺、使用新技术是橡
胶企业提升市场竞争力强有效的措施。

橡胶挤出机作为橡胶生产中的主要加工
设备，与其他橡胶加工设备相比，其应用领域广泛，显示出了巨大的市场潜力。

此次新时达高性能ME500变频器结合永磁同步电机成功应用在挤出机上应用，也是新时达在技术上不断开拓进取的一个缩影。