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

【關鍵詞】螺桿擠出機、基頻制電機、伺服驅動器

1  塑料螺桿擠出機現狀

      近幾年來中國塑料機械工業的年增長率都在30%左右，利潤率增長也遠高于工業總產值的增長，是中國機械行業中增長最快的產業之一。目前中國生產的塑料加工機械已可以滿足國內的基本需要，但與世界先進水平相比，中國塑料加工機械在質量穩定性、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以及塑機機械生產行業帶來了嚴峻的考驗，進一步提高擠出機械的精密度和質量是塑料行業發展的必然趨勢。

      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，并經螺桿連續地定溫、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格。

      一臺擠出機主機由擠壓、傳動、加熱三部分系統組成。擠壓系統主要由螺桿和機桶組成，是擠出機的關鍵部分；傳動系統中起作用是驅動螺桿，要保證螺桿在工作過程中具備所需要的扭矩和轉速；加熱系統主要來保證物料和擠壓系統在成型加工中的溫度控制；擠出設備輔機的組成根據制品的種類而定。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。

      塑料加工生產工藝要求螺桿擠出機的電機系統要低轉速(通常螺桿機工作的轉速在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是由普通異步電機、變頻器及減速機構（齒輪箱及皮帶輪）組成。存在效率低、調速范圍窄、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，無法滿足質量要求）、而齒輪箱的定期保養維護工作也較繁瑣，并且在生產過程中減速機構潤滑油的泄漏也造成工作環境的污染。我公司和某塑料機械生產企業合作，針對該公司現有的塑料吹膜機械進行了改造，以提高該塑料機械的技術含量和產品的競爭力，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，替代原螺桿擠出機電機系統，改善了以上的不足，為此類機械的升級換代提供了一種創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

      大連安迪數控技術有限公司是由留日海歸博士和國內自動化學者共同投資組建的高新技術企業。專門從事于交流永磁同步伺服系統和交流異步伺服系統的研發、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動器基于高性能DSP+IPM的硬件平臺，性能穩定、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等進口數控系統及廣州數控、華中數控、臺達數控、大連數控等國產數控系統，廣泛應用于機床主軸、包裝印刷、紡織印染、橡塑機械等行業，可有效改善設備性能、提高產成品質量、提高生產效率、提升工藝、降低成本。

      本項目采用安迪異步伺服電機系統——低速大扭矩基頻制電機加編碼器和異步伺服驅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中的減速機（齒輪箱），使整套設備機械結構得到簡化，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量要求，而且還具備節約電能、便于維護、利于環保等優點，提高了企業在同行中的競爭力。

2.1 改造前、后系統構成對比

2.2 改造前、后控制方式對比

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

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。而選用的基頻制電機采用增加電機極數、降低電機基頻的方法，使電機的額定轉速降到350rpm以下，并且電機的輸出轉矩大幅度提高，因而可以減小中間速比、取消齒輪箱。為防止故障堵轉損壞電機，而保留了一級皮帶傳動。 

     變頻器調速在電機的基頻點是效率和輸出轉矩的最高點，根據其特征曲線，在基頻以下輸出轉矩和效率都有所下降。因此，為了低速時保證足夠的輸出轉矩，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矩輸出，并有三倍額定轉矩以上的過載能力。因而采用ADSD-AS異步伺服控制系統可以保證螺桿擠出機在較低的轉速到額定轉速之間輸出轉矩不小于額定轉矩。根據變頻器控制電機低速時的轉矩下降曲線，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。

     原系統采用變頻開環速度控制方式，速度精度不高，當負載發生變化時，響應速度跟不上，且不能自動調整系統積累誤差。所以，制成品厚薄不均，質量很難保證、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動基頻制電機，由于其調速范圍小，低速轉矩不足，在低頻時工作狀態不佳。在低于10Hz的情況下，力矩明顯不足。ADSD-AS異步伺服驅動器具有較寬的調速范圍，且低頻力矩特性良好，可在低速時平穩精確的控制電機，以保障螺桿速度的穩定。對于生產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優勢。

3  經濟效果分析

      通過廣泛比較，采用ADSD-AS異步伺服控制系統的成本與原變頻調速控制系統成本基本持平或略高。伺服驅動器+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、減化了安裝調試過程、降低了設備機械方面的維護成本。 

     經實測，改造后的擠出機綜合節電率達30-40%，節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，連續工作一天24小時，節電180度（此類機械需要預加熱過程，故連續生產最為經濟）。按工業用電0.8元/度,一個月按25天計算，每月節約電費3500元。三個月的節電費用已完全可以收回因采用伺服控制系統所增加的成本，以后的節電費用便可以大大降低用戶的生產成本。并且產品質量的提高也是潛在的收益。

4 結論  

      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與傳統變頻控制方式比有較大技術優勢，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在同行中的競爭力，并最終帶來一定的經濟效益。值得推廣。