通过选择先进的驱动器实现挤出机节能

作者：Martin Bastian    来源：德国Kunststoffe international杂志

欢迎访问e展厅 展厅 2 塑料挤出机展厅 片材生产线, 单螺杆挤出机, 双螺杆挤出机, 板材生产线, 木塑挤出机, ... 选择协调和节能的加工部件，加上一个合适的加工过程设置，能够节约能源，并降低挤出的操作成本。通过选择先进的节能技术，单单从驱动器这一项就可以获得很大程度的能源节能。 在过去，直流电机特别被用作挤出驱动单元，因为其具有很好的启动性能并且易于控制。由于其简单的控制系统，购买它们也便宜。 它们由载流、固定定子和马达组成，在采用直流电机的情况下，都由并联电路、激励电流和电枢电流供电。激励电流增强电场，因为转子由于洛伦兹力和其生成的扭矩而旋转。转子的绕组（windings）被连接到一个转换器上，该转换器反转电流。转换器上的碳刷被进行了排列，以便转子旋转期间其能转换转子绕组的极性，因此流经这些线圈的电流横向向激励场运动(图1所示)。 刷子用能提供低摩擦和良好接触性的一种材料制成。通常混合有部分铜粉、具有自润滑性能的石墨被采用。和转换器的接触，使润滑膜在集电极上形成。如果冷空气的流动或者高分子产品中的臭氧暴露，又或者石蜡暴露过多的话，碳刷会承受极大的摩擦。 碳刷为耐磨部件，并且每6到12个月就必须更换。确切的时间间隔取决于操作模式。这些维护措施也为清洁马达外壳提供了机会，并总是会导致生产中断。 具有整流式变流器的直流电机的一个主要缺点是在低速和中速时具有高的无功电流，也会有大量的热生成，这需要能源密集的风扇来冷却。 大直流马达的速度实际上不受载荷的影响。直流马达具有很好的短期过载能力。在挤出过程中，在爆发点的开始扭矩和开始电流能达额定扭矩或者电流的1.8倍。 现在，由于更具有能量效率的三相驱动的增加使用，直流驱动的数量正不断下降。用于频率转换器和可能更为昂贵的马达的投资额外成本，通常能在两年内由连续运转所节约的能量来收回。 三相异步电动机为鼠笼式电动机，由于简单的结构、坚固的设计、低制造成本、长使用寿命和少量维护保养，它现在多种工业应用领域被用作电动机。 当用频率转换器来操作时它具有高的过载容量、即使在磁场减弱的范围内也有高的效率，以及高功率的输出。异步电动机的旋转磁场由定子电流生成。其速度滞后于旋转场速度的滑动 (异步行为)。因此异步电动机比同步电动机具有更低的效率，但是比直流电机的高。 因为滑动，就需要一种复杂的电动机模式来更好地控制扭矩和速度。如果计算的在逆变器驱动程序中的功率可靠的话，现在这就不再是一个问题。在部分载荷范围内，异步电动机的效率急剧下降。然而，这可以通过一个智能变频开关在部分载荷时转换电动机到一个更小的模式、在全载荷时以节能电机模式运行来被补偿。 对于永久磁铁三相同步电动机(图2所示)，转子由粘合的钕－铁－硼磁铁来生成磁场，因此不需要额外损失电来生成。此事实证明同步电动机具有很高的效率。这些电动机不像三相异步电动机一样，其没有滑动。在同步电动机中，转子速度等于电磁旋转场，也就是说转子和旋转场同步转动。因此，在转子中没有电压被诱导生成。同步电动机适用于挤出生产，因为它们具有高的效率并且免维护保养。 除了上述这些需要一个附加的减速齿轮单元来将电动机速度降低到螺杆速度水平的高速电动机外，还有直接驱动电动机。挤出机种所采用的是高扭矩电动机和CMG Knödler紧凑型电动机齿轮。 扭矩电机(图3所示)是一种多极同步伺服电机，其转子磁场由永久磁铁生成。如果操作点选择适当的话，其能获得很高的效率，此外也不会被齿轮所降低。然而在低转速和升高扭矩载荷的情况下，主要由来自自动场的系统效率在一些情况下可能大量恶化，其程度取决于产品设计。电动机由水来冷却，因此很安静。由于其用于生产高扭矩而需的高极数和空气隙的必要大的表面积，与高速同步电动机相比，扭矩电动机具有相对大的直径，因而具有大的中心距离。其通常比购买一个电动机/齿轮解决方案成本更高，但这可由其在使用寿命内所具有的更低能量消耗来得以补偿。扭矩电动机能被定制来在部分载荷速度范围内增加其效率，此性能让挤出应用领域的用户更感兴趣。这种电动机具有很高的速度稳定性，这有助于达到高的机器精度。扭矩电动机的很高动力学行为和挤出机驱动没有很高的相关性，但对于自动化技术和挤出机下游操作，诸如薄膜拉伸和缠绕装置而言却令人感兴趣。 CMG Knödler驱动器也是直接驱动的，并且由通过所加扭矩驱动一个共同主齿轮的四个小型异步电动机所构成。这种布置有利于实现装置紧凑的设计。由于其较低的圆周速度和系统所采用的水冷却方式，驱动器很安静。 一台挤出机驱动器的寿命周期成本的任何考虑表明电力占到了总成本的90%以上。即便是成本密集型的电动机的获得和维护成本也只占总成本的一小部分，这就是为什么在大部分情况下一台节省能量、更为昂贵的驱动器相比于节能性能差的机器更为经济的原因。除了购买高效的驱动器以外，客户的目的应该是使整体系统效率最大化以便于使运营成本最小化。对于一台高效节能的同步电动机、包括变频装置而言，这个事实由图4得以说明。对于更为便宜和不太高效节能的驱动器而言，对于所选的10年折旧和评估周期和0.1 EUR/kWh的电价（德国）而言，电力成本将会构成平均更高的比例。 在位于德国维尔茨堡的SüddeutschesKunststoff-Zentrum (SKZ)，一些上述挤出驱动器正在由联邦经济部(BMWi)通过工业研究协会“Otto von Guericke”集团协作而提供的赞助下被进行评价。这个由德国机械设备制造商协会领导的研究项目通过与不同的工业公司合作来进行。这些驱动器通过测量在不同功率类别上其中的效率来被进行经济和生态地评价。 直流电动机的特点是在部分载荷下效率显著下降并伴随速度的降低(图5和6所示)。和小机器相比，更大机器的典型电动机特征是在其额定功率范围内具有更大的效率(图7所示)。这种由更大额定功率驱动器的相对损失下降所引起的效率增加能转移到所有在研究中的所有类型的电动机中。 一台直流电动机和一台同步电动机的测量效率的直接比较表明，同步电动机的更高效率产生于其在额定功率点大为提高的效率和在部分载荷范围内小得多的降低(图8所示)。如果因生产的原因需要挤出过程频繁地在部分载荷下来被运行，能量考虑将决定同步电动机的使用。 为了从被测试电动机的效率特征来进行判断，在一些情况下通过效率方面的急剧下降来降低电动机速度和降低扭矩被同时进行(图9所示)。因此，在挤出机中的操作点应位于靠近电机额定操作点附近。由过分谨慎引起并常导致装置在不适宜的部分载荷范围内被进行操作的传动系统各个部件选择参数的裕度因为能量的原因应该被避免。 通过选用高效节能部件能量能被节约并且运行成本降低，其适合于加工并且依靠于合适的加工控制。挤出机驱动器应该依据额定操作点来选择并且应该购买市场上可提供的最高效率的机器。已有设备的改装常常也是可能和适当的。投资计划的通常特征是为了实现快速回报，并且还没考虑生态和经济方面的意义。即使其折旧期是三年并且更长的时间，通过节能方面的投资也可能实现更高的投资回报。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (8/18/2010)