轻工行业中的变频器系统设计与应用第5讲变频器在食品机械中的应用

2010-05-29浙江工商职业技术学院李方园

自动化博览 2010年9期

浙江工商职业技术学院李方园

1 前言

当今的食品机械产业得到了飞速发展，其发展趋势为：（1）便于操作，安全可靠，维护简便；（2）坚固耐用，即使操作不当，也不易发生故障；（3）重量轻、体积小；（4）使生产的产品质量稳定、效率提高。而作为电机驱动装置的变频器将在一定程度上改变食品机械的整体装备水平。

本文将主要阐述变频器在食品机械上的设计与应用。

2 变频器在食品机械中的主要应用对象

变频器在食品机械上的应用功效基于以下两点：（1）增加产量、降低成本。变频器可以提高食品机械的生产技术，使产品产量和品质都得到提高，并能有效节约成本，实现利润最大化；（2）实现控制的软件化，提高功能，通过转矩补偿、防止失速和重合闸等功能，实现不跳闸运行。

表1 食品机械应用变频一览表

如何选取合适的变频器来满足日益增长的食品机械现代化的要求是目前摆在众多食品机械制造商面前的一个棘手问题，该类型的变频器必须能够适合食品制造的环境、符合食品类负载的变化、贴近用户的心里需求（价位、售后服务和操作）。

表1所示为可以采用变频调速的食品机械简表。

3 变频器在食品传输系统中的应用

在食品机械中，传输系统被大量地使用，比如蛋糕烘烤前必须由传输带进行送料，并按照烘烤工艺匀速地通过烘烤箱，这里面就涉及两个传送设备，即送料输送带和烘烤线输送带，两者的速度必须匹配，能方便同升同降。以前，这样的设备调速基本都采用手动机械式有级变速（比如更换皮带轮大小或者齿轮箱变速比等），但现在采用变频调速后就能大大扩展调速范围，且能实现无级调速。

图1 变频器在食品传输系统中的应用

类似的瓶装饮料生产线（如图1上），粉状体原料计量包装线等都将会用到变频传输系统。在传输系统中，用户可以根据原材料大小和材质来控制传输带速度，保证质地均匀；同时根据不同的传输系统间的速度配比要求来实现速度同步和微调等功能。由于不同的工况需要不同的速度源来控制传输系统的驱动部件，这就要求变频器能够具有更多的频率源和运行方式。汇川MD320可谓是食品机械OEM变频器的典型，它具有三种运行命令通道（操作面板给定、控制端子给定和串行通讯给定）且能通过多种方式进行相互间的切换；它具有10种频率源（数字给定、模拟电压给定、模拟电流给定、脉冲给定、串行口给定等）和10种辅助频率源，可以相互切换并能灵活实现辅助频率微调和频率合成。

在图1下中，MD320变频器被用在瓶装饮料生产线中的传送驱动控制，通过变频器的使用，它能达到以下的几个功效：

（1）大大提高产量

在无速度传感器矢量控制方式中(SVC)，MD320的控制范围为1:100，控制精度为±0.5%。针对不同的食品制造工艺可以方便地控制传输系统的主速度，同时其他传输设备会自动地同步匹配，而无需人工调节。这样就可以方便地通过调节速度来提高产量。

（2）发挥异步电机的优点

采用变频器来调速无需增加额外的机械调速机构，因此传输系统将更加紧凑轻巧，齿轮异步电机的运行也更有效率。由于传输系统的执行机构单单是电机本身，而无额外的机械部件，仅仅采用对电机的防护等级提高就能应用在潮湿的环境中或户外或防暴场合，而这些环境常常是食品机械中常见的工况，如饮料生产线、鱼肉制作生产线和食用酒精生产线等。同样，变频调速避免了类似直流电机调速中更换炭刷或者换向器的繁琐维护作业。当然，对于某些以前定速运行的异步电机传输系统，应用变频调速也非常简单有效，只需增加变频器即可完成改造。

（3）软启动和软停止功能。

在传输系统，如果全速启动会导致物件的损坏，如图1中的瓶装生产线。而采用变频调速后就能非常轻松地实现零速满载启动，MD320在SVC控制方式下提供0.5Hz的150%的启动转矩，因此在克服启动摩擦转矩的同时平稳地启动。同时，在停车时变频器也能提供软停止功能。图1下是关于MD320变频器的频率/时间曲线，其加速时间和减速时间可以在0~3000s调整，加减速曲线可分直线和S曲线两种，并内置4种加减速时间（通过端子来选择）。

（4）运行功能完备

启动、停止、点动（正向或反向），反向运行都能轻松地通过端子引线和端子参数定义（F4组）来实现。电机的正反转功能在工频中需要不同的接触器，而变频器只需改变输出相序即可实现。而同时，MD320变频器能够设定禁止反转功能（F8.13＝1）来实现特殊工艺下的操作。制动是变频运行的一个常见功能，在图1中，MD320变频器接了制动电阻来实现快速制动，以处理制动过程中的再生能量。

（5）超越额定转速运行

变频器本身允许电机在0到最大输出频率之间运行，只要电机在超越额定转速运行时不过载都能实现超速运行。

（6）提高输送精度

比如在粉状体原料输送系统中采用变频器MD320后，它能按比例控制粉状原料的传送速度，传送带上的粉状体原料均匀装载也可极方便地实现，从而提高了送料精度，最终保证了食品包装的精度。

4 变频器在食品搅拌装置中的应用

混合搅拌机是食品机械中用的最多的一种，包括高速搅拌水点心发泡料、超低速搅拌馅料等机械。搅拌机基本上是恒转矩负载，要求变频器调速范围大，抗过载能力强。在搅拌装置中，根据材料的变化来控制电机转速，以便设定最佳的搅拌条件。

变频器具有高启动转矩，通过选择VC矢量控制方式，能够实现在0Hz时的180%的启动转矩，同时具有高过载能力150%额定电流60s、180%额定电流1s，而且它还具有“挖掘机”特性，能对运行期间的转矩自动限制，防止频繁过流跳闸；在VC闭环控制时，更能实现转矩控制。因此，MD320能保证搅拌装置所必需的低速大转矩和全频域平稳加减速功能。

图2 变频器在搅拌机中的应用

搅拌装置经常会处理一些粉状或粘稠状物料（如糖果汁、淀粉等），这些物料在温度和湿度等影响下，会堵住搅拌装置的叶轮并使启动转矩增大，所以很多变频器根本就无法启动，从而会采用一种额外的“土”办法：先采用工频切换后在电网工频电源启动，再把它切换到变频器运行。MD320由于采用高性能矢量控制，通过安装编码器来实现更高的启动转矩，即VC控制下的0Hz时180%的启动转矩。当然前提条件是：在合理负载转矩情况下，选择电机及变频器的容量。这类负载应该归于重载类，可以按经验高选一档。

图2所示是一种处理液体饮料的搅拌装置，原先采用一台电机同轴驱动两台搅拌机以保证同步处理，现在改为两台变频器MD320来分别控制各自的搅拌机，但最终效果必须保持同步。

在本搅拌装置中采用了矢量控制的变频器MD320，它是通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，从而可以实现转矩的快速响应和准确控制，同时以很高的控制精度进行宽范围地调速运行。矢量控制变频器的基本工作原理是：频率指令和实际速度的比较值通过一个速度调节器ASR后再进行转矩限定，最后来控制变频器的输出转矩。该控制图分为2个闭环（速度环和电流环），限转矩的作用就是用来限定速度调节器输出的转矩电流，将直接限制变频器的输出频率。

具体控制原理为：VF1为主机，其按照PLC设定地速度进行闭环VC控制方式运行，然后PLC读取VF1速度实际值，在此值的基础上再叠加＋3%的速度值，发送给VF2变频器，根据变频器VF1的转矩值来限定VF2的转矩，这样就能保证VF1和VF2的输出转矩基本一致，也就能保证同步转矩运行（比速度同步更能反映搅拌工艺的质量）。

汇川MD320变频器的参数设置如下：

主机VF1：FO-01=1（有速度传感器控制方式VC）；FO-02=2（串行口通讯运行命令）；F2-11=1024（编码器脉冲数）；F2组其他参数用于设定ASR数据。

副机VF2：FO-01=1（有速度传感器控制方式VC）；FO-02=2（串行口通讯运行命令）；F2-09=0（转矩上限值为F2-10）；F2-10=X（转矩上限值为通讯设定）；F2-11=1024（编码器脉冲数）；F2组其他参数用于设定ASR数据。