变频器调速在高速斩拌机中的应用

张春元

（天津市肉类联合加工厂，天津市浦英机械有限公司，天津300300）

斩拌机是肉类制品生产制作工艺中的重要设备，更是肠类生产加工必不可少的。它不仅将猪、牛、羊、鱼等各种肉类、脂肪等原料，而且还能够将其它原料附加品，如肉皮、键子肉、等辅料，同肉一起通过转盘锅逆时针低速旋转，不断的向斩拌刀组输送，在转盘锅中作螺旋式运动的同时被高速旋转的斩拌刀组利用切刀高速旋转产生的劈裂作用，将肉及辅料搅拌和切碎，并均匀混合，斩拌成均匀的乳化物，特别是通过高速斩拌使原料肉达到乳化效果，使肠类产品的细密度增加，弹性增强，提高原料肉的利用率。

1 斩拌机的结构及工作原理

斩拌机不论大小分为普通型和高速型两种，刀轴运转速度在4 000 r/min以上的斩拌机称为高速斩拌机，刀组的线速度越高，其斩拌乳化的效果越好，而低于4 000 r/min的斩拌机统称为普通型斩拌机[1]。普通型斩拌机的刀轴传动系统操作流程：先低速、后中速、再高速，运行曲线如图1所示。

图1 斩拌机运转功率及电流示意图Fig.1 The running power and current of chopping machine

图1 显示，原料肉在进入旋转的转盘锅过程中，重量不均，凹凸不平且成团状，首先选择刀轴低速运行是起到均匀搅拌的作用，这就是图中t0-t1电流曲线有较大波动的原因，而当负荷电流逐渐平稳如图中t1-t2，也就是完成了搅拌。这时启动大功率异步电动机（4极）运行，刀轴运转负荷电流，短时间有一个冲击电流t2-t3区间，过后很快衰减趋于平滑。图中t3-t4的这段时间，阻力矩恒定，斩拌转矩平稳，肉料的颗粒明显细化，此时启动刀轴高速（2级）运转是将细化了的微小颗粒再进行深加工，即乳化。从图中t4-t5的区间我们看到转换刀轴高速运转的短时内，除上边提到的不可避免的启动时的冲击电流外，在t5后斩拌机工作电流稳定在恒定的转矩区域内。

2 变频装置在斩拌机中的应用

普通型斩拌机受零部件、加工、装配等因素的影响，系统的故障率比其他部位多，增加维修费用。其次，为保证异步电动机启动转矩和生产工艺要求，采取接触器直接启动，在不到10 min内完成3个速度的转换运行（低、中、高），不仅噪音大，还直接影响其使用寿命。最后，由于启动电流大，造成用户供电压加大，影响其他电器设备的正常运转。

随着社会节能环保意识提升及肉食品开发品种需要，普通型斩拌机不能满足市场需求。目前，国外所使用的高速斩拌机多为直流电动机闭环调速方法。优点是：调速范围大，高、低速运转输出力矩大，升减速平稳，启动冲击电流小，再生制动容易，对电网无大影响；缺点是控制线路复杂，机体庞大，价格昂贵，出现故障维修困难。

为了实现斩拌机高速运行，我们采用了变频器和变频电动机配合控制的方法，满足运行要求。目前，市场上的通用变频器种类多，性能不断提高，功能不断充实、增强，质量越来越有保障。U/F控制的变频器早已实现了转矩功能，并不断的更新换代，改善功能。高动态性能型矢量控制通用变频器具有较高的动态性能，且调速范围广，低频均有转矩提升功能，也称电压补偿功能。

如图2所示的这种变频器，比较理想，静态机械特性硬度大，不怕冲击负荷，低速输出转矩大，很好的解决了变频器低频输出时变频电动机输出转矩不足的问题。另外，变频器启动电流小，只是额定电流的1.2倍～1.5倍，属于软启动性质的设备，不会对电网造成干扰。电源设备容量可以按变频器的容量考虑，与采用工频电网直接启动相比，容量明显减小，节省投资。

图2 变频器低频转矩提升曲线图Fig.2 The graph of the frequency converter low frequency torque

变频器驱动的变频电动机具备了挖土机特性，像直流电动机一样，可以人为地设定其极限输出转矩[2]。变频电动机的矢量控制，在动态性能方面已经赶上或超过了直流调速系统。我们从变频电动机的变频特性中知道，在基频以下运行的变频电动机，是恒力矩输出，在基频以上运行是恒功率输出，如图3所示。

图3 异步电动机变频调速时的控制特性Fig.3 Control feature of asynchronous motor frequency conversion and motor speed

斩拌机在低速搅拌初始，负荷力矩波动大，伴随着较大的电流抖动，而此时用变频器控制的变频电动机正是工作在基频以下的低频运行状态，由于变频器具备低频转矩提升功能和抗冲击功能，保证了变频电动机恒转矩的输出，能满足斩拌机在低速搅拌的力矩要求。而在高速乳化时，电动机运行在基频以上，虽然随着转速的提升输出力矩降低[3]。图3显示，工作在恒功率段，然而负荷阻力矩通过前两级的运行已经明显下降且平稳。对于工作在基频以上，速度提升，转矩下降的恒功率输出恰好是减荷，这种巧合给我们选择变频器控制斩拌机在高速运转提供了一个主要依据。根据这一依据，只要掌握斩拌原料在低速搅拌时的阻力矩和高速乳化时的阻力距，我们就很容易根据这两个重要参数选择购买到相应的变频电动机和低速有补偿的U/F控制的通用变频器，以合理可靠的电气控制，就不难完成变频器调速对高速斩拌的运行控制。

3 结语

经过以上简述，我们分析发现变频器的功能、变频电动机的运行特征，恰好利用在控制高速斩拌机运行方面，提供了利用的条件。变频器控制的变频电动机在高速斩拌机上运行经过了实践，通过了国家的鉴定，并取得了专利证书。在肉类食品加工企业已经应用。价格合理、控制简单、性能可靠的变频调速的高速斩拌机已面向市场，弥补了我国在这一领域的不足，满足肉类食品生产厂家的需求。

[1]吴忠智，吴加林.变频器应用手则[M].2版.北京:机械工业出版社,2002

[2]韩安荣.通用变频器及其应用[M].2版.北京:机械工业出版社,2004

[3]顾绳谷.电动机与拖动基础[M].1版.北京:机械工业出版社,1981