用于挤出机生产线的高效节能驱动系统

J.C.G.Villar

Kabel.Consult.Ing(德国)

用于挤出机生产线的高效节能驱动系统

J.C.G.Villar

Kabel.Consult.Ing(德国)

摘要：挤出机驱动的改进证实了减少能耗的理想目标是可以实现的。仔细观察挤出机的操作过程将会发现，设备的净功率与装机功率之比非常小，通常将这种情况称作能量不匹配。讨论了挤出机生产线渐进式改进的机遇，这些改进会大大降低成本。还介绍了一种新型的已授权专利的驱动技术。

关键词：挤出机；高效节能；驱动系统

无论是改革还是发展，隐藏在物联网背后的最初想法和步骤已经带领工业世界跨越式发展到一个新的阶段。例如，目前欧洲已将电子驱动的能量效率作为发展的主要因素。IEC 60034-30中，效率等级的定义具有重要意义。这可能是朝正确方向迈出的一步，但远非一个非常完整的答案。通过观察电子驱动的典型应用可以看出，在许多情况下它们都是在部分负荷下运行的，如，应用于输送系统和挤出机的恒定扭矩驱动，以及具有退绕和卷绕设备的可恒定输出。智能驱动系统(图1)可以节约大量的能源，并相应地减少能源成本。

图1　智能驱动系统革命

1物联网

物联网一词代表着第四次工业革命，是以一种新的方式组织和控制整个价值创造链，且这种方式贯穿整个产品生命周期。这个周期既要面向日益个性化的客户的期望，又要涵盖产品最初的理念，它按照合同进行开发和生产，流通至消费者，甚至包括回收利用，以及相关的服务，是这建立在价值链上每个环节相关信息的实时可用性，以及任意给定时间点上对最优价值创造数据的解读能力的基础上。通过对人员、物品、系统的整合，可以在多个组织间创造动态的、实时优化的、自动组建的价值创造网络，并根据多种评价指标(如成本、有效性、资源消耗)来优化这些网络。

2物联网时代的部分负荷和提高的能源成本

在电缆制造过程中，挤出加工仍然是其核心内容。制造设备不仅放置在绝缘导体周围，也赋予高科技电缆产品一些基本特性，如耐火性、阻燃性、电容率和阻抗等。在电缆挤出过程中，通过插入或喂入装置将环形材料(由线圈或套筒提供)喂入挤压机的机头，并在热和压力的作用下，将黏性合成材料加入环形材料中，对其进行涂层。离开挤出机机头后，热电缆线通过一系列的水冷引导辊引导并进行水冷，由传送带装置向横动卷绕装置拔出或推动。挤出系统通常采用高储备功率的恒定转矩和恒定输出的驱动器，但储备的能源不能完全被利用。

即便是目前，偏好选择大功率驱动系统仍被认为是保证机器稳定运行的一个好方法。如果开发工程师不能确定机械载荷、载荷范围或环境条件，为安全起见，可选择一个较大的驱动器，而在特定载荷和速度条件下运行时，必须选择能满足其极限操作条件的驱动器，所以在很多情况下，能量储备是完全有必要的。例如，挤压机传输黏性化合物用于生产高价值产品时，在炎热的夏季，电动机过热和故障都会造成严重的后果。卷绕机构和退绕机构的情况类似，它们都需要较大的发动机。虽然卷绕机并不需要同时产生很高的速度和很大的转矩，但电动机必须能够兼具产生很高的速度和很大的转矩的能力，因此，安装的电源容量应远大于工艺过程中消耗的功率，必须采用高输出的电动机，但输出的能量仅被部分利用。使用转换器可让电动机在弱磁范围内运行，并能扩大卷绕系统的转速范围，从而可调整因过大的驱动系统带来的额外的能源成本。

3智能驱动系统

对于一个标准化的异步电动机(图2)而言，其最大效率,如产生机械输出与所吸收的电功率之比，通常是额定负荷的60%～100%。当其低于额定负荷的25%时，效率显著下降。如果仅考虑效率，则电动机适宜在能使发动机效率达到最大的负荷范围内工作。但如果也考虑使用寿命，则应该选择一个功率稍大的电动机，电动机会有动力储备，且不会那么容易发热，但这将导致其购买价格更高。考虑到这一点，需要建立一个高能效驱动系统。这种高能效驱动系统不仅是经济的、模块化的、免维护的，而且应拥有高精度和好的动力学性能，满足发动机和整个机械传动系统在最优效率范围内工作的可靠性，即使在产量高、参数和工艺变化多的情况下，驱动系统和机械传动系统也能平稳操作。电动机的最佳效率应为额定转速时的(75%±15%)和恒定转矩时的(75%±15%)。

图2　标准电动机的效率

Kabel咨询公司开发了满足这些要求的新系统，并申请了发明专利。新驱动器系统的一个主要优点是额定损耗和驱动电动机的空载损耗比现行的最先进的驱动器低很多。另一优点是，所有驱动机中的机械动力系统都可以在最优效率范围内持续运行。机械驱动或单个动力传动系统的空载转矩比目前最先进的驱动要低很多。合理利用几个小的驱动器，可具有装机功率的恒定输出曲线不明显高于过程耗电量的状态(图3)。尽管如此，在规划阶段，仍有安全等级问题尚未考虑，如外界热环境影响或长时间的过载情况。因此，驱动系统将有一个更优等级的整体效率与优化的能量平衡，以降低能量消耗成本。由于电动机和动力传递部件通常在其最佳效率范围内运行，因此在这个过程内，大多数驱动器都能被有效利用。

新的节能驱动系统被命名为SIGND，已申请专利保护，其属于德国经济事务和能源部筹资计划的一部分。

图3　恒定输出曲线及两种替代情况

谢位 译颜雪 校

Energy-efficient drive system for extrusion lines

JuanCarlosGonzalezVillar

Kabel.Consult.Ing,Monchengladbach/Germany

Abstract:Extruder drives demonstrate that ambitious power reduction goals are within reach. Anyone who takes a closer look at the operating instructions will notice that the ratio of net power requirement to installed power is very small, a condition known as a power “mismatch”. The opportunities to make incremental improvements in extrusion lines that deliver significant cost savings is discussed. In particular, a new (and patented) drive technology is discussed.

Key words:extruder; energy-efficient; drive system