浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李方園

1 前言

當(dāng)今的食品機(jī)械產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)為：（1）便于操作，安全可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便；（2）堅(jiān)固耐用，即使操作不當(dāng)，也不易發(fā)生故障；（3）重量輕、體積??；（4）使生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、效率提高。而作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的變頻器將在一定程度上改變食品機(jī)械的整體裝備水平。

本文將主要闡述變頻器在食品機(jī)械上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2 變頻器在食品機(jī)械中的主要應(yīng)用對(duì)象

變頻器在食品機(jī)械上的應(yīng)用功效基于以下兩點(diǎn)：（1）增加產(chǎn)量、降低成本。變頻器可以提高食品機(jī)械的生產(chǎn)技術(shù)，使產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)都得到提高，并能有效節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化；（2）實(shí)現(xiàn)控制的軟件化，提高功能，通過(guò)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償、防止失速和重合閘等功能，實(shí)現(xiàn)不跳閘運(yùn)行。

表1 食品機(jī)械應(yīng)用變頻一覽表

如何選取合適的變頻器來(lái)滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的食品機(jī)械現(xiàn)代化的要求是目前擺在眾多食品機(jī)械制造商面前的一個(gè)棘手問(wèn)題，該類(lèi)型的變頻器必須能夠適合食品制造的環(huán)境、符合食品類(lèi)負(fù)載的變化、貼近用戶(hù)的心里需求（價(jià)位、售后服務(wù)和操作）。

表1所示為可以采用變頻調(diào)速的食品機(jī)械簡(jiǎn)表。

3 變頻器在食品傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

在食品機(jī)械中，傳輸系統(tǒng)被大量地使用，比如蛋糕烘烤前必須由傳輸帶進(jìn)行送料，并按照烘烤工藝勻速地通過(guò)烘烤箱，這里面就涉及兩個(gè)傳送設(shè)備，即送料輸送帶和烘烤線輸送帶，兩者的速度必須匹配，能方便同升同降。以前，這樣的設(shè)備調(diào)速基本都采用手動(dòng)機(jī)械式有級(jí)變速（比如更換皮帶輪大小或者齒輪箱變速比等），但現(xiàn)在采用變頻調(diào)速后就能大大擴(kuò)展調(diào)速范圍，且能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。

圖1 變頻器在食品傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

類(lèi)似的瓶裝飲料生產(chǎn)線（如圖1上），粉狀體原料計(jì)量包裝線等都將會(huì)用到變頻傳輸系統(tǒng)。在傳輸系統(tǒng)中，用戶(hù)可以根據(jù)原材料大小和材質(zhì)來(lái)控制傳輸帶速度，保證質(zhì)地均勻；同時(shí)根據(jù)不同的傳輸系統(tǒng)間的速度配比要求來(lái)實(shí)現(xiàn)速度同步和微調(diào)等功能。由于不同的工況需要不同的速度源來(lái)控制傳輸系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件，這就要求變頻器能夠具有更多的頻率源和運(yùn)行方式。匯川MD320可謂是食品機(jī)械OEM變頻器的典型，它具有三種運(yùn)行命令通道（操作面板給定、控制端子給定和串行通訊給定）且能通過(guò)多種方式進(jìn)行相互間的切換；它具有10種頻率源（數(shù)字給定、模擬電壓給定、模擬電流給定、脈沖給定、串行口給定等）和10種輔助頻率源，可以相互切換并能靈活實(shí)現(xiàn)輔助頻率微調(diào)和頻率合成。

在圖1下中，MD320變頻器被用在瓶裝飲料生產(chǎn)線中的傳送驅(qū)動(dòng)控制，通過(guò)變頻器的使用，它能達(dá)到以下的幾個(gè)功效：

（1）大大提高產(chǎn)量

在無(wú)速度傳感器矢量控制方式中(SVC)，MD320的控制范圍為1:100，控制精度為±0.5%。針對(duì)不同的食品制造工藝可以方便地控制傳輸系統(tǒng)的主速度，同時(shí)其他傳輸設(shè)備會(huì)自動(dòng)地同步匹配，而無(wú)需人工調(diào)節(jié)。這樣就可以方便地通過(guò)調(diào)節(jié)速度來(lái)提高產(chǎn)量。

（2）發(fā)揮異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

采用變頻器來(lái)調(diào)速無(wú)需增加額外的機(jī)械調(diào)速機(jī)構(gòu)，因此傳輸系統(tǒng)將更加緊湊輕巧，齒輪異步電機(jī)的運(yùn)行也更有效率。由于傳輸系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)單單是電機(jī)本身，而無(wú)額外的機(jī)械部件，僅僅采用對(duì)電機(jī)的防護(hù)等級(jí)提高就能應(yīng)用在潮濕的環(huán)境中或戶(hù)外或防暴場(chǎng)合，而這些環(huán)境常常是食品機(jī)械中常見(jiàn)的工況，如飲料生產(chǎn)線、魚(yú)肉制作生產(chǎn)線和食用酒精生產(chǎn)線等。同樣，變頻調(diào)速避免了類(lèi)似直流電機(jī)調(diào)速中更換炭刷或者換向器的繁瑣維護(hù)作業(yè)。當(dāng)然，對(duì)于某些以前定速運(yùn)行的異步電機(jī)傳輸系統(tǒng)，應(yīng)用變頻調(diào)速也非常簡(jiǎn)單有效，只需增加變頻器即可完成改造。

（3）軟啟動(dòng)和軟停止功能。

在傳輸系統(tǒng)，如果全速啟動(dòng)會(huì)導(dǎo)致物件的損壞，如圖1中的瓶裝生產(chǎn)線。而采用變頻調(diào)速后就能非常輕松地實(shí)現(xiàn)零速滿(mǎn)載啟動(dòng)，MD320在SVC控制方式下提供0.5Hz的150%的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此在克服啟動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩的同時(shí)平穩(wěn)地啟動(dòng)。同時(shí)，在停車(chē)時(shí)變頻器也能提供軟停止功能。圖1下是關(guān)于MD320變頻器的頻率/時(shí)間曲線，其加速時(shí)間和減速時(shí)間可以在0~3000s調(diào)整，加減速曲線可分直線和S曲線兩種，并內(nèi)置4種加減速時(shí)間（通過(guò)端子來(lái)選擇）。

（4）運(yùn)行功能完備

啟動(dòng)、停止、點(diǎn)動(dòng)（正向或反向），反向運(yùn)行都能輕松地通過(guò)端子引線和端子參數(shù)定義（F4組）來(lái)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能在工頻中需要不同的接觸器，而變頻器只需改變輸出相序即可實(shí)現(xiàn)。而同時(shí)，MD320變頻器能夠設(shè)定禁止反轉(zhuǎn)功能（F8.13＝1）來(lái)實(shí)現(xiàn)特殊工藝下的操作。制動(dòng)是變頻運(yùn)行的一個(gè)常見(jiàn)功能，在圖1中，MD320變頻器接了制動(dòng)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，以處理制動(dòng)過(guò)程中的再生能量。

（5）超越額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行

變頻器本身允許電機(jī)在0到最大輸出頻率之間運(yùn)行，只要電機(jī)在超越額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)不過(guò)載都能實(shí)現(xiàn)超速運(yùn)行。

（6）提高輸送精度

比如在粉狀體原料輸送系統(tǒng)中采用變頻器MD320后，它能按比例控制粉狀原料的傳送速度，傳送帶上的粉狀體原料均勻裝載也可極方便地實(shí)現(xiàn)，從而提高了送料精度，最終保證了食品包裝的精度。

4 變頻器在食品攪拌裝置中的應(yīng)用

混合攪拌機(jī)是食品機(jī)械中用的最多的一種，包括高速攪拌水點(diǎn)心發(fā)泡料、超低速攪拌餡料等機(jī)械。攪拌機(jī)基本上是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，要求變頻器調(diào)速范圍大，抗過(guò)載能力強(qiáng)。在攪拌裝置中，根據(jù)材料的變化來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，以便設(shè)定最佳的攪拌條件。

變頻器具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通過(guò)選擇VC矢量控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)在0Hz時(shí)的180%的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)具有高過(guò)載能力150%額定電流60s、180%額定電流1s，而且它還具有“挖掘機(jī)”特性，能對(duì)運(yùn)行期間的轉(zhuǎn)矩自動(dòng)限制，防止頻繁過(guò)流跳閘；在VC閉環(huán)控制時(shí)，更能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。因此，MD320能保證攪拌裝置所必需的低速大轉(zhuǎn)矩和全頻域平穩(wěn)加減速功能。

圖2 變頻器在攪拌機(jī)中的應(yīng)用

攪拌裝置經(jīng)常會(huì)處理一些粉狀或粘稠狀物料（如糖果汁、淀粉等），這些物料在溫度和濕度等影響下，會(huì)堵住攪拌裝置的葉輪并使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，所以很多變頻器根本就無(wú)法啟動(dòng)，從而會(huì)采用一種額外的“土”辦法：先采用工頻切換后在電網(wǎng)工頻電源啟動(dòng)，再把它切換到變頻器運(yùn)行。MD320由于采用高性能矢量控制，通過(guò)安裝編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即VC控制下的0Hz時(shí)180%的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)然前提條件是：在合理負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況下，選擇電機(jī)及變頻器的容量。這類(lèi)負(fù)載應(yīng)該歸于重載類(lèi)，可以按經(jīng)驗(yàn)高選一檔。

圖2所示是一種處理液體飲料的攪拌裝置，原先采用一臺(tái)電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)攪拌機(jī)以保證同步處理，現(xiàn)在改為兩臺(tái)變頻器MD320來(lái)分別控制各自的攪拌機(jī)，但最終效果必須保持同步。

在本攪拌裝置中采用了矢量控制的變頻器MD320，它是通過(guò)對(duì)電機(jī)磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制，從而可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，同時(shí)以很高的控制精度進(jìn)行寬范圍地調(diào)速運(yùn)行。矢量控制變頻器的基本工作原理是：頻率指令和實(shí)際速度的比較值通過(guò)一個(gè)速度調(diào)節(jié)器ASR后再進(jìn)行轉(zhuǎn)矩限定，最后來(lái)控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩。該控制圖分為2個(gè)閉環(huán)（速度環(huán)和電流環(huán)），限轉(zhuǎn)矩的作用就是用來(lái)限定速度調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩電流，將直接限制變頻器的輸出頻率。

具體控制原理為：VF1為主機(jī)，其按照PLC設(shè)定地速度進(jìn)行閉環(huán)VC控制方式運(yùn)行，然后PLC讀取VF1速度實(shí)際值，在此值的基礎(chǔ)上再疊加＋3%的速度值，發(fā)送給VF2變頻器，根據(jù)變頻器VF1的轉(zhuǎn)矩值來(lái)限定VF2的轉(zhuǎn)矩，這樣就能保證VF1和VF2的輸出轉(zhuǎn)矩基本一致，也就能保證同步轉(zhuǎn)矩運(yùn)行（比速度同步更能反映攪拌工藝的質(zhì)量）。

匯川MD320變頻器的參數(shù)設(shè)置如下：

主機(jī)VF1：FO-01=1（有速度傳感器控制方式VC）；FO-02=2（串行口通訊運(yùn)行命令）；F2-11=1024（編碼器脈沖數(shù)）；F2組其他參數(shù)用于設(shè)定ASR數(shù)據(jù)。

副機(jī)VF2：FO-01=1（有速度傳感器控制方式VC）；FO-02=2（串行口通訊運(yùn)行命令）；F2-09=0（轉(zhuǎn)矩上限值為F2-10）；F2-10=X（轉(zhuǎn)矩上限值為通訊設(shè)定）；F2-11=1024（編碼器脈沖數(shù)）；F2組其他參數(shù)用于設(shè)定ASR數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)食品機(jī)械使用變頻器后，可以簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)，提高機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性，降低機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的噪音，大大延長(zhǎng)使用壽命和最大限度地降低故障率，減小企業(yè)維修費(fèi)用；同時(shí)還可以增加產(chǎn)量、降低成本，最終使產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)都得到提高，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化。

[1] 李方園. 變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社. 2006.

[2] 李方園. 變頻器應(yīng)用與維護(hù)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社. 2009.

[3] 李方園. 變頻自動(dòng)化工程實(shí)踐[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社. 2007.