輕工行業中的變頻器系統設計與應用第5講 變頻器在食品機械中的應用

浙江工商職業技術學院 李方園

1 前言

當今的食品機械產業得到了飛速發展，其發展趨勢為：（1）便于操作，安全可靠，維護簡便；（2）堅固耐用，即使操作不當，也不易發生故障；（3）重量輕、體積小；（4）使生產的產品質量穩定、效率提高。而作為電機驅動裝置的變頻器將在一定程度上改變食品機械的整體裝備水平。

本文將主要闡述變頻器在食品機械上的設計與應用。

2 變頻器在食品機械中的主要應用對象

變頻器在食品機械上的應用功效基于以下兩點：（1）增加產量、降低成本。變頻器可以提高食品機械的生產技術，使產品產量和品質都得到提高，并能有效節約成本，實現利潤最大化；（2）實現控制的軟件化，提高功能，通過轉矩補償、防止失速和重合閘等功能，實現不跳閘運行。

表1 食品機械應用變頻一覽表

如何選取合適的變頻器來滿足日益增長的食品機械現代化的要求是目前擺在眾多食品機械制造商面前的一個棘手問題，該類型的變頻器必須能夠適合食品制造的環境、符合食品類負載的變化、貼近用戶的心里需求（價位、售后服務和操作）。

表1所示為可以采用變頻調速的食品機械簡表。

3 變頻器在食品傳輸系統中的應用

在食品機械中，傳輸系統被大量地使用，比如蛋糕烘烤前必須由傳輸帶進行送料，并按照烘烤工藝勻速地通過烘烤箱，這里面就涉及兩個傳送設備，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，這樣的設備調速基本都采用手動機械式有級變速（比如更換皮帶輪大小或者齒輪箱變速比等），但現在采用變頻調速后就能大大擴展調速范圍，且能實現無級調速。

圖1 變頻器在食品傳輸系統中的應用

類似的瓶裝飲料生產線（如圖1上），粉狀體原料計量包裝線等都將會用到變頻傳輸系統。在傳輸系統中，用戶可以根據原材料大小和材質來控制傳輸帶速度，保證質地均勻；同時根據不同的傳輸系統間的速度配比要求來實現速度同步和微調等功能。由于不同的工況需要不同的速度源來控制傳輸系統的驅動部件，這就要求變頻器能夠具有更多的頻率源和運行方式。匯川MD320可謂是食品機械OEM變頻器的典型，它具有三種運行命令通道（操作面板給定、控制端子給定和串行通訊給定）且能通過多種方式進行相互間的切換；它具有10種頻率源（數字給定、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現輔助頻率微調和頻率合成。

在圖1下中，MD320變頻器被用在瓶裝飲料生產線中的傳送驅動控制，通過變頻器的使用，它能達到以下的幾個功效：

（1）大大提高產量

在無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%。針對不同的食品制造工藝可以方便地控制傳輸系統的主速度，同時其他傳輸設備會自動地同步匹配，而無需人工調節。這樣就可以方便地通過調節速度來提高產量。

（2）發揮異步電機的優點

采用變頻器來調速無需增加額外的機械調速機構，因此傳輸系統將更加緊湊輕巧，齒輪異步電機的運行也更有效率。由于傳輸系統的執行機構單單是電機本身，而無額外的機械部件，僅僅采用對電機的防護等級提高就能應用在潮濕的環境中或戶外或防暴場合，而這些環境常常是食品機械中常見的工況，如飲料生產線、魚肉制作生產線和食用酒精生產線等。同樣，變頻調速避免了類似直流電機調速中更換炭刷或者換向器的繁瑣維護作業。當然，對于某些以前定速運行的異步電機傳輸系統，應用變頻調速也非常簡單有效，只需增加變頻器即可完成改造。

（3）軟啟動和軟停止功能。

在傳輸系統，如果全速啟動會導致物件的損壞，如圖1中的瓶裝生產線。而采用變頻調速后就能非常輕松地實現零速滿載啟動，MD320在SVC控制方式下提供0.5Hz的150%的啟動轉矩，因此在克服啟動摩擦轉矩的同時平穩地啟動。同時，在停車時變頻器也能提供軟停止功能。圖1下是關于MD320變頻器的頻率/時間曲線，其加速時間和減速時間可以在0~3000s調整，加減速曲線可分直線和S曲線兩種，并內置4種加減速時間（通過端子來選擇）。

（4）運行功能完備

啟動、停止、點動（正向或反向），反向運行都能輕松地通過端子引線和端子參數定義（F4組）來實現。電機的正反轉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現。而同時，MD320變頻器能夠設定禁止反轉功能（F8.13＝1）來實現特殊工藝下的操作。制動是變頻運行的一個常見功能，在圖1中，MD320變頻器接了制動電阻來實現快速制動，以處理制動過程中的再生能量。

（5）超越額定轉速運行

變頻器本身允許電機在0到最大輸出頻率之間運行，只要電機在超越額定轉速運行時不過載都能實現超速運行。

（6）提高輸送精度

比如在粉狀體原料輸送系統中采用變頻器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現，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用

混合攪拌機是食品機械中用的最多的一種，包括高速攪拌水點心發泡料、超低速攪拌餡料等機械。攪拌機基本上是恒轉矩負載，要求變頻器調速范圍大，抗過載能力強。在攪拌裝置中，根據材料的變化來控制電機轉速，以便設定最佳的攪拌條件。

變頻器具有高啟動轉矩，通過選擇VC矢量控制方式，能夠實現在0Hz時的180%的啟動轉矩，同時具有高過載能力150%額定電流60s、180%額定電流1s，而且它還具有“挖掘機”特性，能對運行期間的轉矩自動限制，防止頻繁過流跳閘；在VC閉環控制時，更能實現轉矩控制。因此，MD320能保證攪拌裝置所必需的低速大轉矩和全頻域平穩加減速功能。

圖2 變頻器在攪拌機中的應用

攪拌裝置經常會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，會堵住攪拌裝置的葉輪并使啟動轉矩增大，所以很多變頻器根本就無法啟動，從而會采用一種額外的“土”辦法：先采用工頻切換后在電網工頻電源啟動，再把它切換到變頻器運行。MD320由于采用高性能矢量控制，通過安裝編碼器來實現更高的啟動轉矩，即VC控制下的0Hz時180%的啟動轉矩。當然前提條件是：在合理負載轉矩情況下，選擇電機及變頻器的容量。這類負載應該歸于重載類，可以按經驗高選一檔。

圖2所示是一種處理液體飲料的攪拌裝置，原先采用一臺電機同軸驅動兩臺攪拌機以保證同步處理，現在改為兩臺變頻器MD320來分別控制各自的攪拌機，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，它是通過對電機磁通電流和轉矩電流的解耦控制，從而可以實現轉矩的快速響應和準確控制，同時以很高的控制精度進行寬范圍地調速運行。矢量控制變頻器的基本工作原理是：頻率指令和實際速度的比較值通過一個速度調節器ASR后再進行轉矩限定，最后來控制變頻器的輸出轉矩。該控制圖分為2個閉環（速度環和電流環），限轉矩的作用就是用來限定速度調節器輸出的轉矩電流，將直接限制變頻器的輸出頻率。

具體控制原理為：VF1為主機，其按照PLC設定地速度進行閉環VC控制方式運行，然后PLC讀取VF1速度實際值，在此值的基礎上再疊加＋3%的速度值，發送給VF2變頻器，根據變頻器VF1的轉矩值來限定VF2的轉矩，這樣就能保證VF1和VF2的輸出轉矩基本一致，也就能保證同步轉矩運行（比速度同步更能反映攪拌工藝的質量）。

匯川MD320變頻器的參數設置如下：

主機VF1：FO-01=1（有速度傳感器控制方式VC）；FO-02=2（串行口通訊運行命令）；F2-11=1024（編碼器脈沖數）；F2組其他參數用于設定ASR數據。

副機VF2：FO-01=1（有速度傳感器控制方式VC）；FO-02=2（串行口通訊運行命令）；F2-09=0（轉矩上限值為F2-10）；F2-10=X（轉矩上限值為通訊設定）；F2-11=1024（編碼器脈沖數）；F2組其他參數用于設定ASR數據。

5 結束語

對食品機械使用變頻器后，可以簡化傳動系統，提高機器運轉的穩定性和可靠性，降低機器運轉的噪音，大大延長使用壽命和最大限度地降低故障率，減小企業維修費用；同時還可以增加產量、降低成本，最終使產品產量和品質都得到提高，實現利潤最大化。

[1] 李方園. 變頻器行業應用實踐[M]. 北京: 中國電力出版社. 2006.

[2] 李方園. 變頻器應用與維護[M]. 北京: 中國電力出版社. 2009.

[3] 李方園. 變頻自動化工程實踐[M]. 北京: 電子工業出版社. 2007.